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Vol. 66, No. 13 (2017)

2017年07月05日
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学 总论
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究
金柯, 刘永强, 韩俊, 杨崇民, 王颖辉, 王慧娜
2017, 66 (13): 134201. doi: 10.7498/aps.66.134201
摘要 +
基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90旋转,在3.44.5 m波段偏振转换率大于60%,在35 m光谱范围内的转换对比率大于104.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.
基于电子束剪切干涉的PIE成像技术研究
李元杰, 何小亮, 孔艳, 王绶玙, 刘诚, 朱健强
2017, 66 (13): 134202. doi: 10.7498/aps.66.134202
摘要 +
提出了基于Mllenstedt电子双棱镜的电压扫描剪切干涉全场ptychographic iterative engine (PIE)显微成像技术.从低到高逐步改变电子双棱镜的电压,并同时记录所形成的剪切干涉条纹,待测样品透射电子束的强度和相位分布就可以用PIE算法得以快速重建,而且双棱镜的方向、位置和实际电场强度分布等诸多实验中不可避免地偏差都可以在迭代过程中自动得以更正.所提技术能够克服现阶段用电子束进行PIE成像的诸多技术困扰,从而有望推动PIE技术在电子显微成像领域的发展和应用.
基于增益光纤长度优化的双波长运转掺铒光纤锁模激光器
石俊凯, 纪荣祎, 黎尧, 刘娅, 周维虎
2017, 66 (13): 134203. doi: 10.7498/aps.66.134203
摘要 +
构建了可自启动的双波长运转掺铒光纤锁模激光器.通过优化增益光纤长度,利用掺铒光纤在1530 nm附近的再吸收效应调节激光器的增益谱,使激光器在1530 nm和1560 nm附近具有相同的增益强度.实验中采用31 cm掺铒光纤作为增益光纤,以透射式半导体可饱和吸收体作为锁模器件,实现了自启动双波长锁模运转.激光器锁模输出重复频率为58.01 MHz,信噪比为58.2 dB,最高输出功率为4.8 mW.锁模输出的光谱在1532.4 nm和1552.3 nm处具有两个强度接近的谱峰,谱峰间距约为20 nm.该激光器无需手动调节即可实现双波长运转,更便于实际使用.
InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱的解析函数
刘志勇, 陈海燕
2017, 66 (13): 134204. doi: 10.7498/aps.66.134204
摘要 +
利用洛伦兹线型函数、高斯线型函数和Sech线型函数对InP/InGaAsP多量子阱自发辐射谱进行拟合,采用莱文贝格-马夸特算法,得到上述三种函数的解析表达式.研究结果表明:高斯线型光谱拟合函数的中心波长为1548.651 nm,谱线半极大全宽度为61.42 nm,功率补偿为0.00212 mW,拟合优度为0.99191,残差平方和为2.2650510-6.高斯线型拟合的拟合优度最大,残差平方和最小,且各数据点的残差值分布在0.0001之间,分布比较均匀.高斯线型函数具有较高拟合度.
畸形波电磁散射特性分析及其特征识别标识的研究
吴庚坤, 宋金宝, 樊伟
2017, 66 (13): 134302. doi: 10.7498/aps.66.134302
摘要 +
针对弱非线性的Longuet-Higgins模型在模拟强非线性畸形波海面时所存在的问题,采用修正的相位调制法模拟一维畸形波时间、空间波面,该方法能够实现畸形波的定时定点生成,并且其波形既能保持目标谱的频谱结构,又能较大程度地满足波浪序列的统计特性.同时,基于改进的双尺度(TSM)法及时域有限差分法建立畸形波的电磁散射模型,经过相对平均偏差和均方根偏差误差分析后,基于TSM法研究分析了畸形波及其背景海面波的归一化雷达散射截面(NRCS)的计算结果.实验表明,合成孔径雷达成像中畸形波的NRCS比背景波要小,即畸形波的合成孔径雷达图像成像比背景波要灰暗,因此可以将NRCS作为畸形波的特征识别标识.通过分析研究不同极化方式、入射角、入射频率条件下畸形波与背景波面的电磁散射特性实验数据得出:当二者的NRCS差值大于-11.8 dB及以上时,即认为产生畸形波,这为实际的工程应用提供了参照标准.
基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型
杨斌, 魏烁, 史开元
2017, 66 (13): 134301. doi: 10.7498/aps.66.134301
摘要 +
提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的应力-应变,然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.
脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用
蔡颂, 陈根余, 周聪, 周枫林, 李光
2017, 66 (13): 134205. doi: 10.7498/aps.66.134205
摘要 +
分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.
基于足印探测的激光测高仪在轨标定
易洪, 李松, 马跃, 黄科, 周辉, 史光远
2017, 66 (13): 134206. doi: 10.7498/aps.66.134206
摘要 +
高精度的地表目标三维观测结果需要卫星激光测高仪对其系统误差进行定期的在轨标定工作,这包含系统误差的估计和校正以及标定结果的精度检验,现有方式分别通过姿态机动法和足印探测法予以实现.然而,姿态机动方式不适用于我国的卫星平台,传统足印探测方式没有针对系统误差的估计模型,仅能用于标定结果的精度检验.本文推导了基于足印探测方式的激光指向角系统误差估计模型,使得足印探测法能完成包含在轨误差校正以及精度检验的工作闭环,同时对用于激光足印获取的地面能量探测器进行了改进设计.通过设计仿真实验对所推导的误差估计模型进行验证,并量化分析了探测器阵列激光入射角度、标定场地表粗糙度及探测器布设间距等因素对系统误差校正精度的影响.结果表明,若要实现1.8 m的水平定位精度(对应0.6 arcsec激光指向精度),探测器阵列间距达到20 m即可,探测器阵列面的入射角需高于3,标定场地表粗糙度需小于10 cm.以上结论对我国未来发射GF-7号光学/激光立体测绘卫星具有重要参考价值.
基于固体薄片超连续飞秒光源驱动的高次谐波产生实验
刘阳阳, 赵昆, 何鹏, 江昱佼, 黄杭东, 滕浩, 魏志义
2017, 66 (13): 134207. doi: 10.7498/aps.66.134207
摘要 +
本文报道了采用基于熔石英薄片超连续的少周期飞秒光源驱动高次谐波产生的实验研究.实验中通过将重复频率1 kHz的飞秒钛宝石激光放大器所输出的能量0.8 mJ、脉宽30 fs的脉冲聚焦到7片0.1 mm厚的熔融石英片中,得到了覆盖带宽大于倍频程的展宽光谱.利用啁啾镜补偿色散后,经瞬态光栅频率分辨光学开关法测得脉宽为6.3 fs,对应约2.3个光学周期.利用压缩后的激光脉冲聚焦作用于惰性气体,并通过调节尖劈插入量改变脉宽,分别测得了分立以及连续的高次谐波截止区信号,结果与6.3 fs的脉冲宽度相符合.
Te基远红外硫系玻璃光纤的制备及性能分析
吴波, 赵浙明, 王训四, 江岭, 密楠, 潘章豪, 张培晴, 刘自军, 聂秋华, 戴世勋
2017, 66 (13): 134208. doi: 10.7498/aps.66.134208
摘要 +
随着光学技术由可见向中、远红外等长波长领域的发展,可透远红外的玻璃光纤研究成为近年来光学领域的发展热点之一.传统含Se的Te基硫系光纤无法工作于12 m以上的远红外.本文研究了新型GeTe-AgI硫系玻璃体系的提纯制备,利用挤压技术,制备了阶跃型GeTe-AgI远红外光纤,其光学损耗为:15.6 dB/m@10.6 m,整体低于24 dB/m@815 m.在实验过程中,首先采用传统的熔融-淬冷法和蒸馏纯化工艺制备了GeTe-AgI高纯玻璃样品.利用差示扫描量热仪、红外椭偏仪、红外光谱仪等测试了玻璃的物理性质和红外透过性能,分析了提纯工艺、AgI原料纯度对玻璃形成以及透过的影响,最后采用分步挤压法制备了芯包结构光纤.实验结果表明:蒸馏提纯和AgI原料纯度对玻璃的透过性能有着决定性的影响,同时Te含量的增加影响了玻璃的抗析晶能力,但新型挤压制备工艺和有效提纯技术共同保障了较低损耗Te基光纤的制备,所获得的GeTe-AgI光纤具有远红外宽谱应用的潜能(工作波段5.515 m)并且绿色环保,可以满足CO2激光的能量传输和远红外传感应用.
复杂微通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法
臧晨强, 娄钦
2017, 66 (13): 134701. doi: 10.7498/aps.66.134701
摘要 +
本文采用改进的基于伪势模型的格子Boltzmann方法研究复杂微通道内的非混相驱替问题.这种方法克服了原始伪势模型中计算结果对网格步长的依赖.首先用Laplace定律验证模型的正确性,然后用该方法研究壁面润湿性、粗糙结构、黏性比以及距离对非混相驱替过程的影响.模拟结果表明:与壁面粗糙结构和黏性比相比,壁面润湿性的影响是决定性的因素.随着接触角的增加,驱替效率增加,当接触角大于某一值后,驱替效率不再变化;随着黏性比的增加,驱替效率增加;而壁面粗糙性对驱替过程的影响较复杂,只有凸起半圆的半径在一定范围内增加时,驱替效率增加;距离较小时将促进驱替过程.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
Mg-Al系工业合金牌号的成分式解析
钱圣男, 董闯
2017, 66 (13): 136103. doi: 10.7498/aps.66.136103
摘要 +
Mg-Al系牌号是应用最广的镁基工业合金,但其牌号背后的成分根源一直未知,构成研发新合金的主要障碍.本文应用描述固溶体短程序结构特征的团簇共振模型,得到了Mg-Al二元固溶体的最理想化学结构单元[Al-Mg12]Mg1,然后对《the American Society for Testing Materials》手册中所有Mg-Al系工业合金牌号进行成分解析,得到相应团簇成分式,如AZ63A合金解析后的团簇成分式为[Al0.78Zn0.16-Mg12]Mg1.04Mn0.02,AZ81A合金解析后的团簇成分式为[Al0.97Zn0.03-Mg12]Mg0.98Mn0.02.再根据成分式与化学结构单元之间的误差,对比该牌号合金的力学性能,验证了该化学结构单元在Mg-Al体系中的准确性,揭示出看似复杂的工业合金牌号后面隐藏的简单成分规律,为发展Mg-Al体系合金指出了一个全新的途径.
电磁悬浮条件下液态Fe50Cu50合金的对流和凝固规律研究
林茂杰, 常健, 吴宇昊, 徐山森, 魏炳波
2017, 66 (13): 136401. doi: 10.7498/aps.66.136401
摘要 +
基于轴对称电磁悬浮模型,理论计算了二元Fe50Cu50合金熔体内部的磁感应强度和感应电流,分析了其时均洛伦兹力分布特征,进一步耦合Navier-Stokes方程组计算求解了合金熔体内部流场分布规律.计算结果表明,电磁悬浮状态下合金内部流场呈现环形管状分布,并且电流强度、电流频率或合金过冷度的增加,均会导致熔体内部流动速率峰值减小,平均流动速率增大,并使流动速率大于100 mm·-1区域显著增大.通过与静态凝固实验对比发现,电磁悬浮条件下熔体中强制对流使得合金内部富Fe和富Cu区的相界面呈波浪状起伏形貌,并且富Cu相颗粒在熔体上部分出现的概率增加.
基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性
兰生, 李焜, 高新昀
2017, 66 (13): 136801. doi: 10.7498/aps.66.136801
摘要 +
空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO (adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.
基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法研究
李俊, 陈小辉, 吴强, 罗斌强, 李牧, 阳庆国, 陶天炯, 金柯, 耿华运, 谭叶, 薛桃
2017, 66 (13): 136101. doi: 10.7498/aps.66.136101
摘要 +
获取动态压缩条件下结构演化过程是冲击相变及其动力学机理研究最为关注的基础问题之一.对此,基于激光驱动瞬态X射线衍射技术,通过系列实验的物理状态关联和抽运-探测时序控制,实现了静态与动态晶格衍射信号的同时获取,消除了不同实验的装置结构和样品差异带来的测量误差,建立了一种基于原位X射线衍射技术的动态晶格响应测量方法.利用上述实验方法,成功实现了激光冲击加载下[111]单晶铁晶格压缩过程的原位测量,获取弹性及塑性响应的晶格压缩度与宏观雨贡纽测量结果完全符合,从晶格层面证实了超快激光加载下的高屈服强度(雨贡纽弹性极限值大于6 GPa),以及可能与晶向效应或加载率效应相关的相变迟滞现象(至终态压力23.9 GPa仍为体心立方结构),相关物理机制仍有待进一步研究.上述测量方法的建立为后续开展相变动力学机理研究提供了可行的技术途径和重要的参考价值.

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广义等温等压系综-分子动力学模拟全原子水的气液共存形貌
尹灵康, 徐顺, Seongmin Jeong, Yongseok Jho, 王健君, 周昕
2017, 66 (13): 136102. doi: 10.7498/aps.66.136102
摘要 +
探测相变过程中瞬时共存相的形貌等特征对理解其微观机制十分重要.本文应用广义等温等压系综-分子动力学模拟方法,研究全原子水模型的气液两相平衡及相变的中间过程.研究发现,此广义系综方法能够通过持续降温,连续地历经从气态、气液共存到液态的整个相变过程,通过持续升温历经其相反过程,而不会发生标准正则系综中的过饱和热滞现象.该方法不需要使用副本交换等增强抽样方法,因此可以用于较大体系的研究,多个独立的模拟即能获得整个气态液态区的平衡性质及共存相特征.本文还提出了计算气液共存界面面积的新方法,给出了水的气液共存界面形状随温度、压强的变化规律.结果表明,低压时水的气液共存界面因其较大的表面张力而接近球面,符合经典成核理论的描述,但随着压强升高接近其临界压强时,气态和液态的差别减小,界面的表面张力变小,界面形状变为无规则的枝杈结构,表现为二阶相变特征.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
室温下表面极化效应对量子点带隙和吸收峰波长的影响
程成, 王国栋, 程潇羽
2017, 66 (13): 137802. doi: 10.7498/aps.66.137802
摘要 +
对于离散在本底介质中的纳米晶体量子点,考虑表面极化效应,通过像电荷法建立极化势能项,应用微扰法求解激子的薛定谔方程,得到了与本底介电系数直接相关的量子点带隙解析表达式.对不同本底中尺寸依赖的量子点带隙、第一吸收峰波长、第一吸收峰波长移动进行的计算表明,表面极化效应对量子点的带隙和第一吸收峰波长有明显的影响.随着本底介电系数的增大,量子点的带隙减小,第一吸收峰波长红移.量子点在不同本底中的第一吸收峰波长移动会在某个固定粒径达到最大值,最大值对应的粒径取决于量子点种类.
Fe3O4单晶薄膜磁性电场调控的微磁学仿真研究
杨芝, 张悦, 周倩倩, 王玉华
2017, 66 (13): 137501. doi: 10.7498/aps.66.137501
摘要 +
磁性薄膜磁学特性电场调控的相关研究对开发新型低功耗磁信息器件具有突出意义.本文基于电场调控磁性的基本理论,以OOMMF (Object Oriented Micro-Magnetic Frame)微磁学仿真软件为工具,研究了电场对生长于PZN-PT单晶衬底上Fe3O4单晶薄膜磁学特性的调控.研究结果显示:无外加电场时,薄膜表现出典型的软磁特性;沿衬底[001]方向施加的外加电场可以使得薄膜矫顽力、矩形比等磁学特性发生显著改变:当外加磁场沿[100]([010])时,施加正值(负值)电场强度可以显著增大薄膜的矫顽力与矩形比,当电场强度不小于0.6 MV/m时薄膜矩形比达到1.这是因为外加电场导致薄膜产生单轴应力各向异性,使得薄膜的等效磁各向异性发生了从无外电场下的面内四重磁晶各向异性向高电场下的近似单轴磁各向异性的过渡.外加1 MV/m与-1 MV/m的电场时等效易磁化轴分别沿[100]与[010]方向.另外,外加1 MV/m (-1 MV/m)的电场强度可以使得铁磁共振的频率增大(减小)接近1 GHz.
GGA+U方法研究ZnO孪晶界对VZn-NO-H复合体对p型导电性的影响
吴静静, 唐鑫, 龙飞, 唐壁玉
2017, 66 (13): 137101. doi: 10.7498/aps.66.137101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波赝势方法,探究四种ZnO-∑7(1230)孪晶界中VZn-NO-H复合体的电子结构和p型导电机理.计算结果表明,在ZnO-∑7(1230)孪晶界中,N掺杂后会与锌空位(VZn)、氢填隙(Hi)等点缺陷结合,进而形成VZn-NO-H复合体,并出现在孪晶中的晶格应变集中区.此外,四种孪晶界中孪晶GB7a有利于VZn-NO-H离化能降低,从而使其表现出浅受主特征.分析显示特殊的孪晶结构导致了氮替位(NO)与近邻的O原子间距离缩短,阴离子之间发生相互作用,导致禁带中的空带能级下降,降低了电子跃迁所需能量.这一结果也说明GB7a孪晶界中的VZn-NO-H可能成为N掺杂ZnO材料的p型导电的来源之一.
六角星形MoSe2双层纳米片的制备及其光致发光性能
黄静雯, 罗利琼, 金波, 楚士晋, 彭汝芳
2017, 66 (13): 137801. doi: 10.7498/aps.66.137801
摘要 +
采用化学气相沉积法,以三氧化钼作为钼源,硒粉作为硒源,在H2/Ar气氛下生长出硒化钼纳米片.扫描电镜、X射线衍射表征结果表明,MoSe2产物呈六角星状,横向尺寸约10 μm,具有很好的晶体质量和结构.拉曼光谱表征其结构,确定其为双层纳米片.研究表明,高温反应时间对双层纳米片的生长具有重要的影响.通过对双层纳米片的生长机理的探究,推测其经历了3个生长过程:在高温下,Mo源和Se源被气化成气态分子并发生硒化反应形成晶核;晶核呈三角形外延生长;当反应时间持续增加,在空间位阻效应的影响下,晶体以中心原子岛为核,外延耦合生长出第二层三角形,最终形成六角星状双层纳米片.光致发光光谱结果表明,六角星状MoSe2双层纳米片在1.53 eV处具有直接带隙和1.78 eV处具有间接带隙,其较宽范围的激发光谱响应预测其在光电探测器件领域具有潜在的应用前景.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
用晚钠电流终止心脏中的螺旋波和时空混沌
王小艳, 汪芃, 李倩昀, 唐国宁
2017, 66 (13): 138201. doi: 10.7498/aps.66.138201
摘要 +
采用人类心脏模型研究了用晚钠电流控制二维心脏组织中的螺旋波和时空混沌,我们提出这样的控制策略来产生晚钠电流:让慢失活门变量j始终等于0.7,同时实时调节钠电流的快失活门变量h的阈值电压VI ,即先让阈值电压VI经过T1时间从71.55 mV均匀减少到50.55 mV,然后经过T2时间再从50.55 mV均匀增加到71.55 mV,当阈值电压VI回到71.55 mV,钠电流的快、慢失活门变量恢复正常变化.数值模拟结果表明:只要适当选择控制时间,不论心肌细胞是否存在自发的晚钠电流,控制产生的晚钠电流都可以有效抑制螺旋波和时空混沌,而且需要的晚钠电流都很小,且控制时间都很短,因为螺旋波和时空混沌消失主要是通过传导障碍消失,少数情况下时空混沌是通过转变为靶波消失.我们希望这种控制方法能为室颤控制提供新的思路.
落管中Ni-Fe-Ti合金的快速凝固机理及其磁学性能
朱海哲, 阮莹, 谷倩倩, 闫娜, 代富平
2017, 66 (13): 138101. doi: 10.7498/aps.66.138101
摘要 +
采用落管自由落体方法实现了Ni45Fe40Ti15合金在微重力无容器条件下的快速凝固,获得了直径介于160–1050 μm的合金液滴.理论计算表明冷却速率及过冷度随液滴直径减小而增大,并呈指数函数关系,实验获得的最大过冷度为210 K (0.14 TL).随着过冷度增大,凝固组织中粗大的γ-(Fe,Ni)枝晶逐渐细化,二次枝晶间距减小,溶质Ti在γ-(Fe,Ni)相中的固溶度显著扩展.对不同直径合金液滴的凝固样品进行磁学性能分析,结果表明随着凝固合金液滴直径减小,其饱和磁化强度增大,矫顽力减小,矩形比下降,软磁性能明显提高.

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三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质
胡锐, 范志强, 张振华
2017, 66 (13): 138501. doi: 10.7498/aps.66.138501
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于伪相关函数的多级电平编码符号信号通用无模糊跟踪方法
刘桢, 黄洁, 王建涛, 赵拥军, 陈世文
2017, 66 (13): 139101. doi: 10.7498/aps.66.139101
摘要 +
针对新一代全球导航卫星系统(GNSS)中多级电平编码符号(MCS)信号存在的跟踪模糊问题,本文提出了一种通用的MCS信号无模糊跟踪方法.首先推导了不同MCS信号互相关函数的统一表达式,并给出了伪相关函数的定义;然后深入分析了实现无模糊跟踪需要满足的约束条件,推导了两路参考信号的通用构造方法以及相互之间的关系,为具体MCS信号的求解提供了极大的便利;进而给出了利用本文方法的GNSS接收机码跟踪环路模型.作为MCS信号的特例,分别讨论了本文方法在四种二进制偏移载波信号跟踪中的应用.仿真结果表明,本文方法能够有效解决MCS信号的跟踪模糊问题,具有良好的性能和广阔的应用前景.
用数值模式匹配算法高效仿真轴对称型散射体海洋可控源电磁响应
林蔺, 焦利光, 陈博, 康庄庄, 马玉刚, 汪宏年
2017, 66 (13): 139102. doi: 10.7498/aps.66.139102
摘要 +
圆盘、球体以及球冠状体是地球物理研究中非常重要的一类散射类型.在海洋环境中,圆盘可以用于描述玄武岩基岩以及油气圈闭构造等电阻率异常体,而球冠可以近似描述某些基岩隆起或起伏地形等.这类散射体的一个重要特征是其电阻率空间分布具有轴对称性.如果能够针对这类形状的散射体研究建立一套有效的海洋可控源电磁数值模拟方法,对于认识复杂地层条件下海洋电磁响应的变化特征、研究建立相关的资料处理和解释方法具有非常重要的意义.本文根据电导率轴对称分布特征,设法用一个或多个不同半径、不同厚度的水平同心圆盘逼近这类轴对称电导率散射体,并将这些同心圆盘与海洋环境中的空气、海水、沉积层和基岩等背景介质结合,形成一个在水平方向电导率具有轴对称分布、在垂直方向又具有分层特征的水平层状非均质模型.在此基础上,应用数值模式匹配法研究水平电偶极子天线电磁场的数值模拟方法,给出位于对称轴上的水平发射天线电磁场在层状非均质地层中的半解析解,建立海洋可控源电磁响应高效算法.最后通过数值模拟结果对该算法进行检验并考察海洋可控源三维电磁响应特征.
行星际日冕物质抛射引起福布斯下降的一维随机微分模拟
倪素兰, 顾斌, 韩智伊
2017, 66 (13): 139601. doi: 10.7498/aps.66.139601
摘要 +
福布斯下降(Forbush decrease,FD)是银河宇宙线(galactic cosmic rays,GCRs)受短期剧烈太阳活动调制的重要现象之一.本文设GCRs进入由行星际日冕物质抛射(interplanetary coronal mass ejection,ICME)及其前沿激波共同形成的扰动区时,其径向扩散系数rr受抑制变为(r)rr(0 (r) 1),且抑制强度与粒子位置处的太阳风等离子体速度正相关.对任意时刻的扰动区,抑制系数(r)在激波处最小为(rsh)),并按指数规律增大,在ICME尾部归一.CME爆发时,(rsh))取全局最小值m.在扰动区向日球层外传播的过程中,(rsh))逐步恢复为1.在此基础上,根据GOES和ACE卫星观测确定模型参数,用一维随机微分方程描述GCRs在日球层内的传播,并采用倒向随机方法模拟了一个由独立Halo ICME调制GCRs引起的2005年5月15日FD事件.计算所得地面中子通量的主相、恢复相及其在CME到达地球前的增加过程,均与Oulu中子探测器观测结果一致.
总论
柱面非线性麦克斯韦方程组的行波解
胡亮, 罗懋康
2017, 66 (13): 130302. doi: 10.7498/aps.66.130302
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柱面电磁波在各种非均匀非线性介质中的传播问题具有非常重要的研究价值.对描述该问题的柱面非线性麦克斯韦方程组进行精确求解,则是最近几年新兴的研究热点.但由于非线性偏微分方程组的极端复杂性,针对任意初边值条件的精确求解在客观上具有极高的难度,已有工作仅解决了柱面电磁波在指数非线性因子的非色散介质中的传播情况.因此,针对更为确定的物理场景,寻求能够精确描述其中更为广泛的物理性质的解,是一种更为有效的处理方法.本文讨论了具有任意非线性因子与幂律非均匀因子的非色散介质中柱面麦克斯韦方程组的行波精确解,理论分析表明这种情况下柱面电磁波的电场分量E已不存在通常形如E=g(r-kt)的平面行波解;继而通过适当的变量替换与求解相应的非线性常微分方程,给出电场分量E=g(lnr-kt)形式的广义行波解,并以例子展示所得到的解中蕴含的类似于自陡效应的物理现象.
逾渗分立时间量子行走的传输及纠缠特性
安志云, 李志坚
2017, 66 (13): 130303. doi: 10.7498/aps.66.130303
摘要 +
在一维分立时间量子行走中,通过静态和动态两种方式随机地断开连接边引入无序效应,研究了静态逾渗和动态逾渗对量子行走传输特性以及位置自由度和硬币自由之间纠缠的影响.随着演化时间的增加,静态逾渗会使得量子行走从弹道传输转变为安德森局域化,而动态逾渗则会使之转变为经典扩散.理想情况下,量子纠缠在较短的时间内就达到一个常数值E0.静态逾渗量子行走的纠缠减小,并随着时间做无规振荡,而动态逾渗量子行走的纠缠则会随着时间光滑地增加,并在某一时间超过理想情况下的常数值,表现出动态逾渗增强量子纠缠的特性.
基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题
刘志昊, 陈汉武
2017, 66 (13): 130304. doi: 10.7498/aps.66.130304
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最近,一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[物理学报65 230301(2016)]被提出.文章宣称一个量子态可以编码3比特经典信息,从而使得协议具有很高的信息传输效率.不幸的是,该协议存在信息泄露问题:编码在单光子上的3比特经典信息有2比特被泄露,而编码在Bell态上的3比特经典信息有1比特被泄露,所以它不是一个安全的直接量子通信方案.在保留原协议思想且尽可能少地更改原协议的基础上,我们提出一种改进的消息编码规则,从而解决信息泄露问题,使之成为一个高效、安全的量子通信协议.衷心希望研究者能对量子安全通信协议中信息泄露问题引起足够重视,设计真正安全的量子通信协议.

编辑推荐

具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构研究
刘静思, 李吉, 刘伍明
2017, 66 (13): 130305. doi: 10.7498/aps.66.130305
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通过虚时演化方法研究了具有面内四极磁场的旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.结果发现:面内四极磁场和旋转双重作用可导致中央Mermin-Ho涡旋的产生;随着磁场梯度增强,Mermin-Ho涡旋周围环绕的涡旋趋向对称化排布;在四极磁场下,密度相互作用和自旋交换相互作用作为体系的调控参数,可以控制Mermin-Ho涡旋周围的涡旋数目;该体系自旋结构中存在双曲型meron和half-skyrmion两种拓扑结构.
Cu掺杂对TiNi合金马氏体相变路径影响的第一性原理研究
严顺涛, 姜振益
2017, 66 (13): 130501. doi: 10.7498/aps.66.130501
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不同浓度的Cu元素掺杂会极大地影响TiNi二元合金的物理性质和相变行为.为了解释其中的物理机制,本文通过第一性原理计算,对TiNi和Ti50Ni25Cu25的相变机制和相稳定性进行了计算和讨论.通过计算Cu掺杂前后立方相到正交相、再到单斜相过程中的相变路径和相变势垒,解释了Cu掺杂对二元合金TiNi相变过程的影响.计算结果表明:TiNi合金的正交相和单斜相之间存在一个大小为1.6 meV的相变势垒;而对于Ti50Ni25Cu25,这两个相之间的相变势垒大小至少为10.3 meV,如此大的一个相变势垒意味着Ti50Ni25Cu25合金的正交相很难跨过势垒相变到单斜相.
地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的定标研究
唐远河, 崔进, 郜海阳, 屈欧阳, 段晓东, 李存霞, 刘丽娜
2017, 66 (13): 130601. doi: 10.7498/aps.66.130601
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我们研制的地基气辉成像干涉仪(ground based airglow imaging interferometer,GBAⅡ)样机成功地探测了地球上空90100 km的大气风速和温度.为了提高GBAⅡ的探测精度,本文研究GBAⅡ所拍摄的成像干涉条纹的定标:对干涉条纹中心位置定标、电荷耦合器(CCD)暗噪声和平场定标、整个光学系统衰减系数定标、步进步长定标、光程差随入射角变化量定标、仪器响应度定标和零风速相位定标等理论和实验进行了研究.利用最小二乘法对GBAⅡ拍摄的30幅成像干涉图的圆心坐标定标在CCD (123.3,121.1)像素位置;利用632.8 nm激光获得GBAⅡ所用CCD的平场定标系数矩阵,分别得到平场前后的干涉图并检测出CCD的噪声和坏点;利用GBAⅡ获得图像的边缘亮环相位与中心亮斑相位的差值对入射角10.24时,光程差相对0入射角时变化了0.356个条纹;拍摄200幅成像干涉图的实验离散点进行正弦拟合后的均方根标准偏差达90.34%,该完整干涉条纹的步进间隔为4.06 nm,对应步进相位为0.0094up ;针对正演公式中GBAⅡ的系统衰减系数对所拍摄的原始干涉图利用IDL编程得到光学系统衰减系数的多项式,拟合的均方根标准偏差达99.98%;采用632.8 nm激光作光源,简化了GBAⅡ的响应度表达式,通过实验得其响应度为4.9710-3 counts(Rayleigh@183;s)-1;针对GBAⅡ室外观测,给出零风速定标的矩阵表达式后,对532.0 nm和632.8 nm激光的对应零风速相位分别为-9.2442和-68.6353.本文提供了多种定标方法,并逐一通过实验进行验证,为国内被动遥感探测高层大气风场提供了强有力的实验支持.
大尺度有效引力的E(2)规范理论模型
魏文叶, 申佳音, 吴奕暐, 杨礼想, 薛迅, 阮自强
2017, 66 (13): 130301. doi: 10.7498/aps.66.130301
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微波背景辐射的低l极矩的各向异性可能不能用微波背景辐射静止系boost到本动参考系来解释,我们推断boost对称性在宇宙学尺度上缺失,又由于单纯结合广义相对论和物质结构的标准模型不能解释星系以上尺度的引力现象,需要引入暗物质和暗能量.而迄今为止所有寻找暗物质粒子的实验给出的都是否定结果,暗能量的本质更是一个谜.因此,我们假设洛伦兹对称性是从星系以上尺度开始部分破缺,以非常狭义相对论对称群E(2)为例,用E(2)规范理论来构造大尺度有效引力理论,并分析了此规范理论的自洽性.从这些讨论中发现,当物质源即使为普通标量物质时,contortion也一般非零,非零contortion的存在会贡献一个等效能量动量张量的分布,它可能对暗物质效应给出至少部分的贡献.我们从对称性出发修改引力,有别于其他的修改引力理论.
线性与非线性传热过程的Curzon-Ahlborn热机在任意功率时的效率
李倩文, 李莹, 张荣, 卢灿灿, 白龙
2017, 66 (13): 130502. doi: 10.7498/aps.66.130502
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热机性能的优化是热力学领域的一个重要问题,而工质与热源之间的传热过程是热机工作时产生不可逆的主要来源.本文在引入功率增益和效率增益两个重要参数的基础上,基于一个简化的Curzon-Ahlborn热机模型并利用合比分比原理,给出了线性与非线性传热过程的热机在任意功率输出时的效率表达式,结合数值计算详细讨论了热机在任意功率输出时的特性.研究表明,参数作为功率增益P的函数存在两个分支:在第一分支上(不利情形),效率呈现出单调变化特征;在第二分支上(有利情形),效率随着的P变化是非单调的且有最大值.随着传热指数的增加,热机的工作区域减小,这源于非线性传热过程包含热辐射所致.进一步发现功率-效率关系曲线存在权衡工作点,热机在该点附近工作能够实现最有效的热功转换.研究结果有助于深入理解具有不同传热过程热机的优化执行.
基于修正并行光滑粒子动力学方法三维变系数瞬态热传导问题的模拟
蒋涛, 陈振超, 任金莲, 李刚
2017, 66 (13): 130201. doi: 10.7498/aps.66.130201
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为了解决传统光滑粒子动力学(SPH)方法求解三维变系数瞬态热传导方程时出现的精度低、稳定性差和计算效率低的问题,本文首先基于Taylor展开思想拓展一阶对称SPH方法到三维热传导问题的模拟,其次引入稳定化处理的迎风思想,最后基于相邻粒子标记和MPI并行技术,结合边界处理方法得到一种能够准确、高效地求解三维变系数瞬态热传导问题的修正并行SPH方法.通过对带有Direclet和Newmann边界条件的常/变系数三维热传导方程进行模拟,并与解析解进行对比,对提出的方法的精度、收敛性及计算效率进行了分析;随后,运用提出的修正并行SPH方法对三维功能梯度材料中温度变化进行了模拟预测,并与其他数值结果做对比,准确地展现了功能梯度材料中温度变化过程.