搜索

文章查询

x

Vol. 66, No. 3 (2017)

2017年02月05日

专题

拓扑绝缘体高压下物质的新结构与新性质研究进展

;编者按:

压力是基本的物理学参量之一, 可有效地使物质的原子间距缩短、相邻电子轨道重叠增加, 进而改变物质的晶体结构、电子结构和原子(分子)间的相互作用, 形成常压下难以存在的新物质状态. 这些物质多具有异于常压物质的结构、新颖的物理和化学性质. 在100万大气压力下每种物质平均可出现五个以上相变, 即高压可提供超出现有材料数倍的新物质, 为寻找特殊用途的新材料提供了丰富的来源. 在过去的十几年里, 高压研究已经推广应用到更为宽广的领域, 如能源科学、地质科学、材料工程、资源环境以及生物科学等, 取得了巨大的进展, 正在改变人们对周围世界的认识.


“近年来, 国内高压科学得到了迅猛的发展, 已经处于国际领先水平, 取得了突破性进展和成果. 本刊特组织“高压下物质的新结构与新性质研究进展”专题, 从高压下对物质的结构和性质研究两方面, 汇集了富氢材料、超导材料、超硬材料、有机分子材料等物质在高压作用下的研究论文和综述, 以帮助读者了解这个领域的最新进展, 推动对高压下物质的结构和性质的进一步深入研究.

客座编辑:吉林大学超硬材料国家重点实验室 崔田 物理学报.2017, 66(3).
专题:高压下物质的新结构与新性质研究进展
专题
总论 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 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
专题:高压下物质的新结构与新性质研究进展
凝聚相材料分子解离动力学的飞秒瞬态光栅光谱研究
吴红琳, 宋云飞, 王阳, 于国洋, 杨延强
2017, 66 (3): 033301. doi: 10.7498/aps.66.033301
摘要 +
凝聚相条件下,受分子间相互作用的影响,分子的解离机理通常不同于孤立分子.如何在凝聚相材料中有效地监测分子反应的进程和产物是目前急需解决的一个技术难题.本文介绍了飞秒瞬态光栅光谱技术在凝聚相材料解离动力学研究中的应用.作为相干光谱技术的一种,瞬态光栅光谱的信号强度高、无背底,因此能够有效地鉴别体系中的微量反应产物.通过对碘甲烷、硝基甲烷等模型体系的研究,验证了瞬态光栅技术不仅能够在时域上给出电子态的弛豫信息,还能够在光谱上同时监测反应物和产物以及分子或基团的振动.凝聚相条件下的解离动力学研究对于了解生化、爆炸等反应的机理有非常重要的意义,因此飞秒瞬态光栅技术在这方面具有广阔的应用空间.此外,作为一种非接触的诊断技术,瞬态光栅很容易和高温、高压等条件结合,因此瞬态光栅技术在研究材料的相变动力学、高压合成等方面也具有潜在的应用价值.

编辑推荐

高压下富氢化合物的结构与奇异超导电性
段德芳, 马艳斌, 邵子霁, 谢慧, 黄晓丽, 刘冰冰, 崔田
2017, 66 (3): 036102. doi: 10.7498/aps.66.036102
摘要 +
在富氢化合物中,一方面由于非氢元素的存在会对氢的子晶格产生化学预压作用,这些体系比纯氢更容易金属化.另一方面由于含氢量较多,富氢化合物可能会具有像金属氢那样较高的超导转变温度,有望成为超导家族的新成员氢基超导体.高压下富氢化合物的结构及超导电性已成为物理、材料等多学科的研究热点,最近理论和实验发现硫氢化合物在高压下的超导转变温度达到200 K,创造了高温超导新纪录,进一步推动了人们对富氢化合物超导电性的研究.本文主要介绍了近年来高压下几种典型富氢化合物的结构、稳定性、原子间相互作用、金属化及超导电性,希望未来能在富氢化合物中寻找到具有更高超导转变温度的超导体.
过渡金属硼化物的结构与性质
陶强, 马帅领, 崔田, 朱品文
2017, 66 (3): 036103. doi: 10.7498/aps.66.036103
摘要 +
过渡金属硼化物(TMBs)是一类具有强耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、高硬度的多功能材料.过渡金属与硼原子间电荷转移量的多样性决定了过渡金属硼化物中化学键的成键方式和成键强弱,最终导致过渡金属硼化物丰富的结构以及潜在的多功能特性.过渡金属硼化物的制备、晶体结构和力学性能一直是该领域的研究热点.硼原子间的强共价键决定了过渡金属硼化物的合成需要高能量;晶体结构中化学键的强弱与过渡金属硼化物的硬度性质息息相关;多种化学键成键方式使过渡金属硼化物展现出了丰富的多功能性质.本文主要从过渡金属硼化物的合成、结构、硬度性质和多功能性质四个方面,以不同硼原子亚结构单元为出发点,总结和分析了过渡金属硼化物的研究现状.我们认为,利用高温高压制备TMBs,诱导过渡金属与硼原子之间的电子转移,构造(准)三维的化学键,是设计制备新型多功能硬质过渡金属硼化物的有效方法.
基于二水草酸镁(MgC2O42H2O)的无水碳酸镁(MgCO3)的高压制备和表征
梁文, 李泽明, 王璐颖, 陈琳, 李和平
2017, 66 (3): 036202. doi: 10.7498/aps.66.036202
摘要 +
无水碳酸镁因为其重要的研究价值和广泛的应用而备受关注,因此探索无水碳酸镁的制备方法已经成为材料加工的一个重要课题.以二水草酸镁为起始原料,使用高温高压反应法成功地合成了高纯度的无水碳酸镁,对所得样品分别进行了粉末X射线衍射和Raman光谱的表征.通过热重分析以及尝试不同合成条件,给出了二水草酸镁-碳酸镁P-T相图并解释了高温高压合成碳酸镁的原理.利用偏光显微镜观察样品碳酸镁形貌、晶粒度以及晶体解理面,同时对样品的单晶粒做微区电子探针分析,给出了样品的镁含量.
高压调控的磁性量子临界点和非常规超导电性
程金光
2017, 66 (3): 037401. doi: 10.7498/aps.66.037401
摘要 +
通过化学掺杂或者施加高压等调控手段抑制长程磁有序可以实现磁性量子临界点,在其附近往往伴随出现诸如非费米液体行为或者非常规超导电性等奇特物理现象.相比于化学掺杂,高压调控具有不引入晶格无序和精细调控等优点.利用能提供良好静水压环境的立方六面砧和活塞-圆筒高压低温测量装置,首先系统研究了具有双螺旋磁有序结构的CrAs和MnP单晶的高压电输运行为,分别在Pc0.8 GPa和8 GPa实现了它们的磁性量子临界点,并在Pc附近分别观察到Tc=2 K和1 K的超导电性,相继实现了铬基和锰基化合物超导体零的突破;然后,详细测量了FeSe单晶高压下的电阻率和交流磁化率,绘制了详尽的温度-压力相图,揭示了电子向列序、长程反铁磁序和超导相之间的相互竞争关系,特别是在接近磁有序消失的临界点Pc6 GPa附近观察到Tcmax=38.5 K的高温超导电性,表明临界反铁磁涨落对FeSe中的高温超导电性起重要作用.
复合超硬材料的高压合成与研究
刘银娟, 贺端威, 王培, 唐明君, 许超, 王文丹, 刘进, 刘国端, 寇自力
2017, 66 (3): 038103. doi: 10.7498/aps.66.038103
摘要 +
复合超硬材料作为一种性能优异的结构材料,被越来越广泛地应用于切削加工、油气钻探等领域.目前大部分复合超硬材料是通过高温高压方法制备.本文主要介绍了近年来复合超硬材料的高压合成与研究取得的成果和进展,重点包括纳米、亚微米、微米聚晶金刚石与立方氮化硼、立方相氮化硅-金刚石超硬复合材料以及金刚石-立方氮化硼超硬合金(复合)材料等,这些新型的复合超硬材料已经被成功合成,各种性能检测表明这些复合超硬材料的硬度、热稳定性等主要性能已明显超越传统超硬材料,可成为有广阔应用前景的新一代复合超硬材料.文中还介绍了近些年研究复合超硬材料出现的一些新的思路、方法与途径,并对复合超硬材料的进一步研究做出了展望.
高压下有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3的结构及光学性质研究
郭宏伟, 刘然, 王玲瑞, 崔金星, 宋波, 王凯, 刘冰冰, 邹勃
2017, 66 (3): 030701. doi: 10.7498/aps.66.030701
摘要 +
近年来,随着有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的飞速发展,对此类材料基本物性的探索引起了科学家们的广泛关注.本文利用金刚石对顶砧装置对甲胺基碘化铅(CH3NH3PbI3)进行高压实验,研究了室温下压力诱导CH3NH3PbI3的结构变化以及压力对其光学性质的调控,实验最高压力为7 GPa.原位高压同步辐射X射线衍射实验结果显示,CH3NH3PbI3样品在0.3 GPa由四方相转变为正交相,在4 GPa左右开始非晶化.结合原位高压吸收和荧光光谱,分析了压力对CH3NH3PbI3带隙大小的调控作用.进一步利用原位高压拉曼光谱和红外光谱实验研究了CH3NH3PbI3晶体中有机阳离子(CH3NH3+)在高压下的行为.完全卸压后,样品恢复到加压前的初始状态.研究结果可为深入了解有机-无机杂化钙钛矿的光学性质和结构稳定性提供一些信息.
单轴压缩下固态硝基苯的第一性原理研究
范俊宇, 郑朝阳, 苏艳, 赵纪军
2017, 66 (3): 036101. doi: 10.7498/aps.66.036101
摘要 +
采用第一性原理密度泛函理论结合经典色散修正方法,对固态硝基苯在单轴压缩下的基本结构关系进行了计算.静水压缩和单轴压缩都压缩到初始平衡体积的70%.将静水压下优化后的晶胞体积、晶格参数以及平衡条件下的晶格能与实验值进行了比较,均符合较好.同时,为了充分地表征固态硝基苯的各向异性,将硝基苯沿着三个晶格矢量的方向进行单轴压缩,把每个方向的应力张量、能带带隙、每个原子能量的改变分别作为体积压缩比的函数进行了比较和分析.其中,最显著的各向异性效应是在体积压缩比为0.76时,沿X轴压缩导致硝基苯能带带隙闭合,体系呈金属化;而静水压缩或沿Y轴和Z轴压缩时体系始终呈半导体状态,带隙均大于1.59 eV.为了充分理解这一各向异性特性,我们计算了硝基苯晶体的局域态密度和电荷密度分布,并对金属化现象做出了合理的分析和解释.在不同的压力加载条件下,通过对不同物理量的计算,发现X轴方向是硝基苯晶体内部最敏感的方向.这些各向异性效应的研究将有助于人们在原子尺度上深入理解固态硝基苯的物理化学性质.

编辑推荐

纳米孪晶超硬材料的高压合成
徐波, 田永君
2017, 66 (3): 036201. doi: 10.7498/aps.66.036201
摘要 +
超硬材料研究有两个重要难题一直备受关注:一是建立晶体宏观性能硬度与微观电子结构参数的定量关联,指导新型超硬晶体的设计;二是发现改进超硬材料综合性能(硬度、韧性和稳定性)的基本原理和技术途径,合成出综合性能更加优异的高性能超硬材料.首先从同时联系晶体硬度和电子结构的化学键出发,提出了共价晶体的压痕硬度为晶体中化学键对压头压入过程的综合阻抗的基本假设,建立了共价晶体硬度的微观模型并推广至多晶共价材料.在多晶硬度模型指导下,在高温高压条件下成功地合成出了纳米孪晶结构的立方氮化硼和金刚石块材,实现了硬度、韧性及热稳定性这三大工具材料性能指标的同时提高.另外,澄清了关于压痕硬度测量的长期争论.本文的研究为研发高性能超硬材料打开了一条新的技术途径,有望带来机械加工业和高压科学领域的新变革.
高压下准一维纳米结构的研究
董家君, 姚明光, 刘世杰, 刘冰冰
2017, 66 (3): 039101. doi: 10.7498/aps.66.039101
摘要 +
准一维原子、分子链是一维纳米材料研究的终极目标,其独特的一维结构可能具有强的量子效应,新奇的光、电、磁等物理性质.如何合成原子/分子一维结构、以及在原子/分子尺度对其进行调控和操纵是目前人们极为关注的前沿课题.通过使用限域模板,如碳纳米管和分子筛等,已经成功地合成了可稳定限域在一维纳米孔道中的原子/分子链状结构.本文简要介绍了高压下一维纳米结构研究所取得的实验结果,以及文献报道的相关实验与理论研究工作,包括压力导致的原子/分子一维链增长及其转变机理,一维纳米孔道中压致分子旋转,碘分子链特有的光致发光现象以及压致发光增强、碳纳米管的压致转变引起的偏振拉曼退偏效应消失等.
多种有序钙钛矿结构的高压制备与特殊物性
殷云宇, 王潇, 邓宏芟, 周龙, 戴建洪, 龙有文
2017, 66 (3): 030201. doi: 10.7498/aps.66.030201
摘要 +
具有ABO3钙钛矿或类似结构的强关联电子体系是凝聚态物理研究的重要前沿领域,而高压是制备新型钙钛矿特别是A位与/或B位有序钙钛矿材料的有效手段.在这些有序钙钛矿中,因A,B位可同时容纳过渡金属离子,因而可导致A-A,B-B,A-B等多种磁电相互作用的出现,进而诱导系列新颖有趣的物理现象.本文介绍高压下制备的几种化学式为AA3B4O12的新型A位有序钙钛矿以及化学式为AA3B2B2O12的A,B位同时有序的钙钛矿体系.在LaMn3Cr4O12中发现了具有立方钙钛矿结构的磁电多铁性,为多铁新材料探索与新机理研究提供范例;在CaCu3Fe2Os2O12中发现了远高于室温的亚铁磁半导体行为,并指出A位磁性离子的引入可大大增加磁相互作用强度从而大幅度提高磁有序温度;在LaMn3Ni2Mn2O12中观察到A位磁性离子调控的B位Ni2+/Mn4+子晶格正交自旋有序结构.以上研究结果为探索新型磁电多功能钙钛矿材料提供了重要参考.
高温等离子体的状态方程及其热力学性质
汤文辉, 徐彬彬, 冉宪文, 徐志宏
2017, 66 (3): 030505. doi: 10.7498/aps.66.030505
摘要 +
高温下等离子体的状态方程及其热力学性质在天体物理、可控核聚变以及武器设计与破坏效应等领域有着广泛应用.本文主要回顾了高温等离子体在不同状态区域的状态方程的理论模型和处理方法.对于理想等离子体,离子之间的相互作用可以忽略,其状态方程较简单,已趋于完善.在超高温下,原子完全电离,离子和电子都可以采用理想气体状态方程描述;当温度不太高时,离子部分电离,可以采用Saha方程及其修正模型描述;原子在高度压缩状态下,其状态方程可以采用Thomas-Fermi模型及其改进模型得到.对于非理想等离子体,离子之间存在强耦合,还没有单一的理论模型能够在任意密度和温度范围内对离子之间的相互作用进行统一描述.量子分子动力学方法原则上可以在较大温度密度范围内给出可靠结果,但由于计算量太大以及高温下的计算存在收敛问题,也较难应用到温度较高的稠密等离子体区域.半经验的经典分子动力学方法虽然简单、计算量小,但只能在一定的区域范围内给出较精确的状态方程结果.在不同温度密度区域内采用不同的计算模型,再在空白区域进行插值从而得到全局状态方程在目前不失为一种简单有效的方法.
过渡金属轻元素化合物高硬度多功能材料的设计
包括, 马帅领, 徐春红, 崔田
2017, 66 (3): 036104. doi: 10.7498/aps.66.036104
摘要 +
过渡金属在元素周期表中占有特殊位置,它们有较多的价电子、较高的电子密度、丰富的价态,通过在其中引入硼、碳、氮等易形成强共价键的轻元素原子形成化合物,是寻找新型多功能材料的重要手段.随着第一性原理计算理论的发展、电子计算机计算能力的提升、对硬度微观机制的理解的深入以及特定条件下物质对应的结构的预测软件的成熟,使得设计过渡金属化合物高硬度/超硬度新型多功能材料成为可能,目前这方面已经有了大量的工作.本文介绍了以硬度为主要性能的新型过渡金属化合物的设计基础,以及过渡金属轻元素化合物的研究现状,并对存在的问题进行了简述,可为新型高硬度多功能过渡金属化合物的设计及合成提供参考.
同步辐射高压单晶衍射实验技术
李晓东, 李晖, 李鹏善
2017, 66 (3): 036203. doi: 10.7498/aps.66.036203
摘要 +
利用同步辐射光源开展高压X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)研究已有近四十年的历史,并且已经取得了非常丰硕的成果.单晶XRD作为高压研究的一部分,在同步辐射装置上的应用也有了接近三十年的历史.近年来,随着同步辐射光学技术以及高压技术、特别是大衍射窗口金刚石对顶砧压腔(diamond anvil cell,DAC)的改进与发展,同步辐射高压单晶衍射实验方法在高压研究中的应用越来越普及.由于能够在压力条件下获得样品在三维空间中的衍射信息分布以及数据具有高信噪比等优势,单晶XRD实验方法不仅可以用于压力条件下的晶体结构解析,如获取晶胞参数、空间群、原子坐标以及原子占位等信息,而且可进一步做晶体电荷密度分析研究,得到更多的化学键、电荷分布及其变化等信息.本文主要介绍同步辐射高压单晶XRD实验方法及相关技术,其中包括单晶XRD实验系统、单晶XRD所用DAC、单晶样品装填以及单晶XRD数据处理等内容.
温稠密物质物态方程的理论研究
马桂存, 张其黎, 宋红州, 李琼, 朱希睿, 孟续军
2017, 66 (3): 036401. doi: 10.7498/aps.66.036401
摘要 +
本文详细地介绍了温稠密物质物态方程的理论模型,其中包括液体变分微扰理论、化学图像模型、离化电离平衡模型、平均原子模型和INFERNO模型;给出了混合物物态方程的计算方法;对第一原理分子动力学和量子蒙特卡罗方法进行了介绍;对一些典型材料(如氢、氘、氦、氙、金、钨等)在温稠密区的物态方程进行了计算和总结;分析了离解、电离效应对物态方程的影响.

编辑推荐

压力下铁砷基化合物的超导电性研究
衣玮, 吴奇, 孙力玲
2017, 66 (3): 037402. doi: 10.7498/aps.66.037402
摘要 +
随着高压实验设备与技术的不断发展,压力作为对物质状态调控的独立变量在凝聚态物理研究中得到了越来越广泛的应用.高压研究对发现新材料、新现象、新规律及对其形成机理的理解和对相关理论的验证起到了不可替代的重要作用,近年来在对铁基超导体超导电性的高压研究中取得的诸多重要研究进展充分说明了这一点.本文简要介绍了在压力下铁砷基超导体中呈现出的一些有趣的物理现象及其所反映出的物理内涵,例如,压力下对1111体系超导电性的研究在指导常压下用小离子半径元素替代获得最高超导转变温度的铁砷基超导体和推测铁砷基超导体超导转变温度上限等方面起到了重要作用;压力可抑制122体系母相的磁有序进而诱发超导电性,并揭示出Eu-122体系中Eu离子插层的磁有序与FeAs层超导电性的关系;在新型铁砷基超导体Ca0.73La0.27FeAs2中发现的压致双临界点现象等.希望本文能对读者了解铁砷基超导体的高压研究进展情况有所帮助.
极端条件下物质磁性的原位测量
黄晓丽, 王鑫, 刘明坤, 梁永福, 刘冰冰, 崔田
2017, 66 (3): 037403. doi: 10.7498/aps.66.037403
摘要 +
温度和压力均是决定物质存在状态的基本热力学要素.低温和高压是现代科学实验最重要的极端条件,为物理、化学、材料和生物等多学科研究提供了新途径,对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用.极端条件下物质的磁性研究是极端条件研究的重要分支,不仅给出了物质在极端条件下的磁性变化,而且是研究高温超导体的重要手段.本文阐述了高压下物质磁化率和超导转变温度测量的原理和方法,并简要介绍了设计、搭建的低温高压下物质磁性原位测量系统.利用此系统测量了铁在高压下的磁性转变以及钇钡铜氧样品在高压下的超导转变温度.
总论
一种基于社交影响力和平均场理论的信息传播动力学模型
肖云鹏, 李松阳, 刘宴兵
2017, 66 (3): 030501. doi: 10.7498/aps.66.030501
摘要 +
在线社会网络中,信息传播蕴含着复杂的动力学成因.本文将传染病模型与社交影响力要素相结合,并针对影响力度量中主要研究静态网络拓扑结构、忽略个体行为特征的问题,提出一种基于动态节点行为和用户影响力的信息传播动力学模型,旨在量化影响力强度,为研究信息扩散过程中不同用户群体状态转变提供理论依据.首先,在网络拓扑结构和用户行为两方面,提取个人记忆和用户交互两个表征,分析影响力形成的内因和外因两个动力学成因,并基于多元线性回归模型,提出一种度量用户社会影响力的方法.其次,在传统传染病SIR(susceptible-infected-recovered)模型基础上,结合信息扩散与传染病蔓延相似的传播机理,综合考虑信息传播的多源并发性和双向性,引入影响力因子,利用平均场理论改进得到一种基于用户影响力的信息传播模型.实验表明,该模型能有效地解释在线社会网络中信息传播的动力学原因,感知社会网络中信息传播演化态势.
基于忆阻器的时滞混沌系统及伪随机序列发生器
吴洁宁, 王丽丹, 段书凯
2017, 66 (3): 030502. doi: 10.7498/aps.66.030502
摘要 +
忆阻器作为可调控的非线性元件,很容易实现混沌信号的产生.基于忆阻器的混沌系统是当下研究的热点,但是基于忆阻器的时滞混沌系统目前却鲜有人涉足.因此,本文提出了一个新型忆阻时滞混沌系统.时延的存在增加了系统的复杂性,使系统能够产生更丰富、更复杂的动力学行为.我们对提出的忆阻时滞混沌系统进行了稳定性分析,确定了显示系统稳定平衡点的相应参数区域.讨论了在不同参数情况下的系统状态,系统呈现出形态各异的混沌吸引子相图,表现出丰富的混沌特性和非线性特性.最后,将系统用于产生伪随机序列,并经过实验验证,我们提出的系统具有良好的自相关性和互相关性,同时能获得相对显著的近似熵.该时滞混沌系统具有复杂的动力学行为和良好的随机性,能满足扩频通信和图像加密等众多领域的应用需要.
基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速产生技术研究
孙媛媛, 李璞, 郭龑强, 郭晓敏, 刘香莲, 张建国, 桑鲁骁, 王云才
2017, 66 (3): 030503. doi: 10.7498/aps.66.030503
摘要 +
提出一种基于混沌激光的无后处理多位物理随机数高速提取方法.该方法在光域中利用锁模激光器作为光时钟,通过太赫兹光非对称解复用器完成对混沌激光的超低抖动光采样,无需射频时钟及后续逻辑处理过程的参与,经多位比较量化可直接产生优质物理随机数.并以光反馈半导体激光器这一典型的混沌激光产生装置作为熵源对所提方法进行了原理性实验论证.结果显示,光反馈半导体激光器产生的6 GHz混沌激光经5 GSa/s实时、低抖动光采样后,利用并行输出型多位比较器对所获混沌脉冲序列进行量化处理,选取最低有效位4位,可直接产生速率达20 Gb/s的随机数.该随机数速率由选取的量化结果最低有效位数和光采样率联合决定,而当前光采样率受限于所用混沌激光熵源的带宽.本文工作可为硬件上实现更高速物理随机数的实时、在线产生提供有力的技术和理论支撑.
含有一般性热转移过程的低耗散型热机的权衡优化研究
卢灿灿, 白龙
2017, 66 (3): 030504. doi: 10.7498/aps.66.030504
摘要 +
实际热机在工作过程中必然伴随热转移过程.本文提出了含有一般性热转移过程的低耗散热机模型.利用权衡优化方法对该低耗散热机的性能进行了优化分析,推导出了权衡判据下热机功率和效率表达式.详细讨论了不同热转移过程支配下的热机功率以及效率特征,其结果有助于深入理解实际热机的优化机制.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
单像素探测频谱重构成像理论分析
姚伟强, 黄文浩, 杨初平
2017, 66 (3): 034201. doi: 10.7498/aps.66.034201
摘要 +
迄今为止,基于频谱重建的单像素探测成像技术没有提供一个比较全面的理论基础,因此,本文对此成像技术进行了比较详细的理论分析.分析了若干因素对成像重建的影响,包括对来自成像物体散射光的直接探测,或间接探测即物体的散射光顺次经过多个漫射面漫射后由探测器探测;多通道探测即物体的散射光分别沿几个不同路径、各自经几个漫射面顺次漫反射后由探测器探测;探测器尺寸和位置.理论分析结果表明,无论是直接探测还是间接探测,无论是单通道探测还是多通道探测,只要能接收物体的散射光,就能够重构成像;探测器面积对成像重建的影响相当于位于不同位置的多个点探测器探测重建像的叠加.为了加快成像重建速度,导出了三步相移频谱重建公式.对表面光强反射率均匀的物体,采用三步相移技术,给出了成像重建结果.
纵波光学声子耦合对级联型电磁感应透明半导体量子阱中暗-亮光孤子类型的调控
唐宏, 王登龙, 张蔚曦, 丁建文, 肖思国
2017, 66 (3): 034202. doi: 10.7498/aps.66.034202
摘要 +
利用多重尺度法,解析地研究了计及纵波光学声子耦合弛豫效应下级联型三能级电磁诱导透明半导体量子阱介质中时间光孤子的动力学特征.结果表明:纵波光学声子耦合强度的大小能有效调控体系时间光孤子的类型;发现孤子的群速度也可通过纵波光学声子耦合强度和控制光来调控.这为实验上如何操控半导体量子阱的孤子动力学提供了一定的理论依据.
气体、等离子体和放电物理
边界局域模引起钨偏滤器靶板侵蚀和形貌变化的数值模拟研究
黄艳, 孙继忠, 桑超峰, 胡万鹏, 王德真
2017, 66 (3): 035201. doi: 10.7498/aps.66.035201
摘要 +
钨材料在高瞬时热流作用下的熔化、流动是国际热核聚变实验堆面壁材料最突出的问题.本文将热传导方程与Navier-Stokes方程结合,建立了二维流体动力学模型,研究在边界局域模(ELM)强热流轰击下,钨熔化层在表面张力、压强梯度力、磁场力等作用下的流动,以及偏滤器靶板的侵蚀和形貌演化.结果表明,在ELM过程中,熔化层中的液体不断地向边缘区域流动,在打击点区域形成一个熔池,在熔化层的边缘区域形成类似山峰结构的凸起,加重了钨偏滤器靶板的侵蚀.在空间分布为高斯形状入射能流的作用下,钨熔化层两侧的山峰结构是对称的;当能流密度小于3000 MWm-2时,表面张力对熔化层的流动起主要作用.本文在模型的数值求解中,采用交错网格的方法进行离散,克服了液体表面追踪的算法难点,保证了钨偏滤器靶板侵蚀程度计算的准确性.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
石墨表面熔融硅的润湿行为研究
程广贵, 张忠强, 丁建宁, 袁宁一, 许多
2017, 66 (3): 036801. doi: 10.7498/aps.66.036801
摘要 +
熔融硅在石墨表面的润湿规律对于超薄硅片的横向拉模制造尤为重要.本文利用COMSOL软件模拟了理想条件下熔融硅在光滑石墨表面的润湿过程,并借助高温高真空接触角测量仪对高温条件下石墨表面熔融硅的润湿性能开展了实验研究.考察了石墨表面粗糙度(Ra=0.721 m与Ra=0.134 m)、环境温度(17371744 K)、恒温持续时间(1030 s)等因素对润湿角的影响.结合固-液、气-液界面的压力、速度分布图,分析了恒定温度、毛细效应下表面张力变化对润湿过程的影响机制.研究结果表明,相同温度下,石墨表面硅液滴的润湿角随石墨表面粗糙度增大而减小.对同一粗糙度表面,润湿角在相同温度下随保温时间的增加略微减小,且变化的幅度随温度升高而减小.当液滴半径远小于5 mm时,表面张力在润湿过程中起主导作用;当液滴半径大于5 mm时,液滴自身重力的影响不可忽略.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
金红石TiO2本征缺陷磁性的第一性原理计算
林俏露, 李公平, 许楠楠, 刘欢, 王苍龙
2017, 66 (3): 037101. doi: 10.7498/aps.66.037101
摘要 +
基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法模拟计算了金红石相TiO2的四种本征缺陷(氧空位、钛空位、钛间隙缺陷、氧间隙缺陷)和两种复合缺陷(氧空位与氧间隙复合缺陷、钛空位与钛间隙复合缺陷)的铁磁特性.结合态密度、电子分布及晶体结构变化分析可知,四种本征缺陷均会在系统内引入缺陷态.氧空位、钛间隙缺陷使费米面升高,引起自旋极化,引入磁矩分别为1.62 B与3.91 B;钛空位的缺陷态处于价带顶,使费米面进入价带,表现出明显的p型半导体特性,引入磁矩约为2.47 B;氧间隙缺陷引入缺陷态但仍然处于自旋对称状态,费米面略微下降;氧空位与氧间隙复合缺陷使费米面上升的程度比单个氧空位时大,模拟的超晶胞保持了氧空位的铁磁特性,大小为1.63 B;钛空位与钛间隙复合缺陷以反铁磁方式耦合,但超晶胞仍具有一定的铁磁特性.
全反式-胡萝卜素太赫兹光谱的实验及理论研究
闫微, 马淼, 戴泽林, 谷雨, 朱宏钊, 刘禹彤, 许向东, 韩守胜, 彭勇
2017, 66 (3): 037801. doi: 10.7498/aps.66.037801
摘要 +
采用傅里叶变换红外光谱技术和太赫兹时域光谱技术,在室温下对全反式-胡萝卜素薄膜进行了光谱测试.据此,详细地指认出全反式-胡萝卜素在太赫兹波段的指纹谱峰,并验证了近期报道的棕树叶的太赫兹光谱结果.运用密度泛函理论的B3LYP方法计算了全反式-胡萝卜素的太赫兹光谱,理论计算结果与实验测量结果基本符合.此外,根据理论计算结果,对实测的太赫兹特征峰的振动模式进行了系统归属.本文研究结果有助于推动有机物的太赫兹光谱规律和太赫兹响应原理等理论与应用研究.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
图形化蓝宝石衬底上有序微米半球形SnO2的生长、结构和光学特性研究
冯秋菊, 潘德柱, 邢研, 石笑驰, 杨毓琪, 李芳, 李彤彤, 郭慧颖, 梁红伟
2017, 66 (3): 038101. doi: 10.7498/aps.66.038101
摘要 +
利用化学气相沉积法,在图形化蓝宝石衬底上,无需引入催化剂,通过改变反应源锡粉量生长出了不同尺寸、规则排列的有序微米半球形SnO2.测试结果表明,微米半球形SnO2呈选择性生长特性,并且随着反应源锡粉量的增加,微米半球的直径逐渐增大,结晶质量变差.此外,随着锡粉量的增加,在吸收谱中还观测到了吸收边的红移现象.这种选用图形化衬底的制备方法为制备高密度、有序排列的SnO2微/纳米结构提供了一种可行和有效的方法.
基于电磁波反射和折射理论的平底孔试件脉冲涡流检测解析模型
张卿, 武新军
2017, 66 (3): 038102. doi: 10.7498/aps.66.038102
摘要 +
针对大多数脉冲涡流检测解析模型假设试件壁厚均匀减薄,其解析解中仅包含z方向(试件厚度)信息,不能求解探头覆盖区等依赖r方向(平行试件表面)信息的问题,本文提出平底孔试件脉冲涡流检测解析模型.该模型在z和r方向均存在介质分界面,边界条件复杂,求解困难.为此,本文首先假设平底孔所在层导体与空气区域的横向波数和纵向波数均相同,且横向波数为仅与r方向结构有关的实数,纵向波数为与该层横向波数和导体区域材料有关的复数,在此假设基础上应用电磁波反射和折射理论,构造各层波动方程;然后通过引入r方向结构系数Wn,将Cheng的矩阵法扩展,用扩展的矩阵法求解波动方程,得到模型的解析表达式.将该模型应用到16MnR平底孔试件检测实例中,并对其进行实验验证.模型计算结果与实验结果基本符合,证明了模型的正确性.平底孔试件脉冲涡流检测解析模型有助于加深对脉冲涡流检测结果的理解,同时能够为r方向逆问题求解提供理论依据.
基于压缩感知的窄带高速自旋目标超分辨成像物理机理分析
李少东, 陈永彬, 刘润华, 马晓岩
2017, 66 (3): 038401. doi: 10.7498/aps.66.038401
摘要 +
常规窄带雷达系统对高速自旋的空天目标成像时,方位脉冲重复频率通常难以满足采样率要求.而基于压缩感知(compressive sensing,CS)理论则可实现欠采样条件下窄带高速自旋目标的成像.本文对这一成像的物理机理进行分析和讨论.首先,构建方位欠采样回波模型,分析了该模型与CS理论的关系;其次,从物理角度分析基于CS理论可以保证欠采样条件下散射点准确重构的机理,给出欠采样倍数的理论下限值.仿真结果表明,欠采样条件下窄带雷达系统可实现对高速自旋目标二维成像,同时验证了基于CS的欠采样成像性能与欠采样倍数、等效强散射点个数以及波长等有关,与信号带宽无关等结论.
一种非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的计算方法
魏浩, 孙凤举, 呼义翔, 梁天学, 丛培天, 邱爱慈
2017, 66 (3): 038402. doi: 10.7498/aps.66.038402
摘要 +
长距离磁绝缘传输线内电极偏心、感应腔注入电流非均匀分布引起电子鞘层边界偏心等非对称磁绝缘特性.电子鞘层边界是研究非轴对称磁绝缘特性的重要参数.本文提出一种计算非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的方法.通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称Creedon稳态磁绝缘理论推广应用于圆柱坐标系下二维(r,)平面.建立了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘的二维Creedon物理模型,给出了非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的数值计算方法和计算误差.当阴极角向磁场(阴极电流)角向分布满足余弦函数时,电子鞘层边界接近高斯分布.阴极电流角向不均匀程度越大,电子鞘层边界偏心程度越严重,计算误差越大.
具有跨邻居传播能力的信息辐射模型研究
汪筱阳, 王瑛, 朱参世, 朱琳, 傅超琦
2017, 66 (3): 038901. doi: 10.7498/aps.66.038901
摘要 +
针对大多数信息传播的研究均只考虑邻居的问题,本文提出了一个具有跨邻居传播能力的信息辐射模型.该模型结合复杂网络理论、平均场理论和辐射理论,建立了以物理层为网络结构基础、以辐射层为信息传播环境、以状态层为辐射状态统计的三层信息辐射网络模型.通过定义节点状态之间的转换规则和相关网络统计量,引入辐射范围和辐射衰减量,分析了辐射机理并推导了辐射阈值表达式.在不同的复杂网络中,利用数值仿真验证了理论分析的正确性和模型的有效性,分析了节点之间的状态转换概率和辐射衰减量对信息辐射的影响规律.
基于领域相似度的复杂网络节点重要度评估算法
阮逸润, 老松杨, 王竣德, 白亮, 陈立栋
2017, 66 (3): 038902. doi: 10.7498/aps.66.038902
摘要 +
节点重要性度量对于研究复杂网络鲁棒性与脆弱性具有重要意义.大规模实际复杂网络的结构往往随着时间不断变化,在获取网络全局信息用于评估节点重要性方面具有局限性.通过量化节点局部网络拓扑的重合程度来定义节点间的相似性,提出了一种考虑节点度以及邻居节点拓扑重合度的节点重要性评估算法,算法只需要获取节点两跳内的邻居节点信息,通过计算邻居节点对之间的相似度,便可表征其在复杂网络中的结构重要性.基于六个经典的实际网络和一个人工的小世界网络,分别以静态与动态的方式对网络进行攻击,通过对极大连通系数与网络效率两种评估指标的实验结果对比,证明了所提算法优于基于局域信息的度指标、半局部度指标、基于节点度及其邻居度的WL指标以及基于节点位置的K-shell指标.
地球物理学、天文学和天体物理学
常规气象参数估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度
吴晓庆, 田启国, 金鑫淼, 姜鹏, 青春, 蔡俊, 周宏岩
2017, 66 (3): 039201. doi: 10.7498/aps.66.039201
摘要 +
选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.天文台址的选择与近地面层湍流强度大小以及随高度递减的快慢密切相关.与中纬度最好的天文台站相比,南极大陆具有极低的红外天空背景辐射、极低的可降水含量、极低的气溶胶和尘埃颗粒物含量、非常小的光污染、晴天日数多,无疑成为下一代大型光学/红外天文望远镜在地球上寻找地基站址的理想场所.本文建立了光学湍流强度估算方法,第一次对南极泰山站近地面大气光学湍流强度进行估算.模式输入的气象参数是2013年12月30日至2014年2月10日移动式大气参数测量系统在南极泰山站测量的数据,折射率结构常数Cn2的估算结果与温度脉动仪实测的Cn2进行了比较,并对估算方法进行了敏感性分析.测量结果和分析表明:南极内陆近地面Cn2具有明显的日变化特征,夜晚Cn2达210-14m-2/3,比白天强,日出和日落时刻附近出现最小值.Cn2的模式估算和实验测量的比对表明了模式用来估算南极近地面Cn2的可行性.Cn2的模式估算和测量差异最大值往往出现在日出和日落时刻附近.由于南极内陆大气大部分时间处于稳定状态,选用不同的结构常数函数估算的Cn2值差别不大,0.5 m,2.0 m两高度温差测量精度是影响Cn2估算值的主要因素.
基于范阿伦卫星观测数据的等离子体层嘶声全球分布的统计分析
项正, 谈家强, 倪彬彬, 顾旭东, 曹兴, 邹正洋, 周晨, 付松, 石润, 赵正予, 贺丰明, 郑程耀, 殷倩, 王豪
2017, 66 (3): 039401. doi: 10.7498/aps.66.039401
摘要 +
等离子体层嘶声是引起辐射带电子投掷角散射进而沉降到地球大气层的重要物理机理,也被认为是导致地球内、外辐射带之间槽区形成的主因,因此研究空间等离子体层嘶声的全球分布特性具有重要科学意义.本文利用范阿伦探测双星中的A星从2012年9月到2015年5月长达33个月的高质量波动观测数据,详细计算了等离子体层嘶声的平均波幅和发生率,建立了等离子体层嘶声的全球分布数据库,并细致分析了其场强幅度随地磁活动水平、磁壳值L、地磁纬度、磁地方时的统计变化规律.结果表明,等离子体层嘶声的平均波幅与地磁活动剧烈程度具有很强的相关性,并表现出明显的昼夜不对称性.随着地磁活动的增强,日侧等离子体层嘶声的平均波幅相应增大,增强的区域集中在2.5 L 4,但是夜侧等离子体层嘶声的平均波幅反而下降.另外,不同幅度的等离子体层嘶声随地磁活动的变化表现出不同的响应特性.随着地磁活动水平的增强,较小幅度(530 pT)的等离子体层嘶声的日侧发生率减小,夜侧发生率增大;更强幅度(30 pT)的等离子体层嘶声的变化特性正好相反,日侧发生率增大,夜侧发生率减小.在各种地磁活动条件下,磁赤道面附近及中纬地区等离子体层嘶声都广泛存在,波动幅度位于530 pT范围的嘶声发生概率最大.以上统计观测结果为现有的等离子体层嘶声全球分布模型提供了合理、可靠的补充,充分说明不同场强幅度的等离子体层嘶声在2 L 6的内磁层空间经常性地存在,为定量分析、模拟不同能量、不同投掷角的地球辐射带电子在不同太阳风与磁层背景条件下的动态时空变化过程提供了重要参数支持.
黑洞吸积盘系统的喷流加速机制研究
徐佳迪, 姜志雄, 龚小龙
2017, 66 (3): 039701. doi: 10.7498/aps.66.039701
摘要 +
提出了一种从旋转黑洞吸积盘热冕系统中提取能量的喷流加速机制.在吸积盘热冕中,通过求解广义相对论框架下的盘冕系统的动力学方程,得出了吸积盘热冕内区的磁场强度;进一步根据黑洞磁层的电路理论推导出喷流功率的解析表达式.结果表明:模型中喷流功率随着黑洞自转参数a*和磁力矩参数的增加而明显增大,并且大部分功率应来自于在吸积盘热冕系统的内区.此外,用一组高功率喷流的活动星系核样本探讨了该喷流加速机制,分析表明所有高功率喷流源能被模型喷流功率所拟合.