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Vol. 67, No. 18 (2018)

2018年09月20日

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Majorana零模式的电导与低压振荡散粒噪声
Majorana零能量模式是自身的反粒子,在拓扑量子计算中有重要应用.本文研究量子点与拓扑超导纳米线混合结构,通过量子点的输运电荷检测Majorana零模式.利用量子主方程方法,发现有无Majorana零模式的电流与散粒噪声存在明显差别.零模式导致稳态电流差呈反对称,在零偏压处显示反常电导峰.电流差随零模式分裂能的增大而减小,随量子点与零模式耦合的增强而增大.另一方面,零模式导致低压散粒噪声相干振荡,零频噪声显著增强.分裂能导致相干振荡愈加明显且零频噪声减小,而量子点与零模式的耦合使零频噪声增强.当量子点与电极非对称耦合时,零模式使电子由反聚束到聚束输运,亚泊松噪声增强为超泊松噪声.稳态电流差结合低压振荡的散粒噪声能够揭示Majorana零模式是否存在. 颜志猛, 王静, 郭健宏 物理学报.2018, 67(18): 187302.
气体、等离子体和放电物理 总论 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 核物理学 特邀综述
特邀综述
物理学交叉学科及有关科学技术领域
气体、等离子体和放电物理
激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性
林芷伊, 简俊涛, 王小华, 杭纬
2018, 67 (18): 185201. doi: 10.7498/aps.67.20180595
摘要 +
为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有emICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 gmm-1的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al I(396.1 nm),Al Ⅱ(466.3 nm),Al Ⅲ(447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于104 ms-1量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.
总论
微动条件下材料磨损率的一种计算分析方法
杨晓丽, 王斌容, 胡海云
2018, 67 (18): 180501. doi: 10.7498/aps.67.20180596
摘要 +
微动现象广泛存在于工程结构中,近年来越来越受到科研工作者的重视.为了对微动磨损进行深入研究,本文根据微动摩擦系统中摩擦副间的特点,针对微动磨损过程,提出不对称双势阱模型,建立了其中粒子的运动方程;利用非平衡统计思想建立了理论模型,得到了计算磨损率的新方法.以金属材料Mg和Fe组成的摩擦副系统为例进行了计算分析,得出磨损率随磨损时间和势阱宽度的变化,进一步分析了载荷正压力变化对磨损率的影响.计算分析结果表明,在其他条件均不变的情况下,材料磨损率随磨损时间的增大而减小,且随着摩擦副系统中势阱宽度和载荷正压力的减小,磨损率也呈减小趋势.最后,通过与试验结果比较,验证了该理论模型的适用性.
铟锡氧化物薄膜表面等离子体损耗降低的研究
蔡昕旸, 王新伟, 张玉苹, 王登魁, 方铉, 房丹, 王晓华, 魏志鹏
2018, 67 (18): 180201. doi: 10.7498/aps.67.20180794
摘要 +
本文采用直流磁控溅射方法在普通浮法玻璃基底上制备了立方多晶铁锰矿结构的铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)薄膜,并对其进行了结晶性、表面粗糙度、紫外-可见吸收光谱、折射率、介电常数及霍尔效应的测试.研究了溅射时基底温度的改变对于ITO薄膜的光电、表面等离子体性质的影响.随着基底温度由100℃升高至500℃,其光学带隙(3.643.97 eV)展宽,减少了电子带间跃迁的概率,有效降低了ITO薄膜的光学损耗.与此同时,对应ITO薄膜的载流子浓度(4.110202.481021 cm-3)与迁移率(24.632.2 cm2V-1s-1)得到提高,电学损耗明显降低.
原子和分子物理学
光腔中两组分玻色-爱因斯坦凝聚体的受激辐射特性和量子相变
黄珊, 刘妮, 梁九卿
2018, 67 (18): 183701. doi: 10.7498/aps.67.20180971
摘要 +
研究了单模光腔中两组分玻色-爱因斯坦凝聚的基态性质和相关的量子相变.通过利用自旋相干态变换将等效赝自旋哈密顿算符对角化并求得基态能量泛函.基态能量泛函对其经典场变量进行变分并取极小值,得到光子数解和相边界曲线.通过稳定性讨论发现系统除了出现正常相和超辐射相之外,还得到了多稳的宏观量子态;受激辐射来自于原子数反转的集体态,单组分的Dicke系统中并没有此现象;受激辐射只能从一组分的原子中产生,而另外的仍保持在普通超辐射状态.通过调整相关的原子-场耦合强度和频率失谐,超辐射和受激辐射态的顺序可以在原子的两个组分之间互换.
基于密度泛函理论的外电场下盐交联聚乙烯分子的结构及其特性
李亚莎, 谢云龙, 黄太焕, 徐程, 刘国成
2018, 67 (18): 183101. doi: 10.7498/aps.67.20180808
摘要 +
交联聚乙烯是主要的高压电缆绝缘材料.为了研究外电场对盐交联分子结构的影响,本文对Zn原子使用def2-TZVP基组,C,H,O原子使用6-31G(d)基组,运用明尼苏达密度泛函(M06-2X)对交联聚乙烯分子进行优化得到了它的稳定结构.并研究了不同外电场(00.020 a.u.,1 a.u.=5.1421011 V/m)作用下盐交联聚乙烯分子结构和能量变化,外电场对前线轨道的能级和成分的影响,原子之间的键级、断键和红光光谱的变化.研究结果表明:随着电场的增大,交联聚乙烯分子从空间网状结构逐渐变成线性结构,总能量降低,但势能增大,偶极矩和极化率升高,交联聚乙烯分子的稳定性随着电场的增大而降低;最高占据轨道能级持续增大,最低空轨道能级从0.011 a.u.电场开始持续降低,能隙持续降低,临界击穿场强为11.16 GV/m;沿电场方向聚乙烯链端表现出亲核反应活性,它的CC键更容易断裂,形成甲基碳负离子,逆电场方向聚乙烯链端表现出亲电反应活性,它的CH键更容易断裂形成H正离子;分子红外光谱高频区吸收峰明显红移,低频区吸收峰既有红移又有蓝移.
单颗粒稀土微/纳晶体上转换荧光行为的光谱学探究
张翔宇, 马英翔, 徐春龙, 丁健, 全红娟, 侯兆阳, 石刚, 秦宁, 高当丽
2018, 67 (18): 183301. doi: 10.7498/aps.67.20172191
摘要 +
利用激光共聚焦显微镜系统研究了系列单颗粒NaYF4:Yb/Er微晶的上转换荧光强度、空间分布和动力学过程.结果表明:荧光强度和动力学过程不但依赖于样品的长径比,而且依赖于样品的具体制备途径.荧光强度和红色荧光寿命随样品长径比的增大而增大,在具有相同长径比的NaYF4:Yb/Er微米棒中,相比于调柠檬酸的量,调控pH制备的样品展示了更优异的上转换荧光特性.更有趣的是:不同样品的荧光图案展示了异向空间分布,暗示了其在编码和显示等领域的应用优势.荧光特性依赖于样品长径比和制备过程的物理机理被进一步研究和揭示:在微米晶体内,荧光强度主要依赖于样品的晶格内Na+缺陷的数量.该研究为高效上转换荧光材料的合成积累了数据,而NaYF4:Yb/Er微晶中红色荧光寿命对晶格缺陷更加敏感的特性也可能使其成为晶格结晶度的探针.

编辑推荐

铥原子收敛于4f13(2F7/2o)6s(7/2,1/2)4o和4f13(2F7/2o)6s(7/2,1/2)3o偶宇称里德伯系列能级的电子关联效应
张典承, 张颍, 李晓康, 贾凤东, 李若虹, 钟志萍
2018, 67 (18): 183102. doi: 10.7498/aps.67.20180797
摘要 +
本文在多通道量子亏损理论框架下,利用相对论多通道理论,计算了铥原子收敛于4f13(2F7/2o)6s(7/2,1/2)4o和4f13(2F7/2o)6s(7/2,1/2)3o的三个偶宇称里德伯系列.通过将计算结果与美国国家标准与技术研究院数据进行比较,展示了两种类型的电子关联效应:1)里德伯系列之间的相互作用,导致里德伯系列的能级出现整体偏移;2)一个孤立的干扰态镶嵌在一个里德伯系列中,破坏了该里德伯系列能级的规则性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于可调石墨烯超表面的宽角度动态波束控制
李小兵, 陆卫兵, 刘震国, 陈昊
2018, 67 (18): 184101. doi: 10.7498/aps.67.20180592
摘要 +
可调控超表面可用于动态控制空间波束的方向,具有很高的应用价值.石墨烯是一种可调的二维材料,它的电导率可以通过外加电压控制,利用这一特性可设计基于石墨烯的可调控超表面.超表面控制反射波束时的理论依据是广义的斯涅耳反射定律.反射角度可通过沿超表面的相位梯度进行控制.但是这种方法有局限性,当超表面单元固定时,反射角度只能取有限个离散的值.本文设计了基于石墨烯的可调超表面,并采用一种基于卷积运算定理的波束控制方法,实现了反射波角度的大范围动态控制.在1.75 THz垂直入射平面波激励下,反射角度可以从5变化到70,间隔小于10.数值模拟结果与理论计算结果一致.
相干彩虹的形成机制
孙天娇, 钱轩, 尚雅轩, 刘剑, 王开友, 姬扬
2018, 67 (18): 184204. doi: 10.7498/aps.67.20180888
摘要 +
用一束白光激光聚焦照射液体(水、丙酮、无水乙醇、汽水等)或固体(冰、有色玻璃、塑料、彩色蜡等),出现了多级的彩色干涉环,即相干彩虹.高强度白光局部地加热了液体(固体),改变了它的密度(以及折射性质),从而导致光程差的出现,不同波长的光都发生干渉,形成了彩色的干涉环.有色玻璃在反射模式下也出现了相干彩虹,此时的干涉完全来自于玻璃表面轮廓的变化,并且无参数拟合的结果定量地符合观测到的干涉图案.
线性模式下GaAs光电导开关的时间抖动特性
桂淮濛, 施卫
2018, 67 (18): 184207. doi: 10.7498/aps.67.20180548
摘要 +
针对线性模式下GaAs光电导开关时间抖动特性的研究,对提高精密同步控制系统的输出性能具有重要意义.根据电脉冲的概率分布和时间与电脉冲波形的对应关系,结合载流子的输运过程,对光电导开关时间抖动进行了定性的理论推导.此外,通过搭建实验平台,利用正交光栅分光,将一束激光同时触发两路并联的GaAs光电导开关,改变触发激光脉冲宽度及外加偏置电压测试开关时间抖动,根据实验值的对比分析,得出在不同的外加偏置电压下,随着触发激光脉冲宽度的减小,开关时间抖动值随之减小.验证了触发激光脉冲宽度对开关时间抖动的影响及理论分析的正确性.研究结果对GaAs光电导开关时间抖动的进一步减小具有一定的指导意义.
多波长发光二极管光源雷达系统与近地面低层大气气溶胶探测
钟文婷, 刘君, 华灯鑫, 侯海彦, 晏克俊
2018, 67 (18): 184208. doi: 10.7498/aps.67.20180721
摘要 +
设计并研制了一台多波长发光二极管(LED)光源雷达系统,用于探测近地面低层大气气溶胶特性.介绍了LED光源雷达系统的组成及工作原理,计算分析了系统几何重叠因子,从而确定了LED光源雷达系统的最低探测高度为60 m.研究了LED光源雷达散射回波信号的数据反演方法,根据LED光源雷达适合近距离探测的特点,采用了Fernald前向积分反演算法,并以地面能见度仪数据为基础,确定了气溶胶消光系数的边界值.利用所设计的475,530和625 nm三个波长的LED光源雷达系统,分别在轻度污染、中度污染和重度污染天气情况下,对西安夜晚城区上空低层大气气溶胶进行了探测,获得了近300 m高度内三个波长的大气气溶胶消光系数高度分布曲线,并对近地面低层大气气溶胶的垂直分布与变化特征进行了探讨.
前缘曲率变化对平板边界层感受性问题的影响
沈露予, 陆昌根
2018, 67 (18): 184703. doi: 10.7498/aps.67.20180593
摘要 +
边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.目前已有的研究成果显示,在声波扰动或涡波扰动作用下前缘曲率变化对边界层感受性机制有着显著的影响.本文采用直接数值模拟方法,研究了在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘平板边界层感受性问题,揭示椭圆形前缘曲率变化对平板边界层内被激发出Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的感受性机制以及波包向前传播群速度的影响;通过快速傅里叶分析方法从波包中提取获得了不同频率的T-S波,详细分析了前缘曲率变化对不同频率的T-S波的幅值、色散关系、增长率、相速度以及形状函数的作用;确定了前缘曲率在平板边界层内激发T-S波的感受性过程中所占据的地位.通过上述研究能够进一步认识和理解边界层感受性机制,从而丰富和完善了流动稳定性理论.
自润湿流体液滴的热毛细迁移特性
叶学民, 张湘珊, 李明兰, 李春曦
2018, 67 (18): 184704. doi: 10.7498/aps.67.20180660
摘要 +
采用数值模拟方法研究了自润湿流体液滴的热毛细迁移特性.基于润滑理论和滑移边界条件建立了二维液滴运动的演化模型,分析了液气界面张力极小值对应温度在壁面上的位置(临界点)与液滴位置间的相对关系对液滴运动特性的影响.结果表明,对于壁面润湿性不随温度变化的情形,随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴的迁移方向发生改变,但液滴受热毛细力驱动总是向界面张力高的方向移动.对于壁面润湿性随温度变化的情形,无论液滴初始放置于临界点何处,受高温侧壁面润湿性恶化的影响,液滴均向低温区迁移;随液滴初始位置相对临界点的向左移动,液滴受方向向左的热毛细力增大,提高了其向低温区的迁移速率.控制自润湿流体液滴运动可通过调控临界点与液滴位置间的关系来实现,欲抑制液滴向低温区的迁移,则应将液滴放置于临界点右侧.
基于微透镜阵列匀束的激光二极管面阵抽运耦合系统分析
严雄伟, 王振国, 蒋新颖, 郑建刚, 李敏, 荆玉峰
2018, 67 (18): 184201. doi: 10.7498/aps.67.20172473
摘要 +
为了提升高功率固体激光器中激光二极管(LD)面阵抽运场性能,采用几何光学和数理统计分析的方法,建立了基于微透镜阵列匀束的LD面阵抽运耦合系统的数学与物理模型,对微透镜阵列参数与最终耦合输出抽运场参数之间的关系进行分析,明确了微透镜单元F数、微透镜通光单元数以及微透镜阵列空间周期参数的设计原则.经实验测试,优化设计完成的LD面阵抽运耦合系统光场不均匀度为7.9%,耦合效率为90.7%.
浅海被动水下偏振成像探测方法
卫毅, 刘飞, 杨奎, 韩平丽, 王新华, 邵晓鹏
2018, 67 (18): 184202. doi: 10.7498/aps.67.20180692
摘要 +
针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.
基于光纤中超短脉冲非线性传输机理与特定光谱选择技术的多波长飞秒激光的产生
吕志国, 杨直, 李峰, 李强龙, 王屹山, 杨小君
2018, 67 (18): 184205. doi: 10.7498/aps.67.20181026
摘要 +
高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源在超快光谱学、量子光学及生物成像等研究与应用领域具有重要价值.如在生物多光子显微成像中,具有适中能量的宽调谐飞秒激光源不仅可满足多种生物组织荧光激发所需的峰值功率与激发波长,而且也可以显著提升非线性荧光产生效率、成像分辨率以及增大成像穿透深度.采用自主研发的高可靠性全保偏光纤飞秒激光器作为抽运源,基于低色散光纤中高峰值功率飞秒激光脉冲非线性传输引起的光谱加宽机制,本文开展了多波长全光纤飞秒激光产生技术研究.通过采用中心波长在980,1000,1050,1070与1100 nm的带通滤波片选择性地对单模光纤输出光谱中最左边与最右边光谱旁瓣进行滤波,在上述中心波长处分别可获得203,195,196,187与194 fs的激光输出.本文提出的基于全光纤飞秒激光脉冲在单模光纤中非线性传输引起的光谱加宽机制与特定光谱选择技术的实验方案为高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源的实现提供了新的研究途径.
温度对飞秒激光脉冲在NaCl溶液中成丝产生的超连续谱的影响
李贺, 陈安民, 于丹, 李苏宇, 金明星
2018, 67 (18): 184206. doi: 10.7498/aps.67.20180686
摘要 +
利用飞秒激光脉冲在NaCl溶液中成丝,研究了溶液温度对飞秒激光成丝过程中产生的超连续谱的影响.发现在激光脉冲能量较低时,溶液温度对超连续谱的影响几乎可以忽略;而在激光脉冲能量较高时,随着NaCl溶液温度的升高,超连续谱呈现出被压缩的趋势.此外,在激光脉冲能量较高的情况下,NaCl中会产生大量的气泡.通过分析,得出了飞秒激光在溶液中成丝产生的气泡是影响超连续谱发射的主要因素.
Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究
吴圣钰, 张耘, 柏红梅, 梁金玲
2018, 67 (18): 184209. doi: 10.7498/aps.67.20180735
摘要 +
利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了Co单掺及Co和Zn共掺LiNbO3晶体的电子结构和吸收光谱.研究显示,各掺杂体系铌酸锂晶体的带隙均较纯铌酸锂晶体变窄.Co:LiNbO3晶体禁带宽度为3.32 eV;Co:Zn:LiNbO3晶体,Zn的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87或2.75 eV.Co:LiNbO3晶体在可见-近红外光波段2.40,1.58,1.10 eV处形成吸收峰,这些峰归结于Co 3d分裂轨道的跃迁;加入抗光折变离子Zn2+,在1.58,1.10 eV处的吸收峰增强,可以认为Zn2+与Co2+之间存在电荷转移,使eg轨道电子减少,但并不影响t2g轨道电子.结果表明,晶体中的Co离子在不同共掺离子下可充当深能级中心(2.40 eV),或可充当浅能级中心(1.58 eV),两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储.
基于空芯微结构光纤拉曼探针的实验研究
盛子城, 王腾, 周桂耀, 夏长明, 刘建涛, 李波瑶, 樊海霞, 陈云, 侯峙云
2018, 67 (18): 184211. doi: 10.7498/aps.67.20180684
摘要 +
表面增强拉曼散射(SERS)技术可有效增强样品分子的拉曼信号,对生物分子检测具有较高的灵敏性,因此在生化方面有着许多潜在的应用.而将空芯微结构光纤与SERS技术相结合不仅能够远端实时、分布式地检测,同时还可以增加光场与待测物的有效作用面积,减少传统光纤探针无法避免的石英背景信号等问题.本文基于空芯微结构光纤进行SERS探针的制备及性能测试研究,利用真空物理溅射法在空芯光纤内镀纳米Ag膜,从而制备成SERS探针,通过实验检测不同浓度的罗丹明6G(R6G)酒精溶液的拉曼信号.结果表明,在探针的近端正面成功探测到了浓度低至10-9 mol/L的R6G拉曼信号,在探针的远端反面探测到的浓度可小于10-6 mol/L.该实验结果为研究高灵敏度的SERS探针提供了一种新的手段.
基于光子晶体光纤交叉敏感分离的磁场温度传感研究
吴倩, 张诸宇, 郭晓晨, 施伟华
2018, 67 (18): 184212. doi: 10.7498/aps.67.20180680
摘要 +
提出了一种基于定向耦合效应和表面等离子共振效应的交叉敏感分离的磁场温度传感结构.在光子晶体光纤的一个特定空气孔中填充磁流体,利用磁流体的磁光效应和定向耦合效应形成磁场传感通道;在垂直方向的另一空气孔的内壁镀金纳米薄膜并填充甲苯液体,利用甲苯的温敏效应和表面等离子共振效应形成温度传感通道.对应输出谱出现两个损耗峰,测量损耗峰位置可以间接测出磁场强度和温度变化.通过理论计算和结构优化,在90270 Oe(1 Oe=103/(4) A/m)范围内,磁场强度的灵敏度最高可达1.16 nm/Oe;在2560℃范围内,温度的灵敏度可达-9.07 nm/℃.虽然填充的两种液体的折射率都受环境温度的影响,但通过建立灵敏度系数矩阵,可以消除磁场强度与温度的交叉敏感,实现磁场温度双参量的高灵敏度检测.
液滴撞击圆柱内表面的数值研究
李玉杰, 黄军杰, 肖旭斌
2018, 67 (18): 184701. doi: 10.7498/aps.67.20180364
摘要 +
针对液滴撞击圆柱内表面的过程,利用基于相场的格子Boltzmann方法模拟液滴以不同初速度、从不同初始高度、撞击不同大小的圆柱内表面时液滴的形态变化,分析了液滴自身物性(如密度和黏性等)和圆柱内表面润湿性等因素对撞击现象的具体影响.研究发现:撞击韦伯数、密度比及动力黏性比、圆柱半径等对液滴撞击后沿圆柱内表面的铺展均有一定影响,较高的韦伯数下液滴可能会发生分裂;液滴初始高度对大密度比和动力黏性比的撞击影响较小;液滴反弹现象可能出现在接触角较大时;重力作用会抑制撞击后液滴的振荡.
激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究
李冬冬, 王革, 张斌
2018, 67 (18): 184702. doi: 10.7498/aps.67.20180879
摘要 +
在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.
利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强
高健, 桑田, 李俊浪, 王啦
2018, 67 (18): 184210. doi: 10.7498/aps.67.20180848
摘要 +
构建基底/窄刻槽金属光栅/覆盖层/石墨烯结构,利用金属光栅激发的表面等离子体激元共振和窄光栅刻槽支持的法布里-珀罗共振,在可见光波段实现单层石墨烯的双通道吸收增强,并结合简化模型估算出双吸收通道所在位置.在波长462和768 nm处,石墨烯的光吸收效率分别为35.6%和40.1%,相比石墨烯本征光吸收率的增强均超过15.5倍.进一步研究发现由于短波处吸收增强源于金属光栅的表面等离子体激元共振,其吸收特性受覆盖层厚度、刻槽深度和宽度变化的影响较小;而由于长波处吸收增强源于窄刻槽中的法布里-珀罗共振,因此呈现出良好的角度不敏感吸收特性.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Ag-Cr共掺LiZnP新型稀磁半导体的光电性质
杜成旭, 王婷, 杜颖妍, 贾倩, 崔玉亭, 胡爱元, 熊元强, 毋志民
2018, 67 (18): 187101. doi: 10.7498/aps.67.20180450
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对纯LiZnP,Ag/Cr单掺和Ag-Cr共掺LiZnP新型稀磁半导体进行了结构优化,计算并分析了掺杂体系的电子结构、磁性、形成能、差分电荷密度和光学性质.结果表明:非磁性元素Ag单掺后,材料表现为金属顺磁性;磁性元素Cr单掺后,sp-d杂化使态密度峰出现劈裂,体系变成金属铁磁性;而Ag-Cr共掺后,其性质与Ag和Cr单掺完全不同,变为半金属铁磁性,带隙值略微减小,导电能力增强,同时形成能降低,原子间的相互作用和键强度增强,晶胞的稳定性增强.通过比较光学性质发现,掺杂体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区均出现新的峰值,且当Ag-Cr共掺时介电峰峰值最高,同时复折射率函数在低能区发生明显变化,吸收边向低能方向延展,体系对低频电磁波吸收加强.
La施主掺杂SrTiO3单晶的阻变性能研究
李广辉, 夏婉莹, 孙献文
2018, 67 (18): 187303. doi: 10.7498/aps.67.20180904
摘要 +
以La施主掺杂SrTiO3(LaSTO)单晶为样品,制备了Pt/LaSTO/In结构存储器件.通过一系列电学测试,发现该器件具有稳定的多级阻变现象,最大开关比为104;高低阻电流-电压关系曲线的拟合分析表明,高阻时存在界面势垒,而低阻时满足电子隧穿模型特性.电子顺磁共振研究表明LaSTO单晶内存在带正电的空穴缺陷中心.综合分析证明器件的高低阻之间的转变由界面空位缺陷导致的电子俘获与去俘获引起.此外发现光照会对LaSTO单晶的阻值产生影响.该实验结果为LaSTO单晶在阻变存储器件中的应用提供了理论和技术指导.
石墨烯纳米片大自旋特性第一性原理研究
张淑亭, 孙志, 赵磊
2018, 67 (18): 187102. doi: 10.7498/aps.67.20180867
摘要 +
通过基于密度泛函理论的全电子数值轨道第一性原理电子结构计算,研究了各种形状有限石墨烯片段(石墨烯纳米片,GNF)的磁特性,证明GNF的自旋磁有序来源于由其形状决定的键拓扑挫折(topological frustration)作用.锯齿形边缘的三角形GNF的净自旋不为零,如同一个人造铁磁性原子团,总自旋随尺度线性增加.根据拓扑挫折原理,可以在GNF中引入较大的净自旋和独特的自旋分布,如由三角形GNF单元构成的复杂分形结构,总自旋随分形级数呈指数上升.通过刻蚀技术制作具有一定拓扑结构的GNF可以实现可控自旋电子纳米材料和器件应用.
InAs/GaSb量子阱中太赫兹光电导特性
魏相飞, 何锐, 张刚, 刘向远
2018, 67 (18): 187301. doi: 10.7498/aps.67.20180769
摘要 +
太赫兹技术由于具有重大的科学价值及应用前景而引起了广泛关注,其核心问题是性能优异的室温太赫兹辐射源和探测器研究.本文用半经典的玻尔兹曼方程方法研究了InAs/GaSb量子阱系统中载流子对电磁场的响应,运用平衡方程方法求解玻尔兹曼方程得到了量子阱系统中的光电导,系统地研究了量子阱结构对光电导的影响,揭示了在该量子阱系统中光电导产生的物理机制.研究发现,量子阱结构主要通过调节载流子的能级、浓度和波函数的耦合影响光电导,对称性较好的量子阱结构(8 nm-8 nm)的光电导信号更强,其峰值落在太赫兹区(0.2 THz),并且在低温下器件的性能较好,温度升高则吸收峰略有降低,且光电导峰值发生红移.研究结果表明该量子阱系统可以用作室温太赫兹光电器件.

封面文章

Majorana零模式的电导与低压振荡散粒噪声
颜志猛, 王静, 郭健宏
2018, 67 (18): 187302. doi: 10.7498/aps.67.20172372
摘要 +
Majorana零能量模式是自身的反粒子,在拓扑量子计算中有重要应用.本文研究量子点与拓扑超导纳米线混合结构,通过量子点的输运电荷检测Majorana零模式.利用量子主方程方法,发现有无Majorana零模式的电流与散粒噪声存在明显差别.零模式导致稳态电流差呈反对称,在零偏压处显示反常电导峰.电流差随零模式分裂能的增大而减小,随量子点与零模式耦合的增强而增大.另一方面,零模式导致低压散粒噪声相干振荡,零频噪声显著增强.分裂能导致相干振荡愈加明显且零频噪声减小,而量子点与零模式的耦合使零频噪声增强.当量子点与电极非对称耦合时,零模式使电子由反聚束到聚束输运,亚泊松噪声增强为超泊松噪声.稳态电流差结合低压振荡的散粒噪声能够揭示Majorana零模式是否存在.
氧空位缺陷对PbTiO3铁电薄膜漏电流的调控
佘彦超, 张蔚曦, 王应, 罗开武, 江小蔚
2018, 67 (18): 187701. doi: 10.7498/aps.67.20181130
摘要 +
基于非平衡格林函数及密度泛函理论第一性原理计算方法,计算了Fe,Al,V和Cu四种阳离子掺杂对氧空位缺陷引起的PbTiO3铁电薄膜漏电流的调控.研究表明:Fe和Al离子掺杂将会增大由其中氧空位缺陷导致的铁电薄膜的漏电流,而Cu和V离子掺杂对该漏电流的大小具有明显抑制作用.这是因为Cu和V掺杂对氧空位缺陷有明显的钉扎作用.相比于半径更大的Cu离子,由于V的离子半径更小,且更接近于PbTiO3铁电薄膜中Ti的离子半径,可以预言V离子更可能被掺杂进入薄膜,从而抑制氧空位缺陷引起的漏电流.研究结果对铁电薄膜器件的电学性能控制和优化有一定的理论指导意义.
掺杂红外染料聚叠氮缩水甘油醚工质激光烧蚀推进性能优化探索
罗乐乐, 窦志国, 叶继飞
2018, 67 (18): 187901. doi: 10.7498/aps.67.20180479
摘要 +
选择含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为激光烧蚀微推力器的工质,分析了红外染料掺杂对激光烧蚀GAP工质推进性能的影响.通过对比掺杂红外染料GAP在不同激光功率密度、掺杂浓度、靶材厚度和激光烧蚀模式下的推进性能数据和烧蚀羽流,初步探索了掺杂红外染料GAP工质的推进性能优化方式.实验结果表明:透射式激光烧蚀模式下,激光能量的指数衰减特性和掺杂红外染料GAP的强黏性使得烧蚀羽流中易存在未充分烧蚀的工质;GAP的推进性能受红外染料掺杂浓度和靶材厚度的综合影响,当靶材厚度与激光吸收深度接近时,靶材充分吸收激光能量使中心烧蚀区达到化学能释放的温度阈值,同时沿激光传播方向未充分烧蚀的质量最少,此时推进性能达到最优值.反射式下掺杂红外染料的聚合物的激光烧蚀过程遵循先吸收激光能量先喷射的规律,工质分解充分,推进性能优于透射式.
深红色Mg1+yAl2-xO4:xMn4+,yMg2+荧光粉的合成与发光性质
彭玲玲, 曹仕秀, 赵聪, 刘碧桃, 韩涛, 李凤, 黎小敏
2018, 67 (18): 187801. doi: 10.7498/aps.67.20180778
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采用高温固相法在空气气氛中合成了新型Mg1+yAl2-xO4:xMn4+,yMg2+深红色荧光粉.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光光谱仪表征荧光粉的晶体结构和形貌,并分析了发光性质,讨论了掺杂不同浓度Mn4+和过量Mg2+对样品发光强度的影响.结果表明,在300 nm波长激发下样品发射652 nm波长的红光,归因于Mn4+的2Eg4A2g跃迁,Mn4+的最佳掺杂浓度为0.14%.采用Blasse公式计算了Mn4+-Mn4+之间能量传递的临界距离,讨论了可能的能量传递过程和引起浓度淬灭的原因,采用Tanabe-Sugano能级图从理论上计算和分析了Mn4+的d3电子构型的晶体场强度大小.过量Mg2+可以提高荧光粉的发光强度,同时导致了荧光寿命的缩短,荧光衰减曲线呈单指数变化.探讨了过量Mg2+增强发光强度的机理,阐述了深红色荧光粉MgAl2O4:Mn4+发光效率提高的原因.
核物理学
基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性
陈坚, 刘志强, 郭恒, 李和平, 姜东君, 周明胜
2018, 67 (18): 182801. doi: 10.7498/aps.67.20180919
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离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015(IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的碰撞-辐射模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10-2 Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为1091011 cm-3和1.72.8 eV,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.
Lipkin-Meshkov-Glick模型中的能级劈裂与宇称振荡研究
喻益湘, 宋凝芳, 刘伍明
2018, 67 (18): 182101. doi: 10.7498/aps.67.20181069
摘要 +
Lipkin-Meshkov-Glick(LMG)模型原本描述的是核物理系统,然而近年来,人们发现它广泛存在于凝聚态物理、量子信息、量子光学中,因此对其研究兴趣正在升温.本文采用精确对角化的方法以及量子微扰理论计算和分析了LMG模型在费米子数量为有限N时的能谱结构.在U(1)极限下给出它的能级精确解,发现其相互交错成渔网结构.而离开U(1)极限,系统的能级总是奇偶宇称成对地分组,形成束缚态,并且宇称会发生振荡,给出了宇称交叉点的临界塞曼场的位置.而达到Z2极限,系统能级则在零塞曼场附近形成劈裂,解析地计算了这些能隙与塞曼场之间关系,并发现对于奇数和偶数的N,各能态宇称的行为有所差别,具体而言,奇数N系统各态在零塞曼场处会发生宇称改变,而偶数N不会.
质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失
申帅帅, 贺朝会, 李永宏
2018, 67 (18): 182401. doi: 10.7498/aps.67.20181095
摘要 +
利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和12C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.
特邀综述

编辑推荐

部分相干光束经过湍流大气传输研究进展
王飞, 余佳益, 刘显龙, 蔡阳健
2018, 67 (18): 184203. doi: 10.7498/aps.67.20180877
摘要 +
相较于相干光束,部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来,部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法,介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法,以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
金辅助催化方法制备GaAs和GaAs/InGaAs纳米线结构的形貌表征及生长机理研究
苑汇帛, 李林, 曾丽娜, 张晶, 李再金, 曲轶, 杨小天, 迟耀丹, 马晓辉, 刘国军
2018, 67 (18): 188101. doi: 10.7498/aps.67.20180220
摘要 +
利用金(Au)辅助催化的方法,通过金属有机化学气相沉积技术制备了GaAs纳米线及GaAs/InGaAs纳米线异质结构.通过对扫描电子显微镜(SEM)测试结果分析,发现温度会改变纳米线的生长机理,进而影响形貌特征.在GaAs纳米线的基础上制备了高质量的纳米线轴、径向异质结构,并对生长机理进行分析.SEM测试显示,GaAs/InGaAs异质结构呈现明显的柱状形貌与衬底垂直,InGaAs与GaAs段之间的界面清晰可见.通过X射线能谱对异质结样品进行了线分析,结果表明在GaAs/InGaAs轴向纳米线异质结构样品中,未发现明显的径向生长.从生长机理出发分析了在GaAs/InGaAs径向纳米线结构制备过程中伴随有少许轴向生长的现象.
小型条纹管数值模拟及实验研究
田丽萍, 李立立, 温文龙, 王兴, 陈萍, 卢裕, 王俊锋, 赵卫, 田进寿
2018, 67 (18): 188501. doi: 10.7498/aps.67.20180643
摘要 +
针对无人机载及星载激光成像雷达系统对条纹管的小型化、高空间分辨率与大探测面积的应用需求,研制了一台具有高边缘空间分辨能力、高亮度增益的小型条纹相机.采用球面光电阴极、球面荧光屏技术提高了条纹相机的边缘空间分辨率和探测面积,有利于增大激光成像雷达的探测视场;采用狭缝型加速电极代替传统栅网电极,有利于提高条纹相机的电耐性和可靠性;设计了加载高达-15 kV工作电压的像缩小型条纹管,增大了条纹管的亮度增益,有助于增大激光雷达系统的探测距离.测试结果显示:在有效工作面积16 mm2 mm内,条纹管静态空间分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%(MTF表示调制传递函数),亮度增益高达39.4.条纹相机光电阴极处静态空间分辨率高于15 lp/mm@CTF=11.64%(CTF表示对比度传递函数);边缘动态空间分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%;时间分辨率优于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns(Tscreen为全屏时间)且在整个工作面积内具有较高的一致性;动态范围为345:1@54.6 ps.同时,为满足不同的景深及探测精度需求,相机设置六个扫描档位,可以实现不同扫速下的超快速目标诊断.该条纹相机在无人机载及星载激光成像雷达探测中具有潜在的实用价值.
反应扩散系统中反螺旋波与反靶波的数值研究
倪之玮, 李新政, 白占国, 李燕
2018, 67 (18): 188201. doi: 10.7498/aps.67.20180864
摘要 +
采用三变量Brusselator扩展模型在二维空间对反应扩散系统中反螺旋波和反靶波进行了数值模拟,利用色散关系和参量的时空变化研究了反螺旋波与反靶波的形成机制和时空特性,分析了方程参数对反螺旋波与反靶波的影响,获得了多种不同臂数的反螺旋波.模拟结果表明:反螺旋波源于波失稳、霍普失稳,或两种失稳的共同作用,而在反靶波中除上述两种失稳外还同时存在图灵失稳,波的传播方向均由外向内;反螺旋波波头的相位运动方向与波的走向相同,且旋转周期随臂数的增加逐渐增大;多臂数的反螺旋波由于受微扰及边界条件的影响,在波头的持续旋转运动中可以向臂数少的反螺旋波发生转变,并且在一定条件下单臂反螺旋波可实现到反靶波的转变;当不活跃中间物质的浓度的扩散系数超过临界值时,波的传播方向发生改变,系统可以实现反螺旋波到螺旋波以及反靶波到靶波的转变.
三区域膜泡相分离模式之间转变的研究
纪丹丹, 张劭光
2018, 67 (18): 188701. doi: 10.7498/aps.67.20180828
摘要 +
基于Helfrich弹性曲率模型,结合实验参数,用直接极小化方法对三区域膜泡的两种相分离模式的稳定形状,及其之间的相变进行了计算,得出相变点为o*=0.49,与实验结果o*=0.5很接近.用直接极小化方法还研究了三区域膜泡发生发芽的必要条件,指出只有当约化线张力系数足够大,并且膜泡内外溶剂能自由渗透时,才可能发生发芽形变,并对渗透的可能机制进行了探讨.
全腔输出相对论磁控管输出模式转换结构的理论设计和数值模拟
杨温渊, 董烨, 董志伟
2018, 67 (18): 188401. doi: 10.7498/aps.67.20180358
摘要 +
采用全腔输出结构后,相对论磁控管径向尺寸显著减小,轴向长度也有较大幅度的缩短.但是,由于输出结构为三个相对独立的扇形波导,实际应用时,一般需要对微波输出模式进行转换.针对全腔输出相对论磁控管,本文研究了两种输出模式转换结构并利用三维全电磁粒子模拟程序对其进行了研究.首先研究了将三个扇形波导角向增宽从而渐变或者突变为一个同轴波导的情况,研究结果表明,两种情况下输出微波功率均大于采用传统三个独立扇形波导输出时的90%,输出模式主要是TEM模.其次研究了输出区由三个扇形输出波导分别变换为三个截面大小与之接近的矩形输出波导的可行性,研究结果表明,注入扇形波导中的TE11模式几乎全部转换为矩形波导中的TE10模式.实际应用时,可根据需要选择上述输出模式转换结构.