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Vol. 67, No. 19 (2018)

2018年10月05日

特邀综述

  

封面文章

声学超材料与超表面研究进展
声学超材料是一种人工设计结构的材料,具有超越自然界材料行为的特性,如负折射、反常多普勒效应、平面聚焦等.本文主要介绍了声学超材料近二十年来的相关研究进展,重点论述了超原子声学超材料、超分子声学超材料、超原子簇和超分子簇声学超材料.最后简要介绍了近五年来声学超表面的研究概况和发展趋势. 丁昌林, 董仪宝, 赵晓鹏 物理学报.2018, 67(19): 194301.
总论 核物理学 特邀综述
特邀综述
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 综述
综述
地球物理学、天文学和天体物理学 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 气体、等离子体和放电物理 基本粒子物理学与场 凝聚物质:结构、力学和热学性质
总论
一维扩展量子罗盘模型的拓扑序和量子相变
陈西浩, 王秀娟
2018, 67 (19): 190301. doi: 10.7498/aps.67.20180855
摘要 +
应用矩阵乘积态表示的无限虚时间演化块算法,研究了扩展的量子罗盘模型.为了深入研究该模型的长程拓扑序和量子相变,基于奇数键和偶数键,引入了奇数弦关联和偶数弦关联,计算了保真度、奇数弦关联、偶数弦关联、奇数弦关联饱和性与序参量.弦关联表现出三种截然不同的行为:衰减为零、单调饱和与振荡饱和.基于弦关联的以上特征,给出了量子罗盘模型的基态序参量相图.在临界区,局域磁化强度和单调奇弦序参量的临界指数β=1/8表明:相变的普适类是Ising类型.此外,保真度探测到的相变点、连续性与非连续性和序参量的结果一致.
大倾斜角度下基于冷原子重力仪的绝对重力测量
吴彬, 程冰, 付志杰, 朱栋, 周寅, 翁堪兴, 王肖隆, 林强
2018, 67 (19): 190302. doi: 10.7498/aps.67.20181121
摘要 +
冷原子重力仪的倾斜角会对绝对重力测量产生显著的影响.高精度的绝对重力测量需要对重力仪的倾斜角进行精确的测量、控制及校正.本文从理论上分析了四种不同情况下倾斜对绝对重力测量的影响规律,并在实验上对得到的理论进行了实验验证.基于此,设计了一种基于双倾斜计的绝对重力测量方案,主要是为了解决恶劣测量环境下的冷原子重力仪倾斜漂移问题.此方案利用高精度倾斜计记录放置在被动隔振平台上的拉曼反射镜的倾斜角度,并使用另外一个倾斜计监控真空系统的倾斜,以实现振动噪声的抑制和倾斜的高精度测量.基于自研的小型化冷原子重力仪,对该方案进行了实验验证,并最终实现了车间复杂环境下的高精度绝对重力测量.由于倾斜得到精确测量和补偿,冷原子重力仪的测量精度达到了12.3 μGal.本文为复杂环境下的高精度绝对重力测量提供了一种可行的方案,为冷原子重力仪的实用化提供了参考数据.
超高精度空间站共视时间比对新方法
刘音华, 李孝辉
2018, 67 (19): 190601. doi: 10.7498/aps.67.20180842
摘要 +
随着科学技术的进步和发展,许多基础前沿领域要求时间比对的精度为几十皮秒甚至更高.空间站上的原子钟系统比地面钟性能更优,但传统的共视时间比对方法应用于空间站共视存在一定的局限性.本文基于广义相对论分析了精度为几十皮秒的空间站共视时间比对原理,考虑了所有的皮秒级以上的时延项;结合空间站共视时间比对原理,仿真分析了空间站对于中国几大主要地理城市的可见性,分析结果表明部分地区存在共视时间比对的工作盲区.结合理论和仿真研究了空间站轨道误差对传统共视时间比对方法的影响,研究结果表明传统共视时间比对方法不能有效地抵消轨道误差,其对共视时间比对的影响在几百皮秒量级.提出了空间站分时共视时间比对新方法,介绍了该方法的主要原理和优势.通过仿真实验验证了新方法的有效性,能够实现几十皮秒精度的两地面站远距离共视时间比对,同时解决了传统共视方法的工作盲区问题.
界面结构对Cu/Ni多层膜纳米压痕特性影响的分子动力学模拟
李锐, 刘腾, 陈翔, 陈思聪, 符义红, 刘琳
2018, 67 (19): 190202. doi: 10.7498/aps.67.20180958
摘要 +
金属多层膜调制周期下降到纳米级时,其力学性质会发生显著改变.Cu-Ni晶格失配度约为2.7%,可以形成共格界面和半共格界面,实验中实现沿[111]方向生长的调制周期为几纳米且具有异孪晶界面结构的Cu/Ni多层膜,其力学性质发生显著改变.本文采用分子动力学方法对共格界面、共格孪晶界面、半共格界面、半共格孪晶界面等四种不同界面结构的Cu/Ni多层膜进行纳米压痕模拟,研究压痕过程中不同界面结构类型的形变演化规律以及位错与界面的相互作用,获取Cu/Ni多层膜不同界面结构对其力学性能的影响特征.计算结果表明,不同界面结构的样品在不同压痕深度时表现出的强化或软化作用机理不同,软化机制主要是由于形成了平行于界面的分位错以及孪晶界面的迁移,强化机制主要是由于界面对位错的限定作用以及失配位错网状结构与孪晶界面迁移时所形成的弓形位错之间的相互作用.
反馈脉冲棘轮的能量转化效率研究
延明月, 张旭, 刘晨昊, 黄仁忠, 高天附, 郑志刚
2018, 67 (19): 190501. doi: 10.7498/aps.67.20181066
摘要 +
研究了反馈脉冲棘轮的定向输运及能量转化效率.详细讨论了弹簧自由长度、耦合强度及脉冲相位等参量对耦合布朗粒子定向输运性能的影响.研究发现,一定自由长度和耦合强度都能促进反馈脉冲棘轮的定向输运,并能使耦合粒子拖动负载做功时的能量转化效率达到最大.此外,通过调节脉冲相位能使反馈棘轮在一个演化周期内获得两次流反转,且合适的相位还能增强反馈棘轮的定向输运.所得结论不仅可为实验上设计合适的反馈脉冲作用来优化棘轮的定向输运性能,而且还能为生物医疗上药物的精准投放提供一定的理论参考.
基于演化博弈论的行人与机动车冲突演化机理研究
魏丽英, 崔裕枫, 李东莹
2018, 67 (19): 190201. doi: 10.7498/aps.67.20180534
摘要 +
行人与机动车冲突时,各自都会在经过简单判断后以一定的概率选择通过.本文根据人车冲突的实际情景提出基础收益、冲突损失、等待损失以及互让损失的概念,据此构建行人与机动车的冲突博弈矩阵,并依据演化分析范式,建立人车冲突演化的动力学模型.对不同交通情形下均衡点的位置、稳定性以及系统演化机理进行深入分析,发现不同的行人与机动车的冲突损失和等待损失相对大小,对应系统的演化方向不同,可能的演化方向包括“人让车”,“车让人”,“人让车,同时车让人”以及“人不让车,车不让人”.此外,定义机会损失的交通概念,据此分析系统关于行人与机动车的互让损失以及机会损失的灵敏度,发现行人或机动车互让损失的增加对于各自通过概率有着上升促进和下降抑制作用,而机会损失的作用恰好与互让损失相反.本文建立的动力学模型可以为人车冲突演化方向的宏观调控提供理论依据.
考虑边聚类与扩散特性的信息传播网络结构优化算法
杨李, 宋玉蓉, 李因伟
2018, 67 (19): 190502. doi: 10.7498/aps.67.20180395
摘要 +
优化网络结构以促进信息在网络中传播一直是复杂网络研究的重点,网络中边的聚类特性和扩散特性对信息传播具有重要作用.K-truss分解算法是一种利用边的聚类特性识别网络关键节点的算法,然而K-truss算法会受到网络中局部聚类结果(即相互连接的假核结构)的影响,而这些假核结构里的节点对信息扩散能力通常较弱.为此,本文提出一种衡量边扩散特性的指标,研究发现一些位于网络边缘的边具有很好的扩散性,但这类边的聚类很低,并不利于信息传播.通过同时考虑边的聚类特性和扩散特性之间的制约关系,提出一种信息传播网络结构优化算法.为了验证所提算法的有效性,使用该算法对四个真实的网络进行结构优化,并使用经典的独立级联模型来验证网络结构优化前后信息传播的有效范围.结果表明:使用提出的算法优化后的网络拓扑可以有效提高信息传播范围;并且,优化后的网络其叶子节点数目降低、聚类系数降低以及平均路径长度降低.
核物理学
8-9.5 keV正电子致Ti的K壳层电离截面的实验研究
钱宇瑞, 吴英, 杨夏童, 陈秋香, 尤俊栋, 王宝义, 况鹏, 张鹏
2018, 67 (19): 192101. doi: 10.7498/aps.67.20180666
摘要 +
低能正电子碰撞原子内壳层电离截面的实验数据目前还很缺乏,从而影响了对近年来发展的各相关理论模型的检验,限制了慢正电子束流技术在诸多领域中的应用.本文采用慢正电子束流装置产生的8–9.5 keV正电子束碰撞纯厚Ti靶,利用硅漂移探测器(SDD)收集正电子碰撞Ti靶产生的X射线,同时采用高纯锗探测器在线获得与靶碰撞的入射正电子数,从而得到Ti的K壳层实验产额,并基于蒙特卡罗模拟程序PENELOPE获得模拟产额.将实验产额分别与内壳层电离截面数据库采用经典光学数据模型(ODM)和扭曲波玻恩近似理论模型(DWBA)的蒙特卡罗模拟产额进行对比,发现基于ODM理论模型的模拟产额与实验值有较大的偏差,基于DWBA理论模型的模拟产额与实验结果符合较好.根据实验产额和基于DWBA理论模型的模拟产额的比较结果,对蒙特卡罗模拟程序使用的DWBA理论模型数据库进行修正后再进行模拟和比较,从而得到可靠的8–9.5 keV正电子致Ti原子K壳层电离截面数据.
铀在Nd2Zr2O7烧绿石中的固溶量及重离子辐照效应
王烈林, 李江博, 谢华, 邓司浩, 张可心, 易发成
2018, 67 (19): 192801. doi: 10.7498/aps.67.20181204
摘要 +
Nd2Zr2O7烧绿石因其稳定的物理化学性质和辐照稳定性可以作为高放废物中锕系核素的固化基材.通过溶胶凝胶–喷雾热解–高温烧结方法制备了含铀的Nd2Zr2O7烧绿石固化体;开展了Nd2Zr2O7和Nd1.9U0.1Zr2O7固化体的重离子辐照实验,辐照剂量为1 dpa和3 dpa;利用X射线衍射和Raman光谱对固化体结构进行了分析.研究发现铀在Nd2Zr2O7烧绿石体系的固溶量仅为10 at%,高价态铀掺杂导致固化体结构向无序化转变.重离子辐照实验表明,Nd2Zr2O7烧绿石基材具有较高的抗辐照稳定性;而Nd1.9U0.1Zr2O7在较低辐照剂量下,固化体烧绿石体系结构破坏,重离子辐照诱导固化体结构转变为更加无序化的萤石结构.低固溶量和抗辐照能力减弱主要是由于锕系核素烧绿石固化体的结构无序化所致.
特邀综述

封面文章

声学超材料与超表面研究进展
丁昌林, 董仪宝, 赵晓鹏
2018, 67 (19): 194301. doi: 10.7498/aps.67.20180963
摘要 +
声学超材料是一种人工设计结构的材料,具有超越自然界材料行为的特性,如负折射、反常多普勒效应、平面聚焦等.本文主要介绍了声学超材料近二十年来的相关研究进展,重点论述了超原子声学超材料、超分子声学超材料、超原子簇和超分子簇声学超材料.最后简要介绍了近五年来声学超表面的研究概况和发展趋势.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Cr含量对Ti-Nb-Cr合金抗腐蚀性影响的电子结构计算
程超, 王逊, 孙嘉兴, 曹超铭, 马云莉, 刘艳侠
2018, 67 (19): 197101. doi: 10.7498/aps.67.20180956
摘要 +
许多实验报道中表明合金化元素Cr能够提高Ti基合金的抗腐蚀性.为了解Cr元素含量对Ti-Cr-Nb合金的影响,本文计算了不同Cr含量的Ti-Cr-Nb合金的内聚能、形成能、费米能级和态密度等参数.分析了Cr含量对合金的电子结构稳定性以及腐蚀性能的影响.结果表明:随着Cr含量的增加,体系内聚能升高,形成能增加,体系稳定性略有下降,且材料形成条件变得苛刻;费米能级明显降低,体系不易失去电子,抗腐蚀性能增强;体系金属键增强,失电子能力降低,抗腐蚀性能提高;态密度与差分电荷密度研究表明,Cr含量的增加使得体系金属键增强,表明体系抗腐蚀性的提高.从费米能级和态密度图中发现,当Cr含量约为18.75 at.%时,合金的耐腐蚀性最优.
各向异性海森伯自旋链中的超椭圆函数波解
谢元栋
2018, 67 (19): 197502. doi: 10.7498/aps.67.20181005
摘要 +
在霍尔斯坦-普里马科夫表象中研究了各向异性海森伯自旋链模型.在半经典近似条件下,考虑高阶非线性项和周期性边界条件,应用相干态求出了用雅可比椭圆函数的反函数的组合表示的超椭圆函数波解,并讨论了解的物理意义.
铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射
张顺浓, 朱伟骅, 李炬赓, 金钻明, 戴晔, 张宗芝, 马国宏, 姚建铨
2018, 67 (19): 197202. doi: 10.7498/aps.67.20181178
摘要 +
利用飞秒激光脉冲在生长于二氧化硅衬底上的W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt两类铁磁/非磁性金属异质结构中实现高效、宽带的相干THz脉冲辐射.实验中,THz脉冲的相位随外加磁场的反转而反转,表明THz辐射与样品的磁有序密切相关.为了考察三层膜结构THz辐射的物理机制,分别研究了构成三层膜结构的双层异质结构(包括CoFeB/W,CoFeB/Pt和CoFeB/Ta)的THz辐射.实验结果都与逆自旋霍尔效应相符合,W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt三层膜结构所辐射的THz强度优于同等激发功率下的ZnTe(厚度0.5 mm)晶体.此外,还研究了两款异质结构和ZnTe的THz辐射强度与激发光脉冲能量密度的关系,发现Ta/CoFeB/Pt的饱和能量密度略大于W/CoFeB/Pt的饱和能量密度,表明自旋电子在Ta/CoFeB/Pt中的界面积累效应相对较小.
基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器
祁云平, 张雪伟, 周培阳, 胡兵兵, 王向贤
2018, 67 (19): 197301. doi: 10.7498/aps.67.20180758
摘要 +
提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.3310-4 RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.
氧化铟/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)复合材料的微结构及其热电性能研究
陶颖, 祁宁, 王波, 陈志权, 唐新峰
2018, 67 (19): 197201. doi: 10.7498/aps.67.20180382
摘要 +
通过化学氧化合成的方法将纳米In2O3复合到聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)中得到In2O3/PEDOT复合材料.利用X射线衍射、红外光谱、电子显微镜及正电子湮没等方法对复合材料的微观结构进行了系统研究,同时对材料的热学和电学性能进行了表征.结果表明,当In2O3的含量在22 wt%以下时,In2O3能很好地分散到PEDOT基体中.热电性能测试则显示In2O3/PEDOT复合材料的导电率随In2O3含量增加明显增大.纯PEDOT的电导率仅为7.5 S/m,而含12.3 wt% In2O3的复合材料的电导率达到25.75 S/m.该复合材料相应的功率因子(68.8×10-4μW/m·K2)相对于纯的PEDOT(14.5×10-4μW/m·K2)提高了近4倍.另外,复合材料的热导率相对于纯PEDOT也有所降低.最终复合材料的热电优值由0.015×10-4提高到了0.073×10-4.结果表明,In2O3/PEDOT复合材料的热电性能相对于纯PEDOT的热电性能得到了比较明显的提高.
CeFe2-xInx合金磁性研究与CeFe1.95In0.05合金磁相变临界参数分析
陈湘, 赵明骅
2018, 67 (19): 197501. doi: 10.7498/aps.67.20180815
摘要 +
通过等温磁化曲线和等磁场变温曲线测量与标度理论,系统研究了CeFe2-xInx合金的磁性和CeFe1.95In0.05合金的磁相变临界参数.结果表明:用2.5 at.%的铟替代CeFe2合金中的铁并不能使合金中的反铁磁态在低温下完全稳定,低场下在280 K均能观察到反铁磁相振荡;CeFe2与CeFe1.95In0.05合金的顺磁-铁磁二级相变居里温度均在230 K附近;在05 T磁场范围内,CeFe1.95In0.05合金居里温度处的最大磁熵变为3.13 J/(kgK),相对制冷量为151.3 J/kg.通过不同方法得到的具有高度自洽性的磁相变标度临界参数均表明CeFe1.95In0.05合金的磁相互作用可以用基于短程相互作用的3D-Ising模型来描述.
SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究
黄浩, 张侃, 吴明, 李虎, 王敏涓, 张书铭, 陈建宏, 文懋
2018, 67 (19): 197203. doi: 10.7498/aps.67.20181157
摘要 +
准确测量和分析SiC纤维增强Ti合金复合材料(SiCf/Ti)中残余应力状态对优化复合材料的成型工艺和理解其失效模式具有重要意义,但其残余应力的实验测量和分析仍是一个挑战.石墨C涂层作为SiC纤维与Ti17基体合金之间必需的扩散障涂层,承载了由纤维与基体之间热不匹配引入的残余应力.本文采用显微拉曼光谱法对比测量纤维表面C涂层在复合材料中和去掉基体无应力态下G峰的峰位,通过石墨C涂层应力态下峰位移动计算出SiCf/C/Ti17复合材料中SiC纤维受到~705.0 MPa的残余压应力.采用X射线衍射方法测量了不同方向上该复合材料中基体钛合金的晶面间距以获取其空间应变,根据三轴应力模型分析了复合材料中基体钛合金沿轴向方向的残余应力为~701.3 MPa的张应力,并通过线性弹性理论转化为SiC纤维的残余压应力为~759.4 MPa.两种测试方法都确定了SiC纤维在成型过程中受到残余压应力,且获得的应力值较为接近,都可以用于对SiCf/Ti复合材料的残余应力测量.
银纳米颗粒阵列的表面增强拉曼散射效应研究
程自强, 石海泉, 余萍, 刘志敏
2018, 67 (19): 197302. doi: 10.7498/aps.67.20180650
摘要 +
利用具有高密度拉曼热点的金属纳米结构作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,可以显著增强吸附分子的拉曼信号.本文通过阳极氧化铝模板辅助电化学法沉积制备了高密度银(Ag)纳米颗粒阵列;利用扫描电子显微镜和反射谱表征了样品的结构形貌和表面等离激元特性;用1,4-苯二硫醇(1,4-BDT)为拉曼探针分子,研究了Ag纳米颗粒阵列的SERS效应.通过优化沉积时间,制备出高SERS探测灵敏度的Ag纳米颗粒阵列,检测极限可达10-13 mol/L;时域有限差分法模拟结果证实了纳米颗粒间存在强的等离激元耦合作用,且发现纳米颗粒底端的局域场增强更大.研究结果表明Ag纳米颗粒阵列可作为高效的SERS基底.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

编辑推荐

1000 V p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管
唐文昕, 郝荣晖, 陈扶, 于国浩, 张宝顺
2018, 67 (19): 198501. doi: 10.7498/aps.67.20181208
摘要 +
GaN材料具有优异的电学特性,如大的禁带宽度(3.4 eV)、高击穿场强(3.3 MV/cm)和高电子迁移率(600 cm2/(Vs)).AlGaN/GaN异质结由于压电极化和自发极化效应,产生高密度(11013 cm-2)和高迁移率(2000 cm2/(Vs))的二维电子气(2DEG),在未来的功率系统中,AlGaN/GaN二极管具有极大的应用前景.二极管的开启电压和击穿电压是影响其损耗和功率处理能力的关键参数,本文提出了一种新型的具有高阻盖帽层(high-resistance-cap-layer,HRCL)的p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管来优化其开启电压和击穿特性.在p-GaN/AlGaN/GaN材料结构基础上,通过自对准的氢等离子体处理技术,在沟道区域形成高阻盖帽层改善电场分布,提高击穿电压,同时在阳极区域保留p-GaN结构,用于耗尽下方的二维电子气,调控开启电压.制备的p-GaN混合阳极(p-GaN HRCL)二极管在阴阳极间距Lac为10 m时,击穿电压大于1 kV,开启电压+1.2 V.实验结果表明,p-GaN混合阳极和高阻GaN盖帽层的引入,有效改善AlGaN/GaN肖特基势垒二极管电学性能.
一种宽角域散射增强超表面的研究
丰茂昌, 李勇峰, 张介秋, 王甲富, 王超, 马华, 屈绍波
2018, 67 (19): 198101. doi: 10.7498/aps.67.20181053
摘要 +
提出并验证了一种基于超表面相位梯度设计以实现宽角域后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)增强的设计思路.宽角域RCS增强超表面包含两个区域,分别设计大小相等方向相反的相位梯度,控制-45和45方向上的入射电磁波沿入射方向返回;电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波,分别在-45,0,45方向上形成散射峰,实现了在-4545的宽角域范围内的RCS增强.仿真了宽角域RCS增强超表面在电磁波以不同角度入射时的电场分布和单站RCS,测试了加工样品在912 GHz频带内不同频点处的单站RCS,和仿真结果基本一致.结果表明:设计的宽角域RCS增强超表面在912 GHz的宽带频率范围内,在-4545的宽角域范围内对于x和y极化入射波均有良好的RCS增强效果.
X频段连续波100 kW吸收式谐波滤波器研制
刘海旭, 侯满宏, 李新胜
2018, 67 (19): 198401. doi: 10.7498/aps.67.20180577
摘要 +
为了抑制深空探测高功率发射机谐波能量对接收机的干扰,提出了一种基于渐变漏壁式波导加载吸收负载结构的超大功率谐波滤波器.分析了该结构滤波器衰减损耗特性,并结合电磁场仿真软件,对滤波器整体结构进行了仿真,依据仿真尺寸对滤波器进行了结构设计和样件加工,经过对样件测试,滤波器通带最大插入损耗小于0.3 dB,二次、三次及四次谐波抑制度分别大于75,50,35 dB,测试结果与仿真结果基本一致.对滤波器样件进行了高功率实验,在外加液冷条件下,连续波功率容量可达100 kW以上,成功研制出了一种X频段吸收式超大功率谐波滤波器,并已经应用于某型号大功率地面发射机,指标性能良好.
总变差约束的数据分离最小图像重建模型及其Chambolle-Pock求解算法
乔志伟
2018, 67 (19): 198701. doi: 10.7498/aps.67.20180839
摘要 +
基于优化的迭代法,可以结合压缩感知和低秩矩阵等稀疏优化技术高精度地重建图像.其中,总变差最小(total variation minimization,TV)模型是一种简单有效的优化模型.传统的约束TV模型,使用数据保真项为约束项,TV正则项为目标函数.本文研究TV约束的、数据分离最小(TV constrained,data divergence minimization,TVcDM)新型TV模型及其求解算法.详细推导了TVcDM模型的Chambolle-Pock(CP)算法,验证了模型及算法的正确性;分析了算法的收敛行为;评估了模型的稀疏重建能力;分析了模型参数的选择对重建的影响及算法参数对收敛速率的影响.研究表明,TVcDM模型有高精度稀疏重建能力;TVcDM-CP算法确保收敛,但迭代过程中有振荡现象;TV限对重建有重要影响,参数值过大会引入噪声而过小会模糊图像细节;算法参数的不同选取会导致不同的收敛速率.
基于区域密度曲线识别网络上的多影响力节点
康玲, 项冰冰, 翟素兰, 鲍中奎, 张海峰
2018, 67 (19): 198901. doi: 10.7498/aps.67.20181000
摘要 +
复杂网络多影响力节点的识别可以帮助理解网络的结构和功能,具有重要的理论意义和应用价值.本文提出一种基于网络区域密度曲线的多影响力节点的识别方法.应用两种不同的传播模型,在不同网络上与其他中心性指标进行了比较.结果表明,基于区域密度曲线的识别方法能够更好地识别网络中的多影响力节点,选中的影响力节点之间的分布较为分散,自身也比较重要.本文所提方法是基于网络的局部信息,计算的时间复杂度较低.
光器件应用改性Ge的能带结构模型
杨雯, 宋建军, 任远, 张鹤鸣
2018, 67 (19): 198502. doi: 10.7498/aps.67.20181155
摘要 +
Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好.综合以上原因,准/直接带隙改性Ge具备了单片同层光电集成的应用潜力.能带结构是准/直接带隙改性Ge材料实现单片同层光电集成的理论基础之一,目前该方面的工作仍存在不足.针对该问题,本文主要开展了以下三方面工作:1)揭示了不同改性条件下Ge材料带隙类型转化规律,完善了间接转直接带隙Ge实现方法的相关理论;2)研究建立了准/直接带隙改性Ge的能带E-k模型,据此所获相关结论可为发光二极管、激光器件仿真模型提供关键参数;3)提出了准/直接带隙改性Ge的带隙调制方案,为准/直接带隙改性Ge单片同层光电集成的实现提供了理论参考.本文的研究结果量化,可为准/直接带隙改性Ge材料物理的理解,以及Ge基光互连中发光器件有源层研究设计提供重要理论依据.
具有光电倍增的宽光谱三相体异质结有机彩色探测器
安涛, 涂传宝, 龚伟
2018, 67 (19): 198503. doi: 10.7498/aps.67.20180502
摘要 +
实验研究了P3HT:PBDT-TT-F:PCBM三相体异质结活性层光谱拓宽及其材料混合度对探测器光电特性的影响以及陷阱辅助光电倍增的机理.在此基础上,获得了一个覆盖350750 nm波长范围的彩色探测器.该探测器在-1 V低偏压下红绿蓝三基色的光响应度和外量子效率分别达到了470,381,450 mA/W和93%,89%,121%,比探测率均接近1012 Jones,且各基色的特性参数最大平均相对偏差均小于20%,同时频率带宽分别达到了5,8,8 kHz.结果表明:在保持二相体异质结薄膜原有微观形貌下,掺入少量光谱拓宽材料可实现活性层吸收光谱的拓宽.利用能级陷阱中电子的辅助作用引入外电路空穴注入,可实现探测器光电倍增.通过调节三相材料的混合度可实现基色间探测能力的均衡性.
综述
太阳电池单二极管模型中的参数提取方法
肖文波, 刘伟庆, 吴华明, 张华明
2018, 67 (19): 198801. doi: 10.7498/aps.67.20181024
摘要 +
近年来,太阳电池参数提取方法获得了广泛关注.原因在于匹配的电池参数,可以有效减少内外因素对光伏阵列发电效率的影响.本文以太阳电池单二极管模型为讨论对象,对其五个参数的提取方法进行了详细介绍;对目前典型的四类太阳电池参数提取方法(即解析提取参数方法,借助朗伯W函数函数提取参数方法,构建或利用特殊函数提取参数方法,利用智能算法提取参数方法)进行归纳与总结.阐述了这些方法的主要理论与实现途径,更重要的是对它们的优缺点进行了探讨.最后,对参数提取未来的研究动态进行了展望,以期对参数提取方法提供一些思路,为国内同行开展相关研究提供一些帮助.
地球物理学、天文学和天体物理学
转动双星同步和轨道圆化的物理过程研究
李志, 宋汉峰, 彭卫国, 王靖洲, 詹琼
2018, 67 (19): 199701. doi: 10.7498/aps.67.20181056
摘要 +
潮汐效应是影响恒星结构和演化非常重要的物理因素.本文研究了影响潮汐同步和轨道圆化的物理因素,如恒星质量、初始转速、轨道周期、金属丰度、对流超射等,并根据转动恒星的角动量转移和元素扩散方程,给出了这些因素对转动双星演化和元素混合的影响.结果表明:具有大质量子星、初始转速慢、对流超射小、轨道周期短的双星系统,能更早地达到平衡速度和轨道圆化;初始转速快的恒星,由于潮汐同步过程减速,双星系统中氮元素增丰没有单星的氮元素增丰显著;大质量星、高金属丰度、超射大和短周期的双星系统,氮增丰相对显著;质量小、金属丰度低、转速慢、超射大的恒星具有较小的恒星半径,而低金属丰度恒星表面却具有较高的有效温度,快速转动单星向低温和低光度端演化.
大气边界层模式中随机参数的反演与不确定性分析
颜冰, 黄思训, 冯径
2018, 67 (19): 199201. doi: 10.7498/aps.67.20181014
摘要 +
在大气边界层气象中湍流黏性系数是一个很重要的参数,通过直接观测往往无法得到其准确值,仅能通过间接观测获得大致范围.本文选用随机广义Ekman动力近似模式中的湍流黏性系数进行反演研究与不确定性分析.首先利用风速观测数据,并采用基于混沌多项式的集合Kalman滤波方法对系数进行反演,降低其不确定性,缩小可能取值的范围,该方法的核心思想是将集合Kalman滤波方法中求解模式不确定性传播的方法由蒙特卡罗法改为混沌多项式展开,从而避免大规模采样带来的计算资源耗费.然后进行数值实验,结果表明该方法能够有效且快速地求解出湍流黏性的后验概率分布,从而达到降低系数不确定性的目的.根据系数的先验分布计算出风速的先验分布,从而找到风速不确定性大的区域,且揭示了在不确定性大的区域内的观测数据进行系数反演可得到十分明显的效果,这对于观测点位置的选择提供了重要的指导.
原子和分子物理学
基于有限元法的光子并矢格林函数重整化及其在自发辐射率和能级移动研究中的应用
赵运进, 田锰, 黄勇刚, 王小云, 杨红, 米贤武
2018, 67 (19): 193102. doi: 10.7498/aps.67.20180898
摘要 +
任意微纳结构中量子点的自发辐射率和能级移动均可用并矢格林函数表达.当源点和场点在同一位置时,格林函数的实部是发散的.为解决这一发散问题,可采用重整化格林函数方法.本文提出一种计算重整化格林函数和散射格林函数的方法.该方法利用有限元,计算点电偶极子的辐射场,将其在量子点体积内做平均得到重整化的并矢格林函数,减去均匀空间中解析的重整化格林函数,得到重整化的散射格林函数.在均匀空间情况下,本方法所得数值结果与解析解一致.将该方法应用到银纳米球系统,以解析的散射格林函数作为参考,结果表明该方法能准确处理散射格林函数的重整化问题.将该方法应用到表面等离激元纳米腔中,发现有极大的自发辐射增强和能级移动,且该结果不依赖于量子点的体积.这些研究在光与物质相互作用领域具有积极的意义.

编辑推荐

超精细结构效应对辐射光谱圆极化特性的影响
陈展斌, 董晨钟
2018, 67 (19): 193401. doi: 10.7498/aps.67.20180322
摘要 +
在相对论多组态Dirac-Fock方法和密度矩阵理论的基础上,利用发展的全相对论扭曲波程序,系统研究了超精细结构效应对纵向极化电子碰撞激发过程以及退激发辐射光谱圆极化特性的影响.计算得到了类氦Sc19+和205Tl79+离子1s2 1S01 s2p 3P2超精细结构层次上MF能级的碰撞强度,考察了辐射衰变过程中发出特征光子的极化特性,并分析了E1-M2量子干涉效应以及电子-电子间相互作用的相对论修正对退激发辐射光子圆极化度的影响.
AlH+离子5个-S态和10个态的光谱性质以及激光冷却的理论研究
邢伟, 孙金锋, 施德恒, 朱遵略
2018, 67 (19): 193101. doi: 10.7498/aps.67.20180926
摘要 +
利用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法结合相关一致基组aug-cc-pV6Z计算了AlH+离子前两个离解极限对应的5个-S态和10个态的势能曲线.为了提高势能曲线的可靠性和精确性,计算中考虑了自旋轨道耦合效应、芯电子价电子相关和标量相对论修正以及将势能外推至完全基组极限.基于得到的势能曲线,获得了束缚和准束缚的4个-S态和8个态的光谱常数和振动能级,与已有的实验结果符合.计算了2(1/2)X21/2+和A23/2X21/2+跃迁的跃迁偶极距.利用计算的精确的势能曲线和跃迁偶极矩,获得了2(1/2)第一势阱(v'=0,1)X21/2+(v)和A23/2(v'=0,1)X21/2+(v)跃迁的高度对角化分布的Franck-Condon因子(f00和f11)和大的振动分支比;预测了2(1/2)第一势阱(v'=0,1)和A23/2(v'=0,1)态短的自发辐射寿命和窄的辐射宽度,这适合于AlH+离子的快速激光致冷.所需的3束激光冷却波长都在紫外区域.这些结果表明了激光冷却AlH+离子的可行性.此外,评估了自旋轨道耦合效应对光谱常数、振动能级和激光冷却AlH+离子的影响.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于微泡共振的快速微流体声学混合方法研究
赵章风, 张文俊, 牛丽丽, 孟龙, 郑海荣
2018, 67 (19): 194302. doi: 10.7498/aps.67.20180705
摘要 +
微流体在生物医学、化学工程等领域应用广泛,并具有重大意义.在预处理中,液体混合也是关键且最为必要的前序.为了提高微流控腔道内液体混合的效率,本文提出基于单微泡振动的声学混合器,通过微泡共振,产生声微流,声微流形成的剪切力将在流体中产生微扰动,实现液体的混合.设计了底面直径为40 m的微孔结构,由于液体表面张力作用形成微泡,在共振频率为165 kHz的压电换能器激励下,气泡发生共振产生声微流.通过对压电换能器输入不同能量,获取混合液体的最优参数,可在37.5 ms内实现混合效果,混合均匀度达到92.7%.本文设计的单微泡振动混合器结构简单、混合效率高、混合时间短、输入能量低,可为生物化学等方面的研究提供强有力的技术支撑.
含磁电弹夹层的压电/压磁声子晶体带隙特性研究
孙炜海, 张超群, 鞠桂玲, 潘晶雯
2018, 67 (19): 194303. doi: 10.7498/aps.67.20180925
摘要 +
将具有力电磁耦合性能的夹层引入到压电/压磁声子晶体中,在保持单胞长度为固定值的情况下,分别改变磁电弹夹层的厚度、磁电弹夹层中压电材料的体积分数和磁电弹夹层中压电材料的种类;并利用传递矩阵法和Bloch定理,得到波数k与频率的色散关系;通过色散关系图分析不同的磁电弹夹层对压电/压磁声子晶体带隙特性的影响.研究发现:当磁电弹夹层厚度增加时,带隙的中心频率上升,带隙宽度变宽;当磁电弹夹层中压电材料体积分数增加时,带隙中心频率下降,第一带隙宽度变窄,第二带隙宽度增加,第三带隙宽度保持不变;当磁电弹夹层中的压电材料种类不同时,带隙的中心频率和带隙宽度有明显的改变;磁电弹夹层对压电/压磁声子晶体带隙中心频率的影响在高频区比低频区更显著.
基于转捩模型及声比拟方法的高精度圆柱分离涡/涡致噪声模拟
王光学, 王圣业, 葛明明, 邓小刚
2018, 67 (19): 194701. doi: 10.7498/aps.67.20172677
摘要 +
基于七阶加权紧致非线性格式(WCNS-E8T7),结合延迟分离涡模拟(DDES)和Ffowcs Williams-Hawkings声比拟方法,对亚临界雷诺数下单圆柱、圆柱-翼型的分离涡/涡致噪声问题进行了数值模拟.针对亚临界雷诺数下圆柱尾迹中的转捩问题,发展了基于-Re模型高精度转捩-延迟分离涡模拟(Tran-DDES)方法,并与传统基于全湍流剪切应力输运(SST)模型的高精度DDES方法进行了对比.单圆柱模拟结果表明:传统SST-DDES方法会造成平均流场的回流区增大,压差阻力偏小等问题;而添加转捩模型的Tran-DDES方法与实验符合得很好.圆柱尾迹中添加翼型后,翼型对圆柱附近流场产生影响,使SST-DDES方法造成的圆柱后回流区偏大的问题减弱,并与Tran-DDES模拟结果差异变小.但在脉动量预测以及脉动产生的噪声预测方面,Tran-DDES方法仍与实验符合得更好.
气体、等离子体和放电物理
芯帽纳米颗粒的光热性质
洪昕, 王晨晨, 刘江涛, 王晓强, 尹雪洁
2018, 67 (19): 195202. doi: 10.7498/aps.67.20180909
摘要 +
贵金属纳米结构中的光热效应在肿瘤光热治疗、光热成像、纳米药物等领域具有重要的应用价值.各向异性的芯帽纳米结构以其丰富的可调结构参数和对激发光偏振态敏感的特性,可灵活地在近红外波段获得理想的光学吸收性质,从而可以实现温度的高效调节.本文基于有限元方法研究了颗粒物纳米结构参数对其光热效果的作用规律,数值结果表明:通过对结构参数的微量改变(包括金壳厚度、芯壳比、芯径、金属表面覆盖率等)可实现温度的显著调整;在偏振态的旋转范围(3070)内可快速地产生大温变光热的准线性调整.其不弱于纳米芯壳和纳米棒结构的光热性能可为纳米光热生医研究提供一种新的选择.
托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响
沈勇, 董家齐, 徐红兵
2018, 67 (19): 195203. doi: 10.7498/aps.67.20180703
摘要 +
托卡马克实验发现,在不同参数条件下,等离子体能量约束经验定标律会有或大或小的修正.为解释这种修正现象发生的原因,应用回旋动理学方法,对含重(钨)杂质等离子体离子温度梯度(ITG)(包括杂质模)湍流输运的同位素效应进行了数值研究.结果表明钨杂质效应极大地修改了同位素定标律和有效电荷效应.随着杂质离子电荷数Z和电荷集中度fz的变化,同位素定标律在较大范围内变化.ITG模最大增长率定标大约为Mi-0.48-0.12,杂质模的定标为Mi-0.46-0.3,其中,Mi表示主离子质量数.在ITG模湍流中,有效电荷数越大,关于Mi的拟合指数偏离-0.5越远,表现为同位素质量依赖减弱.在两种模中,杂质电荷集中度越大,同位素质量依赖越弱.研究了杂质效应使定标关系发生偏离的原因,证实杂质种类、杂质电荷数和杂质浓度的不同,是引起同位素质量依赖发生改变的重要原因.结果证实并解释了不同参数条件下托卡马克同位素定标的差异性.研究成果可以为ITER实验安排及杂质相关输运实验中选择装置材料、工作气体和设置其他参数提供理论参考.
改进型混合表面等离子体微腔激光器的研究
董伟, 王志斌
2018, 67 (19): 195204. doi: 10.7498/aps.67.20180242
摘要 +
设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长下对该改进型结构的传输性能以及微腔性能进行分析.结果表明:该激光器具有显著的亚波长限制能力和很大的传输距离,最长距离可以达到1.29 mm.测试该激光器的微腔性能时,通过调整结构参数获得了高质量因子、低增益阈值以及深亚波长下的超小有效模式体积0.001092 μm3和超高的Purcell因子8.29×105.与先前结构对比,在结构参数统一时,所设计的结构具有更低的激光激射阈值和更强的微腔局域能力.所设计的改进型混合表面等离子体微腔激光器可以作为各种光子器件的基本构建模块,并可应用于传感、纳米聚焦和纳米激光等领域.
一种新的航天器外露介质充电模型
原青云, 王松
2018, 67 (19): 195201. doi: 10.7498/aps.67.20180532
摘要 +
为综合考虑高能电子辐射与周围等离子体对航天器外露介质充电的影响,在航天器内带电模型的基础上,通过添加边界充电电流来考虑等离子体与航天器介质表面的相互作用,并统一参考电位为等离子体零电位,建立了航天器外露介质充电模型,给出了新模型的一维稳态解法,并与表面充电模型和深层充电模型进行了对比分析.结果表明:新建模型能够综合考虑表面入射电流、深层沉积电流和传导电流对充电的耦合作用过程,实现外露介质表面和深层耦合充电计算,有利于全面评估航天器外露介质的充电问题.
基本粒子物理学与场
国债远期利率的量子场理论模型构建
雷丽梅, 冯玲
2018, 67 (19): 191101. doi: 10.7498/aps.67.20180424
摘要 +
随着我国利率市场化改革的全面推进和利率衍生品数量的增加,如何对远期利率进行精确与合理建模,就显得十分重要和紧迫.本文利用金融物理学中可有效纳入日历时间和到期时间两个维度上的国债远期利率之间不完全相关性的量子场论方法,对2011年1月4日到2016年12月30日的国债瞬时远期利率的实际市场演化进行建模,并将其结果与传统金融只能考虑日历时间方向上的相关性的主流两因子Heath-Jarrow-Morton(HJM)模型的实证结果进行比较.研究结果表明,考虑心理感知剩余时间变量后的量子场理论模型,提供了对实际的国债远期利率的92.67%的拟合优度,优于经典的最优两因子HJM模型69.02%的拟合精度.此外,分别将估计所得的最优参数代入最优量子场理论模型和两因子HJM模型下的远期利率更新方程,对2017年1月3日到2017年12月30日的100个期限的瞬时远期利率的250个瞬时远期利率的期限结构进行回测检验,从平均瞬时远期利率、均方根误差和Theil不等系数三个方面的结果均显示出量子场理论模型对国债远期利率建模的优越性.这些结果对将量子场理论引入到以国债为标的各种金融产品的定价和相关的利率风险管理、银行和金融公司的量化分析以及固定收益证券领域的实践者们均具有重要意义.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
定向凝固单晶冰的取向确定与选晶
张桐鑫, 王志军, 王理林, 李俊杰, 林鑫, 王锦程
2018, 67 (19): 196401. doi: 10.7498/aps.67.20180700
摘要 +
基于六方冰晶偏振光学特性,定义了用于确定冰晶晶体取向的三个参数:光轴倾角α,消光角β和与冰晶基面(0001)面内晶体学择优方向〈1120〉与温度梯度的夹角γ,提出了定量判定冰晶晶体取向的理论基础,并在定向凝固平台上采用偏光显微镜成功实现了冰晶晶体取向的精确主动控制,获得了任意取向的单晶冰.本文成功解决了冰晶的定向凝固晶体取向确定和选择的难题,为冰晶生长过程中相关理论问题的研究提供了有效的途径.