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Vol. 67, No. 20 (2018)

2018年10月20日
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 总论 核物理学 原子和分子物理学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 专题:铁基高温超导体发现十周年
专题
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 特邀综述
特邀综述
综述
综述
地球物理学、天文学和天体物理学
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离
倪龙, 陈晓
2018, 67 (20): 204301. doi: 10.7498/aps.67.20180561
摘要 +
由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.
基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计
王超, 李勇峰, 沈杨, 丰茂昌, 王甲富, 马华, 张介秋, 屈绍波
2018, 67 (20): 204101. doi: 10.7498/aps.67.20180696
摘要 +
本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法:将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.04.1和10.510.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.79.2和12.118 GHz.在12.415.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.
上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响
兰富洋, 罗秀娟, 樊学武, 张羽, 陈明徕, 刘辉, 贾辉
2018, 67 (20): 204201. doi: 10.7498/aps.67.20181144
摘要 +
剪切光束成像(sheared-beam imaging,SBI)技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.
芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究
张伟, 刘颖刚, 张庭, 刘鑫, 傅海威, 贾振安
2018, 67 (20): 204203. doi: 10.7498/aps.67.20180528
摘要 +
提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.
磁控条件下激波冲击三角形气柱过程的数值研究
董国丹, 张焕好, 林震亚, 秦建华, 陈志华, 郭则庆, 沙莎
2018, 67 (20): 204701. doi: 10.7498/aps.67.20181127
摘要 +
本文基于磁流体动力学方程组,在保证磁场散度为零的条件下,采用CTU+CT(corner transport upwind+constrained transport)算法,对有无磁场控制下激波与重质或轻质三角形气柱相互作用过程进行数值研究.结果表明:无论有无磁场,两气柱在激波冲击下均具有完全不同的波系结构和射流现象.其中,入射激波与重气柱发生常规折射,形成介质射流,而与轻气柱作用则发生非常规折射,形成反相空气射流.无磁场时,气柱在激波冲击下,产生Richtmyer-Meshkov和Kelvin-Helmholtz不稳定性,界面出现次级涡序列,重气柱上下角卷起形成主涡对,轻气柱空气射流穿过下游界面后形成偶极子涡.施加横向磁场后,次级涡序列、主涡对以及偶极子涡均消失.进一步研究表明,在磁场作用下,洛伦兹力将不稳定性诱导产生的涡量向界面两侧的Alfvn波上输运,减少界面涡量沉积,抑制界面卷起失稳.最终,涡量沿界面两侧形成相互远离的涡层,界面不稳定性得到控制.此外,定量分析表明磁场能加快两气柱上游界面的运动,抑制下游界面的运动,且对轻气柱的控制效果更好.
基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发
张浩, 郭星星, 项水英
2018, 67 (20): 204202. doi: 10.7498/aps.67.20181038
摘要 +
随机源对于信息理论安全的密钥分发至关重要,本文提出了一种基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发方案.首先基于单向注入的方式产生无时延特征的激光混沌信号,并通过单向注入驱动两个从激光器产生带宽增强的混沌同步信号.然后经过采样、量化以及异或等后处理,生成密钥流.数值仿真结果表明,在单阈值情况下,合法用户之间的误比特率低至1%左右,合法用户与窃听者之间的误比特率都高于10%;在双阈值情况下,误比特率可以低至10-6.最后,对生成的密钥流进行了NIST随机性测试.该方案有效地增强了密钥分发的安全性.
流体/准饱和多孔介质中伪Scholte波的传播特性
仇浩淼, 夏唐代, 何绍衡, 陈炜昀
2018, 67 (20): 204302. doi: 10.7498/aps.67.20180853
摘要 +
研究流体/多孔介质界面Scholte波的传播特性对于水下勘探、地震工程等领域具有重要意义.本文基于Biot理论和等效流体模型,采用势函数方法,推导了描述有限厚度流体/准饱和多孔半空间远场界面波的特征方程和位移、孔压计算公式.在此基础上,分别以砂岩和松散沉积土为例,研究了流体/硬多孔介质和流体/软多孔介质两种情况下,可压缩流体层厚度和多孔介质饱和度对伪Scholte波传播特性的影响.结果表明:多孔介质软硬程度显著影响界面波的种类、相速度、位移和水压力分布;有限厚度流体/饱和多孔半空间界面处伪Scholte波相速度与界面波波长和流体厚度的比值有关;孔隙水中溶解的少量气体对剪切波的相速度的影响不大,对压缩波相速度、伪Scholte波相速度和孔隙水压力分布影响显著.
总论
玻璃基底Wolter-1型X射线聚焦镜研制及测试
李林森, 强鹏飞, 盛立志, 刘哲, 周晓红, 赵宝升, 张淳民
2018, 67 (20): 200701. doi: 10.7498/aps.67.20181330
摘要 +
Wolter-1型X射线聚焦镜可将掠入射的X射线反射至焦平面处,具有较强的成像探测能力,在天文探测等领域中具有重要作用.通过建立几何模型对反射镜面及反射光线方程进行理论计算,推导出了适用于以玻璃为基底材料的聚焦镜设计参数方程,可用于对此类聚焦镜进行理论设计,依据理论设计,采用具有极高表面光洁度的超薄肖特D263T玻璃经热弯成型后作为反射镜基底,在反射镜表面制备金属铱薄膜作为反射膜研制了Wolter-1型反射镜组,并使用激光三维扫描仪对所研制的聚焦镜片面型进行了测试.测试结果显示,实际镜片面型与理想镜片面型公差在10 m以内的测试点占总测试点的50%.通过搭建可见光条件下的焦斑测试系统,使用图像采集相机采集焦斑的灰度图像,通过图像分析软件分析计算该灰度图像的灰度分布来定量分析焦斑的能量分布情况,从而确定焦斑特性参数.实验结果显示:研制出的聚焦镜片焦距为1.6 m,焦斑的半能量包围直径为0.33 mm,对应角分辨率为0.7角分.
核物理学
氮化铀热中子截面的第一性原理计算
王立鹏, 江新标, 吴宏春, 樊慧庆
2018, 1957 (20): 202801. doi: 10.7498/aps.67.20180834
摘要 +
氮化铀(UN)因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S(,)数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀(UO2)进行对比.结果表明:优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO2的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中238U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO2中238U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.
原子和分子物理学
30 keV H+在聚碳酸酯微孔膜中动态输运过程的实验和理论研究
牛书通, 潘鹏, 朱炳辉, 宋涵宇, 金屹磊, 禹楼飞, 韩承志, 邵剑雄, 陈熙萌
2018, 67 (20): 203401. doi: 10.7498/aps.67.20181062
摘要 +
测量了30 keV的H+入射倾斜角度为-1和-2的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子二维分布图、角度分布、相对穿透率以及出射H+电荷态纯度随沉积电荷的演化.实验中30 keV的H+在微孔膜中输运特性与之前其他能区离子在微孔膜中输运特性有显著不同,实验中直接观测到出射粒子导向部分和散射部分的动态演化过程,出射的H+由沿微孔孔轴方向的导向H+和沿入射束流方向的散射H+两部分组成,随着微孔内电荷斑的沉积,出射的导向H+的占比不断减小,出射散射H+占比不断增加;出射H0占总出射粒子的比例不断减小,其中心方向逐步向入射束流方向偏转.微孔膜处于不同倾斜角度时,微孔内沉积电荷斑的位置和电场强度是不同的.同时模拟计算了入射H+在微孔内部的运动轨迹、微孔内部电荷斑电势和场强分布,实验结果和理论结果得到了很好的验证.对出射离子导向部分和散射部分的动态演化过程的观测和理论解释,使得对中能区离子在微孔膜中输运机制有更好的认识.
基于方波脉冲外场的超冷原子-分子绝热转化
秦燕, 栗生长
2018, 67 (20): 203701. doi: 10.7498/aps.67.20180908
摘要 +
基于受激拉曼绝热通道技术,研究了方波脉冲外场下的超冷原子-双原子分子转化.运用绝热保真度的方法,详细分析了该原子-分子转化系统相干布居俘获态的动力学演化过程.研究发现,相干布居俘获态的最终绝热保真度随脉冲激光强度的变化呈现出大幅度的周期振荡.这表明本文所设计的方波脉冲方案与高斯脉冲方案相比具有明显的优势,可以在较小的脉冲激光强度下达到较高的绝热保真度并实现较高效率的超冷原子-分子转化.
利用速度成像技术研究碘乙烷多光子电离解离动力学
颜逸辉, 刘玉柱, 丁鹏飞, 尹文怡
2018, 67 (20): 203301. doi: 10.7498/aps.67.20181468
摘要 +
卤代烷烃会破坏臭氧层,而碘乙烷(C2H5I)是卤代烷烃中重要代表物质之一.采用离子速度成像技术、飞秒激光技术和飞行时间质谱技术,探究了C2H5I的多光子电离解离动力学.通过分析C2H5I在强场作用下多光子电离解离得到的解离通道、碎片的动能、角度分布和各向异性参数等信息来研究碘乙烷离子(C2H5I+)CI键裂解机理.根据飞行时间质谱实验,C2H5I在飞秒激光脉冲作用下发生多光子电离解离得到的碎片有C2H5+,I+,CH2I+,C2H2+,C2H3+,C2H4+等.与CI键相关的碎片为C2H5+和I+,解离机制分别对应于C2H5I+C2H5++I和C2H5I+C2H5+I+.同时,采用离子速度成像技术研究C2H5I+的CI键裂解产生的C2H5+和I+的速度影像,得出两者的速度分布和动能分布,分析结果表明CI键裂解产生C2H5+和I+的过程都存在高能通道和低能通道.进一步分析解离碎片离子的角度分布发现C2H5+解离时各向异性参数接近于0,可能对应于慢速的振动预解离过程.I+在解离时各向异性参数较高,可能源于排斥势能面上的快速解离过程.最后采用密度泛函理论计算了C2H5I分子电离前后构型变化、离子态的能级强度及谐振强度,对C2H5I+的解离机制做了更进一步的分析和讨论.
基于调制光晶格的中性分子束光学Stark减速与囚禁的理论研究
李晓云, 孙博文, 许正倩, 陈静, 尹亚玲, 印建平
2018, 67 (20): 203702. doi: 10.7498/aps.67.20181348
摘要 +
本文基于分子束光学Stark减速理论,提出采用调制的红失谐光晶格来减速和囚禁任意脉冲超声分子束方案,并予以理论研究.以CH4超声分子束为例,利用Monte-Carlo方法模拟了调制光晶格中的分子减速与囚禁的动力学过程,给出减速级数、同步分子初始位相角与减速效果的关系.研究结果表明:随着减速级数的增加,被减速的分子波包逐渐从原来的分子速度分布的大波包中分离开来,且减速级数越高,减速后的分子速度越小.在其他条件相同时同步分子初始位相角越大,减速波包内的分子数目越少,同时位相空间被压缩.与未调制的光晶格减速方案相比,本方案中无分子自由飞行过程,在相同的光晶格长度内完成了双倍的减速级数.当光晶格长度取3.71 mm时,模拟结果显示CH4分子从280 m/s减速至172 m/s,而未调制光晶格只能将CH4分子从280 m/s减速至232 m/s,减速效果提高了26%.本方案可以集分子的减速、囚禁于一体,是一种新型的分子光学功能器件,在冷分子光学、量子信息、冷化学等前沿研究领域中有潜在的应用.
气体、等离子体和放电物理
闪电双向先导理论及观测:极性不对称、不稳定及间歇性
苟学强, 张义军, 李亚珺, 陈明理
2018, 67 (20): 205201. doi: 10.7498/aps.67.20181079
摘要 +
闪电双向先导原理的提出及观测验证是闪电物理研究近几十年最重要的进展之一,而正、负先导及流光的极性不对称性及传输的持续、间歇性,是理解闪电各种过程物理机制的关键.本文对闪电双向先导的概念及进展进行了总结和讨论,重点强调了正、负先导流光传输机制特别是门限电场的不对称性,阐述了正先导传输的连续性及其在闪电始发、负先导的空间先导形成、不稳定先导通道中的反冲先导建立等过程中独特的启动作用.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
质子照相中基于能量损失的密度重建
陈锋, 郑娜, 许海波
2018, 67 (20): 206101. doi: 10.7498/aps.67.20181039
摘要 +
提出了一种质子能量在中高能时利用能量损失进行密度重建的方法,并利用Bethe-Bolch公式给出了利用能量损失进行密度重建的方程及条件.针对1.6 GeV的质子能量,通过定量计算常见材料的阻止本领,得出质子能量在1.451.6 GeV范围内时,材料的阻止本领的变化率小于1%,可近似为常数.最后,通过理论计算和Geant 4模拟,得出质子能量在1.6 GeV时,可以对面密度为113 g/cm2的缩比法国实验客体进行密度重建.
剪切振动下湿颗粒的力学谱
唐瀚玉, 王娜, 吴学邦, 刘长松
2018, 67 (20): 206402. doi: 10.7498/aps.67.20180966
摘要 +
在恒温25 ℃剪切振动条件下,测量不同水分含量的NaCl湿颗粒体系的力学谱(能量耗散tan和剪切模量G).研究发现,随着剪切振幅增大,NaCl湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tan都表现出类似于干颗粒体系的阻塞(Jamming)转变行为.随着体系中水含量的增大,湿颗粒体系的剪切模量G和能量耗散tan在质量分数约等于11%的临界水浓度下均出现一个峰值,且峰位与应变振幅无关,表明此时颗粒之间主要的作用力发生了变化.
孕震断层锁固段累积损伤导致失稳的自组织-临界行为特征
吴晓娲, 秦四清, 薛雷, 杨百存, 张珂
2018, 67 (20): 206401. doi: 10.7498/aps.67.20180614
摘要 +
弄清锁固段(岩石)破裂过程中自组织临界性的物理涵义,对正确认识地震可预测性问题等具有重要意义.本文指出锁固段破裂过程存在两个临界点,第一临界点为体积膨胀点,是自组织过程起点,在该点锁固段发生可判识的高能级破裂事件,这可视为锁固段宏观破裂前的惟一可识别前兆;第二临界点为峰值强度点,即失稳点,在该点通常发生有明显地表破裂带的大地震.基于以前研究给出的两者之间应变比理论关系以及地震震级与能量约束关系,可预测锁固段在第一和第二临界点处发生的某些标志性地震,并已得到诸多震例分析的支持.本文研究结果表明:由于锁固段是非均匀介质,失稳前必须出现自组织过程,自组织是因,临界失稳是果,正是因为自组织过程的存在,才使得对某些大地震(如标志性地震)的预测成为可能;两个临界点之间的破裂演化过程并不是瞬态行为,通常是一个长期过程,该过程中标志性地震的发生遵循确定性规律,并不存在小地震直接导致大地震(如标志性地震)的级联效应.
专题:铁基高温超导体发现十周年
铁基超导体Li0.8Fe0.2ODFeSe的红外光谱研究
林桐, 胡蝶, 时立宇, 张思捷, 刘妍琦, 吕佳林, 董涛, 赵俊, 王楠林
2018, 67 (20): 207102. doi: 10.7498/aps.67.20181401
摘要 +
测量和研究了铁基超导体Li0.8Fe0.2ODFeSe单晶的红外光学响应,发现室温下光电导率谱不存在Drude分量,载流子具有非相干输运行为.随着温度降低,Drude分量形成并不断变窄,同时在相应的反射率谱上出现清晰的等离子体边,表明散射率急剧降低.在最低温度,观察到超导能隙形成导致的光谱变化,光电导率谱在160 cm-1以下受到显著压制.对比FeSe单晶的光谱数据,发现整体的光电导率谱型很相似,但自由载流子的谱重更低,揭示出样品具有更低的载流子浓度.另外还观察到温度变化诱导的谱重由低频向高频区域转移的现象,表明其存在强关联效应.
铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展
顾强强, 万思源, 杨欢, 闻海虎
2018, 67 (20): 207401. doi: 10.7498/aps.67.20181818
摘要 +
铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.
铁基超导体中的反铁磁序和自旋动力学
龚冬良, 罗会仟
2018, 67 (20): 207407. doi: 10.7498/aps.67.20181543
摘要 +
类似于其他非常规超导材料,铁基高温超导电性通常出现在静态长程反铁磁序被抑制之后,并且强烈的自旋涨落始终与超导电性相伴相生,因此理解磁性相互作用是建立铁基超导微观机理的重要前提.中子散射作为研究凝聚态物质中磁性相互作用的有力工具,在揭示铁基超导电性的磁性起源方面起到了关键作用.本文系统总结了近十年来铁基超导材料的中子散射研究结果,包括铁基超导材料中的静态磁结构、磁性相变、动态磁激发、电子向列相等,并探讨它们与超导电性之间的关系.
122型铁基超导线带材实用化研究进展
徐光显, 黄河, 张现平, 黄尚宇, 马衍伟
2018, 67 (20): 207402. doi: 10.7498/aps.67.20181256
摘要 +
在种类众多的新型铁基超导材料中,122型铁基超导体具有高转变温度、超高上临界场、低各向异性、高临界电流密度等优点,因此成为高场应用领域最具竞争力的铁基超导材料.目前122型铁基超导线带材在4.2 K,10 T下的传输临界电流密度已经超过105A/cm2这一实用化门槛值,表现出十分广阔的应用前景.本文回顾了新型铁基超导体的发现及发展历程,结合122型铁基超导体的自身特点,就如何制备高性能122型铁基超导线带材展开讨论,同时对粉末装管法制备流程中影响线带材性能的几大关键因素进行了详细分析.重点介绍了近年来122型铁基超导线带材的实用化研究进展,包括高强度线带材的制备、圆线的研制、多芯线材及长线的制备、超导接头的研究、力学性能及各向异性的研究等.对122型铁基超导线带材实用化研究进行了总结,并对其未来的发展趋势进行了展望.
112型铁基化合物EuFeAs2的单晶生长与表征
于佳, 刘通, 赵康, 潘伯津, 穆青隔, 阮彬彬, 任治安
2018, 67 (20): 207403. doi: 10.7498/aps.67.20181393
摘要 +
铁基超导体中含有一类特殊的112型结构化合物,其层状结构中含有一层锯齿形的As链构型.本文报道了用CsCl助熔剂法生长新型铁基112型EuFeAs2母体单晶的具体方法,以及对该单晶的结构和物性的详细表征.通过能量色散X射线能谱扫描对单晶样品进行的化学成分分析,以及单晶X射线衍射的结构解析,确定该单晶样品属于EuFeAs2相,结构精修得到EuFeAs2具有空间群为Imm2(No.44)的正交晶体结构,晶格常数分别是a=21.285(9),b=3.9082(10),c=3.9752(9).通过低温电阻测量,发现在110 K附近和46 K附近存在两个异常电阻跳变.进一步分析表明,110 K附近存在两个邻近的相变,这两个相变与铁基母体材料中常见的结构相变和Fe2+的反铁磁相变相符合.结合磁化率测量分析,可知46 K附近的相变属于Eu2+的反铁磁相变.
插层FeSe高温超导体的高压研究进展
孙建平, Prashant Shahi, 周花雪, 倪顺利, 王少华, 雷和畅, 王铂森, 董晓莉, 赵忠贤, 程金光
2018, 67 (20): 207404. doi: 10.7498/aps.67.20181319
摘要 +
通过对FeSe进行化学插层可以将其超导转变温度(Tc)从约8 K提高到40 K以上,实现高温超导电性.最近,我们对两种插层FeSe高温超导材料(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se和Li0.36(NH3)yFe2Se2开展了高压调控研究,发现压力会首先抑制高温超导相(称为SC-I相),然后在临界压力Pc以上诱导出第二个高温超导相(称为SC-Ⅱ相),呈现出双拱形T-P超导相图.这两个体系的Pc分别约为5和2 GPa,两个体系SC-Ⅱ相的最高Tc分别可以达到约52和55 K,比相应SC-I相的初始Tc提高了10 K.对(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se的正常态电输运性质分析表明,SC-I和SC-Ⅱ相的正常态分别具有费米液体和非费米液体行为,意味着这两个超导相可能存在显著差异.此外,还发现这两个体系的SC-Ⅱ相的Tc与霍尔系数倒数1/RH(载流子浓度ne)具有很好的线性依赖关系.对(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se的高压X射线衍射测量排除了其在10 GPa以内发生结构相变的可能,因此Pc以上SC-Ⅱ相的出现和载流子浓度的增加很可能起源于压力导致的费米面重构.
新型交生结构自掺杂铁基超导体
王志成, 曹光旱
2018, 67 (20): 207406. doi: 10.7498/aps.67.20181355
摘要 +
铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe2X2层(X为磷族或硫族元素),因此,设计具有Fe2X2层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上,归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则;着重介绍迄今发现的几类具有层状交生(intergrowth)结构的新型自掺杂铁基超导材料.
FeSe基超导体的探索与物性研究
王乃舟, 石孟竹, 雷彬, 陈仙辉
2018, 67 (20): 207408. doi: 10.7498/aps.67.20181496
摘要 +
自从2008年铁基超导体发现以来,人们探索并发现了一系列的铁基高温超导材料,其中FeSe基超导体因其具有的独特性质而引起了人们的广泛关注.本文主要介绍了两类新的铁基超导体,即水热合成法合成的(Li,Fe)OHFeSe及电化学插层方法合成的(CTA)xFeSe的晶体结构及超导性质;对近年发展起来的利用电双层场效应晶体管技术以及固态离子导体调控FeSe的电子态性质的研究做了简要介绍.
高压下的铁基超导体:现象与物理
郭静, 吴奇, 孙力玲
2018, 67 (20): 207409. doi: 10.7498/aps.67.20181651
摘要 +
始于2008年的铁基超导体研究续写了高温超导发展史的新篇章.回顾过去十年对铁基超导体的研究,在理论、实验及应用方面都取得了辉煌的成绩,丰富了人们对高温超导电性的认识,为突破高温超导机理研究、最终实现超导材料的人工设计与更广泛的应用奠定了坚实的基础.本文主要介绍了通过高压实验研究手段在铁基超导体的研究中取得的一些重要进展及呈现出的新现象和新物理,例如压致超导现象、压力导致的超导再进入现象、压力对超导转变温度的提升效应、压力研究对铁基超导体超导转变温度的预测、相分离结构对超导电性的影响及反铁磁-超导双临界点的发现等.希望这些高压研究结果与本文报道的其他各类实验与理论研究成果一起,为全面、深入地理解铁基超导体勾画出一幅较为完整的物理图像.

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准一维Cr基超导体RbCr3As3的超导能隙
李青, 汪旻祥, 刘通, 穆青隔, 任治安, 李世燕
2018, 67 (20): 207411. doi: 10.7498/aps.67.20181692
摘要 +
RbCr3As3是具有[(Cr3As3)-]线性链的准一维超导体,超导转变温度约为6.6 K.对RbCr3As3单晶进行了电输运和极低温热输运性质的研究.低温下,拟合了RbCr3As3正常态电阻率随温度的变化,发现其满足费米液体行为.通过拟合超导转变温度随磁场的关系,得到RbCr3As3单晶的上临界场约为25.6 T.对RbCr3As3进行了零场下的极低温热导率测量,得到其剩余线性项为7.5 WK-2cm-1,占正常态热导率值的24%.测量不同磁场下RbCr3As3的热导率,发现与单带s波超导体相比较,RbCr3As3剩余线性项随磁场增加相对较快.这些结果表明RbCr3As3单晶很可能是有节点的非常规超导体.
新型FeSe基超导材料研究进展
金士锋, 郭建刚, 王刚, 陈小龙
2018, 67 (20): 207412. doi: 10.7498/aps.67.20181701
摘要 +
FeSe基超导体作为铁基超导材料家族的重要组成部分,已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域,对这类超导材料的探索和制备是研究其物理性质的基础.目前,对于FeSe基超导材料的探索主要集中于插层和外延单层FeSe薄膜.其中,通过插层方法获得的FeSe基超导材料具有独特的性质,且种类众多.本文介绍了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料,涵盖KxFe2Se2,AxNH3FeSe,LiOHFeSe和有机分子插层FeSe等,并针对各种材料,简述了其性质及影响.
铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究
赵林, 刘国东, 周兴江
2018, 67 (20): 207413. doi: 10.7498/aps.67.20181768
摘要 +
铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.
111型铁基超导材料研究进展
望贤成, 靳常青
2018, 67 (20): 207414. doi: 10.7498/aps.67.20181586
摘要 +
111型铁基超导体系包含LiFeAs,NaFeAs和LiFeP三个组员.这三个组员的晶体结构简单,具有非极性解离面等特点,在铁基超导物理机理研究中发挥着独特的作用.本文简要介绍111型铁基超导体的研究进展.
FeSe基超导单晶与薄膜研究新进展:自旋向列序、电子相分离及高临界参数
董晓莉, 金魁, 袁洁, 周放, 张广铭, 赵忠贤
2018, 67 (20): 207410. doi: 10.7498/aps.67.20181638
摘要 +
FeSe基超导体的超导临界温度可大范围调控,物理现象丰富,是非常规超导机理研究的热点.由于较高的超导临界参数及易于加工等特点,FeSe基超导体在超导应用开发方面也日益受到重视.大尺寸高质量的单晶和薄膜形态的FeSe基超导材料,对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.作者近年来先后开发和发明了水热离子交换(ion-exchange)、离子脱插(ion-deintercalation)、基底辅助水热外延生长方法,成功解决了二元FeSe和插层(Li,Fe)OHFeSe超导体高质量单晶和薄膜的生长和物性调控难题.进而在相关物理问题的研究中取得新进展,包括发现二元FeSe中自旋向列序与超导电性密切相关,观测到(Li,Fe)OHFeSe中的电子相分离现象.此外,(Li,Fe)OHFeSe超导薄膜呈现很高的超导临界电流密度和上临界磁场,其应用前景值得关注.
铁基超导中拓扑量子态研究进展
郝宁, 胡江平
2018, 67 (20): 207101. doi: 10.7498/aps.67.20181455
摘要 +
铁基超导体和拓扑量子材料是近年来凝聚态物理两个重要的前沿研究方向.铁基超导体中是否能衍生出非平庸的拓扑现象是一个非常有意义的问题.本文从晶体对称性、布里渊区高对称点附近的有效模型以及自旋轨道耦合相互作用三个方面具体分析了铁基超导的电子结构的基本特点.在此基础上,重点阐述铁基超导的正常态、临近超导的长程有序态以及超导态中非平庸的拓扑量子态是如何衍生的;具体介绍了相关的理论模型以及结果,回顾了相关的实验进展,展望了该领域的发展前景.

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单层FeSe薄膜/氧化物界面高温超导
丁翠, 刘充, 张庆华, 龚冠铭, 汪恒, 刘效治, 孟繁琦, 杨好好, 武睿, 宋灿立, 李渭, 何珂, 马旭村, 谷林, 王立莉, 薛其坤
2018, 67 (20): 207415. doi: 10.7498/aps.67.20181681
摘要 +
单层FeSe/SrTiO3界面增强超导的发现为理解高温超导机理提供了一个新的途径,也为实现新的高温超导体开拓了新思路.本文通过在SrTiO3(001)表面高温沉积Mg进而沉积单层FeSe薄膜,制备出了FeSe/MgO双层/SrTiO3异质结.利用扫描隧道显微镜研究了异质结的电学及超导特性,观测到约1415 meV的超导能隙,比体相FeSe超导能隙值增大了56倍,与K掺杂双层FeSe/SrTiO3的超导能隙值相当.这一结果可理解为能带弯曲造成的界面电荷转移和界面处电声耦合共同作用导致的超导增强.FeSe/MgO界面是继FeSe/TiO2之后的一个新界面超导体系,为研究界面高温超导机理提供了新载体.
铁基超导体系基于电子关联强度的统一相图
徐海超, 牛晓海, 叶子荣, 封东来
2018, 67 (20): 207405. doi: 10.7498/aps.67.20181541
摘要 +
铁基超导和铜基超导具有诸多相似性,这为建立统一的高温超导机理图像提供了可能性.然而,对铁基超导体系中无论是进行电荷掺杂、还是等价掺杂来改变化学压力,都能产生定性上类似、而细节上纷繁复杂的相图,这对建立统一的图像造成了困难.研究化学掺杂效应如何在微观上影响电子结构和超导电性,区分主导超导电性演化的主要因素和次要因素,对建立统一图像和揭示高温超导机理至关重要.本文综述了对铁基超导体系中化学掺杂效应的一系列角分辨光电子能谱研究,涵盖了基于FeAs和FeSe面的多种代表性铁基超导体系,包括异价掺杂、等价掺杂、在元胞不同位置的化学掺杂,及其对电子体系在费米面结构、杂质散射、电子关联强度等方面的影响.实验结果表明:电子关联性或能带宽度是多个铁基超导相图背后的普适参数,不同的晶格和杂质散射效应导致了并不重要的复杂细节,而费米面拓扑结构与超导电性的关联并不强.这些结果对弱耦合机理图像提出了挑战,并促使人们通过局域反铁磁交换作用配对图像在带宽演化层面上统一地理解铁基超导.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
介电常数近零模式与表面等离激元模式耦合实现宽带光吸收
王栋, 许军, 陈溢杭
2018, 67 (20): 207301. doi: 10.7498/aps.67.20181106
摘要 +
介电常数为零或近零模式在微纳结构中提供了一个新的方式调控光与物质的相互作用.本文首先利用金属圆盘阵列结构激发了表面等离激元共振,在共振频率处实现了光的局域效果;然后通过在金属-绝缘体-金属超表面微纳结构中加入掺杂半导体材料,利用上层金属圆盘阵列激发的表面等离激元共振诱导介电常数近零模式的产生,从而使得介电常数近零模式与表面等离激元模式发生耦合,在中红外波段实现了一个470 nm的宽带吸收效果;数值模拟结果显示,在宽带吸收处存在光场的强局域效果.与窄带吸收相比,宽带吸收有更广泛的应用,比如吸收器、传感器、滤波器、微测辐射热计、光电探测器、相干热发射器、太阳能电池、指纹识别和能量收集装置等.
一级磁结构相变材料Mn0.6Fe0.4NiSi0.5Ge0.5和Ni50Mn34Co2Sn14的磁热效应与磁场的线性相关性
张虎, 邢成芬, 龙克文, 肖亚宁, 陶坤, 王利晨, 龙毅
2018, 67 (20): 207501. doi: 10.7498/aps.67.20180927
摘要 +
磁熵变(△SM)与磁场(0H)的相关性已在很多二级相变材料中被研究并报道,但一级相变材料的磁热效应与磁场相关性还少有报道.本文在具有一级磁结构相变的Mn0.6Fe0.4NiSi0.5Ge0.5材料中研究发现△SM与0H存在线性相关性,并通过麦克斯韦关系式的数值分析详细讨论了这一线性相关性的来源.同时,进一步发现在低磁场时,△SM近似正比于0H的平方.该线性相关性同样在一级磁结构相变Ni50Mn34Co2Sn14材料中得到了印证.但由于一级磁弹相变LaFe11.7Si1.3材料相变温度具有更强的磁场依赖性,不具有△SM的线性相关性,因此,本研究表明,当磁结构相变材料的相变温度具有弱磁场依赖性时,△SM与0H具有线性相关性.进而,在磁场未达到相变饱和磁场以下,利用△SM与0H的线性相关性可以有效推测更高磁场下的△SM.

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高质量FeSe单晶薄膜的制备及相关性能表征
杨桦, 冯中沛, 林泽丰, 胡卫, 秦明阳, 朱北沂, 袁洁, 金魁
2018, 67 (20): 207416. doi: 10.7498/aps.67.20180940
摘要 +
在铁基超导体中,FeSe具有最简单的晶体结构和化学组成,而且其超导转变温度具有较大的调控空间,因此适合作为超导机理研究和应用的载体.高质量样品的研制是物性研究和器件应用的前提,本文系统地研究了利用激光脉冲沉积技术制备FeSe薄膜的工艺条件,在多种衬底上成功地制备出高质量的-FeSe薄膜,并首次实现了超导临界转变温度从小于2 K到14 K的连续调控,这为FeSe超导机理研究提供了样品支持.为探究FeSe薄膜超导电性变化的起因,从-FeSe超导电性与晶格常数c正相关出发,基于简单的费米面填充假设,第一性原理计算可以很好地解释晶格常数c的变化规律,但该假设并不能完全符合角分辨光电子能谱实验给出的电子结构演变过程.因此-FeSe薄膜的超导电性、晶格结构和电子结构三者之间的关系还有待澄清,该问题的解决将为FeSe超导机理研究提供重要的线索,而上述系列高质量的-FeSe薄膜样品恰好能为该问题的研究提供理想的载体.本文根据实验和已有的相关研究结果,详细介绍了FeSe薄膜的脉冲激光沉积制备及其优化,以期为后续的薄膜研究应用提供参考.
特邀综述
高温压电材料、器件与应用
吴金根, 高翔宇, 陈建国, 王春明, 张树君, 董蜀湘
2018, 67 (20): 207701. doi: 10.7498/aps.67.20181091
摘要 +
作为重要的功能材料,压电材料已经在国民经济的多个领域里有着重要应用.随着现代工业的快速发展,特别是新能源、交通和国防工业的高速发展,功能材料的应用已经从常规使用转向极端环境下的服役.本文综述了具有高居里点的压电材料,包括钙钛矿型压电陶瓷、铋层状结构氧化物压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及非铁电压电单晶等;介绍了其晶体结构特征和高温压电性能、最新研究进展,并列举了一系列的高温压电器件和应用,包括高温压电探测器、传感器、换能器和驱动器等.另外,本文总结了高温压电材料的热点研究问题,并展望了今后的发展方向.
综述
非周期微纳结构增强有机发光二极管光耦合输出的研究进展
刘萌娇, 张新稳, 王炯, 秦雅博, 陈月花, 黄维
2018, 67 (20): 207801. doi: 10.7498/aps.67.20181209
摘要 +
有机发光二极管(OLED)具有功耗低、重量轻、色域宽、响应时间快及对比度高等优点,在全彩平板显示和固态照明等领域均显现出巨大的应用潜力,受到人们的广泛关注.然而,较低的光输出效率使得器件的外量子效率远低于内量子效率,这严重制约了OLED器件的发展和应用.因此如何提高OLED器件的光耦合输出效率已成为备受关注的研究课题.本文主要介绍了采用非周期微纳结构提高OLED器件光耦合输出效率的最新研究进展,对随机微纳透镜结构、光散射介质层、聚合物多孔散射薄膜、随机凹凸波纹结构及随机褶皱结构等多种对器件亮度分布和光谱稳定性无明显影响的光耦合输出技术进行了总结和讨论.最后,对提高OLED器件光耦合输出研究做了总结和展望.
地球物理学、天文学和天体物理学
等离子环境中带电体能量的Collin变分
谭康伯, 路宏敏, 苏涛
2018, 67 (20): 209401. doi: 10.7498/aps.67.20180504
摘要 +
基于系统性电磁兼容的考虑,对等离子环境中在轨航天器导体充放电现象中的能量特征进行了变分研究.通过电磁Collin原理,对等离子环境中导体系统几何尺度与所带电能的变分联系进行了理论分析.在此基础上,推广了更具一般性的数值估值分析方法,并对复杂导体系统电磁参数、等离子环境特征与系统能量间的关系进行了实例分析.研究结果对于等离子环境中复杂带电体的能量控制及相关的电磁环境效应与防护等研究具有积极意义.