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Vol. 67, No. 23 (2018)

2018年12月05日

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(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06
在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N(共)掺杂的TiO2/MoS2异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO2/MoS2异质结的带隙相比于纯的TiO2(101)表面明显变小,Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO2(101)表面和单层MoS2之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO2/MoS2异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2异质结和对TiO2/MoS2异质结加压都能有效地提高材料的光学性能. 王冠仕, 林彦明, 赵亚丽, 姜振益, 张晓东 物理学报.2018, 67(23): 233101.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 总论 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
物理学交叉学科及有关科学技术领域 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
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于环形微腔的多频段三角晶格光子晶体耦合腔波导光学传输特性
刘幸, 郭红梅, 付饶, 范浩然, 冯帅, 陈笑, 李传波, 王义全
2018, 67 (23): 234201. doi: 10.7498/aps.67.20181579
摘要 +
3a的六个介质柱构成了两种微腔,研究了两种微腔所支持的谐振波长之间的差异,在此基础上构造了两种耦合腔波导,进而将这两种耦合腔光波导与W1型输入/输出波导相连,最终实现了在多个不同频率范围内降低群速度的同时实现频段选择和频段分束功能,其导模群速度可降低到0.00047c.">本文理论研究了近红外波段硅基三角晶格光子晶体环形微腔的光场局域特性,通过将微腔在空间周期性排列组成耦合腔光波导,研究了多个导带区域内光束传输时的群速度,最大和最小值分别为0.0028c和0.00028c.将环形微腔在垂直于光传输方向上进行交错排列,通过改变相邻微腔之间的耦合区域,可以大幅降低多频段范围内光束在耦合腔波导中传输时群速度之间的差异,并提高部分频段的透过率数值.在不改变介质柱半径条件下,通过去掉三角晶格光子晶体中距中心介质柱距离分别为2a和√3a的六个介质柱构成了两种微腔,研究了两种微腔所支持的谐振波长之间的差异,在此基础上构造了两种耦合腔波导,进而将这两种耦合腔光波导与W1型输入/输出波导相连,最终实现了在多个不同频率范围内降低群速度的同时实现频段选择和频段分束功能,其导模群速度可降低到0.00047c.
探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响
李诗宇, 田剑锋, 杨晨, 左冠华, 张玉驰, 张天才
2018, 67 (23): 234202. doi: 10.7498/aps.67.20181193
摘要 +
研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明:光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.
基于自发辐射相干效应的可调光子带隙反射率的提高方法
杨柳, 郜中星, 薛冰, 张勇刚, 蔡永茂
2018, 67 (23): 234204. doi: 10.7498/aps.67.20181374
摘要 +
光子带隙是指某一频率范围的波不能在周期变化的空间介质中传播,即这种结构本身存在“禁带”,并已成功地应用于滤波器、放大器和混频器等器件的设计中.此前,许多专家都致力于提高带隙的反射率,但其只能逐渐接近1.本文在囚禁于一维光晶格中的冷原子介质中实现两个可调光子带隙,并通过选择两基态为精细结构的三能级∧型原子系统,考虑自发辐射相干效应来探究这两个带隙的反射率.适当调节参数,探测场出现增益,从而获得较高反射率的带隙结构,甚至可以超过1.此外,两个带隙反射率还可以通过调节偶极矩之间的夹角以及非相干驱动场强度等参数来操控.
考虑晶粒分布的多晶体材料超声散射统一理论
李珊, 李雄兵, 宋永锋, 陈超
2018, 67 (23): 234301. doi: 10.7498/aps.67.20181751
摘要 +
现有超声散射统一理论可通过多晶体材料的微观结构和力学特性,实现全频域范围内衰减和相速度的正演建模,但其忽略晶粒尺寸分布的影响,进而降低了正演模型的计算精度.本文对不均匀介质的波动方程进行二阶Keller近似,用全频域格林函数推导介质中的平均波;以截断对数正态分布描述晶粒分布,构建加权的空间相关函数;结合材料的弹性模量协方差,建立含晶粒分布的超声散射统一理论,揭示晶粒分布对超声散射的影响规律;制备304不锈钢试块并开展超声散射实验.结果表明考虑晶粒分布特性后,纵波衰减谱和相速度谱相对于实验结果的相异性降低约49%和64%,横波衰减谱和相速度谱相对于实验结果的相异性降低约12%和4%.可见,本文的统一理论模型能有效修正晶粒分布导致的衰减谱和相速度谱偏差,为晶粒分布反演评价提供理论基础.
大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真
才啟胜, 黄旻, 韩炜, 刘怡轩, 路向宁
2018, 67 (23): 234205. doi: 10.7498/aps.67.20180943
摘要 +
在大孔径空间外差干涉光谱成像技术(LASHIS)的基础上提出了一种多谱段成像方案.其采用LASHIS的外差探测原理,一方面,可通过较少的采样点数实现很高的光谱分辨率,保留了LASHIS的高光谱分辨率、高稳定性和高探测灵敏度的特点;另一方面,利用光栅的多级衍射性质,实现同一系统的多谱段同时探测,拓宽了光谱探测范围.首先,阐述了LASHIS多谱段成像方案的基本原理;然后,分析了多谱段探测与谱段解混方式;最后,对该方案进行了计算机仿真模拟,通过ZEMAX光线追迹的干涉图结果与理论计算结果相符合,验证了方案的正确性.基于LASHIS的多谱段成像方案所具有的高光谱分辨率、高探测灵敏度以及可实现同一系统的多谱段同时探测特点,尤其适合温室气体等高稳定性、高探测灵敏度的多谱段高光谱探测应用.
微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为
张丰辉, 唐宇帆, 辛锋先, 卢天健
2018, 67 (23): 234302. doi: 10.7498/aps.67.20181368
摘要 +
民用及国防工业领域对工程材料结构提出了更高的应用需求.单一材料结构越来越难以满足实际应用需求,通过人工复合结构实现超常单一及多物理性能的超材料设计已经成为材料结构应用的重要发展方向.本文基于传统的蜂窝夹层结构,在其内部引入波纹结构,并在面板和波纹上分别进行微穿孔形成微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料,在其优异力学承载基础上,实现了低频段的宽频有效吸声降噪.应用微穿孔板吸声理论和声阻抗串并联理论,建立了微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声理论模型;发展了考虑黏热效应的声传播有限元模型,通过数值模拟验证了理论模型的准确性,并数值计算了声波在超材料微结构内的黏热能量耗散分布,发现超材料能量耗散主要集中于微穿孔处的黏性边界层;进一步开展了超材料吸声参数和尺度设计参数的分析讨论,阐明了不同尺度设计参数对超材料吸声性能的影响规律.本文工作对兼具力学承载与吸声降噪的新型材料结构设计有重要的理论指导价值.
变声速弹性沉积层下压缩波与剪切波的耦合影响
刘亚琴, 杨士莪, 张海刚, 王笑寒
2018, 67 (23): 234303. doi: 10.7498/aps.67.20181600
摘要 +
针对压缩波声速n2线性分布、剪切波声速平方线性分布的变参数弹性海底沉积层中声场建模问题,建立了关于压缩波与剪切波本征函数的偏微分耦合方程组,基于微扰法,通过逐次微分给出了本征函数的近似解析解.理论分析表明,只有剪切波声速平方的梯度不为零的情况下,沉积层中的压缩波才会与剪切波产生耦合.压缩波与剪切波耦合的影响会带来本征值的变化,其对近场声传播的影响较小,但远距离声传播损失的预报在考虑耦合后与实测数据符合得更好.此外,耦合还会导致沉积层中本征函数及其导数的变化,使得耦合与非耦合情况下沉积层中质点位移场不同.通过与商用声场软件COMSOL计算结果的对比分析检验了本文方法的正确性,且本文方法计算时间远小于COMSOL软件运行时间.
实验条件不完美对薛定谔猫态制备的影响
张娜娜, 李淑静, 闫红梅, 何亚亚, 王海
2018, 67 (23): 234203. doi: 10.7498/aps.67.20180381
摘要 +
薛定谔猫态是一类重要的非经典光场,实验上可以通过真空压缩态减光子的方案获得.本文从理论上研究了实验条件对制备薛定谔猫态的影响,主要考虑了包括压缩态的压缩度和纯度、单光子探测器的效率及噪声以及零拍探测器的效率等诸多因素的影响.理想情况下通过减光子方案制备得到的薛定谔猫态为奇光子数态,其相空间原点的Wigner函数为负值是其非经典特性的重要判据,而保真度可以度量制备态与理想猫态之间的相似程度.在压缩态为非纯态以及单光子探测器为商用低效率阈值探测器的情况下,计算了制备猫态的保真度、Wigner函数及其相空间原点处W(0)的表达式,分析了实验条件对薛定谔猫态制备的影响,为制备高质量的薛定谔猫态提供了理论指导.
单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理
白清顺, 张凯, 沈荣琦, 张飞虎, 苗心向, 袁晓东
2018, 67 (23): 234401. doi: 10.7498/aps.67.20180999
摘要 +
激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明:激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm2时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.
复杂微通道内气泡在浮力作用下上升行为的格子Boltzmann方法模拟
娄钦, 李涛, 杨茉
2018, 67 (23): 234701. doi: 10.7498/aps.67.20181311
摘要 +
本文采用气-液两相流格子Boltzmann方法模拟了复杂微通道内气泡在浮力作用下的上升过程,主要研究障碍物表面润湿性、浮力大小、障碍物尺寸和气泡初始位置对气泡变形、分裂、合并的动力学行为以及对气泡上升速度、终端速度和气泡剩余质量的运动特性的影响.研究发现,障碍物表面接触角较小时气泡能够完整地通过障碍物通道,随着障碍物表面接触角增加,气泡通过障碍物通道时严重变形,并会发生分裂行为,使得部分气泡黏附在障碍物表面,从而导致气泡到达终端时质量减少.相应地,气泡上升速度以及终端速度也随着微通道表面接触角的增加而减小.另一方面,随着浮力的增加,气泡在上升过程中更容易发生分裂和合并现象,且气泡剩余质量和终端速度随着浮力的增加呈对数形式增加.此外,随着微通道障碍物半径增加,气泡剩余质量首先缓慢减小然后快速减小,而气泡终端速度近似呈线性减小.最后,数值结果还表明当气泡初始位置偏离管道中间时,其上升速度、气泡剩余质量以及气泡终端速度都与初始位置在管道中间时的变化趋势一致,然而对应的数值均减小,且气泡在上升过程中变形更严重.
纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究
张龙艳, 徐进良, 雷俊鹏
2018, 67 (23): 234702. doi: 10.7498/aps.67.20180993
摘要 +
采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现:壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.
总论
原子间相互作用势对中Al浓度Ni75AlxV25-x合金沉淀序列的影响
田晓林, 赵宇宏, 田晋忠, 侯华
2018, 67 (23): 230201. doi: 10.7498/aps.67.20181366
摘要 +
基于微观相场模型与反演算法,研究了中Al浓度及温度对Ni75AlxV25-x合金沉淀过程的影响:在相同浓度下,L12与DO22结构的第一近邻原子间相互作用势随温度升高呈线性增加,两者呈正比的关系;但在同一温度下,L12(DO22)结构的第一近邻原子间相互作用势随Al原子浓度的增加而增加(减少).同时将反演得出的原子作用势代入微观相场模拟中,探讨中Al浓度合金沉淀序列与原子作用势的关系,即当L12的第一近邻原子间相互作用势大于(小于)DO22时,L12(DO22)优先析出;当L12和DO22的第一近邻原子间相互作用势相等时,两者同时析出.特别地,当Al原子的浓度等于0.0589时,发现L12和DO22同时析出.利用微观相场法反演原子间相互作用势,为判断中Al浓度合金的沉淀序列增加了可信度.
偶极玻色-爱因斯坦凝聚体在类方势阱中的Bénard-von Kármán涡街
席忠红, 杨雪滢, 唐娜, 宋琳, 李晓霖, 石玉仁
2018, 67 (23): 230501. doi: 10.7498/aps.67.20181604
摘要 +
对偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate,BEC)在类方势阱中的Bénard-von Kármán涡街现象进行了数值研究.结果表明,当障碍势在BEC中的运动速度与尺寸在适当范围内时,系统中会出现稳定的两列涡旋对阵列,即Bénard-von Kármán涡街.研究了偶极相互作用强弱、障碍势尺寸以及运动速度对尾流中产生的涡旋结构的影响,得到了相图结构.对障碍势所受拖拽力进行计算,分析了涡旋对产生的力学机理.
五阶压控忆阻蔡氏混沌电路的双稳定性
林毅, 刘文波, 沈骞
2018, 67 (23): 230502. doi: 10.7498/aps.67.20181283
摘要 +
通过在蔡氏电路的耦合电阻支路中串联一个电感,采用压控忆阻替换蔡氏电路中的蔡氏二极管,提出了一种新颖的五阶压控忆阻蔡氏混沌电路.建立该电路的数学模型,从理论上分析了平衡点及其稳定性的演化过程.特别地,该电路在给定参数下只有一个不稳定的零平衡点,却形成了混沌与周期的非对称吸引子共存的吸引盆,意味着双稳定性的存在.进而利用数值仿真与PSIM电路仿真着重研究了本文电路在不同初始状态下产生的双稳定性现象及其形成机理.PSIM电路仿真结果与数值仿真结果一致,较好地验证了理论分析.借助分岔图、李雅普诺夫指数、相轨图和吸引盆进一步深入探讨了归一化五阶压控忆阻蔡氏系统依赖于系统初始条件的动力学行为.结果表明,该忆阻蔡氏系统在不同的初始条件下能够呈现出混沌吸引子与周期极限环共存的双稳定性现象.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究
琚安安, 郭红霞, 张凤祁, 郭维新, 欧阳晓平, 魏佳男, 罗尹虹, 钟向丽, 李波, 秦丽
2018, 67 (23): 237803. doi: 10.7498/aps.67.20181225
摘要 +
利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.
非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制
林贤, 金钻明, 李炬赓, 郭飞云, 庄乃锋, 陈建中, 戴晔, 阎晓娜, 马国宏
2018, 67 (23): 237801. doi: 10.7498/aps.67.20181450
摘要 +
研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li:NaTb(WO42磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.
InAs/GaAs量子点1.3 μm单光子发射特性
张志伟, 赵翠兰, 孙宝权
2018, 67 (23): 237802. doi: 10.7498/aps.67.20181592
摘要 +
采用双层耦合量子点的分子束外延生长技术生长了InAs/GaAs量子点样品,把量子点的发光波长成功地拓展到1.3 μm.采用光刻的工艺制备了直径为3 μm的柱状微腔,提高了量子点荧光的提取效率.在低温5 K下,测量得到量子点激子的荧光寿命约为1 ns;单量子点荧光二阶关联函数为0.015,显示单量子点荧光具有非常好的单光子特性;利用迈克耳孙干涉装置测量得到单光子的相干时间为22 ps,对应的谱线半高全宽度为30 μeV,且荧光谱线的线型为非均匀展宽的高斯线型.
Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变
杨圆, 陈帅, 李小兵
2018, 67 (23): 237101. doi: 10.7498/aps.67.20180624
摘要 +
本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.
Cr二维单层薄片中Jahn-Teller效应的第一性原理研究
张薇, 陈凯彬, 陈震东
2018, 67 (23): 237301. doi: 10.7498/aps.67.20181669
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文对Cr单层薄片的一系列二维结构(长方、正方、六角、斜方和中心长方晶格)进行了结构稳定性和电子性质研究.结果表明,在Cr的二维体系中,对称性较低的斜方晶格和中心长方晶格是稳定的,对称性较高的正方和六角晶格是不稳定的,而长方晶格的形成能很小.Cr二维原子薄片的两种稳定结构都是六角结构畸变的结果,六角晶格的键角减小时会形变成斜方晶格,键角增大时会形变成中心长方晶格,这是由于Jahn-Teller效应使简并能级自发破缺,继而结构产生降低对称性的形变,最终使得体系变得稳定.
基于蛋清栅介质的超低压双电层薄膜晶体管
梁定康, 陈义豪, 徐威, 吉新村, 童祎, 吴国栋
2018, 67 (23): 237302. doi: 10.7498/aps.67.20181539
摘要 +
新一代环保、生物兼容性电子功能器件受到了广泛关注.本文采用具有高质子导电特性的天然鸡蛋清作为耦合电解质膜制备双电层薄膜晶体管,该薄膜晶体管以氧化铟锡导电玻璃为衬底和底电极,以旋涂法制备的鸡蛋清为栅介质,以磁控溅射沉积的氧化铟锌为沟道和源漏电极.实验结果表明,这种基于鸡蛋清的栅介质具有良好的绝缘性,并能在其与沟道界面处形成巨大的双电层电容,从而使得该类晶体管具有超低工作电压(1.5 V)、低亚阈值(164 mV/dec)、大电流开关比(2.4×106)和较高的饱和区场效应迁移率(38.01 cm2/(V· s)).这种以天然鸡蛋清为栅介质的超低压双电层TFTs有望应用于新型生物电子器件及低能耗便携式电子产品.
特邀综述
二维有机拓扑绝缘体的研究进展
高艺璇, 张礼智, 张余洋, 杜世萱
2018, 67 (23): 238101. doi: 10.7498/aps.67.20181711
摘要 +
新材料的发现促进了科学与技术的进步.拓扑绝缘体是近期材料领域新的研究热点,相关研究的进一步深入,不仅加深了人们对材料物理性质的理解,也为其在自旋电子学和量子计算机等领域的潜在应用提供了有价值的参考.近年来,理论工作预测了一系列由金属和有机物构筑的二维有机拓扑绝缘体,本文主要介绍六角对称的金属有机晶格与Kagome金属有机晶格两类典型的二维有机拓扑绝缘体的研究进展,其中重点介绍了理论预测的氰基配位二维本征有机拓扑绝缘体.除了理论计算方面的工作,还简要介绍了关于二维有机拓扑绝缘体材料合成方面的实验工作.二维有机拓扑绝缘体的理论与实验研究不仅拓展了拓扑绝缘体的研究体系,还为寻找新的拓扑绝缘体材料提供了思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
铸造奥氏体不锈钢中铁素体与奥氏体位向关系及其对声衰减的影响
罗忠兵, 董慧君, 马志远, 邹龙江, 朱效磊, 林莉
2018, 67 (23): 238102. doi: 10.7498/aps.67.20181251
摘要 +
研究了铸造奥氏体不锈钢中铁素体与奥氏体位向关系及其对超声散射衰减的影响.利用电子背散射衍射技术表征了两相的晶体取向及其位向关系,基于真实的铁素体形貌建立了二维声传播各向异性模型并利用时域有限差分法进行了计算,分析了不同位向关系、铁素体形貌特征对声衰减系数的影响规律并进行了实验验证.结果表明:铸造奥氏体不锈钢奥氏体晶粒中散布着形状复杂的铁素体,典型铁素体形貌为条状和岛状;铁素体与奥氏体的位向关系以Kurdjumov-Sachs关系为主,少量满足Nishiyama-Wassermann关系.对声传播过程进行计算,发现两相位向关系和铁素体形貌协同作用影响超声波传播,在较高检测频率(15 MHz)下对散射衰减的影响不能忽略.结合“原位”实验对奥氏体<101>柱状晶粒的声衰减影响因素进行了定量分析,发现对于单一铸造奥氏体晶粒,晶粒内部取向不均匀性、奥氏体-铁素体位向关系以及奥氏体晶粒内铁素体形态都是超声散射衰减的主要原因.
氮/硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能
王桂强, 刘洁琼, 董伟楠, 阎超, 张伟
2018, 67 (23): 238103. doi: 10.7498/aps.67.20181524
摘要 +
二维多孔碳材料能够提供较短的电解质扩散通道和较快的电子传输过程,因此在能量转换和储存装置中表现出优异的电化学性能.近年来的理论和实验研究表明,两元素共掺杂可使二维多孔碳材料的电化学性能得到明显提高.因此,共掺杂二维多孔碳材料的制备成为目前的研究热点之一.本文以甲基橙-FeCl3复合物为模板引发剂制备了甲基橙掺杂的聚吡咯纳米管,通过对聚吡咯纳米管与KOH混合物(重量比为1:2)在700 ℃进行热处理,制备了二维石墨烯状氮/硫共掺杂多孔碳纳米片.所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片相互连结,形成了多级孔结构.氮气吸附分析表明多级孔结构包含微孔、介孔和大孔,这使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片具有较高的比表面积(1744.58 m2/g)和孔体积(1.01 cm3/g).共掺杂多孔碳纳米片中的掺杂氮以吡啶氮、吡咯氮和季胺氮形式存在,掺杂硫以噻吩硫和氧化态硫形式存在,二者之间的协同效应能够明显改善碳纳米片表面的浸润性,增加表面电化学活性点.这些特征使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片表现出优异的电化学性能.用氮/硫共掺杂多孔碳纳米片制备的量子点敏化太阳能电池对电极,对多硫电解质再生反应的电催化活性与传统PbS对电极相近,所组装电池的光电转换效率可达到4.30%(100 mW/cm2).氮/硫共掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器电极材料,以6 M(1 M=1 mol/L)KOH为电解质,电流密度为0.4 A/g,比电容达到312.8 F/g.即使电流密度增加到20 A/g,比电容仍达到200.6 F/g,表明其具有较好的倍率性能.
基于双环混频光电振荡器的可调谐微波频率梳产生
麻艳娜, 黄添添, 王文睿, 宋开臣
2018, 67 (23): 238401. doi: 10.7498/aps.67.20181582
摘要 +
随着无线通信的速率提升和微蜂窝趋势,光载微波技术已经成为重要的发展趋势,而光生多载波系统是光载微波的最重要的技术之一.本文提出了一种基于双环混频光电振荡器(OEO)的可调谐光载微波频率梳产生方案,可同时实现多频段微波信号产生,从而高效低成本地为无线节点提供光生微波载波.方案采用混频双环OEO系统,通过工作在增益开关状态的直调激光器,利用其非线性动态特性产生多频率光载微波频率梳信号,并采用双路微波滤波器分别滤出两个相邻频率的微波信号,并利用二者的差频反馈注入直调激光器构成光电谐振.利用偏振双环结构抑制长谐振腔引起的边模问题,提高了输出信号的噪声特性.经过实验分析,得到了低相噪的多路微波信号,并最终实现了间隔797.4 MHz的稳定的微波频率梳信号,一阶载波相位噪声低于-101.7 dBc/Hz@10 kHz,-115.2 dBc/Hz@50 kHz.因此该方案产生的光载微波频率梳信号具有低噪声的优点,适用于光载微波通信系统.
基于多引导滤波的图像增强算法
刘杰, 张建勋, 代煜
2018, 67 (23): 238701. doi: 10.7498/aps.67.20181425
摘要 +
图像增强技术可以有效地突出图像中的有用信息,已广泛应用于多个领域.现有的图像增强算法往往无法应对自然图像中复杂的梯度分布,难以准确保持图像中前景与背景的边缘信息.为了改善输出图像的边界过平滑问题,本文提出了一个基于多引导滤波的图像增强算法.首先,设计了一个以滤波核为变量的通用图像优化模型,现有的联合滤波器可视为该模型的解;然后,依据集成学习的思想,将联合滤波器中的单幅引导图像扩展到多幅,以更好地利用引导图中的结构信息进而获得更好的输出结果,并给出了一个多幅引导图的来源途径;最后,对多幅输出图像进行平滑,在图像优化模型中加入正则化项,以确保由多引导滤波得到的不同滤波输出保持一致.实验结果表明,本文算法在抑制图像噪声的同时,可以更好地保留物体的边界信息,从而使图像的信噪比进一步提升.
原子和分子物理学

封面文章

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06
王冠仕, 林彦明, 赵亚丽, 姜振益, 张晓东
2018, 67 (23): 233101. doi: 10.7498/aps.67.20181520
摘要 +
在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N(共)掺杂的TiO2/MoS2异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO2/MoS2异质结的带隙相比于纯的TiO2(101)表面明显变小,Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO2(101)表面和单层MoS2之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO2/MoS2异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N(共)掺杂TiO2/MoS2异质结和对TiO2/MoS2异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.
超冷铯(60D5/2)2 Rydberg分子的双色光缔合光谱
白景旭, 韩小萱, 白素英, 焦月春, 赵建明, 贾锁堂
2018, 67 (23): 233201. doi: 10.7498/aps.67.20181743
摘要 +
本文主要从理论和实验上研究超冷铯(60D5/22 Rydberg分子的双色光缔合光谱.数值计算了铯60D5/2 Rydberg原子对态的长程电多极相互作用和(60D5/22 Rydberg分子的绝热势能曲线,获得了(60D5/22 Rydberg分子的势阱深度和平衡间距.实验上利用双色光缔合超冷铯原子的方法制备了(60D5/22 Rydberg分子.其中,第一色激光(pulse-A)双光子共振激发种子Rydberg原子A;第二色激光(pulse-B,失谐于分子的束缚能)共振激发第二个Rydberg原子B,原子A与B由分子势阱束缚形成超冷(60D5/22 Rydberg分子.由脉冲场电离探测技术获得Rydberg分子的光缔合光谱,测量的Rydberg分子的势阱深度与理论计算结果相一致.
气体、等离子体和放电物理
黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测
黎航, 杨冬, 李三伟, 况龙钰, 李丽灵, 袁铮, 张海鹰, 于瑞珍, 杨志文, 陈韬, 曹柱荣, 蒲昱东, 缪文勇, 王峰, 杨家敏, 江少恩, 丁永坤, 胡广月, 郑坚
2018, 67 (23): 235201. doi: 10.7498/aps.67.20181391
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激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
GaN基薄膜半导体材料不同非线性效应的竞争关系
廖健宏, 曾群, 袁茂辉
2018, 67 (23): 236101. doi: 10.7498/aps.67.20181347
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采用金属有机化合物化学气相沉积方法生长了未掺杂GaN,p型Mg掺杂GaN,InGaN/GaN多量子阱等薄膜半导体材料,研究了其在800 nm飞秒激光激发下的非线性光学性质.实验结果表明,在800 nm飞秒激光激发下,多光子荧光、二次谐波等非线性光学信号之间存在着竞争关系,反映出不同非线性光学信号对激发光的能量分配存在着竞争,并通过其非线性光学信号强度与激发强度之间的依赖关系进行了验证.同时,本文对其竞争机理进行了初步探究.
碳纳米管/二硒化钼有机玻璃的非线性吸收、非线性散射和光限幅特性
孙悦, 曲斌, 全保刚
2018, 67 (23): 236201. doi: 10.7498/aps.67.20181583
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MoSe2的禁带宽度较窄(1.1–1.5 eV),且具有可调谐的激子光电效应,这样使其在光致发光、光电晶体管、太阳能电池和光学非线性等方面具有潜在的应用价值.然而,纯的MoSe2的光生电子空穴复合率较高,限制了其在某些光学领域中的应用.通过设计MoSe2的复合材料,可以降低材料的光生电子空穴复合率,从而扩展其应用领域.首先,通过热溶剂法合成CNT/MoSe2复合材料;然后,通过浇铸法将其分散在甲基丙烯酸甲酯(MMA)中制备成有机玻璃,其中MMA会聚合成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并利用改进的Z-扫描技术首次对CNT/MoSe2/PMMA有机玻璃的非线性吸收、非线性散射和光限幅特性进行了研究.研究表明,随着输入能量的变化,通过调节输入能量,CNT/MoSe2/PMMA有机玻璃表现出饱和吸收(SA)和从SA到反饱和吸收的转变.结合材料特性及应用条件要求,可以得到CNT/MoSe2/PMMA有机玻璃在光学设备,如光学限制器和锁模/调Q激光器等方向具有较好的应用前景.