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Vol. 67, No. 7 (2018)

2018年04月05日

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声子角动量与手性声子
在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应. 俞杭, 徐锡方, 牛谦, 张力发 物理学报.2018, 67(7): 076302.
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 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 地球物理学、天文学和天体物理学 核物理学
总论
构造纠缠目击的一般方法
杨莹, 曹怀信
2018, 67 (7): 070303. doi: 10.7498/aps.67.20172697
摘要 +
量子纠缠作为量子通信和量子计算过程中不可缺少的资源,在量子信息领域中有着广泛的应用.如何判定一个给定的量子态是否为纠缠态仍然是一个重要的课题.纠缠目击是一种特殊的自伴算子,它可以用来判断一个量子态是否为纠缠态.本文首先从纠缠目击的定义入手,给出构造纠缠目击的一般方法,证明了当一个可测量A在可分纯态上的最大期望CA严格小于它的最大特征值max(A)时,对任何满足条件CA C (A)的参数C,算子WC=CI-A都是一个纠缠目击;然后,作为应用得到了利用图态的稳定子构造纠缠目击的一系列方法.
锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测
郭阳, 尹默娟, 徐琴芳, 王叶兵, 卢本全, 任洁, 赵芳婧, 常宏
2018, 67 (7): 070601. doi: 10.7498/aps.67.20172759
摘要 +
87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对87Sr原子钟跃迁能级5s2 1S0m 5s5p 3P0中的mF=+9/2和mF=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9 K,原子数目为3.5106.利用邻近魔术波长的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对1S03P0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.
圆形复合式磁控溅射阴极设计及其放电特性模拟研究
汪天龙, 邱清泉, 靖立伟, 张小波
2018, 67 (7): 070703. doi: 10.7498/aps.67.20172576
摘要 +
基于二维有限元算法使用COMSOL软件对圆形复合式磁控溅射阴极的磁场进行了计算,结合Matlab优化工具箱分别采用遗传算法和模拟退火算法对圆形复合式磁控溅射阴极的结构进行优化,得到靶材利用率达到最大的最优结构.对得到的最优化磁控阴极,基于自洽粒子模拟方法,使用VSim软件对不同工况下的放电特性进行了模拟.研究发现随着磁场非平衡度的增加,阴极表面电势降落最大的位置和等离子体聚集的位置,沿着阴极表面外沿不断向阴极中心移动,阴极表面磁场的强度不断减小.随着磁场非平衡度的增加,等离子体密度先增加后减小,鞘层厚度先减小后增加,等离子体的密度和鞘层厚度不仅与磁场非平衡度有关,而且与磁场强度有关.最后根据粒子模拟的结果,对复合式磁控阴极的靶材刻蚀深度进行了研究.研究发现,在优化前后靶材的刻蚀范围从60 mm扩展至整个靶面,极大地提高了靶材利用率.
窗口声阻抗对锆相变动力学的影响
种涛, 王桂吉, 谭福利, 赵剑衡, 唐志平
2018, 67 (7): 070204. doi: 10.7498/aps.67.20172198
摘要 +
基于磁驱动加载装置CQ-4开展了锆的斜波压缩相变实验,研究了锆样品后表面窗口声阻抗对相变波形的影响.实验结果显示,锆后表面为较低声阻抗窗口(自由面和LiF窗口)时,相变起始对应的特征粒子速度约331.0 m/s,而高阻抗蓝宝石窗口时,特征粒子速度约301.9 m/s,特征速度对应的压力从约9.14 GPa下降到8.27 GPa.相变对应的速度特征拐点是与多种因素相关的实验信息,因此它对应的压力并不是材料属性参数相变压力.结合基于热力学Helmholtz自由能的多相状态方程和非平衡相变动力学方程开展了锆的相变动力学数值模拟研究,相变弛豫时间为30 ns,计算结果与三种情况的实验结果符合良好,可以较好地模拟斜波压缩下锆的弹塑性转变、相变等物理过程.在压力-比容和温度-压力热力学平面,相变前锆的准等熵线与冲击绝热线差异很小,相变后准等熵线都位于冲击绝热线下方,随着压力的增加准等熵线和冲击绝线偏差越来越大,温度-压力平面中在20 GPa时相差约100 K.相变开始后,由于相变引起比容的间断,导致锆的拉氏声速迅速下降约7%,相变完成后拉氏声速恢复到体波声速.
与热库耦合的光学腔内三原子间的纠缠动力学
邢贵超, 夏云杰
2018, 67 (7): 070301. doi: 10.7498/aps.67.20172546
摘要 +
研究了与热库耦合的光学腔中三个相互作用的二能级原子间的纠缠动力学.采用拉普拉斯变换和下限共生等方法,通过数值计算,分析了原子间三体纠缠的演化以及腔场与热库间的两体纠缠演化,讨论了各耦合参数对系统纠缠演化的影响.研究结果表明:原子间纠缠在短时间内随着原子间耦合强度的增加而增加,随原子与腔场耦合强度的增加而减小,在长时极限下趋于一稳定值;体系的非马尔科夫性由原子与腔场的耦合强度以及热库的谱宽度共同决定,当热库与腔场为强耦合时,原子与腔场组成的系统遵循非马尔科夫动力学,此时随着热库谱宽的增加,原子系统由非马尔科夫性变为马尔科夫性,随着谱宽的继续增加,原子与腔场组成的系统遵循马尔科夫动力学,原子系统又表现出非马尔科夫性;调整腔场与热库的失谐可以有效抑制热库耗散对纠缠衰减的影响.
基于Lorenz模型的集合预报与单一预报的比较研究
梁丁, 顾斌, 丁瑞强, 李建平, 钟权加
2018, 67 (7): 070501. doi: 10.7498/aps.67.20172144
摘要 +
根据非线性局部Lyapunov向量方法和增长模繁殖方法,选取Lorenz63模型和Lorenz96模型的不同状态为例,对集合预报与单一预报的预报技巧开展了对比研究.结果表明:与单一预报比较,集合预报的均方根误差和型异常相关有明显改善,随预报时间推移,改善效果越显著,且集合平均优于单一预报的实验个例数逐渐增多.就概率分布(f)而言,单一预报状态的f与真实状态基本一致,不随时间变化;而集合平均预报状态的f则随时间呈现出值域变窄、峰值变大的特点.表明随预报时间的延长,单一预报状态为混沌吸引子上的随机状态,而集合平均预报状态为吸引子子集上的随机状态,这可能是集合平均误差小于单一预报的原因.

编辑推荐

基于场变换的毫米波半波片设计
王成, 赵俊明, 姜田, 冯一军
2018, 67 (7): 070201. doi: 10.7498/aps.67.20171774
摘要 +
极化转换是电磁波调控的重要研究方向之一.本文基于场变换理论提出一种宽入射角的宽带毫米波半波片.基于等效媒质理论,该半波片可由亚波长厚度的两种介电常数不同的材料周期性排布后旋转45°得到.通过设计控制两种材料的介电常数、高度比值以及整个半波片的厚度可以在毫米波段实现极化转换的功能,此设计具有低损耗和高转化效率的特点.此半波片能实现横电波与横磁波的相互转换以及圆极化波的相互转换,极化转换-3 dB相对带宽达49%.仿真和实测结果相符,验证了该半波片宽带高效的极化转换效果.在入射角为60°时,极化转换-3 dB带宽依然能够达到36%左右.
任意阶标度分形格分抗与非正则格型标度方程
余波, 何秋燕, 袁晓
2018, 67 (7): 070202. doi: 10.7498/aps.67.20171671
摘要 +
Carlson分形格电路是分抗的理想逼近情形,但仅具有负半阶运算性能,逼近效益随着电路节次数的增加逐渐降低.虽然可嵌套得到-1/2n阶(n为大于或等于2的整数)分抗逼近电路,但结构复杂,无法实现任意分数阶运算.通过类比拓展Carlson分形格电路,获得具有高逼近效益的任意实数阶微积算子的分抗逼近电路标度分形格分抗,并用非正则格型标度方程进行数学描述.分别探讨非正则格型标度方程的近似求解和真实解.通过调节电阻递进比与电容递进比的取值,可构造出具有任意运算阶的标度分形格分抗逼近电路.标度拓展极大地提高了标度分形格分抗电路的逼近效益.随着标度因子的增加,负半阶标度分形格分抗的逼近效益逐渐增大并明显高于Carlson分形格分抗.设计了基于五节Carlson分形格分抗与负半阶标度分形格分抗的半阶微分运算电路,并对周期三角波和周期方波信号进行半阶微分运算,实验测试结果与理论分析一致.
考虑介质膨胀速率的锂离子电池管状电极中扩散诱导应力及轴向支反力分析
彭颖吒, 李泳, 郑百林, 张锴, 徐咏川
2018, 67 (7): 070203. doi: 10.7498/aps.67.20172288
摘要 +
硅作为锂离子电池阴极材料相对于传统负极材料具有高比容量,价格低廉等优势.本文针对充电过程中锂离子电池中电极建立力学模型和扩散模型,并在扩散模型引入考虑介质膨胀速率的影响.以硅空心柱形电极为例,分析了恒流充电下介质膨胀速率对电极中扩散诱导应力分布的影响,并研究了不同内外半径比、充电速率、材料参数以及锂化诱导软化系数(lithiation induced softening factor,LISF)对轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间的影响.结果表明,随着电极中锂浓度上升,介质膨胀速率对应力分布的影响增大,对轴向的支反力影响较小.弹性模量和应力成正比,但其与轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间无关;扩散系数与所需时间成反比;偏摩尔体积增大时,达到临界屈曲力所需时间减少;随着LISF绝对值增大,完全锂化时轴向力降低.
基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠
李雪琴, 赵云芳, 唐艳妮, 杨卫军
2018, 67 (7): 070302. doi: 10.7498/aps.67.20172634
摘要 +
量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.
微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究
班章, 梁静秋, 吕金光, 梁中翥, 冯思悦
2018, 67 (7): 070701. doi: 10.7498/aps.67.20172596
摘要 +
为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.1010柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角0及各环线像素光通量之比.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角分别为13,15和17时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.
基于矢量化差分相位的单分布源解耦二维波达方向估计
代正亮, 崔维嘉, 王大鸣, 张彦奎
2018, 67 (7): 070702. doi: 10.7498/aps.67.20172154
摘要 +
在分布源(包括相干分布源和非相干分布源)的二维波达方向估计中,均匀圆阵由于可实现全方位测角、具有较高的分辨率,得到了广泛的应用,然而现有的估计算法均需要谱峰搜索和特征值分解,复杂度较高.针对此问题,考虑单个相干分布源或非相干分布源入射两种情况,提出了一种基于矢量化差分相位的解耦二维波达方向快速估计算法.该算法首先基于空间频率近似模型,证明了任意单个分布源入射时,均匀圆阵中不同阵元接收信号间的差分相位均不受角度扩展参数的影响;基于此特性,通过获取差分相位即可实现中心波达角的解耦合;接下来,提取采样协方差矩阵的严格上三角元素相位,即对应于各阵元间的差分相位,并进行矢量化处理,最终将波达方向估计问题转化为一个最小二乘问题,从而直接得到闭式解,避免了谱峰搜索和特征值分解运算,大幅度降低了复杂度.理论分析和仿真实验表明,所提算法具有较高的估计精度,并且无需角信号分布的先验信息,同时具备较低的计算复杂度和硬件复杂度,有利于复杂环境下阵列测向等工程实践.
原子和分子物理学
高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响
郭晶, 郭福明, 陈基根, 杨玉军
2018, 67 (7): 073202. doi: 10.7498/aps.67.20172440
摘要 +
采用广义含时伪谱方法数值求解原子在激光脉冲作用下的动量空间含时薛定谔方程,研究了高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响.数值模拟表明,随着激光脉冲宽度的增加,光电子谱干涉结构的振荡幅值逐渐减小,其最大峰值的强度和位置取决于产生有效电离的最大即时强度.通过分析光电子谱的变化规律能进一步加深对高频强场电离产生的动力学干涉效应的理解.
基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器
焦月春, 赵建明, 贾锁堂
2018, 67 (7): 073201. doi: 10.7498/aps.67.20172636
摘要 +
Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01–1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究
安然, 范小贞, 卢建新, 文侨
2018, 67 (7): 074201. doi: 10.7498/aps.67.20171932
摘要 +
高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.
高频共振预探测多脉冲激光测距方法
黄民双, 马鹏, 刘晓晨
2018, 67 (7): 074202. doi: 10.7498/aps.67.20172079
摘要 +
在无合作目标激光测距中,提出了一种高频共振预探测和多脉冲相关处理对远目标距离进行高精度测量的技术方案.脉冲回波光电流信号经高频共振预探测电路进行放大滤波处理并转换为包含高精度定时特征点的高信噪比的双极性衰减振荡脉冲信号;之后利用多脉冲相关处理构造出的新脉冲函数进一步改善其信噪比.理论计算结果表明:最小可探测光脉冲电流仅为17 nA,与直接探测脉冲方法相比信噪比可提高60倍;在回波光电流脉冲峰值1:10000的动态范围内,走离误差小于0.1 ps.根据此原理研制出了脉冲激光测距仪,仪器在激光发射平均功率约为1 mW时,无合作目标测程大于2000 m,在1.5–300 m范围内测距精度达到±(3 mm+2 ppm),远目标测距精度为±(10 mm+10 ppm).该测距仪系统已用于全站仪产品中.
循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声评价
苑博, 税国双, 汪越胜
2018, 67 (7): 074302. doi: 10.7498/aps.67.20172265
摘要 +
材料损伤以及性能退化与超声波的非线性效应密切相关.为研究循环温度疲劳作用下粘接界面的损伤情况,本文采用超声波透射法,研究了6061型铝合金/改性丙烯酸酯胶粘接界面的声学非线性系数随高温、低温循环次数的变化情况.结果表明,在高温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数变化不明显,但随着高温循环次数的不断增加,非线性系数随循环次数的变化十分明显;对于低温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数迅速增大,随着循环次数的增加,其值增速减缓.在低温循环疲劳寿命的后期,试件的非线性系数随循环次数的增加而继续增大.进一步的讨论结果表明,胶层三阶弹性常数的变化是造成高温循环疲劳时非线性系数变化的主要原因,而对于低温循环疲劳,粘接界面拉伸刚度的变化是引起非线性系数变化的主要原因.
内插扩张室声子晶体管路带隙特性研究
张振方, 郁殿龙, 刘江伟, 温激鸿
2018, 67 (7): 074301. doi: 10.7498/aps.67.20172383
摘要 +
声子晶体管路的带隙特性,可以实现管路系统在特定频率下的噪声控制.利用二维模态匹配法推导出单个内插扩张室元胞的传递矩阵,结合Bloch定理,得到声子晶体管路的能带结构计算方法;验证了二维方法在计算能带结构时的准确性.研究发现,内插扩张室声子晶体管路存在布拉格带隙和局域共振带隙.进一步研究了晶格常数以及内插管长度对能带结构的影响,结果表明,晶格常数主要控制布拉格带隙,而内插管长度对局域共振带隙有较大的影响,并研究了两种参数变化下的带隙耦合.研究结果可以为管路降噪设计提供新的思路.
气体、等离子体和放电物理
液体电极上辉光放电丝的运动特性研究
李雪辰, 耿金伶, 贾鹏英, 吴凯玥, 贾博宇, 康鹏程
2018, 67 (7): 075201. doi: 10.7498/aps.67.20172205
摘要 +
大气压液体电极放电在生物医疗、化学降解、环境保护等众多方面具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注.本文利用直流电压激励棒-水电极装置,在6 mm气隙间产生了大气压辉光放电.研究发现,随着电流的增大,放电由锥状转变成柱状,且此过程中水面上放电环的直径先增大后减小.利用高速照相机对放电进行研究,发现锥状放电是由单个放电丝旋转形成的.通过测量放电的伏安特性,表明放电处于正常辉光机理.利用光谱学方法,研究了不同电流下的振动温度、转动温度和谱线强度比I391.4/I337.1,发现它们均随电流的增加而增大.根据气体放电理论,分析和解释了放电丝的运动机理,并对水面上放电环直径随电流的变化关系进行了解释.这些结果对于大气压液体电极放电的理论研究和实际应用均具有一定参考价值.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaN HEMT材料
张志荣, 房玉龙, 尹甲运, 郭艳敏, 王波, 王元刚, 李佳, 芦伟立, 高楠, 刘沛, 冯志红
2018, 67 (7): 076801. doi: 10.7498/aps.67.20172581
摘要 +
研究了表面预处理对GaN同质外延的影响,获得了高电子迁移率AlGaN/GaN异质结材料.通过NH3/H2混合气体与H2交替通入反应室的方法对GaN模板和GaN半绝缘衬底进行高温预处理.研究结果表明,NH3/H2能够抑制GaN的分解,避免粗糙表面,但不利于去除表面的杂质,黄光带峰相对强度较高; H2促进GaN分解,随时间延长GaN分解加剧,导致模板表面粗糙不平,AlGaN/GaN HEMT材料二维电子气迁移率降低.采用NH3/H2混合气体与H2交替气氛模式处理模板或衬底表面,能够清洁表面,去除表面杂质,获得平滑的生长表面和外延材料表面,有利于提高AlGaN/GaN HEMT材料电学性能.在GaN衬底上外延AlGaN/GaN HEMT材料,2DEG迁移率达到2113 cm2/V·s,电学性能良好.
扫描电子显微镜法测定金属衬底上石墨烯薄膜的覆盖度
陈彩云, 刘进行, 张小敏, 李金龙, 任玲玲, 董国材
2018, 67 (7): 076802. doi: 10.7498/aps.67.20172654
摘要 +
利用化学气相沉积法生长在金属衬底上的石墨烯薄膜,由于其尺寸的可控性和转移的便利性,被广泛用作各种透明电极.石墨烯薄膜的方块电阻是衡量其品质的重要指标之一,而石墨烯覆盖完全是保证薄膜拥有优良导电性能的基本前提.本文通过研究评估不确定度的分量,提出利用扫描电子显微镜像素计算微区和宏观覆盖度的方法.考虑到石墨烯薄膜覆盖区域与未覆盖区域边界的确定,以及晶畴数目的选取这两个因素对覆盖度测定造成的误差.通过微区有效扫描电子显微镜图像的确定、宏观石墨烯薄膜有效扫描电子显微镜图像的测量数目以及宏观石墨烯薄膜覆盖均匀性的表达,系统研究了化学气相沉积法生长在金属衬底上的石墨烯薄膜的微区覆盖度、宏观覆盖度和覆盖均匀性.该方法通过获得有限次微区扫描电子显微镜图像,不仅可以计算宏观石墨烯薄膜的覆盖度,还可以给出覆盖均匀性,既节省了测量时间,同时也能保证测量有效性.
变形及电场作用对石墨烯电学特性影响的第一性原理计算
刘贵立, 杨忠华
2018, 67 (7): 076301. doi: 10.7498/aps.67.20172491
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利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了变形、电场及共同作用对石墨烯电学特性影响的电子机理.研究表明,本征石墨烯的能隙及态密度值在费米能级处均为0,呈现出半金属特性;在一定的变形量下对石墨烯施加剪切、拉伸、扭转及弯曲变形作用,发现剪切和扭转变形对打开石墨烯能隙的作用明显;对本征石墨烯施加不同方向的电场,可知电场方向对打开石墨烯能隙的作用效果最强.这是因为该电场方向下石墨烯C–C原子间的布居数正值较大,成键键能较高,而负值数值较小,反键键能较低;线性增加电场强度,石墨烯的能隙呈线性增长势;变形及电场共同作用下,外加电场提高了变形对打开石墨烯能隙的作用效果,但不及两种外场叠加的作用效果.

封面文章

声子角动量与手性声子
俞杭, 徐锡方, 牛谦, 张力发
2018, 67 (7): 076302. doi: 10.7498/aps.67.20172407
摘要 +
在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.
界面羟基对碳纳米管摩擦行为和能量耗散的影响
王世伟, 朱朋哲, 李瑞
2018, 67 (7): 076101. doi: 10.7498/aps.67.20180311
摘要 +
本文采用分子动力学模拟研究了羟基对碳纳米管摩擦和能量耗散方式的影响.研究结果表明:由于界面间氢键的形成,碳纳米管所受的平均摩擦力明显增大;随着羟基比例的改变,界面间氢键的数量与摩擦力的变化趋势一致;碳纳米管的手性角对摩擦力有一定的影响,扶手椅型碳纳米管所受的摩擦力比其他类型的碳纳米管的大;直径对摩擦力的影响较大,直径越大界面间的摩擦力越大,其原因是大直径的碳纳米管底部变平导致界面接触面积增大;界面接枝羟基后,体系的声子态密度中出现羟基的振动峰;随羟基比例的增加,羟基的振动在能量耗散中起到更为重要的作用,当碳纳米管和硅基底的羟基比例为10%/20%时,体系能量耗散的主要途径由碳纳米管和硅基底的振动转变为羟基的振动.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

编辑推荐

无铅四方相钙钛矿短周期超晶格压电效应机理研究
朱振业
2018, 67 (7): 077701. doi: 10.7498/aps.67.20172710
摘要 +
超晶格压电行为与内部正离子之间的内在联系尚缺乏相关的研究.本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三种无铅四方相钙钛矿铁电超晶格(BaTiO3/SrTiO3,KNbO3/KTaO3和BaTiO3/KNbO3)中A,B位正离子对整体的极化和压电贡献.通过计算超晶格不同轴向应变条件下原子结构和Born有效电荷,获得了超晶格和各个正离子的极化值和压电系数.结果表明,在轴向压缩应变条件下(-0.150),无铅超晶格中的正离子位移D(A)和D(B)受到抑制,在拉应变时位移才显著增大,因此极化和压电行为不明显.在轴向拉伸应变作用下(00.15),无铅超晶格中各原子的极化贡献显著增大,特别是B位原子Ti,Nb和Ta的极化贡献使得总的极化强度也显著提高,并当拉应变达到一定值,超晶格才会出现明显的压电行为.无铅超晶格的极化和压电行为主要由B位正离子贡献.
基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量
吴涛, 商景诚, 何兴道, 杨传音
2018, 67 (7): 077801. doi: 10.7498/aps.67.20172438
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体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1–9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ2值最小原理反演得到不同压强(4–9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10-5kg·m-1·s-1,该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.
间隙原子H,B,C对LaFe11.5Al1.5化合物磁性和磁热效应的影响
杨静洁, 赵金良, 许磊, 张红国, 岳明, 刘丹敏, 蒋毅坚
2018, 67 (7): 077501. doi: 10.7498/aps.67.20172250
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研究了金属化合物LaFe11.5Al1.5Hx (x=0,0.12,0.6,1.3),LaFe11.5Al1.5By (y=0.1,0.2,0.3)和LaFe11.5Al1.5Cz (z=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)的磁性、结构和磁热效应.金属化合物样品均形成了良好的NaZn13型单相结构.基于固相-气相反应或者固相-固相反应引入间隙H,B,C原子后,磁性基态从反铁磁态变为铁磁态,饱和磁化强度(Ms)和居里温度(TC)均呈升高趋势.值得注意的是:随着B和C含量的增加,化合物的相变性质由弱一级相变过渡至二级相变;而随着H含量的增加,相变性质却从二级相变过渡至弱一级相变.同时,化合物LaFe11.5Al1.5Hx,LaFe11.5Al1.5By和LaFe11.5Al1.5Cz11.5Al1.5H1.3,LaFe11.5Al1.5B0.1和LaFe11.5Al1.5C0.2的最大磁熵变分别达到12.3,9.6和10.8 J/kg·K.此外,在0–5 T的外磁场作用下,LaFe11.5Al1.5H0.6的制冷能力达到259.2 J/kg,LaFe11.5Al1.5B0.1的制冷能力达到116.4 J/kg,而LaFe11.5Al1.5C0.1的制冷能力达到230.4 J/kg.
磁致伸缩/压电层叠复合材料磁电效应分析
周勇, 李纯健, 潘昱融
2018, 67 (7): 077702. doi: 10.7498/aps.67.20172307
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采用有限元分析软件COMSOL5.0建立了三维悬臂梁模型,分析了磁致伸缩/压电/磁致伸缩叠层复合材料的磁电系数αME,并就几何参数对复合结构磁电系数的影响进行了优化分析.首先,利用稳态求解器研究了磁电层状复合结构内部的应力、应变、位移以及电势分布情况,利用瞬态求解分析了磁电复合结构各变量动态分布规律;其次,应用小信号频域分析研究了该结构的谐振频率以及在不同偏置磁场对输出电压的影响,结果表明,随着直流偏置磁场的增加,输出电压逐渐减小.改变复合材料不同层的厚度,分析了磁电层与压电层厚度比tm/tp对磁电系数的影响,结果表明,随着厚度比增加,αME逐渐增大,其增加速率逐渐减小;最后,分析了磁电系数αME随复合结构面积、长宽比的变化情况.分析表明,αME随磁电复合结构面积的增加逐渐增加,其增加速率逐渐减小;当磁电复合结构面积恒定时,其磁电系数随长宽比L/W增加表现出先增加后减小的趋势,存在最优值.
空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响
马俊, 陈章龙, 县涛, 魏学刚, 杨万民, 陈森林, 李佳伟
2018, 67 (7): 077401. doi: 10.7498/aps.67.20172418
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通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d ≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤ d d ≥ 5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
含突发E层的电离层模型建立及其在测高中的应用
罗欢, 肖卉
2018, 67 (7): 079401. doi: 10.7498/aps.67.20172575
摘要 +
针对高频射线测高模型未考虑电离层突发E层(sporadic-E,Es层)的问题,从电离层物理结构特性入手,结合实测的电离层垂测数据,在多层准抛物模型的基础上研究了含Es层的电离层模型及其在目标高度测量中的应用.首先,利用反转抛物线特性模拟了含Es的电离层模型,并得到了等离子体频率与高度的关系;然后,利用该模型分析了射线的电离层传输路径与发射仰角/频率的关系以及高频射线微多径特征与目标高度的关系;最后,结合含Es的电离层模型与射线微多径特征,提出了基于分段爬山搜索的快速匹配域测高方法,该方法能大大减少搜索时间.研究结果表明:含Es的电离层模型和提出的测高方法能准确估计出目标高度,并具有较强的实时性.
核物理学
用于中国散裂中子源多功能反射谱仪的高气压多丝正比室探测器的研制
温志文, 祁辉荣, 张余炼, 王海云, 刘凌, 王艳凤, 张建, 李玉红, 孙志嘉
2018, 67 (7): 072901. doi: 10.7498/aps.67.20172618
摘要 +
中国散裂中子源需要建设一台多功能反射谱仪中子探测器,满足在10年运行期间内,50%(@2Å)以上的探测效率、好于2 mm的二维位置分辨、200 mm×200 mm的灵敏面积、3倍的n/γ分辨能力及良好的二维成像性能.基于此要求,探测器因此采用基于高气压3He气体的多丝正比室,并以满足反射谱仪的探测效率、位置分辨、长期稳定工作和n/γ分辨能力为目标进行探测器的设计.本文经过模拟和实验计算得出:以9 mm厚的铝合金入射窗、铝丝密封的高气压腔体和6 bar 3He+2.5 bar C3H8的工作气体的设计,可满足探测器对2Å中子10年运行期间内54%以上的探测效率要求;探测器对中子的位置分辨可达到1.4 mm左右;设计的气体净化系统,拥有2 L/min的气流速度可有效去除探测器内的负电性杂质气体,气体循环净化后可提高探测器约27%的气体增益,保证探测器长期稳定的运行;通过对252Cf中子源的能谱测量和成像测量,得出探测器的n/γ分辨能力在5倍以上和均匀的成像结果.研制的探测器满足反射谱仪需求,并已在中国散裂中子源反射谱仪靶站就位联调.