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Vol. 68, No. 10 (2019)

2019年05月20日

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有限尺寸胶体体系的二维结晶
从工业上的大尺寸晶体生长到实验室中受限小体系的结晶, 结晶是普遍存在的物理现象, 也一直是物理学中的重要研究课题. 与大尺度结晶相变的研究相比, 对于有限小尺度体系结晶过程的研究相对较少. 本文通过设计具有吸引相互作用的胶体体系, 在实验上研究了有限小尺寸胶体体系的二维结晶相变. 通过计算和分析径向分布函数、泰森多边形以及取向序参量, 发现有限小尺寸体系的结晶过程是从中央高密度区域开始, 随着结晶的进行, 周围液相减小而晶相增加, 最后完全转变为晶态的过程. 体系结晶速率呈现两个阶段: 在结晶初期中央区域是高密度的亚稳态液体, 会降低结晶自由能能垒, 使得体系快速结晶; 随后晶相长大, 亚稳态液体消失, 体系结晶速率变慢. 此外, 通过统计有序度参量的分布发现: 在结晶过程中, 序参量出现双峰分布, 分别对应液相和晶相, 与大尺度胶体体系的二维结晶行为一致, 说明序参量分布的变化规律是二维结晶相变的重要特征. 贝帮坤, 王华光, 张泽新 物理学报.2019, 68(10): 106401.
总论 核物理学 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 综述
综述
特邀综述
特邀综述
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 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
基于相对距离的复杂网络谱粗粒化方法
杨青林, 王立夫, 李欢, 余牧舟
2019, 68 (10): 100501. doi: 10.7498/aps.68.20181848
摘要 +
复杂网络的同步作为一种重要的网络动态特性, 在通信、控制、生物等领域起着重要的作用. 谱粗粒化方法是一种在保持原始网络的同步能力尽量不变情况下将大规模网络约简为小规模网络的算法. 此方法在对约简节点分类时是以每个节点对应特征向量分量间的绝对距离作为判断标准, 在实际运算中计算量大, 可执行性较差. 本文提出了一种以特征向量分量间相对距离作为分类标准的谱粗粒化改进算法, 能够使节点的合并更加合理, 从而更好地保持原始网络的同步能力. 通过经典的三种网络模型(BA无标度网络、ER随机网络、NW小世界网络)和27种不同类型实际网络的数值仿真分析表明, 本文提出的算法对比原来的算法能够明显改善网络的粗粒化效果, 并发现互联网、生物、社交、合作等具有明显聚类结构的网络在采用谱粗粒化算法约简后保持同步的能力要优于电力、化学等模糊聚类结构的网络.

编辑推荐

纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料制备及热物性研究
蔡迪, 李静, 焦乃勋
2019, 68 (10): 100502. doi: 10.7498/aps.68.20182068
摘要 +
本文分别制备了纳米石墨烯片质量分数为0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%的纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料, 并通过扫描电镜测试、红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等实验对其形貌结构及热物性进行表征和研究. 实验表明本文制备的纳米石墨烯-正十八烷复合相变材料具有很好的相变稳定性; 当纳米石墨烯片的质量分数达到2%时, 复合相变材料的导热系数相对于纯十八烷高出了89.4%.
基于指数加权-核在线序列极限学习机的混沌系统动态重构研究
李军, 后新燕
2019, 68 (10): 100503. doi: 10.7498/aps.68.20190156
摘要 +
利用指数加权在线核序列极限学习机(exponential weighted online sequential extreme learning machine with kernel, EW-KOSELM)辨识算法, 开展了针对混沌动力学系统的动态重构研究. EW-KOSELM算法将核递归最小二乘(kernel recursive least squares, KRLS)算法直接延伸至在线ELM (extreme learning machine)框架中, 通过引入遗忘因子削弱了旧数据的影响, 并基于“固定预算(fixed-budget, FB)”内存技术, 应对在线核学习算法所固有的规模不断增长的计算困难. 将所提辨识算法应用于Duffing-Ueda振子的混沌动力学系统数值仿真实例中, 对基于FB-EW-KOSELM的辨识模型与原系统的动态性能进行了定性与定量的分析校验, 定性校验准则是基于对比辨识模型与原系统吸引子(轨迹嵌入)、庞加莱映射、分岔图、极限环完成的, 定量校验准则包括对比辨识模型与原系统的李雅普诺夫指数与关联维. 进一步将其分别应用于来自测量蔡氏电路产生双涡卷吸引子与螺旋吸引子的实测数据实验及某一实际混沌电路所产生的时间序列中, 对于具有低信噪比的实测电压或电流数据还需进行了小波降噪预处理. 通过分析辨识模型重构吸引子, 实验结果表明, FB-EW-KOSELM算法具有良好的动态重构性能, 能精确地再生出展示混沌动态行为的过程非线性模型, 且具有与原混沌系统非常接近的动态不变性指标.
多面体共替代对Sr2(Al1–xMgx)(Al1–xSi1+x)O7: Eu2+晶体结构和发光颜色的影响
王庆玲, 迪拉热·哈力木拉提, 沈玉玲, 艾尔肯·斯地克
2019, 68 (10): 100701. doi: 10.7498/aps.68.20182272
摘要 +
采用高温固相法合成Sr1.98(Al1–xMgx)(Al1–xSi1+x)O7: 2%Eu2+荧光粉完全固溶体, 利用X射线衍射、光致发光光谱和光学显微镜进行晶体结构和发光性能的研究. Sr2Al2SiO7和Sr2MgSi2O7同构化合物中包含[MgO4]、[SiO4]和[AlO4]四面体, 较大体积的[MgO4]和较小体积的[SiO4], 共同替代体积相似的[AlO4], 导致[(Si/Al)O4]收缩和[(Mg/Al)O4]膨胀, 晶胞参数c减少, aV增大, 使Eu2+周围的环境发生改变, 晶体场劈裂程度减小, 发射峰位从503 nm蓝移至467 nm, 实现发光光谱从绿色(0.2384, 0.3919)到蓝色(0.1342, 0.1673)的转变. 当x为0时, 发射峰的半高宽为120 nm, x从0.25增加到1时, 半高宽由89 nm逐渐减小至50 nm, 多面体的替代会改变荧光粉的发光性能.
核物理学
多气隙电阻板室飞行时间谱仪技术
王义, 张秋楠, 韩冬, 李元景
2019, 68 (10): 102901. doi: 10.7498/aps.68.20182192
摘要 +
基于多气隙电阻板室(MRPC)技术的飞行时间谱仪广泛应用于现代物理实验, 并在粒子鉴别中发挥了重要作用. 随着加速器能量和实验亮度的提高, 对飞行时间谱仪的粒子计数率和时间分辨要求越来越高. MRPC飞行时间谱仪按技术上可以分成三代. 从第一代到第三代, 计数率要求越来越高(> 30 kHz/cm2), 时间精度也更加严格(< 20 ps), 相应的探测器结构和读出电子学系统呈现出不同的特性. 本文总结了三代飞行时间谱仪技术的主要技术特点及主要物理实验, 介绍了已经取得的应用成果, 提出了该技术的未来发展方向. 同时也介绍了MRPC探测器在工业及医学方面的应用.
原子和分子物理学

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MoO3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究
陈东运, 高明, 李拥华, 徐飞, 赵磊, 马忠权
2019, 68 (10): 103101. doi: 10.7498/aps.68.20190067
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 通过模拟MoO3/Si界面反应, 研究了MoOx薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程, 从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiOx(Mo))物质的形成和机理. 结果表明, 在1500 K温度下, MoO3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合, 可形成新的稳定的物相. 热蒸发沉积初始时, MoO3中的两个O原子和Si成键更加稳定, 同时伴随着电子从Si到O的转移, 钝化了硅表面的悬挂键. MoO3中氧空位的形成能小于SiO2中氧空位的形成能, 使得O原子容易从MoO3中迁移至Si衬底一侧, 从而形成氧化硅层; 替位缺陷中, Si替位MoO3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO2中的Si的形成能, 使得Mo容易掺杂进入氧化硅中. 因此, 在晶硅(100)面上沉积MoO3薄膜时, MoO3中的O原子先与Si成键, 形成氧化硅层, 随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子, 最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
平面波照射下无限大导体板上周期孔阵屏蔽效能的解析研究
白婉欣, 李天乐, 郭安琪, 成睿琦, 焦重庆
2019, 68 (10): 104101. doi: 10.7498/aps.68.20182070
摘要 +
本文针对平面电磁波对无限大导体平板上周期孔阵的透射问题, 首先用Bethe小孔理论将孔阵表示成偶极子阵列, 然后用平均化处理得到均匀的等效磁化/极化强度, 进而引入等效面源导出透射电磁波表达式, 最终给出了孔阵对平面电磁波屏蔽效能的解析公式. 该公式分别针对横电和横磁两种极化方式, 将屏蔽效能表示成孔阵周期面积、孔的极化系数、波长和入射角的简单函数, 其计算结果与全波仿真结果一致性好. 结果表明, 透射场强的幅值与孔极化系数和波频率成正比, 与周期面积成反比; 在横电极化方式, 波频率和周期面积不变的情况下, 透射场强的幅值与入射角的余弦值成正比, 入射角越大屏蔽效能越高; 在横磁极化方式下,透射场强幅值与入射角的关系相对复杂, 但在入射角较小时与入射角的余弦值近似成反比, 总体上入射角越大屏蔽效果越低.
基于1556 nm光纤激光器频率分裂效应的应力测量
陈恺, 祝连庆, 牛海莎, 孟阔, 董明利
2019, 68 (10): 104201. doi: 10.7498/aps.68.20182171
摘要 +
光学元件在红外波段的应力-光学常数是众多光学系统关心的问题之一. 本文提出一种基于1556.16 nm掺铒光纤激光频率分裂效应的光学玻璃内应力致双折射测量方法. 选择平面介质膜腔镜和光纤光栅(FBG)构成线形半开放式谐振腔, 并分析了光纤自身弯曲引入谐振腔内的双折射. 将待测光学玻璃附带力传感结构放置在谐振腔内, 结合Jones矩阵传递方程得到了外载荷所致双折射与空腔双折射的叠加模型. 对光学玻璃的载荷从0逐级递加到20 N, 内腔的频率分裂量增加, 根据双折射叠加模型和频率分裂原理解出应力与频率分裂量的对应关系, 且该结果可溯源到基本物理量—波长. 实验结果表明, 系统灵敏度为22060 Pa/nm, 线性度为99.44%, 可广泛应用于红外波段的光学元件双折射精确测量.
基于光场一阶关联的时域成像
张瑞雪, 李洪国, 李宗国
2019, 68 (10): 104202. doi: 10.7498/aps.68.20190184
摘要 +
与通常利用二阶强度关联测量实现时域鬼成像不同, 本文利用时域热光源借助干涉仪通过一阶关联实现时域成像. 基于空域光束的近轴衍射和时域窄带脉冲在色散介质中色散之间的空间-时间二象性, 在时域脉冲响应函数的基础上得到了表征一阶关联时域成像的强度表达式, 分析研究了光源脉冲宽度和相干时间对成像可见度和分辨率的影响. 结果一方面表明基于热光场一阶关联的时域成像在不需要额外色散补偿或消除条件下可以实现时域物体信号的再现, 另一方面表明当光源脉冲宽度一定时, 成像可见度随光源脉冲相干时间的增加而增加, 但是成像分辨率逐渐降低, 其中当光源脉冲宽度约为100 ps, 相干时间约为0.5 ps时, 间隔为20 ps, 宽度为8 ps的时域矩形波型物体的成像质量(兼顾可见度和分辨率)较好. 该结果对于基于热光一阶关联的时域成像在时序信号测量中的应用具有重要意义.
太赫兹频率编码器
李绍和, 李九生, 孙建忠
2019, 68 (10): 104203. doi: 10.7498/aps.68.20190032
摘要 +
超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构, 研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制. 本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元, 结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器, 通过进行特定编码, 在频率改变的情况下, 实现了对电磁波能量辐射调控. 分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器, 通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性, 而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用, 可以有效减少雷达散射截面, 雷达散射截面缩减在θ = 0, φ = 0方向上最大可达29 dB, 在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.
菲涅耳非相干数字全息大视场研究
汤明玉, 武梦婷, 臧瑞环, 荣腾达, 杜艳丽, 马凤英, 段智勇, 弓巧侠
2019, 68 (10): 104204. doi: 10.7498/aps.68.20182216
摘要 +
菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光, 干涉条纹由CCD记录. 由于受限于SLM与CCD的像素数目及像素尺寸, FINCH技术与光学全息术相比记录视场要小得多. 本文通过对FINCH系统的记录过程进行理论分析, 给出了SLM所能记录的视场角, 说明通过调控加载在SLM上的双透镜光轴中心, 能够扩大SLM的有效直径从而将SLM的有效记录范围增大2.77倍, 有效扩大了系统的记录视场. 搭建了非相干光反射式数字全息记录系统并对理论分析进行了实验验证, 结果表明: 在SLM上依次加载不同光轴中心位置的双透镜掩模进行FINCH记录及再现, 将得到的各子图像拼接融合可以得到高分辨率大视场图像, 为菲涅尔非相干全息术在高分辨大视场显微成像的进一步应用提供了有力支撑.
三聚化非厄密晶格中具有趋肤效应的拓扑边缘态
许楠, 张岩
2019, 68 (10): 104206. doi: 10.7498/aps.68.20190112
摘要 +
近年来, 探索新的拓扑量子结构、深入分析各种多聚化拓扑晶格中的新奇物理性质已经成为热点. 并且, 多聚化拓扑模型在量子光学等领域的研究也愈发深入, 拥有广阔的发展前景. 本文聚焦于研究三聚化非厄密晶格中的新奇拓扑特性. 首先, 若晶胞内最近邻正反向耦合不相等, 三聚化模型中的体态和边缘态出现趋肤效应. 其中, 随着最近邻耦合正反系数差的增大, 拓扑保护的边缘态的宽度和简并度均可被调制, 边缘态数量也会减少. 其次, 当在考虑次近邻耦合的影响时, 随着次近邻耦合系数在适当范围内变化, 系统本征能谱的上下能隙及其中具有趋肤效应的边缘态也会发生不对称的变化. 此外, 当适当改变两种耦合系数, 三聚化非厄密模型的体态和边缘态的局域程度也会随之发生变化.
基于氧化石墨烯的瓦级调Q锁模Tm: LuAG激光器
孙锐, 陈晨, 令维军, 张亚妮, 康翠萍, 许强
2019, 68 (10): 104207. doi: 10.7498/aps.68.20182224
摘要 +
在Tm: LuAG全固态激光器中实现了以氧化石墨烯可饱和吸收体为锁模启动元件的瓦级被动调Q锁模运转. 本实验装置以可调谐掺钛蓝宝石激光器作为泵浦源, 测得Tm: LuAG固态激光器出光阈值最低为325 mW, 当吸收抽运功率达到3420 mW时, 进入稳定的调Q锁模运行状态. 当抽运功率达到8.1 W时, 对应的最大输出功率为1740 mW, 中心波长为2023 nm, 重复频率为104.2 MHz, 最大单脉冲能量为16.7 nJ, 调制深度接近100%.
毫米级高分辨率的混沌激光分布式光纤测温技术
张倩, 王亚辉, 张明江, 张建忠, 乔丽君, 王涛, 赵乐
2019, 68 (10): 104208. doi: 10.7498/aps.68.20190018
摘要 +
近年来, 随着分布式光纤传感技术在各大基础设施健康监测领域的广泛应用, 人们对能够实现毫米量级精准定位和监测技术的需求日益增长. 本文提出了一种基于宽线宽混沌激光的高分辨率分布式光纤测温技术. 实验通过改变光反馈混沌源的偏振匹配态和反馈强度等外部参数, 产生了–3 dB线宽约为7.5 GHz的宽线宽混沌激光, 并在300 m传感光纤实现了空间分辨率为7.05 mm的分布式温度测量. 同时, 为了抑制光源线宽增加造成的布里渊增益谱恶化, 在泵浦路中引入了时间门控技术, 其中经脉冲调制后的泵浦光峰值功率提高了约9.5 dB, 同时脉冲调制使混沌互相关锁定于脉冲持续时间内, 从而布里渊增益谱的信号背景噪声比由约2.28 dB提升为4.55 dB, 最终实现了空间分辨率为3.12 mm的分布式温度测量.
基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法
赵旺, 董理治, 杨平, 王帅, 许冰
2019, 68 (10): 104209. doi: 10.7498/aps.68.20182137
摘要 +
激光在大气中传输时, 由于强湍流或长传输距离的影响, 畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位, 使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效. 本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因, 提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法, 给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式. 研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力, 数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果. 仿真结果表明, 同等复原精度下, 相比直接迭代过程, 该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级, 且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加, 其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时, 相比直接斜率法, 自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.
微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究
许少锋, 楼应侯, 吴尧锋, 王向垟, 何平
2019, 68 (10): 104701. doi: 10.7498/aps.68.20182002
摘要 +
了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要. 利用耗散粒子动力学 (dissipative particle dynamics, DPD) 方法研究了微通道疏水表面的滑移现象. 采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制, 构建了DPD固体壁面边界模型, 利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动. 研究结果表明, 通过调整壁面与流体间排斥作用强度, 壁面能实现从无滑移到滑移的转变, 壁面与流体间排斥作用越强, 即疏水性越强, 壁面滑移越明显, 并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系. 无滑移时壁面附近密度分布均匀, 有滑移时壁面附近存在低密度区域, 低密度区域阻碍了动量传递, 致使壁面产生滑移.
综述
飞秒激光直写光量子逻辑门
张茜, 李萌, 龚旗煌, 李焱
2019, 68 (10): 104205. doi: 10.7498/aps.68.20190024
摘要 +
量子比特在同一时刻可处于所有可能状态上的叠加特性使得量子计算机具有天然的并行计算能力, 在处理某些特定问题时具有超越经典计算机的明显优势. 飞秒激光直写技术因其具有单步骤高效加工真三维光波导回路的能力, 在制备通用型集成光量子计算机的基本单元—量子逻辑门中发挥着越来越重要的作用. 本文综述了飞秒激光直写由定向耦合器构成的光量子比特逻辑门的进展. 主要包括定向耦合器的功能、构成、直写和性能表征, 集成波片、哈达玛门和泡利交换门等单量子比特逻辑门、受控非门和受控相位门等两量子比特逻辑门的直写加工, 并对飞秒激光加工三量子比特逻辑门进行了展望.
特邀综述
硅基光波导开关技术综述
涂鑫, 陈震旻, 付红岩
2019, 68 (10): 104210. doi: 10.7498/aps.68.20190011
摘要 +
硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术, 在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景. 本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展, 首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍, 并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结; 然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术, 特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面; 最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望, 其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.
气体、等离子体和放电物理
先进磁镜装置中径向电场对高能粒子的约束性能研究
石黎铭, 吴雪科, 万迪, 李会东, 樊群超, 王中天, 冯灏, 王占辉, 马杰
2019, 68 (10): 105201. doi: 10.7498/aps.68.20181983
摘要 +
本文运用Boris算法对紧凑型聚变反应装置(compact fusion reactor, CFR)中高能α粒子的运动轨道进行了数值模拟, 分析了高能α粒子在不同径向电场作用下运动轨道的差异性; 探究了不同径向电场对CFR装置中不同位置处α粒子约束性能的影响. 研究结果表明, 当正、负径向电场强度达到一定临界值时, 都能够使高能α粒子很好地约束在CFR装置内部, 但不同位置处径向电场强度临界值与α粒子初始条件有关.
13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究
张改玲, 滑跃, 郝泽宇, 任春生
2019, 68 (10): 105202. doi: 10.7498/aps.68.20190071
摘要 +
通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法, 对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律. 结果表明: 在高频和低频放电中, 输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响, 高频放电中主要提升了电子密度, 低频放电中则主要提升了电子温度. 固定气压为10 Pa, 分别由高频和低频驱动时, 电子密度的径向分布均为“凸型”. 而电子温度的分布差异比较明显, 高频驱动时, 电子温度在腔室中心较为平坦, 在边缘略有上升; 低频驱动时, 电子温度随径向距离的增加而逐渐下降. 为了进一步分析造成这种差异的原因, 在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图, 利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度, 发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反. 继续升高气压到100 Pa, 发现不论高频还是低频放电, 电子密度的径向分布均从“凸型”转变为“马鞍形”, 较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升, 但低频的均匀性更好.
放电参数对爆燃模式下同轴枪强流脉冲放电等离子体的影响
赵崇霄, 漆亮文, 闫慧杰, 王婷婷, 任春生
2019, 68 (10): 105203. doi: 10.7498/aps.68.20190218
摘要 +
同轴枪强流脉冲放电常见有爆燃模式和预填充模式两种放电模式, 爆燃模式放电可以得到杂质少、准直性高、输运速度更快的等离子体射流. 本实验主要对不同电压及进气量下同轴枪强流脉冲爆燃模式放电的等离子体特性进行了研究. 结果表明, 在相同放电电压下, 进气量少时会有多团等离子体从枪口喷出. 随着进气量的增加, 同轴枪放电产生的等离子体密度增加, 输运速度减小, 最终等离子体只有一团从枪口喷出; 而在相同进气量下, 随着电压的增加, 等离子体密度增加, 输运速度增大, 开始出现有多团等离子体从枪口喷出的现象. 产生该现象的原因主要是在放电过程中, 当气体持续进入枪底部时, 同轴枪底部会产生新的电流通道向前运动, 使得在同轴枪出口处观察到了多团等离子体喷出的现象; 随着放电电压的增加, 在放电过程中回路电流也增加. 当电流增加到一定程度时, 同轴枪底部就会产生新的电流通道, 从而有多个等离子体团从枪口喷出. 通过改变充电电容以及对磁探针信号的分析, 进一步分析并验证了同轴枪底端多次放电的现象.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
掺铌SrTiO3中的逆自旋霍尔效应
何冬梅, 彭斌, 张万里, 张文旭
2019, 68 (10): 106101. doi: 10.7498/aps.68.20190118
摘要 +
采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的SrTiO3基片上沉积了NiFe薄膜, 通过翻转测试法分离出掺杂样品中的自旋整流电压和逆自旋霍尔电压. 研究结果表明: 在未掺杂的SrTiO3基片中, 翻转前后测试的电压曲线基本一致, 为NiFe薄膜自旋整流效应产生的电压. 对于掺Nb浓度x为0.028, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2的SrTiO3基片, 分离出的逆自旋霍尔电压随掺杂浓度增加而减小, 在掺杂浓度为0.15和0.2的样品中没有探测到明显的逆自旋霍尔电压. 本文的结果表明, 在SrTiO3中掺入强自旋轨道耦合的杂质, 通过掺杂浓度可以实现对SrTiO3中逆自旋霍尔效应的调控, 这类可调控的自旋相关研究为自旋电子器件的研究和开发提供了更多的可能性, 具有很大的潜在应用价值.
Be, Mg, Mn掺杂CuInO2形成能的第一性原理研究
莫曼, 曾纪术, 何浩, 张喨, 杜龙, 方志杰
2019, 68 (10): 106102. doi: 10.7498/aps.68.20182255
摘要 +
研制开发新型的光电材料对促进社会经济发展具有重要的科学意义和实用价值. 利用宽禁带CuInO2铟基材料实现全透明光电材料是目前深入研究的热点. 通过基于密度泛函的第一性原理计算方法, 本文计算出掺杂元素Mg, Be, Mn在CuInO2的形成能. 计算结果表明, 施主类缺陷(如掺杂元素替代Cu原子或进入间隙位置)由于较高的形成能和较深的跃迁能级, 很难在CuInO2材料中出现N型导电; 而受主缺陷中, 在氧原子化学势极大的情况下, Mg原子替代In能成为CuInO2理想的受主缺陷. 计算结果可为制备性能优异的CuInO2材料提供指导.
三氨基三硝基苯基高聚物粘结炸药热力学性质的理论计算研究
范航, 何冠松, 杨志剑, 聂福德, 陈鹏万
2019, 68 (10): 106201. doi: 10.7498/aps.68.20190075
摘要 +
高聚物粘结炸药(PBX)的热力学性质是用于炸药结构响应、安全性评估、数值模拟分析等的重要参数. 由于PBX结构的多尺度特性, 完全采取实验方法精细表征这些参数存在巨大的挑战. 本文运用第一性原理和分子动力学计算的方法, 系统研究了三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药的热力学参数和界面热传导性质. 利用散射失配模型研究了TATB与聚偏二氟乙烯(PVDF)界面的热传导过程, 发现热导率随温度升高而上升, 并且在高温情况下接近于定值. 基于分子动力学获得的TATB热导率并结合界面热导率, 分析了PBX炸药的热导与颗粒尺寸的关系, 当颗粒尺寸大于100 nm时, 界面热阻对于PBX热导率的影响有限.

封面文章

有限尺寸胶体体系的二维结晶
贝帮坤, 王华光, 张泽新
2019, 68 (10): 106401. doi: 10.7498/aps.68.20190304
摘要 +
从工业上的大尺寸晶体生长到实验室中受限小体系的结晶, 结晶是普遍存在的物理现象, 也一直是物理学中的重要研究课题. 与大尺度结晶相变的研究相比, 对于有限小尺度体系结晶过程的研究相对较少. 本文通过设计具有吸引相互作用的胶体体系, 在实验上研究了有限小尺寸胶体体系的二维结晶相变. 通过计算和分析径向分布函数、泰森多边形以及取向序参量, 发现有限小尺寸体系的结晶过程是从中央高密度区域开始, 随着结晶的进行, 周围液相减小而晶相增加, 最后完全转变为晶态的过程. 体系结晶速率呈现两个阶段: 在结晶初期中央区域是高密度的亚稳态液体, 会降低结晶自由能能垒, 使得体系快速结晶; 随后晶相长大, 亚稳态液体消失, 体系结晶速率变慢. 此外, 通过统计有序度参量的分布发现: 在结晶过程中, 序参量出现双峰分布, 分别对应液相和晶相, 与大尺度胶体体系的二维结晶行为一致, 说明序参量分布的变化规律是二维结晶相变的重要特征.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
电场诱导二氧化钒绝缘-金属相变的研究进展
孙肖宁, 曲兆明, 王庆国, 袁扬, 刘尚合
2019, 68 (10): 107201. doi: 10.7498/aps.68.20190136
摘要 +
二氧化钒(VO2)是电子强关联体系的典型代表, 其晶体结构在特定阈值的温度、电场、光照和压力等物理场作用下会发生由单斜金红石结构向四方金红石结构的可逆转变, 从而引发绝缘-金属相变. 其中, 电场诱导VO2绝缘-金属相变后的电导率可提高2-5个数量级, 在可重构缝隙天线、太赫兹辐射以及智能电磁防护材料等领域具有广阔的应用前景, 成为近年来人们的研究热点.首先, 简要概述了VO2发生绝缘-金属相变时晶体结构和能带结构的变化, 进而从电场诱导VO2绝缘-金属相变的研究方法、响应时间、临界阈值场强调控以及相变机理几个方面系统总结和评述了近年来国内外学者在该领域的重要发现和研究进展.最后, 指出了当前VO2绝缘-金属相变研究存在的问题, 并展望了未来的发展方向.
Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究
刘姿, 张恒, 吴昊, 刘昌
2019, 68 (10): 107301. doi: 10.7498/aps.68.20190062
摘要 +
基于聚苯乙烯球自组装法, 在P型氮化镓(P-GaN)衬底上制备了有序致密的掩模板; 采用热蒸发法在该模板上沉积金属Al薄膜, 通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球, 得到了金属Al纳米颗粒阵列; 采用原子层沉积法, 在Al纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝(Al2O3)和氧化锌(ZnO). 通过测试Al纳米颗粒阵列的消光谱以及ZnO薄膜的光致发光谱, 研究了Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO薄膜激子之间的耦合效应. 实验结果表明: 引入Al纳米颗粒后, 在约380 nm位置附近的ZnO近带边发光峰积分强度增强了1.91倍. 对Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行探讨.
含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性
陈颖, 曹景刚, 谢进朝, 高新贝, 许扬眉, 李少华
2019, 68 (10): 107302. doi: 10.7498/aps.68.20181985
摘要 +
基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性, 设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构. 由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用, 形成了独立调谐的双重Fano共振, 而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐. 基于耦合模理论, 定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理. 利用有限元仿真的方法, 定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响. 结果表明, 优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59 × 105和1.17 × 106. 该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.
N型稀磁半导体Ge0.96–xBixFe0.04Te薄膜的磁电性质研究
樊济宇, 冯瑜, 陆地, 张卫纯, 胡大治, 杨玉娥, 汤如俊, 洪波, 凌浪生, 王彩霞, 马春兰, 朱岩
2019, 68 (10): 107501. doi: 10.7498/aps.68.20190019
摘要 +
GeTe基稀磁半导体材料因具有可独立调控载流子浓度和磁性离子浓度的特性而受到广泛关注. 本文利用脉冲激光沉积技术制备了该体系的单晶外延薄膜, 并通过高价态Bi元素部分取代Ge元素的方法实现了材料中载流子类型从空穴向电子的转变, 即制备出N型GeTe基稀磁半导体. 测量结果表明, 无论是室温还是低温下的Hall电阻曲线皆呈现负斜率, 说明体系中载流子是电子; 并且当Bi掺杂量达到32%时, 电子浓度为1021/cm3. 变温输运性质的测量证明体系的输运行为呈现半导体特征. 通过测量低温10 K下的绝热磁化曲线, 在高Bi掺杂体系中观测到了明显的铁磁行为, 而低于32%Bi掺杂量的体系中未观察到. 这一结果说明, 高掺杂Bi的替代导致载流子浓度的增加, 促进了载流子传递Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida相互作用, 使得分散的Fe-Fe之间产生磁耦合作用, 进而形成铁磁有序态.
缺陷铁纳米环体系的磁特性研究
叶晴莹, 王文静, 邓楚楚, 陈水源, 张鑫源, 王雅婧, 黄秋怡, 黄志高
2019, 68 (10): 107502. doi: 10.7498/aps.68.20182271
摘要 +
采用Monte Carlo方法与快速傅里叶变换微磁学方法相结合的方式, 模拟含不同缺陷的铁纳米环的磁滞回线、组态、剩磁等磁特性. 研究发现: 缺陷的大小与位置明显影响系统的磁化过程. 当缺陷较小时, 系统存在双稳态特征, 此性质与无缺陷系统类似; 当缺陷增大时, 系统过渡状态增加, 双稳态特征不再明显. 进一步的研究发现, 缺陷系统的剩磁随缺陷半径D的增大而增大. 上述结果与非对称纳米环系统的磁特性类似, 并可以通过零场状态下的系统自旋组态的变化加以解释. 当系统圆心与缺陷中心的间距Y增加时, 剩磁与Y的关系是非线性的: 剩磁先随Y的增大而增大, 后随Y的增大而减小. 模拟结果可用零场状态下不同Y值的组态变化进行详细解释. 上述研究结果表明, 缺陷可以明显影响铁纳米环的磁特性.
CdSeS合金结构量子点的多激子俄歇复合过程
秦朝朝, 崔明焕, 宋迪迪, 何伟
2019, 68 (10): 107801. doi: 10.7498/aps.68.20190291
摘要 +
多激子效应通常是指吸收单个光子产生多个激子的过程, 该效应不仅可以为研究基于量子点的太阳能电池开拓新思路, 还可以为提高太阳能电池的光电转换效率提供新方法. 但是, 超快多激子产生和复合机制尚不明确. 这里以CdSeS合金结构量子点为研究对象, 研究了其多激子生成和复合动力学. 稳态吸收光谱显示, 510, 468和430 nm附近的稳态吸收峰, 分别对应1S3/2(h)-1S(e) (或1S), 2S3/2(h)-1S(e) (或2S)和1P3/2(h)-1P(e) (或1P)激子的吸收带. 通过飞秒时间分辨瞬态吸收光谱和纳秒时间分辨荧光光谱两种时间分辨光谱技术对CdSeS合金结构量子点的超快动力学进行了探究, 结果显示, 1S激子的双激子复合时间大概是80 ps, 这一时间比传统量子点的双激子复合时间(小于50 ps)延长了近一倍, 结合最近发展的超快界面电荷分离技术, 在激子湮灭之前将其利用起来, 这一时间的延长将有很大的应用前景; 其中, 在2S和1P激子中除上述双激子复合外, 还存在一个通过声子耦合路径的空穴弛豫过程, 时间大概是5—6 ps. 最后, 利用纳秒时间分辨荧光光谱得到该样品体系单激子复合的时间约为200 ns.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于中性水凝胶/取向碳纳米管阵列高电压柔性固态超级电容器
巫梦丹, 周胜林, 叶安娜, 王敏, 张晓华, 杨朝晖
2019, 68 (10): 108201. doi: 10.7498/aps.68.20182288
摘要 +
随着科技发展和时代进步, 发展质轻便携、安全环保的高性能储能器件变得日趋重要, 对柔性固态超级电容器的研究也应运而生. 柔性电极材料及电解质的选用是设计柔性固态超级电容器的关键因素, 近年来一直是研究的热点. 考虑到环境污染及实际需求问题, 本文采用中性凝胶电解质对具有高比表面积、良好导电性及取向性的碳纳米管阵列进行包埋处理, 所形成的柔性复合薄膜作为电极材料, 设计制备三明治结构的柔性超级电容器件. 通过改变凝胶电解质中所加入的无机盐电解质种类, 调控器件的电化学储能性质. 最终在聚乙烯醇PVA-NaCl作为凝胶电解质时, 整个器件比容量最高达104.5 mF·cm–3, 远高于有机离子凝胶与碳管阵列形成的复合器件以及无规分布的碳纳米管与水凝胶形成的复合器件, 同时获得了0.034 mW·h·cm–3的最大能量密度, 并且具有良好的倍率性能、循环稳定性及抑制自放电的效果, 并在高电压1.6 V下依然保持良好的化学稳定性. 这种中性凝胶/碳管阵列复合超级电容器件不仅满足了绿色安全、柔性便携的要求, 未来在医学可植入器件等领域也具有很好的应用前景.
InGaZnO薄膜晶体管背板的栅极驱动电路静电释放失效研究
马群刚, 周刘飞, 喻玥, 马国永, 张盛东
2019, 68 (10): 108501. doi: 10.7498/aps.68.20190265
摘要 +
本文通过解析阵列基板栅极驱动(gate driver on array, GOA)电路中发生静电释放(electro-static discharge, ESD)的InGaZnO薄膜晶体管(InGaZnO thin-film transistor, IGZO TFT)器件发现:栅极Cu金属扩散进入了SiNx/SiO2栅极绝缘层; 源漏极金属层成膜前就发生了ESD破坏; 距离ESD破坏区域越近的IGZO TFT, 电流开关比越小, 直到源漏极与栅极完全短路. 本文综合IGZO TFT器件工艺、GOA区与显示区金属密度比、栅极金属层与绝缘层厚度非均匀性分布等因素, 采用ESD器件级分析与系统级分析相结合的方法, 提出栅极Cu:SiNx/SiO2界面缺陷以及这三层薄膜的厚度非均匀分布是导致GOA电路中沟道宽长比大的IGZO TFT发生ESD失效的关键因素, 并针对性地提出了改善方案.
基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生
周璐, 赵国忠, 李晓楠
2019, 68 (10): 108701. doi: 10.7498/aps.68.20182147
摘要 +
提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器. 该结构由金属-电介质两层构成, 位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面, 底层为介质层. 对单元结构阵列进行数值仿真, 圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光, 通过旋转表层金属谐振环, 可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位. 这些单元结构按照特定的规律排列, 可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板. 以拓扑荷数1和2为例, 设计了两种涡旋相位板, 数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性. 结果表明, 在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束, 且透过率高于20%, 最高可达到24%, 接近单层透射式超表面的理论极限值.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于化学物质释放的电离层闪烁抑制方法研究
赵海生, 许正文, 徐朝辉, 薛昆, 郑延帅, 谢守志, 冯杰, 吴健
2019, 68 (10): 109401. doi: 10.7498/aps.68.20182281
摘要 +
中低纬地区经常发生的电离层闪烁, 严重影响卫星链路的无线电信号传播过程, 导致卫星通信导航信号质量下降, 甚至中断. 在电离层闪烁发生前的酝酿生成期, 通过向电离层闪烁“种子因素”的等离子体泡内释放电子密度增强类化学物质, 填充等离子体泡, 改变等离子体环境特性, 调控电离层动力学过程, 能够降低电离层等离子体不稳定性增长率, 进而抑制闪烁的发生. 本文开展了基于化学物质释放的电离层闪烁抑制理论及方法研究, 根据化学物质释放对电离层等离子体环境的影响, 定量计算控制因素改变对不稳定性增长率的贡献, 建立了基于电子密度增强类化学物质释放的电离层闪烁抑制物理模型, 仿真了等离子体泡的填充过程及等离子体不稳定性增长率的演化过程. 仿真结果表明该方法具有较好的闪烁抑制效果, 为我国中低纬地区卫星信号电离层闪烁抑制研究奠定了理论基础.

编辑推荐

太赫兹量子级联激光器频率梳的色散
周康, 黎华, 万文坚, 李子平, 曹俊诚
2019, 68 (10): 109501. doi: 10.7498/aps.68.20190217
摘要 +
群速度色散会限制太赫兹量子级联激光器频率梳的稳定以及频谱宽度. 对于太赫兹量子级联激光器频率梳, 其色散主要由器件增益、波导损耗、材料损耗引起. 研究基于4.2 THz量子级联激光器双面金属波导结构, 通过建立德鲁德模型, 利用有限元法计算了激光器的波导损耗; 器件未钳制的增益由费米黄金定则计算得到, 结合增益钳制效应, 计算了器件子带电子跃迁吸收以及镜面损耗, 得到了器件钳制后的增益; 利用Kramers-Kronig关系得到了器件的增益、波导损耗、材料损耗引起的色散, 结果表明器件的激射区域存在非常严重的色散(–8 × 105—8 × 105 fs2/mm). 同时, 计算了一种基于Gires-Tournois干涉仪结构的色散, 结果表明, 该结构的色散具有周期性, 可以用于太赫兹量子级联激光器的色散补偿.