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Vol. 68, No. 12 (2019)

2019年06月20日

封面文章

密度矩阵重正化群的异构并行优化
密度矩阵重正化群方法(DMRG)在求解一维强关联格点模型的基态时可以获得较高的精度, 在应用于二维或准二维问题时, 要达到类似的精度通常需要较大的计算量与存储空间. 本文提出一种新的 DMRG异构并行策略, 可以同时发挥计算机中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)的计算性能. 针对最耗时的哈密顿量对角化部分, 实现了数据的分布式存储, 并且给出了CPU和GPU之间的负载平衡策略. 以费米Hubbard模型为例, 测试了异构并行程序在不同DMRG保留状态数下的运行表现, 并给出了相应的性能基准. 应用于4腿梯子时, 观测到了高温超导中常见的电荷密度条纹, 此时保留状态数达到104, 使用的GPU显存小于12 GB. 陈富州, 程晨, 罗洪刚 物理学报.2019, 68(12): 120202.
总论 特邀综述
特邀综述
核物理学 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 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
应力对锂离子电池中空碳包覆硅负极电化学性能的影响
孙凤楠, 冯露, 卜家贺, 张静, 李林安, 王世斌
2019, 68 (12): 120201. doi: 10.7498/aps.68.20182279
摘要 +
针对锂离子电池硅及其复合电极材料, 采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题, 构造高效的数值算法, 在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解. 在此基础上, 研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程, 基于界面反应动力学, 得到电压响应曲线, 计算结果整体趋势与实验结果吻合较好, 同时预测的应力响应也与实验结果一致, 验证了本方法的有效性. 其次, 研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为, 计算结果表明, 锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极, 随锂化的进行, 应力差值越来越大, 锂化结束时应力值降低约27%, 这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平, 使得锂离子浓度水平显著提高, 更易达到完全锂化状态. 同时, 数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%), 充分显示出该电极良好的电化学性能. 本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制, 为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据.

封面文章

密度矩阵重正化群的异构并行优化
陈富州, 程晨, 罗洪刚
2019, 68 (12): 120202. doi: 10.7498/aps.68.20190586
摘要 +
密度矩阵重正化群方法(DMRG)在求解一维强关联格点模型的基态时可以获得较高的精度, 在应用于二维或准二维问题时, 要达到类似的精度通常需要较大的计算量与存储空间. 本文提出一种新的 DMRG异构并行策略, 可以同时发挥计算机中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)的计算性能. 针对最耗时的哈密顿量对角化部分, 实现了数据的分布式存储, 并且给出了CPU和GPU之间的负载平衡策略. 以费米Hubbard模型为例, 测试了异构并行程序在不同DMRG保留状态数下的运行表现, 并给出了相应的性能基准. 应用于4腿梯子时, 观测到了高温超导中常见的电荷密度条纹, 此时保留状态数达到104, 使用的GPU显存小于12 GB.
一维二元复式晶格的拓扑不变量与边缘态
卢曼昕, 邓文基
2019, 68 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.68.20190214
摘要 +
在紧束缚近似下, 系统地求解了一维二元复式晶格中电子的能量本征值问题, 并且根据推广的布洛赫定理得到了有限晶格边缘态的解析表达式. 边缘态可以普遍地存在于一维二元复式晶格中, 并不仅仅局限于Su-Schrieffer-Heeger拓扑晶格. 由于空间反演对称性破缺, Rice-Mele晶格是拓扑平庸的, 但其边缘态对系统的非对角无序也是鲁棒的, 缠绕数可以作为有限一维二元复式晶格存在边缘态的普遍判据.
基于量子游走的仲裁量子签名方案
冯艳艳, 施荣华, 石金晶, 郭迎
2019, 68 (12): 120302. doi: 10.7498/aps.68.20190274
摘要 +
基于量子游走的量子隐形传输模型, 提出了一种仲裁量子签名方案. 发送者编码要签名的信息在硬币态上, 并应用硬币态和位置态之间的条件相移算符产生用于量子隐形传输必需的纠缠态. 对生成的纠缠态测量可作为签名设计和信息恢复依据. 然后, 接收者依据来自发送者的测量结果测量其量子态, 进而验证签名的有效性和信息的真实性、完整性. 由于量子游走的应用, 本签名方案的初始化阶段不需要提前制备必须的纠缠态. 安全性分析表明方案满足不可抵赖、不可伪造和不可否认特性, 讨论和比较展示了键控链式受控非加密算法和随机数的使用可以抵抗已有方案中的抵赖和存在性伪造攻击. 此外, 量子游走已经被证明可以在多种不同的物理系统中和实验上实现, 因此本签名方案未来也许是可实现的.
弯曲时空中转动对自旋流的影响
吕腾博, 张沛, 武瑞涛, 王小力
2019, 68 (12): 120401. doi: 10.7498/aps.68.20182260
摘要 +
自旋轨道相互作用和自旋霍尔效应一直受到广泛关注, 不仅在理论上进行了预测, 而且也在实验中实现了自旋电流的产生. 本文研究弯曲时空中转动对自旋流和自旋霍尔电导率的影响. 非平庸几何可以改变自旋和轨道之间的相互作用, 利用推广的Drude模型, 计算了自旋依赖的作用力, 并得到了非平庸几何对该力的修正. 当计入转动效应时, 给出了一般性的Dirac方程, 并利用Foldy-Wouthuysen变换得到了非相对论近似下的哈密顿量. 在此基础上, 计算了自旋流和自旋霍尔电导率. 在弯曲时空中由于转动的效应而导致偏振矢量的变形, 自旋流的大小和方向都会因为转动而发生改变, 因而自旋霍尔电导率也会随之得到修正. 时空几何的非平庸性导致了自旋流有各向异性的特点. 研究结论可以用于分析量子霍尔系统中带电旋量粒子的电磁动力学问题, 也可以对晶体中的缺陷问题提供重要的理论帮助. 对于光子系统来说, 研究结果对于研究光子自旋霍尔效应在静态引力场中的行为具有一定的参考价值, 对于实验上利用光子自旋霍尔效应来实现弯曲时空提供一定的理论支持.
特邀综述

编辑推荐

具有变革性特征的红外光电探测器
胡伟达, 李庆, 陈效双, 陆卫
2019, 68 (12): 120701. doi: 10.7498/aps.68.20190281
摘要 +
现代红外光电探测技术有着近八十年的历史. 从二战期间第一个可实用PbS红外探测器到第三代红外光电探测器概念的提出, 红外光电探测技术经历了翻天覆地的变化. 以碲镉汞、锑化铟、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器已在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域发挥着至关重要的作用. 随着人类对光电探测不断增长的需求, 尤其近几年来在人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外信息的探测和智能感知有着强烈的需求, 大幅降低红外光电探测器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和价格(price), 以及提高探测器的性能(performance)迫在眉睫. 因此, 要满足上述需求, 必须要寻找具有变革性特征的红外光电探测器件. 当前红外探测器正处于新旧更迭的时代, 一大批新型红外光电探测器涌出. 本文系统地介绍了一些具有变革性特征的红外探测器前沿内容, 主要包括: 人工光子微结构调控的新型红外探测器、基于能带工程的红外探测器、新型低维材料红外探测器, 以及传统红外探测器的新方向. 最后, 展望了红外光电探测未来发展面临的机遇和挑战.
核物理学
蒙特卡罗临界计算全局计数问题新策略研究
上官丹骅, 姬志成, 邓力, 李瑞, 李刚, 付元光
2019, 68 (12): 122801. doi: 10.7498/aps.68.20182276
摘要 +
基于一个裂变源分布对应香农熵序列的在线收敛性诊断方法, 为提高全局计数整体效率的均匀裂变点算法将在首次激活迭代步和首次判断收敛迭代步的最大值之后启动. 之后, 整体精度指标将每隔固定迭代步数计算一次, 一旦达到事先设定的精度标准, 整个临界迭代计算将提前终止. 这一判断过程将一直持续到事先设定的最大迭代步数为止. 通过一个反应堆基准问题C5G7模型的计算表明上述新策略在合适的参数下有助于提高蒙特卡罗临界计算全局计数问题的整体效率.
医用回旋加速器回旋频率与磁场的调谐
吴永存, 杨兴林, 石金水, 赵良超, 何小中
2019, 68 (12): 122901. doi: 10.7498/aps.68.20190116
摘要 +
高频谐振腔在回旋加速器实际运行过程中受束流负载、重力和热损耗引起的腔体变形等因素的影响, 其谐振频率会发生一定的偏移, 导致高频工作频率会随着谐振腔的谐振频率而变化. 为满足等时性加速的要求, 当高频工作频率发生改变时磁场强度也应进行相应的变化, 即励磁电流的大小需要相应改变, 使得粒子回旋频率与高频谐振频率相匹配以克服滑相. 首先通过有限元仿真软件建立静磁场模型模拟不同励磁电流下回旋加速器的平均磁场, 然后理论分析磁场与谐振频率的关系, 最后得到励磁电流在小区间变化时与谐振频率的关系; 根据计算的不同谐振频率对应的最佳励磁电流, 完成励磁电流的自动跟频. 在保证最大碳膜束流的情况下, 实验得到不同谐振频率对应的最佳励磁电流, 使理论得以验证. 根据其关系实现了励磁电流自动调节, 克服了滑相, 保证了法拉第束流的稳定输出. 该方法使得励磁电流能够快速、准确地寻找并跟踪谐振腔频率, 克服了频率偏移导致的滑相, 完成束流的稳定输出.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

编辑推荐

1064 nm固体激光器和光纤激光器在制备压缩真空态光场实验中的对比研究
杨文海, 刁文婷, 蔡春晓, 宋学瑞, 冯付攀, 郑耀辉, 段崇棣
2019, 68 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.68.20182304
摘要 +
实验和理论研究了单频固体激光器和单频光纤激光器的相对强度噪声对压缩真空态光场测量精度的影响. 在实验中分别采用单频固体激光器和单频光纤激光器作为实验系统的光源, 直接探测到的压缩真空态光场的压缩度分别为(13.2 ± 0.2) dB和(10 ± 0.2) dB. 通过理论计算得知本实验中影响可测压缩度的主要因素是光源的相对强度噪声, 为实用化的高压缩度压缩真空态光场发生器的研制提供了理论和实验指导.
激光模拟瞬态剂量率闩锁效应电流特征机制研究
陈钱, 马英起, 陈睿, 朱翔, 李悦, 韩建伟
2019, 68 (12): 124202. doi: 10.7498/aps.68.20190237
摘要 +
互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工艺集成电路由于寄生的PNPN结构使其可能会受到闩锁效应的影响, 在全局辐照下由瞬态剂量率效应诱发的闩锁具有独特的性能. 本文利用激光模拟瞬态剂量率效应装置, 针对体硅CMOS工艺解串器FIN1218MTDX, 进行瞬态剂量率闩锁效应的实验研究, 探究其闩锁阈值和闩锁电流特征. 实验获得了该器件在3.3 V工作电压时的瞬态剂量率闩锁阈值光功率密度为(8.5 ± 1.2) × 104 W/cm2; 并发现在工作电压3.3和3.6 V, 光功率密度1.9 × 106—1.6 × 107 W/cm2的辐照下, 闩锁电流发生了明显的降低, 即出现了闩锁电流的“窗口现象”. 基于闩锁等效电路模型, 利用多路径闩锁机制, 构建HSPICE模型对激光实验暴露出的瞬态剂量率闩锁特征进行了机理分析. 结果表明: 激光实验中闩锁电流波动是由于多路径闩锁机制所致, 其会在特定电路结构中促使器件的闩锁路径发生切换, 从而诱发这一现象.
Fabry-Perot腔与光学参量放大复合系统中实现可调谐的非常规光子阻塞
李宏, 张斯淇, 郭明, 李美萱, 宋立军
2019, 68 (12): 124203. doi: 10.7498/aps.68.20190154
摘要 +
本文提出在Fabry-Perot腔和光学参量放大复合系统中实现非常规光子阻塞效应. 此系统包含可调谐的复合型驱动强度相位, 用二阶关联函数描述光子统计性质, 数值模拟不同参数下的光子阻塞效应, 研究发现通过调节复合型驱动强度相位可以控制非常规光子阻塞. 在弱驱动条件下, 计算得到了强光子反聚束的最优化条件, 并给出了二阶关联函数解析式, 研究发现数值模拟结果与解析结果相符合. 研究结果为光子阻塞的相干操作提供了平台, 在量子信息处理和量子光学器件等方面具有潜在的应用前景.
硅基掺铒二氧化钛薄膜发光器件的电致发光: 共掺镱的增强发光作用
朱伟君, 陈金鑫, 高宇晗, 杨德仁, 马向阳
2019, 68 (12): 124204. doi: 10.7498/aps.68.20190300
摘要 +
在我们以前的工作(Zhu C, Lü C Y, Gao Z F, Wang C X, Li D S, Ma X Y, Yang D R 2015 Appl. Phys. Lett. 107 131103)中, 利用掺铒(Er)二氧化钛薄膜(TiO2:Er)作为发光层, 实现了基于ITO/TiO2:Er/SiO2/n+-Si结构的发光器件的Er相关可见及近红外(约1540 nm)电致发光. 本文将镱(Yb)共掺入TiO2:Er薄膜中, 显著增强了Er相关可见及近红外电致发光. 研究表明, 一定量Yb的共掺会导致TiO2:Er薄膜由锐钛矿相转变为金红石相, 从而使得Er3+离子周围晶体场的对称性降低. 此外, Yb3+离子比Ti4+离子具有更大的半径, 这使TiO2基体中Er3+离子周围的晶体场进一步畸变. 晶体场的对称性降低及畸变使得Er3+离子4f能级间的跃迁概率增大. 由于上述原因, Yb在TiO2:Er薄膜的共掺显著增强了相关发光器件的电致发光.
高效率三倍频产生355 nm皮秒激光的实验研究
程梦尧, 王兆华, 何会军, 王羡之, 朱江峰, 魏志义
2019, 68 (12): 124205. doi: 10.7498/aps.68.20190513
摘要 +
具有高重复频率、高平均功率的皮秒放大激光在科学研究和工业生产中有着重要的应用, 尤其是在脆性材料的加工领域, 绿光或紫外皮秒激光具有独特的优势. 基于我们研制的平均功率23.2 W、重复频率500 kHz、脉冲宽度13.4 ps的Nd:YVO4激光器, 开展了LBO晶体高效率二倍频与三倍频的研究. 通过优化相位匹配和晶体内激光的走离, 分别得到了平均功率12.7 W的532 nm二倍频激光和9.25 W的355 nm三倍频激光, 相应的光光转换效率分别为54.7%和39.8%. 激光器具有结构简单、平均功率高、转换效率高等特点, 可以广泛地用于科学研究和工业生产中.
基于反转路径差信号的兰姆波成像方法
焦敬品, 李海平, 何存富, 吴斌, 薛岩
2019, 68 (12): 124301. doi: 10.7498/aps.68.20190101
摘要 +
针对传统基线相减成像方法受环境温度影响的问题, 考虑到反转路径下超声波在缺陷处散射场的差异性, 提出了一种基于反转路径差信号的兰姆波稀疏阵列成像方法. 通过数值仿真, 对反转路径差信号的来源进行了分析, 并研究了缺陷与两个传感器的夹角及路径差对反转路径差信号幅值的影响规律. 在此基础上, 通过数值仿真及检测实验, 研究了基于反转路径差信号的兰姆波成像方法对板中缺陷检测的有效性. 结果表明, 基于反转路径差信号的兰姆波成像方法可以很好地消除直达波对缺陷成像的影响, 实现板中不同位置的圆孔和矩形缺陷成像, 且成像分辨率较高, 定位较准确. 本文为板结构大范围健康监测提供了一种可行的新方案.
一种基于内潮动力特征的浅海声速剖面构建新方法
屈科, 朴胜春, 朱凤芹
2019, 68 (12): 124302. doi: 10.7498/aps.68.20181867
摘要 +
为了降低反演参数空间的维数, 常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面. 然而, EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域. 本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数. 基于水质子流体静力方程和物态方程, 推导了在缺乏实时测量的情况下从历史数据获得水动力模式基函数(HMB)的办法. 利用WOA13季节平均温盐数据获得代表内潮动力特征的HMB进行分析. 较之EOF, HMB及其对应的投影系数与海洋动力特征直接相关并具有明确的物理含义. 基于东中国海实验获得的CTD (conductance-temperature-depth)及宽带爆炸声源声信号数据, 利用声速剖面重构以及匹配场声层析对HMB进行了分析, 并与EOF进行对比研究. 结果表明: HMB可以以较好的精度构建浅海声速剖面. 在对现场实时测量依赖更小的情况下, 基于HMB方法的声场预报及声层析结果与EOF方法一样好. HMB的获取更简单且直接关联海水的物理特性, 该方法可在实时测量样本不足的海域有效替代EOF进行海洋动力现象的声学监测.
可变周期谐波平衡法求解周期性非定常涡脱落问题
柴振霞, 刘伟, 杨小亮, 周云龙
2019, 68 (12): 124701. doi: 10.7498/aps.68.20190126
摘要 +
谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法. 本文研究可变周期谐波平衡法, 通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题. 对于这类流动变化周期未知的非定常问题, 将涡脱落周期T作为变量, 采用基于残差导数的可变周期计算方法推进求解. 以圆柱绕流和方柱绕流为例, 研究考察了谐波平衡法的计算精度和效率, 并分析研究了不同参数对计算结果的影响. 针对圆柱绕流问题, 采用三种不同优化方法进行周期T的迭代计算, 对比研究了它们的计算精度和效率. 计算结果表明: 谐波平衡法采用3个谐波数就可以准确模拟周期性非定常涡脱落问题, 辨识的涡脱落频率和阻力系数与实验值及其他数值结果一致, 与时域方法相比该方法具有较高的计算效率. 不同优化方法的计算结果相同, 共轭梯度法和牛顿法的收敛速度与最速下降法采用较大搜索步长时的收敛速度一致. 由于牛顿法没有参数问题, 因此该方法在工程计算中更有优势.
壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究
张烨, 张冉, 常青, 李桦
2019, 68 (12): 124702. doi: 10.7498/aps.68.20190248
摘要 +
采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律. 在纳米尺度下, 壁面力场对流场的主导作用更加显著, 流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感. 壁面原子的运动采用Einstein模型模拟, 结果表明随着壁面刚度的增加, 气体在近壁面区域的速度峰值减小, 气体分子与壁面的动量适应性变差. 壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究, 发现无论是主流区域还是近壁区域, 壁面粗糙度对流动的影响都非常明显. 当粗糙单元高度增大时, 气体分子在壁面处的聚集现象明显, 与壁面完全动量适应. 本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响, 结果表明温度的影响是全局性的, 温度的升高导致整个通道内流速降低, 近壁区域气体密度减小, 气-固动量适应性变差.
基于一种改进的虚拟单元法模拟包含静止/运动边界的流动问题
魏峰, 金亮, 柳军, 丁峰, 郑新萍
2019, 68 (12): 124703. doi: 10.7498/aps.68.20190013
摘要 +
提出了一种改进的虚拟单元法, 能够用来处理包含静止/运动边界的流动问题. 以固定的笛卡尔网格作为计算网格, 通过有限体积法求解二维非定常可压缩欧拉方程, 空间离散采用了AUSM (advection upstream splitting method)系列中的AUSM+格式, 通过MUSCL (monotonic upstream-centered scheme for conservation laws)方法构造二阶精度, 时间离散采用了显式三阶TVD (total-variation-diminishing) Runge-Kutta法. 为了简化虚拟单元的赋值方法和处理狭缝问题, 选用了从虚拟单元出发沿XY轴方向的流场点作为镜像点, 避免了复杂的插值运算, 同时根据虚拟单元与物面点的距离对分别沿XY轴方向求得的虚拟单元变量值进行加权来求得虚拟单元的最终变量值, 从而消除了扭曲现象. 进一步给出了该虚拟单元法的推广形式, 使其能够处理包含变速运动边界的流动问题. 通过求解Schardin问题和激波抬升轻质圆柱问题验证了改进的虚拟单元法及其推广形式在处理包含静止/运动边界流动问题时的准确性.
气体、等离子体和放电物理
纳秒激光等离子体相互作用过程中激光强度对微波辐射影响的研究
姜炜曼, 李玉同, 张喆, 朱保君, 张翌航, 袁大伟, 魏会冈, 梁贵云, 韩波, 刘畅, 原晓霞, 华能, 朱宝强, 朱健强, 方志恒, 王琛, 黄秀光, 张杰
2019, 68 (12): 125201. doi: 10.7498/aps.68.20190501
摘要 +
在强激光与等离子体的相互作用中, 通常能够产生时间尺度长达百纳秒量级的微波辐射, 形成的复杂电磁环境会干扰或损坏机械电子设备, 并给物理过程的准确认识与表征带来困难. 然而, 目前对于微波辐射的产生机制的研究还不够系统和完善. 本文通过系统地改变纳秒激光与等离子体作用过程中入射的激光能量以改变入射激光强度, 发现微波辐射强度随激光强度非单调变化. 在较低的激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加先增加后减小, 辐射场时间波形呈现连续振荡的特征, 辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量; 在较高的激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加而增加, 辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射, 辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量. 分析表明, 导致微波波形和频谱差别的原因是辐射机制发生了变化. 在较低的激光强度下, 微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生, 其中偶极辐射占主导; 在较高的激光强度下, 微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生. 研究结果对于理解纳秒激光与等离子体相互作用过程中的微波辐射机制具有比较重要的意义, 同时也为借助微波辐射诊断激光与等离子体相互作用过程中的逃逸电子、靶面鞘层场等问题提供了参考.
再加热双脉冲激光诱导击穿光谱技术对黄连中Cu和Pb的定量分析
郑培超, 李晓娟, 王金梅, 郑爽, 赵怀冬
2019, 68 (12): 125202. doi: 10.7498/aps.68.20190148
摘要 +
基于单脉冲激光诱导击穿光谱(single pulse laser-induced breakdown spectroscopy, SP-LIBS)实验装置, 搭建了再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(re-heating double pulse laser-induced breakdown spectroscopy, RDP-LIBS)系统, 实现了黄连中重金属元素Cu和Pb的检测. 固定激光脉冲频率为4 Hz, 两束激光的总能量为50 mJ, 实验优化了增强电荷耦合器件探测延时、脉冲间隔和双激光脉冲能量组合等参数对Cu I (324.46 nm)和Pb I (405.78 nm)光谱强度的影响, 得特征谱线Cu I (324.46 nm)的最佳激光能量组为(E1 = 15 mJ, E2 = 35 mJ), 脉冲间隔和探测延时分别为1.4 μs和1.5 μs; Pb I (405.78 nm)的激光能量组也为(E1 = 15 mJ, E2 = 35 mJ), 脉冲间隔和探测延时分别为1.6 μs和1.7 μs. 为实现RDP-LIBS技术对中药材重金属元素检测性能的评估, 在最佳实验参数下, 分别对Cu和Pb进行SP-LIBS技术和RDP-LIBS技术定量分析, 检测限分别为1.91 mg/kg和3.03 mg/kg, 较SP-LIBS技术, 检测限均有所降低, 满足《药用植物进出口绿色行业标准》的要求, 且RDP-LIBS的线性曲线拟合度都优于SP-LIBS, 说明RDP-LIBS技术在中药材检测中具有更佳的检测性能.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
金属粉末压坯烧结过程的内耗研究
郝刚领, 许巧平, 李先雨, 王伟国
2019, 68 (12): 126101. doi: 10.7498/aps.68.20190031
摘要 +
烧结在粉末冶金过程中对最终产品质量起着关键性作用, 理解和探索烧结过程中粉末压坯结构和缺陷的演变, 明确烧结的起始温度、结晶温度等, 可为烧结工艺的确定提供确切的信息. 本文采用内耗技术系统研究了单元系纯Al, Mg, Cu, Fe粉末压坯烧结过程的内耗行为. 在第一个循环的升降温过程中各发现了一个内耗峰、升温峰和降温峰. 降温峰是一个稳定的弛豫型内耗峰, 激活能和峰温表明, 该峰起源于晶界的黏滞性滑移. 升温峰的出现伴随着相对动力学模量和电阻的下降, 材料性能发生显著变化, 相应峰温可考虑作为单元系粉末烧结的起始温度. 升温峰具有明显的压坯颗粒粒径和成型压力依赖性, 随颗粒粒径或压制压力的减小而升高, 这与颗粒间弱结合界面数量和微滑移可动性的增大有关. 在升温测量时, 主要通过弱结合界面微滑移耗能, 内耗增加直至峰温所在位置, 弱结合界面转化为颗粒间晶界, 内耗迅速下降, 形成了非稳定升温峰. 升温峰的出现表明了粉末压坯烧结过程中颗粒间晶界的形成, 相应峰温亦可作为粉末压坯的结晶温度.
N+注入修复外延Fe膜面内六重磁对称
姜兴东, 管兴胤, 黄娟娟, 范小龙, 薛德胜
2019, 68 (12): 126102. doi: 10.7498/aps.68.20190131
摘要 +
为了研究离子注入对外延磁性薄膜面内磁各向异性的影响, 用离子加速器对在有错切角的Si(111)面上外延生长的Fe膜进行了N+注入实验. 随着N+注入剂量的增加, 外延生长的Fe膜的面内磁各向异性逐渐从二重对称改变为六重对称. 通过透射电子显微镜和刻蚀实验验证, 发现离子辐照改变了Fe膜表面和界面的状态. 未辐照Fe膜面内二重磁对称来自于由于Si(111)面的错切使得在薄膜界面和表面处形成的原子台阶. N+注入的溅射作用使得Fe膜表面的原子台阶被擦除, N+注入使得缓冲层和Fe膜界面处相互扩散导致界面处原子台阶消失. 因此, 外延Fe膜在大剂量N+注入后表现出Fe(111)面诱导的六重磁对称. 研究结果对于提高面内磁记录密度有潜在的应用价值.
方镁石高压结构预测和高温结构稳定性研究
宋婷, 孙小伟, 魏小平, 欧阳玉花, 张春林, 郭鹏, 赵炜
2019, 68 (12): 126201. doi: 10.7498/aps.68.20190204
摘要 +
方镁石是镁方铁矿的终端组分, 化学组成为氧化镁(MgO). 理论预测的MgO熔化线和高压下实验测量结果之间存在巨大的分歧, 为澄清歧见人们展开了对MgO高压结构的进一步研究, 方镁石MgO高压结构预测及温度对结构稳定性的影响一直是高压凝聚态物理和地球物理领域的重要研究内容. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 对MgO实验结构、各种可能存在的结构及基于粒子群优化算法预测的晶体结构进行了系统深入的研究, 发现MgO在0—580 GPa的压力范围内一直以稳定岩盐结构存在, 580—800 GPa压力范围内的稳定结构为氯化铯结构. 尽管NiAs六角密堆结构和纤锌矿结构能合理解释冲击压缩实验中沿MgO的P-V雨贡纽线在(170 ± 10) GPa存在体积不连续的原因(Zhang L, Fei Y W 2008 Geophys. Res. Lett. 35 L13302)和高压下理论计算的熔化线与实验结果相差很大的原因(Aguado A, Madden P A 2005 Phys. Rev. Lett. 94 068501), 但这两种结构连同闪锌矿结构及基于粒子群优化算法预测的晶体结构B82P3m1仅为其亚稳结构. 在MgO高压结构稳定性预测的基础上, 本文利用经典分子动力学方法, 分别引入能很好描述离子极化特性的壳层模型和离子压缩效应的呼吸壳层模型, 对MgO岩盐结构的高温稳定性进行了模拟研究, 给出了压力达150 GPa的高压熔化相图.
钨中不同构型的双自间隙原子扩散行为研究
冉琴, 王欢, 钟睿, 伍建春, 邹宇, 汪俊
2019, 68 (12): 126701. doi: 10.7498/aps.68.20190310
摘要 +
$\left\langle 111 \right\rangle$双自间隙原子, 随着温度的升高, 从一维扩散演变成三维扩散, 在$ \left\langle 111 \right\rangle$方向保持稳定的最近邻结构; 次近邻$ \left\langle 111 \right\rangle$双自间隙原子在一定温度范围内沿$ \left\langle 111 \right\rangle$方向一维扩散, 当温度高于600 K将解离成两个独立运动的自间隙原子; 而三近邻结构在温度高于300 K就将解离. 非平行结构的双自间隙原子在一定温度范围内形成固着性结构, 几乎不移动, 但在温度高于1000 K时将转化成移动性缺陷. 通过将微动弹性带算法获得的自间隙原子迁移能与阿伦尼乌斯关系拟合的结果进行对比, 表明了钨中单自间隙原子和双自间隙原子的扩散系数随温度的变化规律不适于用阿伦尼乌斯关系来描述, 而线性关系则能合理地描述这一规律.">钨作为一种重要的核材料, 在辐射环境下的微观演化行为与自间隙原子缺陷的扩散行为密切相关. 研究不同构型自间隙原子的扩散行为有助于全面理解材料的微观演化过程. 本文采用分子动力学方法重点考察了钨中具有不同构型的双自间隙原子随温度变化的扩散行为. 结果表明: 彼此互为最近邻的$\left\langle 111 \right\rangle$双自间隙原子, 随着温度的升高, 从一维扩散演变成三维扩散, 在$ \left\langle 111 \right\rangle$方向保持稳定的最近邻结构; 次近邻$ \left\langle 111 \right\rangle$双自间隙原子在一定温度范围内沿$ \left\langle 111 \right\rangle$方向一维扩散, 当温度高于600 K将解离成两个独立运动的自间隙原子; 而三近邻结构在温度高于300 K就将解离. 非平行结构的双自间隙原子在一定温度范围内形成固着性结构, 几乎不移动, 但在温度高于1000 K时将转化成移动性缺陷. 通过将微动弹性带算法获得的自间隙原子迁移能与阿伦尼乌斯关系拟合的结果进行对比, 表明了钨中单自间隙原子和双自间隙原子的扩散系数随温度的变化规律不适于用阿伦尼乌斯关系来描述, 而线性关系则能合理地描述这一规律.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
晶格弛豫方法研究PbSe量子点的带内弛豫过程
梁宇宏, 李红娟, 尹辑文
2019, 68 (12): 127301. doi: 10.7498/aps.68.20190187
摘要 +
在晶格弛豫理论框架内, 电子-体纵光学声子耦合的Fröhlich模型基础上, 系统研究了PbSe量子点的3个最低激发态之间及其与基态之间的带内弛豫过程. 具体讨论了各个弛豫过程中的黄-里斯因子、弛豫率与量子点半径的变化关系, 进一步讨论了弛豫率的温度依赖性. 得出的理论结果很好地解释了相应的实验.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
二维含多孔介质周期复合结构声传播分析
乔厚, 何锃, 张恒堃, 彭伟才, 江雯
2019, 68 (12): 128101. doi: 10.7498/aps.68.20190164
摘要 +
为取得理想的隔声性能, 本文结合多孔介质和周期结构两类声振调控方案, 讨论了一种新型含多孔介质周期复合结构; 采用等效模型描述振子系统, 利用薄板理论和Biot理论建立了相应的声振耦合理论模型. 利用此模型计算得出的结果与文献中数据吻合良好. 研究结果表明, 采用简单振子系统或组合振子系统都可以在其特征频率决定的频域提升复合结构的声传递损失 (STL); 然而, 在越过相应频域后, STL会急剧下降, 选取合适的振子参数, 可以拓展隔声带宽而又保持其STL水平. 对比振子系统结果发现, 相对简单振子系统, 组合振子系统能在获得更宽STL提升频域同时减弱特征频率域后的STL下降趋势. 这些结果可以为宽频减振降噪提供思路, 为中低频域隔声应用设计提供理论参考.
离子辐照和氧化对IG-110核级石墨中的点缺陷的影响
李明阳, 张雷敏, 吕沙沙, 李正操
2019, 68 (12): 128102. doi: 10.7498/aps.68.20190371
摘要 +
核级石墨是球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)中的一种关键材料, 在堆内用作燃料元件基体材料、结构材料和中子反射层材料. 研究核级石墨辐照和氧化行为下的缺陷演化对反应堆安全具有重要意义. 本文对IG-110石墨样品进行了一系列包含不同顺序和不同条件的离子辐照和氧化的实验, 分为仅辐照、仅氧化、辐照后氧化、氧化后辐照, 通过观察其结构、形貌、石墨化程度和点缺陷的演化, 研究离子辐照和氧化对IG-110核级石墨中点缺陷的影响. 拉曼光谱表明, 随辐照剂量的增大, 拉曼峰强比ID/IG先增大后减小, 说明离子辐照使石墨中产生了点缺陷, 且点缺陷在辐照剂量增大时进一步发生演化; 氧化后石墨化程度增大, 说明高温下的退火效应使点缺陷发生复合, 因此氧化之后点缺陷数量减少. 氧化后辐照样品的点缺陷含量低于仅辐照样品, 辐照后氧化样品的点缺陷含量高于仅氧化样品. 正电子湮灭多普勒展宽揭示了离子辐照后石墨中仅有点缺陷, 而氧化使点缺陷部分回复. 离子辐照和氧化对石墨中点缺陷的演化产生相反的影响, 即离子辐照使平均S参数增大, 平均W参数减小, 而氧化使平均S参数减小, 平均W参数增大. 对于辐照后氧化的样品, 850 ℃高温的退火效应不足以使点缺陷完全回复.
基于N型纳米晶硅氧电子注入层的钙钛矿发光二极管
黄伟, 李跃龙, 任慧志, 王鹏阳, 魏长春, 侯国付, 张德坤, 许盛之, 王广才, 赵颖, 袁明鉴, 张晓丹
2019, 68 (12): 128103. doi: 10.7498/aps.68.20190258
摘要 +
钙钛矿材料由于其禁带宽度可调、光致发光量子产率高、色纯高等优点, 使得其在发光器件上具有巨大的应用潜力. 电子注入材料是钙钛矿发光器件中的重要组成部分, 特别是n-i-p型发光器件, 其直接影响后面钙钛矿的生长情况. 本文通过向钙钛矿发光二极管中引入一种新型电子注入材料, n型纳米晶硅氧(n-nc-SiOx:H). 借助于n-nc-SiOx:H薄膜平滑的表面, 有效地提高了沉积钙钛矿薄膜的结晶质量, 同时其能带结构更加匹配, 有效地降低了电子的注入势垒. 为了进一步提升器件性能, 向钙钛矿材料中引入合适比例的甲基溴化胺(MABr)、氯苯反溶剂中引入一定量的苯甲胺(PMA), 通过MABr和PMA的协同作用提高了钙钛矿薄膜的覆盖率, 降低了钙钛矿薄膜表面的缺陷密度, 抑制了钙钛矿薄膜退火过程中的发光猝灭, 最终获得了最大电流效率为7.93 cd·A-1、最大外量子效率为2.13%的n-i-p型钙钛矿发光二极管.
蓝紫光发光二极管中的低频产生-复合噪声行为研究
王党会, 许天旱
2019, 68 (12): 128104. doi: 10.7498/aps.68.20190189
摘要 +
本文对GaN基InGaN/GaN多量子阱结构、蓝紫光发光二极管(light-emitting diode, LED)的电流噪声进行了测试, 电流测试范围为0.1—180 mA. 根据电流噪声的特点, 结合LED中载流子之间的产生-复合机制, 探讨了电流注入下LED中载流子的产生与复合机制和低频噪声产生的机理. 结论表明, 随着电流从0.1 mA逐渐增大到27 mA, LED中的电流噪声具有低频产生-复合(generation-recombination, g-r)噪声的特性; 当电流逐渐增大到50 mA及以上时, 电流噪声的行为接近1/f噪声. 采用电子元器件中公认的电流噪声模型, 拟合了低频电流噪声功率谱密度与频率之间的关系, 结合LED中载流子的输运机理和复合机制, 从理论上分析了LED在电流注入时g-r噪声幅值和转折频率的变化规律. 本文的结果提供了一种检测和表征多量子阱结构蓝紫光LED在电流逐渐增大过程中发光机制转变的有效手段, 为提高其发光量子效率提供理论依据.
外电场操控单分子的偶极取向极化特性研究
吴瑞祥, 张国峰, 乔志星, 陈瑞云
2019, 68 (12): 128201. doi: 10.7498/aps.68.20190361
摘要 +
单分子偶极取向的有效操控对于提高单分子荧光收集效率及荧光共振能量转移等相关研究具有重要的意义. 本文通过测量单分子荧光偏振特性的变化, 研究了外部电场作用下极性单分子的偶极取向极化特性, 实现了外电场对单分子偶极取向的有效操控. 研究发现电场方向与单分子样品表面平行时, 掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜中的取向随机分布的极性单分子荧光偏振方向呈现出双峰统计分布规律, 表明在溶剂挥发过程中外电场诱导极性单分子偶极取向进行了重新分布.
存在干扰下的星地融合协作传输系统平均误符号率分析
刘笑宇, 林敏, 王金元, 欧阳键, 黄清泉
2019, 68 (12): 128401. doi: 10.7498/aps.68.20190123
摘要 +
卫星通信技术作为构建新一代泛在无线通信网不可或缺的一种手段, 近几年来受到了国内外学者的广泛关注. 本文研究了引入多天线中继技术构成的星地融合协作传输系统在干扰条件下的性能. 首先, 针对用户同时接收到直达信号和中继译码转发信号, 并且受到干扰的情况下, 得到经过最大比合并后的输出信干噪比表达式. 其次, 假设卫星链路和地面链路的衰落分别服从阴影莱斯分布和瑞利分布, 基于Meijer-G函数, 分别推导出直达链路和中继链路的矩母函数闭合表达式, 并进一步得到系统平均误符号率的闭合表达式. 最后, 计算机仿真不仅验证了理论性能分析的正确性, 而且定量分析了天线数、干扰数目和调制方式等对系统性能产生的影响.
第一性原理对氮掺杂石墨烯作为锂-空电池阴极材料还原氧分子的机理研究
侯滨朋, 淦作亮, 雷雪玲, 钟淑英, 徐波, 欧阳楚英
2019, 68 (12): 128801. doi: 10.7498/aps.68.20190181
摘要 +
采用第一性原理, 研究了不同浓度的氮掺杂石墨烯还原氧分子的机理. 结果表明, 掺杂氮原子以后, 氧分子的吸附能增大, 获得的电荷增多, O—O键长变长, 说明氮掺杂石墨烯增强了对氧分子的还原能力. 进一步分析发现, 氧分子吸附之后, 氮原子和氧分子均从碳原子上获得电荷, 氮原子同时也向氧分子转移电荷, 从而使氧分子与基底的相互作用增强. 另外, 通过对比不同浓度的氮原子掺杂, 发现3.13 at%的氮原子掺杂比例对氧分子的还原性能最好.
基于加权K-阶传播数的节点重要性
黄丽亚, 汤平川, 霍宥良, 郑义, 成谢锋
2019, 68 (12): 128901. doi: 10.7498/aps.68.20190087
摘要 +
节点重要性对于分析网络结构具有重要意义. 为了充分刻画网络全局和局部特性, 本研究基于网络拓扑结构对疾病传播过程进行了抽象, 分别设置各个节点为传染源, 在经历传播时长K后, 将网络中已感染节点的数量定义为K-阶传播数, 最终基于不同K值下的K-阶传播数得到节点重要性结果. 对Watts-Strogatz小世界网络和海豚网络的仿真实验表明, 加权K-阶传播数法对节点重要性的评估较其他方法更为合理, 能够细致地刻画小世界网络中长程连接对信息传输的影响, 提高海豚网络中对社区交流起关键作用的节点的重视程度. 本文利用蓄意攻击策略对美国西部电网、芝加哥公路网络、网络科学家合著网络以及小鼠神经纤维束网络进行了研究, 即依照节点重要性由高到低的排序依次攻击网络. 结果显示, 相较于其他方法, 基于加权K-阶传播数法仅需移除少量重要节点便可实现对网络结构的充分破坏.
知识图谱复杂网络特性的实证研究与分析
丁连红, 孙斌, 时鹏
2019, 68 (12): 128902. doi: 10.7498/aps.68.20190106
摘要 +
知识图谱是人工智能研究的新热点, 用于解决智能检索、自动回答等应用问题. 概念图谱是微软发布的大型知识图谱, 本文以概念图谱为研究对象构建了概念图谱网络, 并对其特性进行了分析. 为解决概念图谱海量数据带来的计算困难, 提出一种适合概念图谱的最大子网构建方法和一种网络近似平均路径的计算方法; 对不同度值给出了不同的聚类系数求解方法, 并通过Map/Reduce模式进行提速. 结果表明: 概念图谱网络具有无标度和极端小世界网络的特征; 平均路径长度随网络规模增加而减小并趋于4这一定值, 网络的“菱形”结构能很好地解释这一现象; 概念图谱网络是异构的, 相邻节点的度负相关; k-shell分解表明子概念占核心层节点的99.5%, 在概念图谱中起重要的连接作用; 子概念的缺失对概念图谱的完整性影响最大、概念其次、实例最小; 82%的实例节点度为1, 40%的概念节点度为1, 实例比概念更不易因一词多义而引起理解歧义.
地球物理学、天文学和天体物理学
2 μm波段再入射离轴积分腔输出光谱设计与实验
周子昕, 黄印博, 卢兴吉, 袁子豪, 曹振松
2019, 68 (12): 129201. doi: 10.7498/aps.68.20190061
摘要 +
离轴积分腔输出光谱技术(off-axis integrated cavity output spectroscopy, OA-ICOS)是一种高灵敏度的激光光谱测量技术. 但由于使用密集的高阶模进行光谱探测, OA-ICOS输出信号强度较低, 使得探测灵敏度高度依赖于光源功率. 针对该问题, 本文引入光学再入射的方法, 使激光再次注入光腔, 以提高能量利用率和输出信号强度. 本文使用三维光追踪模拟软件, 设计再入射结构, 研究了影响信号增益的多个因素. 并搭建一套2 μm波段的再入射OA-ICOS装置, 开展了一系列研究实验. 实验数据表明: 再入射方法使OA-ICOS信号增强了8倍, 信噪比提升了4.6倍, 有效改善了探测灵敏度和光谱的吸收深度, 缓解了探测中遇到的信号功率低的问题, 为使用低功率光源和高反射率腔镜提供了有效的方法.