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Vol. 68, No. 13 (2019)

2019年07月05日
特邀综述
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青年科学评述
青年科学评述
总论 凝聚物质:结构、力学和热学性质
凝聚物质:结构、力学和热学性质
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 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
特邀综述

编辑推荐

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模
李耀义, 贾金锋
2019, 68 (13): 137401. doi: 10.7498/aps.68.20181698
摘要 +
寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域. 与拓扑绝缘体类似, 在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态, 它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的, 这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体. 拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙, 而在表面有无能隙的表面态. 理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian 统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特, 在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景. 拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料. 本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作. 通过对拓扑超导体的研究, 人们对超导电性有了全新的认识, 有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.
青年科学评述
金属材料界面与辐照缺陷的交互作用机理
刘思冕, 韩卫忠
2019, 68 (13): 137901. doi: 10.7498/aps.68.20190128
摘要 +
高能粒子辐照在材料内部产生大量的辐照缺陷, 如间隙原子、空位、位错环、空洞和气泡等. 大量辐照缺陷的形成和演化引起材料微观结构的失稳并造成严重的辐照硬化和脆化. 界面工程是一种调控材料抗辐照性能的有效方法. 通过引入高密度的晶界、相界、自由表面等来增加空位和间隙原子的复合概率, 能有效降低辐照缺陷的积聚, 提高材料的结构稳定性, 消除或减弱辐照的有害效应. 本文简述了几种典型金属材料界面与不同类型辐照缺陷的交互作用机理, 分析了界面结构、缺陷类型和辐照条件对交互作用过程的影响, 最后讨论了本领域需进一步关注的热点问题, 期望运用多学科知识和研究方法更好地揭示辐照损伤过程并设计新型抗辐照损伤材料.
总论
光纤偏振编码量子密钥分发系统荧光边信道攻击与防御
陈艳辉, 王金东, 杜聪, 马瑞丽, 赵家钰, 秦晓娟, 魏正军, 张智明
2019, 68 (13): 130301. doi: 10.7498/aps.68.20190464
摘要 +
实际安全性是目前量子密钥分发系统中最大的挑战. 在实际实现中, 接收单元的单光子探测器在雪崩过程的二次光子发射(反向荧光)会导致信息泄露. 目前, 已有研究表明该反向荧光会泄露时间和偏振信息并且窃听行为不会在通信过程中产生额外误码率, 在自由空间量子密钥分发系统中提出了利用反向荧光获取偏振信息的攻击方案, 但是在光纤量子密钥分发系统中暂未见报道. 本文提出了在光纤偏振编码量子密钥分发系统中利用反向荧光获取信息的窃听方案与减少信息泄露的解决方法, 在时分复用偏振补偿的光纤偏振编码量子密钥分发系统的基础上对该方案中窃听者如何获取密钥信息进行了理论分析. 实验上测量了光纤偏振编码量子密钥分发系统中反向荧光的概率为0.05, 并对本文提出的窃听方案中的信息泄露进行量化, 得出窃听者获取密钥信息的下限为2.5 × 10–4.
考虑对流和扩散两种动力学起源的连续时间随机行走模型
杨晓荣, 王琼, 叶唐进, 土登次仁
2019, 68 (13): 130501. doi: 10.7498/aps.68.20190088
摘要 +
本文建立了考虑两种动力学起源的连续时间随机行走模型, 特别是在模型中明确区分了对流和扩散两种因素对粒子输运过程的影响. 通过改变各因素的相对权重, 描述了从正常输运到反常输运的过渡, 并建立了相应的输运方程. 该模型成功描述了复杂孔隙介质中溶质输运过程随着Péclet数的变化而经历的定性改变.
基于现场可编程逻辑门阵列的磁控忆阻电路对称动力学行为分析
吕晏旻, 闵富红
2019, 68 (13): 130502. doi: 10.7498/aps.68.20190453
摘要 +
将含绝对值项的磁控忆阻器引入改进型蔡氏电路, 构建新型磁控忆阻混沌电路, 通过分岔图与Lyapunov指数谱创新性地观察到系统的对称分岔行为, 揭示系统双参数平面内运动状态分布的对称性. 同时, 基于忆阻电路参数-初值平面的系统运动分布图, 分析对称吸引域内系统的多稳态特性, 相图的绘制进一步证明电路多稳态现象的存在性. 此外, 应用现场可编程逻辑门阵列完成电路实验, 在数字示波器上捕捉实验结果, 证明所构磁控忆阻电路的物理可实现性.
新Chua多涡卷混沌吸引子的产生及应用
贾美美, 蒋浩刚, 李文静
2019, 68 (13): 130503. doi: 10.7498/aps.68.20182183
摘要 +
本文采用对数函数序列构造了一个新Chua多涡卷混沌系统, 分析了该系统的非线性动力学行为, 主要包括对称性、不变性、平衡点、最大李雅普诺夫指数等. 然后, 设计递归反步控制器控制Chua多涡卷混沌系统中的混沌行为. 最后, 利用Chua多涡卷混沌系统检测了多频微弱周期信号. 结果表明, 对数函数序列与新Chua双涡卷混沌系统相结合能够产生丰富的Chua多涡卷混沌吸引子. 产生机制为指标2的鞍焦平衡点用于产生涡卷, 指标1的鞍焦平衡点用于连接涡卷. 递归反步控制器能够将Chua多涡卷混沌系统控制到不动点或给定的正弦函数. Chua多涡卷混沌系统与递归反步控制器相结合的新微弱信号检测方法能够检测出淹没在高斯噪声背景下多频微弱周期信号的各频率.
基于交替起振光电振荡器的大量程高精度绝对距离测量技术
谢田元, 王菊, 王子雄, 马闯, 于洋, 李天宇, 方杰, 于晋龙
2019, 68 (13): 130601. doi: 10.7498/aps.68.20190238
摘要 +
提出了一种基于交替起振的光电振荡器的大量程、高精度绝对距离测量方法. 此方法构建了两个光电振荡环路, 分别为测量环和参考环. 通过切换光开关实现测量/参考光电振荡器的交替起振; 通过切换微波开关实现光电振荡器高阶/低阶振荡模式的转换; 通过频率计依次记录测量/参考光电振荡器的高阶/低阶振荡频率, 然后计算测量/参考光电振荡器的腔长进一步得到绝对距离. 本方案的优点是: 由于采用了测量/参考两个光电振荡器腔长相减的方法消除系统自身的漂移, 不需要控制腔长, 结构简单. 实验中, 利用公里量级的光纤来模拟大量程的待测距离, 利用高步进精度的光延时线来模拟距离变化. 在等效6 km的空间往返待测距离上, 测量误差为3.5 μm, 相对测量精度达到5.8 × 10–10.
基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数
彭向凯, 吉经纬, 李琳, 任伟, 项静峰, 刘亢亢, 程鹤楠, 张镇, 屈求智, 李唐, 刘亮, 吕德胜
2019, 68 (13): 130701. doi: 10.7498/aps.68.20190234
摘要 +
磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用, 在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场, 可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出, 根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变. 然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的, 通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值. 基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段, 得益于现代计算机强大的运算能力, 该过程通常远远快于人工参数调节, 并有更大概率找到全局最优值, 获得优于手工调节的参数值. 本文利用人工神经网络在线机器学习的方法, 对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定, 并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测. 通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对, 发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数, 且所用时间大大缩短. 该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿, 用于冷原子系统参数优化调整, 更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用, 可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计
詹霞, JoeKelleher, 高建波, 马艳玲, 初铭强, 张书彦, 张鹏, SanjooramPaddea, 贡志锋, 侯晓东
2019, 68 (13): 132901. doi: 10.7498/aps.68.20182295
摘要 +
英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验, 最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用, 包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等. Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验, 目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100 ℃. 通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层, 以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩), 可实现更优的光线聚焦效果. 模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上, 最终高温可达1400 ℃. 相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用, 同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.
原子和分子物理学
循环载荷下纳米铜/铝薄膜孔洞形核、生长及闭合的分子动力学模拟
刘强, 郭巧能, 钱相飞, 王海宁, 郭睿林, 肖志杰, 裴海蛟
2019, 68 (13): 133101. doi: 10.7498/aps.68.20181901
摘要 +
本文运用分子动力学模拟了在应变幅比为R = –1的循环载荷条件下, 扩散焊纳米铜/铝双层薄膜内部孔洞形核、生长以及闭合的演化机理. 研究发现, 在循环载荷条件下, 孔洞主要在铜/铝双层膜的铝侧内部形核, 且有孔洞Ⅰ和孔洞Ⅱ两种演化方式. 孔洞Ⅰ在铜-铝相互扩散形成双层膜时在因柯肯达尔效应所产生出的空隙缺陷位置处形核, 这种形核方式下, 空隙缺陷形成空位后, 空位在铝侧无序结构内部向铜原子数相对密集的区域移动. 当空位聚集形成孔洞时, 孔洞在固定位置生长. 孔洞Ⅱ在压杆位错被克服所形成的空隙缺陷位置处形核, 在铝侧形核后的孔洞没有发生移动. 与孔洞Ⅰ相比, 孔洞Ⅱ在应变加载过程中孔洞形核时的应力大、孔洞生长速度较快且尺寸稍大, 在应变卸载阶段孔洞闭合速度也较快. 两种孔洞在形核、生长和闭合过程中有两方面的共同特点: 1)两种孔洞都是在铝侧无序结构内部的空隙缺陷处形核. 2)两种孔洞在其生长、闭合过程中外形变化相同. 在孔洞生长阶段, 两种孔洞在外形上都是先沿应变加载方向拉伸长大, 然后沿与应变加载相垂直的方向长大, 最后趋向球形发展. 在孔洞闭合阶段, 两种孔洞在外形上首先沿应变加载方向压缩成椭球状, 然后沿与应变加载相垂直的方向从孔洞两端向孔洞中心闭合消失. 在随后的循环加载过程中, 孔洞消失位置处没有再次出现新孔洞, 而是在铝侧其它位置无序结构内部的空隙缺陷处形核.
一类多能级Rosen-Zener模型的精确解
姚绍武, 曹洪, 岑理相
2019, 68 (13): 133201. doi: 10.7498/aps.68.20190353
摘要 +
本文利用代数动力学方法研究了一类Rosen-Zener模型及其多能级推广系统的精确解. 不同于以往将二能级系统薛定谔方程转化为超几何方程的方法, 本文证明这类特殊的Rosen-Zener模型可以通过引入正则变换或规范变换予以解析求解, 并进一步揭示该方法可以推广求解其多能级系统. 在此基础上详细刻画了随时间演化系统各能级间的跃迁几率, 讨论了这类体系所具备的动力学不变量, 以及这类模型存在的对偶系统及其可解性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计
操超, 廖志远, 白瑜, 范真节, 廖胜
2019, 68 (13): 134201. doi: 10.7498/aps.68.20190299
摘要 +
传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构, 然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计. 由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统, 因此离轴后的反射光学系统结构像差较大, 而且系统无遮拦设计过程复杂. 本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法, 可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构. 该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化. 针对面阵探测器, 设计了一个长波红外离轴三反光学系统, 通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计, 光学系统成像质量好, 反射镜不存在倾斜和偏心, 光学系统易于装调.

编辑推荐

单脉冲时间精确可控的单纵模Nd:YAG激光器
戴殊韬, 江涛, 吴丽霞, 吴鸿春, 林文雄
2019, 68 (13): 134202. doi: 10.7498/aps.68.20190393
摘要 +
报道了一种单脉冲输出时间精确可控的单纵模Nd:YAG激光器. 该激光器谐振腔采用自滤波非稳腔结构得到TEM00模, 利用磷酸钛氧铷电光晶体作为相位调制器来扫描腔长, 通过种子注入的扫描-保持-触发技术锁定腔模, 得到稳定的单脉冲输出时间精确可控的单纵模输出. 该1064 nm激光器输出脉冲能量为50 mJ, 脉冲建立时间48 ns, 单脉冲输出时间抖动小于1%. 用波长计WS7测量脉冲的波长和线宽, 测量结果显示, 波长计干涉仪干涉条纹清晰光滑, 是典型的多光束干涉波形, 显示波长为1064.40416 nm, 线宽 < 0.5 pm (波长计的极限分辨率). 同时以0.1 Hz的工作频率连续记录了1700发脉冲的波长, 波长抖动小于0.1 pm (峰峰值).
MoS2及其金属复合表面增强拉曼散射基底的发展及应用
李金华, 张思楠, 翟英娇, 马剑刚, 房文汇, 张昱
2019, 68 (13): 134203. doi: 10.7498/aps.68.20182113
摘要 +
表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)作为一种超灵敏的无标签分析技术, 在分子检测领域得到了广泛的研究及发展, 而增强机理的探究及灵敏度、均匀性、稳定性等性能的提升一直是研究人员面临的重要挑战. 本文通过梳理SERS机理的国内外研究进展, 综述了单一金属基底、二硫化钼(MoS2)基底及金属/MoS2复合基底的机理及研究现状和存在的问题等; 总结介绍了二硫化钼基底及金属/二硫化钼复合基底制备方法的优缺点; 概述了二硫化钼及其金属复合基底在食品检测、生物医学、环境污染监测等方面的应用研究进展; 最后提出了SERS技术目前存在的不足并对其发展前景进行了展望.
基于载波抑制单边带调制的微波光子本振倍频上转换方法
许家豪, 王云新, 王大勇, 周涛, 杨锋, 钟欣, 张弘骉, 杨登才
2019, 68 (13): 134204. doi: 10.7498/aps.68.20190266
摘要 +
提出了一种基于载波抑制单边带调制的微波光子本振倍频上转换方法. 通过将本振信号加载在马赫-曾德尔调制器上产生 ± 1阶本振边带, 利用光纤光栅进行边带分离, 将–1阶本振边带作为载波输入双平行马赫-曾德尔调制器进行二次调制. 中频信号通过90°电桥加载在双平行马赫-曾德尔调制器上, 并使其工作在载波抑制单边带调制状态. 最后将输出的中频单边带调制信号与光纤光栅反射的+1阶本振单边带信号进行合路拍频, 即可获得频率为2ωLO + ωIF的上变频信号. 为了验证该方法的有效性, 搭建了上变频链路并进行了性能测试, 实验结果表明链路的输出光谱和频谱较为纯净, 经过单边带调制后的光谱杂散抑制比达到了22.5 dB, 产生的本振倍频上转换信号的杂散抑制比达到了23.6 dB, 系统的无杂散动态范围达到了96.1 dB·Hz2/3. 该本振倍频上转换方法可有效降低对本振信号的频率需求, 并且产生的上转换信号纯净度较高, 为光载无线通信、光控相控阵雷达等系统中的高频发射提供了有效途径.
基于引力搜索算法的湍流相位屏生成方法
张冬晓, 陈志斌, 肖程, 秦梦泽, 吴浩
2019, 68 (13): 134205. doi: 10.7498/aps.68.20190081
摘要 +
本文提出了一种全新的相位屏生成方法, 结合了经典快速傅里叶变换(FFT)模型与稀疏谱模型. 经典的FFT模型由于低频成分的严重缺失, 限制了其在高精度相位屏生成方面的应用, 为此, 本文将相位屏的低频部分单独提取出来, 应用稀疏谱模型生成相应的低频补偿屏, 将二者相加后得到最终的精确相位屏. 结果表明, 补偿屏的模拟精度与低频采样点的分布有关, 且存在一种最优分布使得最终的相位屏结构函数与理论结构函数的误差最小. 为兼顾相位屏生成速度, 本文选取了16个低频采样点, 采样点位置由两个待定参数确定, 并应用引力搜索算法对参数进行优化得到最终的低频采样点分布. 仿真结果表明, 该方法与传统低频补偿方法相比精度提高了1—2个数量级, 且运算速度优于传统方法.
飞秒脉冲抽运掺镱微结构光纤产生超连续谱的实验研究
王伟, 左玉婷, 董婷婷, 朱维震, 林天旭, 徐海东, 卿源, 韩颖, 齐跃峰, 侯蓝田
2019, 68 (13): 134206. doi: 10.7498/aps.68.20182051
摘要 +
本文利用钛蓝宝石飞秒激光器抽运自制的掺镱微结构光纤, 对微结构光纤中的非线性效应及超连续谱产生机理进行了实验研究. 研究发现, 当抽运光偏离Yb3+吸收最高峰85 nm时, 仍具有较高的发光效率. 在飞秒脉冲抽运下, 位于反常色散区的发射光首先被位于正常色散区的抽运光激发、放大并俘获, 然后演化为超短脉冲, 随后在微结构光纤中产生非线性效应. 微结构光纤1发射光位于零色散波长附近, 产生基阶孤子并在拉曼作用下红移, 微结构光纤2发射光位于距离零色散波长较远的反常色散区, 产生高阶孤子分裂效应形成超连续谱, 但是1380 nm处的OH-吸收限制了超连续谱的进一步展宽. 忽略抽运光耦合效率、微结构光纤损耗等因素的影响, 输出光谱中超连续谱的产生效率最高可以达到98%以上, 意味着几乎所有的残余抽运光和发射光均展宽为超连续谱. 在0.50 m长的微结构光纤中, 获得了较高的波长转换效率和较宽的超连续谱. 通过拉锥处理, 零色散波长发生蓝移, 最终产生的超连续谱相在短波处范围展宽, 而在长波处范围缩短. 因此利用钛蓝宝石飞秒激光器抽运Yb3+掺杂微结构光纤, 可以获得可调谐的超连续谱.
声场中球形空化云中气泡的耦合谐振
张鹏利, 林书玉, 朱华泽, 张涛
2019, 68 (13): 134301. doi: 10.7498/aps.68.20190360
摘要 +
本文从泡群中气泡动力学方程出发, 对泡壁运动方程进行线性约化, 得到球状泡群中气泡谐振频率的表达式, 并给出了泡群中气泡谐振频率与单泡Minnaert频率的修正系数. 讨论了泡群中气泡初始半径、气泡数量、气泡之间距离对谐振频率的影响. 研究结果表明: 考虑到气泡的相互作用后, 球状泡群中气泡的谐振频率明显小于单泡的Minnaert频率. 随着泡群中气泡数量的减少、气泡之间距离增大, 泡群中气泡之间的相互作用减弱, 气泡的谐振频率回归到Minnaert单泡谐振频率. 同时泡群中气泡的谐振频率随气泡之间距离、气泡数量的影响变化梯度也不相同. 泡群中气泡数量越多、气泡距离近越近, 气泡之间相互作用强, 谐振频率变化幅度快.
基于压电材料的薄膜声学超材料隔声性能研究
贺子厚, 赵静波, 姚宏, 蒋娟娜, 陈鑫
2019, 68 (13): 134302. doi: 10.7498/aps.68.20190245
摘要 +
针对低频噪声的隔离问题, 设计了一种基于压电材料的可调控薄膜声学超材料, 该材料由压电质量块嵌入弹性薄膜制成. 建立了材料的有限元分析模型, 并且计算了材料的各阶特征频率与20—1200 Hz频段的传输损失曲线, 并通过实验验证了有限元计算的真实性. 计算结果表明: 此声学超材料在20—1200 Hz频段内隔声性能良好, 存在两个50 dB以上的隔声峰与一个可调式的隔声峰. 通过分析简单结构的首阶共振模态并构建其等效模型, 从理论上探究了结构参数对薄膜声学超材料隔声性能的影响, 并通过有限元计算验证了其等效模型的正确性; 综合分析材料的特征频率与传输损失曲线, 进一步讨论了结构的隔声机理, 分析结果表明, 在特征频率处, 薄膜的“拍动”会导致声波在其后的传播过程中干涉相消, 实现声波的衰减; 通过Fano共振理论, 探究了各共振点处传输损失曲线特征不同的原因; 压电质量块与外接电路组成LC振荡电路, 在电路的共振频率处, 压电材料的振动可以吸收声波的能量从而造成一个隔声峰, 同时可以改变外接电路的参数来调整电路的共振频率, 从而实现对隔声性能的调控. 最后, 探究了压电质量块偏心量对材料性能的影响, 并通过有限元计算验证了材料隔声性能的可调性. 研究结果为可调式薄膜声学超材料的设计提供了理论参考.
深海大接收深度海底混响研究
王龙昊, 秦继兴, 傅德龙, 李整林, 刘建军, 翁晋宝
2019, 68 (13): 134303. doi: 10.7498/aps.68.20181883
摘要 +
海洋混响对主动声纳工作性能的影响不可忽略, 一直是水声学研究中的一个重要课题. 在南海实验中获取了深海混响实验数据, 包含近海底大接收深度的混响信号, 其强度随时间变化存在锯齿形结构. 为对混响数据进行深入分析, 基于射线理论提出了一种深海海底混响模型,能够计算本地混响和异地混响强度, 并可解释深海混响信号的产生过程. 该模型首先对海底散射体进行网格式划分, 然后根据每个网格内散射体产生混响信号的准确时间进行混响计算, 对于传播路径丰富的深海环境比传统按圆环或椭圆环处理散射体的方式更加精确. 在多种收发距离和接收深度条件下, 将数值模拟结果与实验数据进行比较. 结果表明: 对于大接收深度, 混响整体吻合较好; 而靠近海面处的混响, 二者的一致性下降. 分析结果表明, 使用的海底散射系数参数适用于该实验海区, 同时验证了该散射系数模型对于小掠射角海底散射更加准确, 对应深海大接收深度混响.
浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别
孟瑞洁, 周士弘, 李风华, 戚聿波
2019, 68 (13): 134304. doi: 10.7498/aps.68.20190221
摘要 +
浅海波导中, 低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演, 然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约, 导致干涉简正模阶数的判别存在问题. 结合水平线列阵应用, 根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性, 提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模, 进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法. 利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号, 对方法进行了验证. 并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响. 结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大, 可引起方法失效; 声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略; 方法要求单阵元信噪比大于2 dB.
深海大深度声场垂直相关特性
李整林, 董凡辰, 胡治国, 吴双林
2019, 68 (13): 134305. doi: 10.7498/aps.68.20190134
摘要 +
深海声场垂直相关特性对提高垂直阵阵列增益和水下目标探测性能具有重要意义. 基于2014年南中国海实验大跨度垂直阵接收的声信号, 分析了深海直达区、影区和会聚区等不同距离下的大深度声场垂直相关特性, 并使用射线理论解释了深海垂直相关随空间变化机理. 在直达声区内, 声场垂直相关半径几乎可以覆盖整个水深, 且随着深度增加, 直达声和海面反射声到达时间差增加, 相关略有下降. 在声影区内, 声场能量主要来源为经一次海底反射和一到两次海面反射的声线, 垂直相关整体偏低. 第一会聚区内垂直相关系数随着接收深度的增加而周期性振荡, 并且与声能量在深度上的分布具有相似结构, 这是高声强区域两组反转声线在垂直方向上周期性干涉的结果.
基于连续数值模拟的筒仓卸载过程中颗粒物压强及其速度场分析
周益娴
2019, 68 (13): 134701. doi: 10.7498/aps.68.20182205
摘要 +
应用基于局部本构理论的连续数值模拟方法, 研究出口在底部和侧面的颗粒物在类三维矩形容器内的卸载现象. 重点是容器厚度W和出口高度D对颗粒物压强与速度的影响. 受力分析和数值模拟结果均表明, 距离出口较近区域的颗粒物压强与WD呈现如下相关性: 当D/W足够小时, 压强只与D相关; 当D/W足够大时, 压强只与W相关. 且出口在底部和侧面时均有上述结果. 模拟结果还显示, 当出口在底部时, 对于模拟中所有D/W值, 出口中心处法向速度只和D相关; 当出口在侧面时, 颗粒物出口中心处法向速度则与压强变化规律一致. 由此可见, 出口处的压强并不控制颗粒物的出口法向速度. 另外, 与出口在侧面相比, 出口在底部时, 造成流量相关性规律改变的D/W临界值较大, 一般实际情况无法满足, 因此出口中心处法向速度只与D相关, 始终满足Beverloo定律.

编辑推荐

自驱动的Janus微球在具有不同障碍物的表面上的运动行为研究
张红, 宗奕吾, 杨明成, 赵坤
2019, 68 (13): 134702. doi: 10.7498/aps.68.20190711
摘要 +
自驱动粒子在靠近边界尤其是平面上障碍物的边界时, 会展现出奇特的运动行为. 本文通过实验研究了固定于平面上的微米级障碍物的几何效应(包括大小和形状)对双氧水驱动的Janus微球运动行为的影响. 实验结果表明, 当障碍物尺寸超过临界值后, 自驱动的Janus微球会被其“捕获”并沿着其边界定向运动. 自驱动粒子在障碍物边界的停留时间及运动速率随着双氧水浓度的增加而增大, 且其在圆柱形障碍物边界和球形障碍物边界的停留时间及运动速率均随着障碍物直径的增加而增大. 但在相同的双氧水浓度和障碍物直径条件下, 自驱动粒子在圆柱边界上的停留时间比其在球形障碍物边界上长; 在圆柱边界上的运动速率比在球形障碍物边界上小, 揭示了自驱动粒子在障碍物边界上的运动行为与障碍物的几何特性密切相关. 本研究有助于进一步理解自驱动粒子在不同大小及形状的障碍物中的运动特征, 掌握并利用这些特征在诸如设计特殊几何形状来引导自驱动粒子的运动等领域有很好的应用价值.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
Zr, Nb, V在α-Fe(C)中的占位、电子结构及键合作用的第一性原理研究
刘飞, 文志鹏
2019, 68 (13): 137101. doi: 10.7498/aps.68.20182282
摘要 +
采用第一性原理的方法计算了Zr, Nb, V固溶于α-Fe(C)后形成晶胞的体积变化率、晶胞总能、结合能、态密度、电荷布居数及力学性能, 并由此研究了Zr, Nb, V与α-Fe(C)的微观作用机理. 结果表明, V优先置换α-Fe(C)晶胞中顶角位置的Fe原子, 而Zr, Nb优先置换α-Fe(C)晶胞中体心位置的Fe原子. Zr, Nb降低了铁素体的稳定性, Zr比Nb更难固溶于α-Fe(C). V固溶后增加了晶胞结合能, 对晶胞主要起到提高韧性的作用. Zr, Nb, V固溶于铁素体后, Zr, Nb仅与Fe原子形成金属键, 而V与铁素体晶胞中的Fe原子形成了金属键和Fe—V离子键, 其离子键的作用均强于Zr, Nb原子与铁素体晶胞中的键合作用, 是晶胞结合能增加的主要因素. Zr, Nb主要是通过弥散强化的方式改善钢铁材料的力学性能, V固溶能在一定程度上提高铁素体的韧性, 是提高力学性能的主要原因.
第一性原理研究Li2NH的晶格动力学和热力学性质
赵玉娜, 丛红璐, 成爽, 于娜, 高涛, 马俊刚
2019, 68 (13): 137102. doi: 10.7498/aps.68.20190139
摘要 +
采用第一性原理的赝势平面波方法系统地研究了Li2NH的电子结构、晶格动力学和热力学性质. 计算得到的晶格常数与先前的理论和实验结果符合得很好. 运用线性响应理论计算了整个布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度, 发现Li2NH(Pnma)声子色散曲线没有虚频, 动力学性能相对最稳定, 计算结果和先前实验及理论数据符合得很好. 最后, 利用得到的声子态密度进一步预测了Li2NH的热力学性质, 包括晶格振动对Helmholtz自由能、内能、熵和热容的贡献, 计算结果在一定程度上可为Li-N-H储氢体系的应用提供理论指导.
铁基合金薄带多次等温回火特性的研究
许校嘉, 方峥, 陆轩昂, 叶慧群, 范晓珍, 郑金菊, 何兴伟, 郭春羽, 李文忠, 方允樟
2019, 68 (13): 137501. doi: 10.7498/aps.68.20190017
摘要 +
Fe基合金薄带的磁性能对应力敏感, 特别是退火过程应力感生磁各向异性是否可以用回火方法消除, 是一个令人感兴趣的科学问题. 本文采用同步辐射X射线衍射技术, 观测Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄带经外加394.7 MPa应力540 ℃保温30 min退火后, 进行多次等温回火样品的微观结构, 用SupereyesB011型显微摄像机记录样品应力退火和回火过程的宏观伸长量, 并利用HP4294A型阻抗分析仪测量相应样品的磁各向异性. 对实验数据进行曲线拟合后发现, 虽然应力退火过程的残余应力引起的晶格各向异性是产生磁各向异性的主要原因, 但不是唯一原因, 在应力退火过程中非晶基底的蠕变引起的纳米晶晶粒定向团聚, 也是应力退火感生磁各向异性的重要原因; 而且, 因应力退火过程中非晶基底的蠕变引起纳米晶晶粒定向团聚感生的磁各向异性无法用等温回火方法完全消除.
三价镨离子掺杂对铽镓石榴石晶体磁光性能影响的量子计算
蔡伟, 许友安, 杨志勇
2019, 68 (13): 137801. doi: 10.7498/aps.68.20190576
摘要 +
在铽镓石榴石(TGG)晶体中掺杂Pr3+离子能够有效提升材料的磁光性能, 但目前缺乏系统的理论计算阐明此问题. 本文根据量子理论, 分析了掺杂Pr3+离子的影响机理并进行了定量计算. 根据微扰理论解算久期方程, 得到自旋-轨道耦合、晶场、有效场及离子之间的超交换作用下, Tb3+, Pr3+离子的能级位移及波函数; 进一步解算出Tb3+, Pr3+离子自基态4f至5d的跃迁电偶极矩、各能级上的分布概率及平均磁矩; 获得了Pr:TGG晶体的维尔德常数和磁化率, 以及维尔德常数与Pr3+离子掺杂量之间的关系. 研究结果表明: 由于Pr3+离子引起的法拉第旋转角较Tb3+离子大, 同时Tb3+离子和Pr3+离子之间强烈的超交换作用引起了能级的进一步分裂, 导致Pr:TGG晶体维尔德常数明显提升; 掺杂Pr3+离子后, 晶体内部有效磁矩增高, 磁化率增大, 且温度依赖性降低; 维尔德常数数与Pr3+离子掺杂量成分段线性关系, 当晶体内部的Tb3+离子和Pr3+离子含量相等时, 达到最大值. 本文的计算结果与已有的实验数据符合较好.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强
江孝伟, 武华, 袁寿财
2019, 68 (13): 138101. doi: 10.7498/aps.68.20182173
摘要 +
为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收. 本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ1 = 0.553 μm、λ2 = 0.769 μm、λ3 = 1.130 μm三通道上提高了石墨烯吸收效率, 石墨烯吸收效率最高可达41%. 对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振. 经过模拟分析可知, 通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率, 而石墨烯化学势仅能对共振峰λ3的吸收效率有影响. 最后优化结构参数, 在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上, 这可以作为超材料吸收器.
锂离子电池正极材料Li2MnO3稀土掺杂的第一性原理研究
郑路敏, 钟淑英, 徐波, 欧阳楚英
2019, 68 (13): 138201. doi: 10.7498/aps.68.20190509
摘要 +
掺杂是锂离子电池电极材料优化改性的一种有效的方法. 稀土元素因其具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力, 成为掺杂改性的重要选择. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La, Ce, Pr, Sm)掺杂的锂离子电池正极材料Li2MnO3的性质. 通过稀土元素的掺杂, Li2MnO3材料的晶格常数和晶胞体积都有不同程度的增大. 由于稀土原子的价态不同, 导致掺杂后的Li2MnO3的电子结构性质不同. La掺杂的Li2MnO3表现出金属性, 而Ce, Pr, Sm掺杂的结构为半导体性质, 但带隙与未掺杂情况下相比有所减小. Li2MnO3中的Li离子迁移在La和Ce掺杂后展示出复杂的能垒变化. 在远离稀土离子处, Li离子迁移势垒比未掺杂时减小, 但在靠近稀土离子处则表现为势垒变化的多样性. 当Li离子在离稀土离子最近的位置处进行迁移, 势垒有明显的增加, 这一结果与稀土离子周围的局域结构变化大密切相关.
环状聚合物及其对应的线性链熔体在启动剪切场下流变特性的分子动力学模拟研究
杨俊升, 黄多辉
2019, 68 (13): 138301. doi: 10.7498/aps.68.20190403
摘要 +
$\dot \gamma < 1 \times {10^{ - 4}}{\tau ^{ - 1}}$)环状链分子体系相比于同分子量的线性链体系并没有出现明显的过冲现象. 该结果表明, 在启动剪切场下环状分子与其对应的线性链相比较表现出了更弱的分子形变, 同时模拟结果也与最近实验观察的结果一致. 为了进一步探究这种现象背后的分子机理, 在分子层面统计了不同流场强度下, 链段的长度和取向角分布随着应变的演化, 统计结果证明了环状聚合物分子链段弱的形变是导致其弱的剪切变稀和峰值应变的主要因素. 本文还给出了过冲点和稳态在不同剪切速率下环状分子与其对应的线性链的流变特性(过冲应变、最大应力、最大黏性和稳态黏性)、结构和取向参数与维森伯格数(WiR)所满足的标度关系.">采用非平衡分子动力学方法研究了环状聚合物及其对应的线性链熔体在启动剪切场下的结构与流变特性. 模拟结果显示: 低剪切速率下($\dot \gamma < 1 \times {10^{ - 4}}{\tau ^{ - 1}}$)环状链分子体系相比于同分子量的线性链体系并没有出现明显的过冲现象. 该结果表明, 在启动剪切场下环状分子与其对应的线性链相比较表现出了更弱的分子形变, 同时模拟结果也与最近实验观察的结果一致. 为了进一步探究这种现象背后的分子机理, 在分子层面统计了不同流场强度下, 链段的长度和取向角分布随着应变的演化, 统计结果证明了环状聚合物分子链段弱的形变是导致其弱的剪切变稀和峰值应变的主要因素. 本文还给出了过冲点和稳态在不同剪切速率下环状分子与其对应的线性链的流变特性(过冲应变、最大应力、最大黏性和稳态黏性)、结构和取向参数与维森伯格数(WiR)所满足的标度关系.
低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备
韩昊轩, 张国峰, 张雪, 梁恬恬, 应利良, 王永良, 彭炜, 王镇
2019, 68 (13): 138501. doi: 10.7498/aps.68.20190483
摘要 +
超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器, 在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用. 本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计, 由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型, 增强其抗干扰性. 磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成, 其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合. 利用自主工艺平台, 在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备. 低温测试结果显示, 该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ0, 白噪声段磁通噪声为8 μΦ0/√Hz, 等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.
P波间期的心脏电流源重建及电活动磁成像
周大方, 蒋式勤, 赵晨, Petervan Leeuwen
2019, 68 (13): 138701. doi: 10.7498/aps.68.20190005
摘要 +
用超导量子干涉仪在人体胸腔表面测量的磁场数据重建心脏电流源及其成像, 是一种无创获取心脏电活动信息的新技术. 由于P波间期的心脏磁信号比R波峰值弱, 信噪比较低, 本文提出了一种可提高分布源空间谱估计强度对比度(IIC)的波束成形方法. 该方法分两步: 1)在空间滤波器的加权矩阵中引入导联场矩阵, 使滤波器输出估计对磁场电流源及其分布比较敏感. 通过求解逆问题, 可以改进重建分布源强度的对比度; 2)通过设置源强度阈值, 提取每个时刻重建源中偶极矩强度极大的电流源, 消除其他位置上相对弱的伪源, 可提高P波间期电流源重建的精度. 文中采用理论分析与仿真试验, 比较了IIC与3种其他电流源重建方法的性能. 结果表明, IIC的单源空间谱估计的强度对比度较高, 电流源重建精度相对较好. 文中还分析了2个健康人的61通道心磁测量数据, 以及他们P波间期的心脏电活动成像. 与其他3种方法相比, IIC的电流源成像结果最优. 能够显示健康人P波峰时刻心房的电活动较心室强. P波间期右心房除极时, 心脏电活动具有方向特征.
地球物理学、天文学和天体物理学
源自弦景观的有效Quintessence
翟韩豫, 申佳音, 薛迅
2019, 68 (13): 139501. doi: 10.7498/aps.68.20190282
摘要 +
$ {\varLambda _{{\rm{eff}}}}$, 其行为对于弦景观表现为单调下降的类quintessence势能, 对于大部分具有裸的正真空能量密度的沼泽地, 有效宇宙学常数随时间的演化会出现局域极小. 将光度距离的计算结果与天文观测值做对比, 我们得到负宇宙学常数也可以使宇宙产生加速膨胀, 因而用亚稳的de Sitter真空来解释宇宙后期的加速膨胀是不必要的, 沼泽地猜想所导致的沼泽地模型与后期宇宙加速膨胀不相容性的困难也就不存在了.">最近Vafa等人提出了两个弦沼泽地的判据, 并且在研究宇宙学中两个弦沼泽地判据所施加的约束条件时, 发现暴胀模型通常与这两个判据很难相容. 将这两个判据应用于当前时期宇宙的加速膨胀时, 发现特定的quintessence模型可以满足这些限制, 同时满足根据当前观测所施加的约束. 基于大尺度洛伦兹破缺的宇宙学模型, 我们得到了修正的Friedmann方程, 在计算的过程中给出了三种可行的近似, 并定义了一个有效的真空能量密度$ {\varLambda _{{\rm{eff}}}}$, 其行为对于弦景观表现为单调下降的类quintessence势能, 对于大部分具有裸的正真空能量密度的沼泽地, 有效宇宙学常数随时间的演化会出现局域极小. 将光度距离的计算结果与天文观测值做对比, 我们得到负宇宙学常数也可以使宇宙产生加速膨胀, 因而用亚稳的de Sitter真空来解释宇宙后期的加速膨胀是不必要的, 沼泽地猜想所导致的沼泽地模型与后期宇宙加速膨胀不相容性的困难也就不存在了.
基于射电观测的日冕物质抛射驱动激波的统计特征研究
周坤论, 丁留贯, 王智伟, 封莉
2019, 68 (13): 139601. doi: 10.7498/aps.68.20190223
摘要 +
本文基于Wind/WAVES和STEREO/SWAVES等多卫星射电观测资料, 选择第24太阳活动周2007年1月至2015年12月期间77个II型射电暴样本事件, 拟合其激波速度, 分析了激波参数与日冕物质抛射(CME)、耀斑和太阳高能粒子(SEP)等参数的相关关系及变化规律, 并探讨了射电增强对这些关系的影响. 研究结果显示: 1)在II型射电暴十米百米(DH)波段范围起始时刻, 激波高度比CME前沿高度略高一点, 即激波脱体距离(standoff distance)约0.4 Rs, 且这个高度随CME向外传播而增大. 在低日冕和高日冕, 激波脱体距离随CME速度的变化呈现明显相反的规律; 在低高度上, CME速度快, 激波脱体距离大, 而在高高度上, CME速度慢, 脱体距离大. 2)射电增强伴随事件的CME速度明显大于无射电增强事件; 射电增强伴随事件的激波速度与CME质量、动能的相关性明显好于无射电增强伴随事件. 3)有射电增强伴随的II型射电暴DH波段持续时间与CME速度、质量、动能之间无明显相关性, 而无射电增强事件的DH波段持续时间与这三个量之间呈正相关. 4)产生SEP事件的激波速度明显大于未产生SEP事件的激波速度; 有射电增强伴随的II型射电暴(激波)事件产生SEP事件的比例略高于无射电增强事件(73.5% > 67.4%), 但射电增强事件产生大SEP事件(large SEP event)的比例(67.6%)明显高于无射电增强事件(37.2%). 进一步表明, II型射电暴射电增强可作为其驱动源(激波)大概率产生大SEP事件的辨别信号之一.