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Vol. 68, No. 14 (2019)

2019年07月20日

专题

等离激元增强光与物质相互作用

编者按:

光学是现代科学和技术的基础:现代科学的两大支柱量子力学和相对论是建立在对黑体辐射、光电效应和光速不变性等的深刻理解基础之上的;光通讯、显示、存储和计算等光信息技术, 光伏和 LED 等光能源技术, 激光诊断和治疗等光医疗技术, 以及激光加工和制造技术等先进光学技术的发展, 极大地推动了人类社会的进步. 随着纳米科学和光学器件小型化的发展, 光学进入了微纳时代. 比如紫外到可见光的波长范围大约在100—760 nm, 微纳尺度的研究对象是小于光波长的, 这就需要研究突破光的衍射极限的新现象、新物理和新术. 表面等离激元是金属表面自由电子的集体振荡, 是固体中的一种元激发, 具有准粒子特性, 具有奇特的光学性质和强烈的共振效应, 能够把光束缚在纳米结构表面, 从而克服光的衍射极限. 表面等离激元的光学特性取决于形态各异的纳米结构, 有着丰富的物理和广阔的应用前景, 是纳米光学研究的重要基础, 对相关现象的研究迅速发展成一门新兴的学科 — 等离激元光子学. 


等离激元光子学是一门高度交叉的前沿科学, 涉及光学、凝聚态物理、化学、生命科学、材料科学等众多科学门类, 也孕育了众多极具广泛应用前景的技术, 如具有单分子灵敏度的超灵敏光谱检测、等离激元光催化、超构材料/超构表面成像及隐身技术等, 有望为信息、生物、能源等领域带来众多突破性的变革. 为了帮助读者系统了解等离激元光子学领域的最新进展, 推动对等离激元增强光与物质相互作用研究的进一步深入, 本刊特组织“等离激元增强光与物质相互作用”专题, 邀请部分活跃在本领域前沿方向的专家, 从等离激元的激发、耦合、传播、弛豫、调控、与物质相互作用等基础研究方面, 以及光波导、光催化、光镊、增强光谱、人工超构材料等应用研究方面, 综述最新的进展、问题、现状和展望. 希望这个专题能够为国内等离激元光子学领域的学术交流做一些贡献, 推动这一新兴领域向更高水平发展, 与更多学科进行更广泛的交叉, 并推动部分技术的推广应用.


客座编辑:武汉大学 徐红星 物理学报.2019, 68(14).
专题: 等离激元增强光与物质相互作用
专题
专题:等离激元增强光与物质相互作用
专题
总论 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
专题:等离激元增强光与物质相互作用
表面等离激元传播的调制
张文君, 高龙, 魏红, 徐红星
2019, 68 (14): 147302. doi: 10.7498/aps.68.20190802
摘要 +
光学衍射极限极大地制约了纳米光子器件的发展和应用. 基于表面等离激元的纳米器件由于具有突破衍射极限传播和处理光信号的特性而受到广泛关注. 通过调控表面等离激元的传播, 可以实现纳米尺度上光信号的调制, 对片上集成纳米光子回路和光信息处理技术的发展具有重要意义. 本文主要介绍了表面等离激元传播调制的基本原理及近年来的研究进展, 并分析了不同类型的表面等离激元传播调制的特点.
表面增强光学力与光操纵研究进展
汪涵聪, 李志鹏
2019, 68 (14): 144101. doi: 10.7498/aps.68.20190606
摘要 +
金属纳米结构在光激发下产生的表面等离激元, 可导致亚波长光场局域、近场增强等效应, 在表面增强光谱、超灵敏传感、微流控芯片、光学力等方面有重要的应用. 对于光学力而言, 首先, 由于表面等离激元共振及其导致的电场增强对于入射波长、几何结构等具有较强的依赖性, 而光学力又与电场分布密切相关, 所以可利用光镊(会聚光束)来操纵或筛选金属纳米颗粒; 其次, 入射光激发金属纳米颗粒聚集体后, 在间隙形成的较大的近场增强和梯度, 也可看作一种“等离激元镊”, 用于操纵其他颗粒; 最后, 当入射光的偏振改变甚至为新型光束的情况下, 光学操纵将具有更高的自由度. 本文首先简要介绍了表面等离激元增强光学力的计算; 之后围绕光镊作用于等离激元金属纳米颗粒, 等离激元镊作用于其他颗粒, 与偏振、新型光场或手性结构相关的等离激元光学力这三个方面, 综述了近年来表面等离激元金属纳米颗粒光学力和光操纵的一些新进展; 最后提出了表面增强光学力与光操纵的若干研究趋势.
微纳光子结构中光子和激子相互作用
段雪珂, 任娟娟, 郝赫, 张淇, 龚旗煌, 古英
2019, 68 (14): 144201. doi: 10.7498/aps.68.20190269
摘要 +
微纳光子结构中超强的光场局域给光和物质相互作用带来了新的研究机遇. 通过设计光学模式, 微纳结构中的光子和激子可以实现可逆或者不可逆的能量交换作用. 本文综述了我们近年来在微纳结构, 尤其是表面等离激元及其复合结构中光子和激子在强弱耦合区域的系列研究工作, 如高效可调谐及方向性的单光子发射, 利用电磁真空构造增强光子和激子的耦合等. 这些工作为微纳尺度上光和物质作用提供了新的物理内容, 在芯片上量子信息过程及可扩展的量子网络构建中有潜在应用.
表面等离激元光热效应研究进展
王善江, 苏丹, 张彤
2019, 68 (14): 144401. doi: 10.7498/aps.68.20190476
摘要 +
表面等离激元微纳结构能够将光场束缚在亚波长尺度, 实现突破光学衍射极限的光操控, 并显著增强光与物质的相互作用. 在基于表面等离激元机理的光电器件研究中, 微纳结构的自身光吸收通常被认为是损耗, 而通过光热效应, 光吸收则可有效利用并转换成热能, 其中的物理过程研究和应用是当前等离激元学领域的热点方向. 本文回顾了近年来表面等离激元微纳结构光热效应的相关工作, 聚焦于表面等离激元热效应的物理过程、热产生和热传导调控方式的研究进展. 在此基础上, 介绍了表面等离激元微纳结构在微纳加工、宽谱光热转换等方面的应用.
表面等离激元纳米聚焦研究进展
李盼
2019, 68 (14): 146201. doi: 10.7498/aps.68.20190564
摘要 +
表面等离激元是束缚于金属纳米结构表面的电磁模式, 具有突破光学衍射极限和局域场增强等特点. 当表面等离激元沿一维锥形纳米结构表面传播时, 由于纳米聚焦效应, 使得等离激元能量汇聚于锥形结构的纳米尖端, 从而在该位置产生巨大的局域场增强. 这一现象为电磁场能量在纳米尺度的定向输送提供了十分有效的路径, 在分子光谱增强及传感领域得到广泛的应用. 本文对近年来表面等离激元纳米聚焦在纳米光子学领域的研究进展进行了综述, 并展望了这一领域未来的发展方向.
表面等离激元调控化学反应
张宝宝, 张成云, 张正龙, 郑海荣
2019, 68 (14): 147102. doi: 10.7498/aps.68.20190345
摘要 +
表面等离激元是金属与介质表面自由电子的集体振荡, 能够突破衍射极限, 将光束缚在纳米结构表面附近极小的空间内, 为纳米尺度的光操控提供可能. 利用表面等离激元共振, 不仅可以增强局域表面电磁场强度, 实现对表面附近分子荧光和拉曼信号的极大增强, 而且等离激元弛豫诱导的热电子还可以调控表面分子的化学反应, 提高反应速率和选择性, 即等离激元调控(催化)化学反应. 作为一种新型催化体系, 等离激元催化已经实现了多种传统光催化中难以发生的化学反应, 是表面等离激元领域的前沿热点问题. 由于等离激元催化反应的复杂性与多样性, 其反应动力学过程的完全表征和反应机理的揭示仍然是一个巨大的挑战. 精确表征催化反应的中间及最终产物, 获取反应动力学过程中更多的细节信息, 对于探索等离激元催化机理, 以及设计更为合理高效的催化体系极为重要. 本文围绕等离激元催化的最新研究进展, 总结并探讨等离激元催化中所使用的各种表征技术. 首先, 简单介绍了等离激元催化的基本概念和催化机理. 其次, 综述了拉曼光谱(包括表面/针尖增强拉曼光谱), 在等离激元催化原位监测中的应用, 并进一步详细介绍了气相色谱法、气相色谱-质谱联用、高效液相色谱法、扫描透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、扫描电化学显微镜、紫外可见吸收光谱等技术在等离激元催化反应研究中的重要作用. 最后, 探讨了这些表征技术在等离激元催化动力学过程研究和催化机理探索中的特点与优势, 并展望了等离激元催化及相关表征技术的发展与挑战.
量子等离激元光子学在若干方向的最新进展
徐飞翔, 李晓光, 张振宇
2019, 68 (14): 147103. doi: 10.7498/aps.68.20190331
摘要 +
等离激元光子学是围绕表面等离激元的原理和应用的学科, 是纳米光学的重要组成部分. 表面等离激元的本质是局域在材料界面纳米尺度内的多电子元激发. 这一元激发可以与电磁场强烈耦合, 使得我们可以通过纳米尺度结构接收, 调控和辐射微米尺度光信息, 并由此衍生出等离激元光子学的诸多应用. 近年来, 随着纳米加工尺度逼近量子极限, 等离激元的量子特性受到了广泛关注. 量子尺度的等离激元承接电子的波动性和光的粒子性, 以其独特的內禀属性, 在量子信息、高效光电器件、高灵敏探测等方面表现出十分诱人的前景. 本综述重点介绍量子等离激元近年来的发展现状, 回顾相关理论的发展以及与等离激元量子特性相关的一些突破性成果. 最后对量子等离激元未来的发展进行了展望.

封面文章

旋转对称表面等离激元结构中极端局域光场的准正则模式分析
周强, 林树培, 张朴, 陈学文
2019, 68 (14): 147104. doi: 10.7498/aps.68.20190434
摘要 +
金属微纳结构中表面等离激元能够将自由空间光场局域到亚波长甚至纳米尺度, 增强光与物质相互作用等各种物理过程, 为等离激元光学在诸多领域带来诱人的应用. 然而, 目前对表面等离激元光学模场的局域性定量描述仍主要基于直观的空间几何尺寸确定的模式体积, 并常被用于刻画模场与物质相互作用的强度. 本文基于准正则模理论发展了表征表面等离激元结构中光场局域的理论描述方法, 并针对两类典型结构的表面等离激元共振进行了系统的模式分析. 结果显示表面等离激元共振可由多个本征模式构成, 观察到的光场局域是所有模式共同作用的结果, 只有当共振对应单一模式时可以用该本征模式的模式体积描述光场局域. 最后, 基于上述结果, 本文探讨了极端局域光场和近来出现的“皮米腔”的光场局域本质.
等离激元材料和器件的动态调控研究进展
束方洲, 范仁浩, 王嘉楠, 彭茹雯, 王牧
2019, 68 (14): 147303. doi: 10.7498/aps.68.20190469
摘要 +
等离激元学连接着光子学和电子学, 在光产生、显微显示、数据存储、光集成和光子芯片、传感技术和纳米制造技术等方面展示出重要应用, 正极大地促进既拥有纳米电子学的尺寸又兼有介电光子学速度的新一代信息材料和器件的发展. 但是, 传统上绝大部分等离激元材料和器件都是基于静态的设计, 即一旦被制备, 其性能也就确定, 人们无法根据需求进行实时的主动调控. 因此, 近年来人们开始从应用需求出发, 致力于研制动态调控的等离激元材料和器件. 本文总结等离激元材料和器件的动态调控研究进展, 给出动态调控等离激元材料和器件的基本原理, 即通过动态改变材料中金属微纳结构的等效介电函数、动态调节系统外部环境、动态控制结构中的耦合效应等, 实现对等离激元材料和器件性能的实时动态控制. 在此基础上, 分别以等离激元材料、等离激元超构材料、等离激元超构表面等为例, 展示在电、光、力、温度、环境等外部作用下相关材料和器件性能的实时改变和动态控制, 期望推动发展新型亚波长光电功能材料和器件.
表面等离激元耦合体系及其光谱增强应用
朱旭鹏, 石惠民, 张轼, 陈智全, 郑梦洁, 王雅思, 薛书文, 张军, 段辉高
2019, 68 (14): 147304. doi: 10.7498/aps.68.20190782
摘要 +
当入射电磁波频率与金属微纳米结构中自由电子的集体振荡频率相当时, 金属微纳米结构中激发表面等离激元共振, 其共振电磁场被强束缚在亚波长尺度以下界面附近, 使其具备极大的电磁场局域能力. 这一效应可以极大程度地增强电磁波与物质的相互作用, 在金属表面等离激元耦合体系中尤为明显. 本文简述了表面等离激元耦合效应、模式耦合理论以及对应的结构耦合体系. 另外, 还介绍了一类典型耦合体系在光谱增强中的重要应用, 主要包括增强折射率传感、表面增强红外吸收、表面增强拉曼散射、表面增强光学非线性效应等.

编辑推荐

金属亚波长结构的表面增强拉曼散射
秦康, 袁列荣, 谭骏, 彭胜, 王前进, 张学进, 陆延青, 朱永元
2019, 68 (14): 147401. doi: 10.7498/aps.68.20190458
摘要 +
灵敏度高、可重复性好的固态表面增强拉曼散射基板可作为生物医学、环境科学、化学化工、纳米科技等领域的生化感测器, 具有十分重要的实际应用价值. 传统的表面增强拉曼散射基于金属颗粒提供的局域表面等离谐振这一物理机制, 但其组装不易且模式损耗大. 本文基于周期性金属亚波长结构, 构建增强拉曼散射信号的“热点”, 同时保证测量信号的可重复性. 从表面光子能带结构出发, 提出了区别于局域表面等离谐振的其他三种增强机制: 表面等离子极化激元带边增强机制、间隙等离子极化激元增强机制以及二者相耦合增强机制. 采用一定的工艺, 提高金属表面平整度, 抑制表面等离子极化激元的传播损耗, 从而提高表面增强拉曼散射的增强因子. 理论结合实验, 且二者一致性好. 研究结果有望将表面增强拉曼散射光谱技术进一步向实用化方向推进.
表面等离激元“热点”的可控激发及近场增强光谱学
冯仕靓, 王靖宇, 陈舒, 孟令雁, 沈少鑫, 杨志林
2019, 68 (14): 147801. doi: 10.7498/aps.68.20190305
摘要 +
金属纳米结构中特定表面等离激元模式的光学激发及其相互作用是发展高分辨、高灵敏、高精度界面光谱学的物理基础. 本文综述了我们研究组近期在表面等离激元共振的光学激发、分类识别、近场增强及在界面光谱学中的应用等方面的进展, 主要内容包括: 1)利用时域有限差分法, 分析了金属粒子-基底体系中SPR“热点”产生的物理机制及影响因素, 讨论了电模式和磁模式下界面“热点”的可控激发及“热点”转移的影响因素; 2)利用粒子-金膜体系, 实现了可见光频率的表面等离激元磁共振, 并利用其形成的“热点”进行了表面增强拉曼光谱实验, 获得了比常规电模式更高的拉曼增强; 3)通过界面SPR“热点”增强二次谐波的实验和理论研究, 提出并实现了空间分辨率达到1 nm的等离激元增强二次谐波纳米尺; 4)讨论了针尖增强拉曼光谱及针尖增强荧光体系中的空间分辨率、定向发射等关键共性问题的解决方案. 相关研究成果可为界面SPR“热点”的可控激发及进一步发展表面增强拉曼、针尖增强拉曼、表面等离激元增强二次谐波等各类高灵敏度, 高空间分辨率的界面光谱学方法提供新的思路.
基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展
姚尧, 沈悦, 郝加明, 戴宁
2019, 68 (14): 147802. doi: 10.7498/aps.68.20190702
摘要 +
电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要, 长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一. 本文简略回顾了传统的减反的理论与方法; 侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展, 主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合, 传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿, 超构材料诱导金属透明, 人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作; 探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.
石墨烯等离激元增强红外光谱
吴晨晨, 郭相东, 胡海, 杨晓霞, 戴庆
2019, 68 (14): 148103. doi: 10.7498/aps.68.20190903
摘要 +
红外光谱能够精准反映分子振动的信息, 是表征材料成分和结构的重要手段. 但是纳米尺度材料与微米尺度红外光波长之间约三个数量级的尺寸失配导致两者之间相互作用十分微弱, 无法直接进行红外光谱表征. 因此如何获得微量纳米材料的红外光谱信息成为了近年来红外光谱领域面临的关键挑战. 等离激元能够将光场压缩实现局域光场增强, 从而增强光与物质的相互作用. 其中石墨烯等离激元因其具有高光场压缩、电学动态可调和低本征衰减等优点, 为表面增强红外光谱提供了重要的解决方案. 本文首先从不同材料体系出发介绍了红外等离激元, 在此基础上从石墨烯的基本性质出发总结石墨烯等离激元及其在表面增强红外光谱上的优势, 并重点介绍了石墨烯等离激元增强红外光谱的最新进展和应用, 包括单分子层生物化学探测、气体识别和折射率传感等. 最后对石墨烯等离激元增强红外光谱的下一步发展方向和应用前景进行了展望.
表面等离激元增强的光和物质相互作用
虞华康, 刘伯东, 吴婉玲, 李志远
2019, 68 (14): 149101. doi: 10.7498/aps.68.20190337
摘要 +
表面等离激元近年来受到了广泛的关注. 得益于表面等离激元的强局域约束作用, 光场和能量被限制在亚波长尺度上, 因而各种光和物质相互作用可得到显著的增强. 表面等离激元的特性与材料、形貌、结构密切相关, 相应的共振波长可覆盖紫外、可见光、近红外到远红外的光谱波段. 由于表面等离激元的强局域电场, 光与物质的相互作用, 如荧光、拉曼散射、非线性光学、光热转换、光-声效应、催化、光伏转换等, 都得以显著增强. 本文简要回顾了表面等离激元的物理特性, 具体讨论了各种基于表面等离激元增强的光和物质相互作用机理及相关应用, 并探讨了存在的问题和进一步发展的方向. 本文旨在为构造更高性能的表面等离激元器件, 发展相关技术, 进一步拓展表面等离激元的应用领域提供有益的参考.
专题: 等离激元增强光与物质相互作用
等离激元共振能量转移与增强光催化研究进展
周利, 王取泉
2019, 68 (14): 147301. doi: 10.7498/aps.68.20190276
摘要 +
等离激元共振能量转移指表面等离激元将俘获的能量通过偶极-偶极相互作用转移到邻近的半导体或分子等激子体系中, 它是等离激元非辐射弛豫的一个通道, 也可作为获取和利用等离激元共振能量的一种方式. 此外, 等离激元能量还可以通过热电子弛豫(非辐射)和光散射(辐射)等方式耗散. 等离激元各个弛豫通道之间存在着很强的关联, 相关的能量转移和电荷转移过程可以将等离激元耗散的能量输送到其他体系或转换为其他能量形式. 本文主要介绍了等离激元共振能量转移和与其相关的能量和电荷转移过程(包括等离激元近场增强及耦合、远场散射、热电子弛豫等)的物理机制和动力学性质, 并详细介绍了这些机制在增强光催化研究领域的最新进展.
总论
一类扰动Kadomtsev-Petviashvili方程的雅可比椭圆函数解的收敛性探讨
焦小玉, 贾曼, 安红利
2019, 68 (14): 140201. doi: 10.7498/aps.68.20190333
摘要 +
$u$关于变量$y$的导数阶数$n$, 若$n\leqslant 1$ ($n\geqslant 3$), 则减小(增大)$|a/b|$致使收敛性改善; 其次, 减小$\varepsilon$, $|\theta-1|$以及$|c|$均有助于改进收敛性. 在更一般情形下, 仅当微扰项的导数阶数为偶数时, 扰动KP方程才存在雅可比椭圆函数解.">为构造一类扰动Kadomtsev-Petviashvili (KP)方程的级数解, 利用同伦近似对称法求出三种情形下具有通式形式的相似解以及相应的相似方程. 而且, 对于第三种情形下的前几个相似方程, 雅可比椭圆函数解亦遵循共同的表达式, 这可以产生形式紧凑的级数解, 从而为收敛性的探讨提供便利: 首先, 对于扰动KP方程的微扰项, 给定$u$关于变量$y$的导数阶数$n$, 若$n\leqslant 1$ ($n\geqslant 3$), 则减小(增大)$|a/b|$致使收敛性改善; 其次, 减小$\varepsilon$, $|\theta-1|$以及$|c|$均有助于改进收敛性. 在更一般情形下, 仅当微扰项的导数阶数为偶数时, 扰动KP方程才存在雅可比椭圆函数解.

封面文章

三维地形频率域井筒电磁场区域积分方程法模拟
李静和, 何展翔, 孟淑君, 杨俊, 李文杰, 廖小倩
2019, 68 (14): 140202. doi: 10.7498/aps.68.20190330
摘要 +
井筒电磁法作为一种高效的地球物理勘探技术特别适合我国地形复杂地区(沙漠、高山等)的油气资源勘探. 地形起伏区域对井筒电磁响应的观测具有严重影响, 但到目前为止人们对三维井筒电磁地形效应特征的研究十分有限. 本文提出基于区域划分的积分方程法模拟带地形频率域井筒电磁系统响应, 与基于偏微分方程的有限差分、有限单元法相比, 该方法能更高效地模拟地形响应. 首先根据地形起伏情况定义感应数, 将地形条件下目标体的井筒电磁场模拟区域划分为参考模型、背景介质及目标体介质分布子区域, 针对各子区域的模拟计算特点, 配置Anderson算法、稳定型双共轭梯度-快速傅里叶积分方程算法, 从而获得三维地形频率域井筒电磁场响应. 通过将计算结果与半空间模型的Anderson算法解析解、带山谷地形模型的其他已发表的三维边界积分方程结果进行对比, 检验了本文算法的精度及高效性. 最后, 系统分析了山谷地形对井筒电磁地井观测系统电磁场响应的影响特征. 本文研究结果对三维井筒电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.
基于分裂格式有限点集法对孤立波二维非线性问题的模拟
任金莲, 任恒飞, 陆伟刚, 蒋涛
2019, 68 (14): 140203. doi: 10.7498/aps.68.20190340
摘要 +
在提出一种基于时间分裂格式的纯无网格有限点集(split-step finite pointset method, SS-FPM)法的基础上, 数值模拟了含孤立波的二维非线性薛定谔 (nonlinear Schrödinger, NLS) / (Gross-Pitaevskii, GP) 方程. SS-FPM的构造过程为: 1) 基于时间分裂的思想将非线性薛定谔方程分成线性导数项和非线性项; 2) 采用基于Taylor展开和加权最小二乘法的有限点集法, 借助Wendland权函数, 对线性导数项进行数值离散. 随后, 模拟了带有Dirichlet和周期性边界条件的NLS方程, 将所得结果与解析解做对比. 数值结果表明: 给出的SS-FPM粒子法的优点是在粒子分布非均匀情况下仍具有近似二阶精度, 且较网格类有限差分算法实施容易, 较已有改进的光滑粒子动力学方法计算误差小. 最后, 运用SS-FPM对无解析解的二维周期性边界NLS方程和Dirichlet边界玻色-爱因斯坦凝聚二分量GP方程进行了数值预测, 并与其他数值结果进行对比, 准确展现了非线性孤立波奇异性现象和量子化涡旋过程.
适用复杂几何壁面的耗散粒子动力学边界条件
林晨森, 陈硕, 肖兰兰
2019, 68 (14): 140204. doi: 10.7498/aps.68.20190533
摘要 +
耗散粒子动力学(DPD)是一种针对介观流体的高效的粒子模拟方法, 经过二十多年发展已经在诸如聚合物、红细胞、液滴浸润性等方面有了很多研究应用. 但是因为其边界处理手段的不完善, 耗散粒子动力学模拟仍局限于相对简单的几何边界问题中. 本文提出一种能自适应各种复杂几何边界的处理方法, 并能同时满足三大边界要求:流体粒子不穿透壁面、边界处速度无滑移、边界处密度和温度波动小. 具体地, 通过给每个壁面粒子赋予一个新的矢量属性—局部壁面法向量, 该属性通过加权计算周围壁面粒子的位置得到;然后通过定义周围固体占比概念, 仅提取固体壁面的表层粒子参与模拟计算, 减少了模拟中无效的粒子;最后在运行中, 实时计算每个流体粒子周围固体粒子占比, 判断是否进入固体壁面内, 如果进入则修正速度和位置. 我们将这种方法应用于Poiseuille流动, 验证了该方法符合各项要求, 随后还在复杂血管网络和结构化固体壁面上展示了该边界处理方法的应用. 这种方法使得DPD模拟不再局限于简单函数描述的壁面曲线, 而是可以直接从各种设计图纸和实验扫描影像中提取壁面, 极大地拓展了DPD的应用范围.
纳米流体液膜蒸发自组装双尺度沉积结构三维模拟
高超, 袁俊杰, 曹进军, 杨荟楠, 单彦广
2019, 68 (14): 140205. doi: 10.7498/aps.68.20190270
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纳米流体液膜在自然状态下蒸发干燥后除了形成单一尺度的网状连续结构、枝状分形结构以及微尺寸环结构等沉积结构, 还会形成双尺度细胞网络沉积结构和双尺度纳米粒子环状沉积结构. 为了更直观地研究纳米流体液膜双尺度沉积结构的形成机理, 本文在二维动力学蒙特卡罗模型的基础上, 建立了三维动力学蒙特卡罗模型, 并加入了耦合溶剂蒸发率的动态化学势, 成功模拟出了双尺度细胞网络沉积结构和双尺度纳米粒子环状沉积结构, 并讨论了动态化学势中化学势锐度与流体临界蒸发率对纳米流体液膜蒸发自组装双尺度沉积结构的影响. 模拟结果与文献中的实验结果吻合良好.
基于量子算法的量子态层析新方案
杨乐, 李凯, 戴宏毅, 张明
2019, 68 (14): 140301. doi: 10.7498/aps.68.20190157
摘要 +
$ \kappa $和估计精度$ \varepsilon $的倒数的复杂度均为$ O(\mathrm{poly}\log d) $, 且所需同时制备的量子态数目规模是$ O(d) $时, 本方案可将量子态层析整体算法的时间复杂度从$ O(d^4) $降为$ O(d \mathrm{poly}\log d) $.">在经典信息可有效制备为量子态和量子算法可物理实现的条件下, 深入研究了量子算法如何有效改善基于线性回归估计的量子态层析算法的时间复杂度问题. 在已有的量子算法基础上, 形成了量子态层析的新方案. 与现有的经典算法相比, 本文所提方案需要引入量子态制备和额外的测量环节, 但能显著降低量子态层析的时间复杂度. 对于维数为d的待重构密度矩阵, 当所用的量子算法涉及的矩阵的条件数$ \kappa $和估计精度$ \varepsilon $的倒数的复杂度均为$ O(\mathrm{poly}\log d) $, 且所需同时制备的量子态数目规模是$ O(d) $时, 本方案可将量子态层析整体算法的时间复杂度从$ O(d^4) $降为$ O(d \mathrm{poly}\log d) $.
基于软件定义量子通信的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略
卫容宇, 聂敏, 杨光, 张美玲, 孙爱晶, 裴昌幸
2019, 68 (14): 140302. doi: 10.7498/aps.68.20190462
摘要 +
自由空间量子通信会受到雾霾、沙尘、降雨等自然环境的干扰. 为提升环境干扰下量子通信的性能, 本文提出了基于软件定义量子通信 (software defined quantum communication, SDQC)的自由空间量子通信信道参数自适应调整策略. 该策略通过对环境状态实时监测, 根据预置在应用层的程序, 对量子初始状态及单量子态存在时间等相关参数进行自适应调整, 提高自然环境背景干扰下自由空间量子通信系统的保真度. 仿真结果表明, 在退极化、自发幅度衰变及相位阻尼三种噪声信道参数取值不同时, SDQC系统参数的最佳取值也不同. 系统根据环境变化及业务需求, 自适应地选择量子初始状态及单量子态存在时间, 使量子保真度在通信过程中始终保持在峰值, 有效提升了量子通信系统的适应能力及综合免疫力.
基于半导体光纤环形腔激光器的全光广播式超宽带信号源
赵赞善, 李培丽
2019, 68 (14): 140401. doi: 10.7498/aps.68.20182301
摘要 +
提出一种新型的基于半导体光纤环形腔激光器(semiconductor fiber ring laser, SFRL)全光超宽带(ultra-wideband, UWB)信号源的方案, 该方案可以同时产生3路高斯脉冲一阶导数脉冲(monocycle) UWB信号. 建立了这种全光UWB信号源的宽带理论模型, 通过数值模拟的方法研究SFRL中的半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)的注入电流、激射光波长、输入信号光功率和波长对monocycle信号性能的影响. 结果表明: SOA的注入电流在200—220 mA时可以获得对称性较好的monocycle脉冲; 输出monocycle脉冲平均功率和正、负脉冲振幅随激射光波长增加而增加; 较低的输入信号光功率可以获得性能较好的monocycle信号; 输入信号光波长对输出monocycle信号有一定的影响, 但影响很小.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
暗声学超材料型充液管道的低频消声特性
沈惠杰, 郁殿龙, 汤智胤, 苏永生, 李雁飞, 刘江伟
2019, 68 (14): 144301. doi: 10.7498/aps.68.20190311
摘要 +
充液管道低频声的有效吸收和消减一直是一个颇具挑战性的难题. 受声学超材料理论启发, 本文设计了一种沿管道轴向方向等距布置小体积声学短管的充液周期管道系统. 该管道系统可以诱发声波传播超宽低频带隙的产生, 使得声波在带隙频率范围内传播将被显著衰减, 乃至无法透射, 近乎被完全吸收, 称为暗声学超材料型充液管道. 进一步, 揭示了暗声学超材料型充液管道中声传播带隙的产生机理、参数影响规律, 研究了该波导管对低频噪声的降噪特性, 初步探讨了工程实际可实现的暗声学超材料型充液管道的结构实现形式. 研究成果有望为管道低频噪声控制提供一条新的技术途径.
双气泡振子系统的非线性声响应特性分析
莫润阳, 王成会, 胡静, 陈时
2019, 68 (14): 144302. doi: 10.7498/aps.68.20190408
摘要 +
对初始半径不同的双气泡振子系统在声波作用下的共振行为和声响应特征进行了分析. 利用微扰法分析了双泡系统的非线性共振频率, 由于气泡间耦合振动的非线性影响, 双泡系统存在双非线性共振频率. 倍频共振和分频共振现象的存在使得双泡系统振幅-频率响应曲线有多共振峰, 且随着非线性增强, 共振区向低频区移动. 通过对气泡平衡半径、双泡平衡半径比以及气泡间距的分析发现, 耦合作用较强的情形发生在系统共振频率附近、气泡半径比接近1以及气泡间距小于10R10的范围内, 同时观察到了此消彼长的现象, 充分体现了气泡在声场中能量转换器的特征.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
钙钛矿NaFeF3结构物性的理论研究及应力和掺杂调控
宋蕊, 冯凯, 林上金, 何曼丽, 仝亮
2019, 68 (14): 147101. doi: 10.7498/aps.68.20190573
摘要 +
利用第一性原理计算研究了氟化物钙钛矿NaFeF3的基态电子态和磁构型, 并模拟分析了衬底应力和阴离子置换对材料基本物性的影响. 计算结果表明, NaFeF3块材的G-AFM磁基态十分稳定, 不会受到衬底应力调控以及F位氧掺杂的影响. 当低浓度掺杂(~8.3%)时, 氧离子倾向于替换FeF2面内的F, 形成非对称的Fe-O-Fe链, 导致产生局域极化. 此外, 不对等的Fe—O键还会在氧离子两侧的Fe上形成电荷序, 进而产生非零净磁矩. 值得注意的是, 该局域极化和亚铁磁性均源于不等位氧掺杂, 因此有可能通过外电场调控实现极化翻转并同时改变净磁矩的方向实现电控磁. 更高浓度的氧掺杂会使得Fe的化合价整体升高, Fe离子上的局部电荷序和净磁矩随之消失. 该研究结果有望促进氟化物的理论和实验研究, 并为多铁性材料的设计研发提供新的材料.
高居里温度铋层状结构钛钽酸铋(Bi3TiTaO9)的压电、介电和铁电特性
郑隆立, 齐世超, 王春明, 石磊
2019, 68 (14): 147701. doi: 10.7498/aps.68.20190222
摘要 +
随着现代信息技术的飞速发展, 压电材料的应用范围进一步拓展, 使用的温度环境越来越严苛, 在一些极端环境下对压电材料的服役性能提出了新的挑战. 因此研究具有高居里温度同时具有较强压电性能的压电材料, 是迫切需要解决的问题. 本文利用普通陶瓷工艺制备了高居里温度铋层状结构钛钽酸铋Bi3TiTaO9+x wt.% CeO2 (x = 0—0.8, 简写为BTT-10xCe)压电陶瓷, 研究了钛钽酸铋陶瓷的压电、介电和铁电特性. 压电特性研究表明, 稀土Ce离子的引入可以提高BTT陶瓷的压电性能, BTT-6Ce (x = 0.6)陶瓷具有最大的压电系数d33~16.2 pC/N, 约为纯的BTT陶瓷压电系数(d33~4.2 pC/N)的4倍. 介电特性研究显示, BTT和BTT-6Ce (x = 0.6)陶瓷均具有高的居里温度, TC分别为890 ℃和879 ℃, 同时稀土Ce离子的引入降低了BTT陶瓷的高温介电损耗tanδ. 铁电特性研究表明, 稀土Ce离子的引入提高了BTT陶瓷的极化强度. 在180 ℃温度下和110 kV/cm的电场驱动下, BTT和BTT-6Ce (x = 0.6)陶瓷的矫顽场Ec分别为53.8 kV/cm和57.5 kV/cm, 剩余极化强度Pr分别为3.4 μC/cm2和5.4 μC/cm2. 退火实验显示: 稀土Ce离子组分优化的BTT压电陶瓷经800 ℃的高温退火后, 仍具有优异的压电性能温度稳定性. 研究结果表明, BTT-6Ce (x = 0.6)陶瓷兼具高的居里温度Tc约为879 ℃和强的压电性能d33约为16.2 pC/N、较好的压电性能温度稳定性, 是一类压电性能优异的高温压电陶瓷.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
硫离子注入纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能
蒋梅燕, 朱政杰, 陈成克, 李晓, 胡晓君
2019, 68 (14): 148101. doi: 10.7498/aps.68.20190394
摘要 +
采用热丝化学气相沉积法制备纳米金刚石薄膜, 并对薄膜进行硫离子注入和真空退火处理. 系统研究了退火温度对薄膜微结构和电化学性能的影响. 结果表明, 硫离子注入有利于提升薄膜的电化学可逆性. 在800 °C及以下温度退火时, 薄膜中晶界处的非晶碳相逐渐向反式聚乙炔相转变, 致使电化学性能逐渐变差. 当退火温度上升到900 °C时, Raman光谱和TEM结果显示此时薄膜中金刚石相含量较多且晶格质量较好, 晶界中的反式聚乙炔发生裂解; X射线光电子能谱结果表明, 此时C—O键、C=O键、π—π*含量显著增多; Hall效应测试显示此时薄膜迁移率与载流子浓度较未退火时明显升高; 在铁氰化钾电解液中氧化还原峰高度对称, 峰电位差减小至0.20 V, 电化学活性面积增加到0.64 mC/cm2, 电化学可逆性远好于600, 700, 800 °C退火时的样品.
矢量光共焦扫描显微系统纳米标准样品的制备与物理测量精度
李潇男, 关国荣, 刘忆琨, 梁浩文, 张爱琴, 周建英
2019, 68 (14): 148102. doi: 10.7498/aps.68.20190252
摘要 +
针对超分辨领域分辨率测量标准的缺失情况, 本文介绍了一种用于纳米尺度分辨率测试的标准样品的设计方案和制备方法, 该样品适用于矢量光共聚焦激光扫描显微系统. 该设计方案包含一系列测量图案和明确的指示标记, 具有测量范围宽、线宽梯级序列分布合理、制备精度高等特点. 首先在非晶硅片上实现硅纳米标准样品的制备, 并经过多次探索工艺, 提高了测试图案的精度. 光学测试结果证实该纳米标样可用于分辨率测试, 同时测得矢量光共聚焦激光扫描显微镜的分辨率为96 nm (n = 1.52, 405 nm光源). 针对硅纳米标准样品低对比度的问题, 本文提供石英片上金属纳米标准样品的制备方法作为补充. 纳米标准样品的实现, 为点扫描式超分辨显微镜的分辨率指标提供了一种更严谨的测试途径, 同时能够为显微镜的调试提供原理性指导. 测试中发现纳米尺度的光学成像效果除了受到样品形貌的影响外, 还受到到样品的光电物性的影响, 其相互作用机理尚待进一步深入研究.
单分子光学探针揭示易混聚合物受限纳米区域的动力学
张国峰, 李斌, 陈瑞云, 秦成兵, 高岩, 肖连团, 贾锁堂
2019, 68 (14): 148201. doi: 10.7498/aps.68.20190423
摘要 +
常规的系综研究方法显示在动力学不对称的易混聚合物中存在着受限区域, 但是不能给出受限区域的分布、尺度及受限区域内的动力学分布特征等. 单分子光学探针被用来探测苯乙烯高聚物与苯乙烯寡聚物形成的易混聚合物薄膜中的受限纳米区域的动力学. 实验发现易混聚合物中存在转动和固定不动的两种动力学形式的单分子, 指示着单分子分别耦合到苯乙烯高聚物和苯乙烯寡聚物的聚合物链片段上. 转动单分子的分布揭示了易混聚合物薄膜受限区域的分布特征. 受限区域的尺度被估计为其可能接近于单分子探针的尺度(约2 nm). 受限纳米区域中单分子的转动关联时间的分布揭示了受限纳米区域中聚合物动力学的分布特征. 实验发现在含有更高浓度的苯乙烯高聚物的混聚物薄膜中具有更快的动力学行为, 从而在单分子水平上揭示了易混聚合物中的受限纳米区域的动力学.

编辑推荐

ZrS2量子点: 制备、结构及光学特性
周亮亮, 吴宏博, 李学铭, 唐利斌, 郭伟, 梁晶
2019, 68 (14): 148501. doi: 10.7498/aps.68.20190680
摘要 +
近年来, 由于独特的电子结构及优异的光电特性, 过渡金属硫族化合物(TMDs)吸引了研究者的广泛关注. 本文采用“自上而下”的超声剥离法成功制备了尺寸约为3.1 nm的六方结构单分散1T相二硫化锆量子点(1T-ZrS2 QDs). 采用紫外-可见吸光度及光致发光方法, 系统研究了1T-ZrS2 QDs的光学特性. 研究发现: 1T-ZrS2 QDs在283 nm和336 nm处存在特征吸收峰, 并且斯托克斯(Stokes)位移了约130 nm, 荧光量子产率高达53.3%. 研究结果表明: 1T-ZrS2 QDs具有优良的荧光性能及独特的光学性质, 使其在光电探测、多色发光等器件中有潜在的重要应用价值.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于近似熵的斯隆数字化巡天中类星体光变复杂性分析
唐洁, 刘晓琴
2019, 68 (14): 149801. doi: 10.7498/aps.68.20182071
摘要 +
光变是类星体的重要观测特征之一, 类星体在多个波段存在剧烈的光变现象. 光变非常复杂, 具有非线性特征. 以斯隆数字化巡天(Sloan digital sky survey, SDSS) stripe 82天区中的类星体为研究对象, 利用近似熵方法分析了类星体光变的复杂性. 首先应用模拟信号检验了近似熵方法对周期序列、白噪声序列、混沌序列和组合序列的区分能力, 验证了近似熵方法是一种识别不同类型时间序列的有效方法. 再计算了SDSS第7次释放数据中光谱证认过的类星体光变的近似熵, 并分析了它们的复杂性. 结果表明: SDSS类星体光变的近似熵值最大值为0.58, 类星体光变的复杂性介于周期序列和白噪声序列的复杂性之间, 近一半样本的复杂性与混沌序列基本一致.