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Vol. 68, No. 19 (2019)

2019年10月05日

特邀综述

  

封面文章

声学超构材料及其物理效应的研究进展
声学超构材料作为一种新型的人工结构材料, 拥有天然材料所不具备的超常物理特性, 进一步拓展了材料的声学属性. 同时, 声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控, 以及许多新颖奇特的物理现象, 如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等, 具有重要的理论研究意义和应用价值. 另外, 拓扑材料的研究已延伸至声学领域, 声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点, 受到人们的广泛关注. 其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性, 应用潜力巨大. 本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况, 介绍了相关的代表性工作, 包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等, 阐述了声学超构材料的设计理念和方法, 并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结. 田源, 葛浩, 卢明辉, 陈延峰 物理学报.2019, 68(19): 194301.
特邀综述
特邀综述
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 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

封面文章

声学超构材料及其物理效应的研究进展
田源, 葛浩, 卢明辉, 陈延峰
2019, 68 (19): 194301. doi: 10.7498/aps.68.20190850
摘要 +
声学超构材料作为一种新型的人工结构材料, 拥有天然材料所不具备的超常物理特性, 进一步拓展了材料的声学属性. 同时, 声学超构材料可以实现对声波精准的、可设计的操控, 以及许多新颖奇特的物理现象, 如声准直、声聚焦、声场隐身、声单向传输、声学超分辨成像等, 具有重要的理论研究意义和应用价值. 另外, 拓扑材料的研究已延伸至声学领域, 声学超构材料的拓扑性质成为近年的研究热点, 受到人们的广泛关注. 其鲁棒性边界态具有缺陷免疫、背散射抑制的特性, 应用潜力巨大. 本文综述了近十几年来声学超构材料的研究概况, 介绍了相关的代表性工作, 包括奇异等效声学参数的超构材料、声学超构表面、吸声超构材料、声学超分辨成像、宇称时间对称性声学和拓扑声学等, 阐述了声学超构材料的设计理念和方法, 并对其技术挑战和应用前景进行了讨论和总结.
总论
收集振动能的摩擦纳米发电机设计与输出性能
吴晔盛, 刘启, 曹杰, 李凯, 程广贵, 张忠强, 丁建宁, 蒋诗宇
2019, 68 (19): 190201. doi: 10.7498/aps.68.20190806
摘要 +
随着全球变暖和能源危机的到来, 寻找减少碳排放的可再生能源成为人类文明面临的最紧迫挑战之一. 振动作为一种常见的机械运动形式, 在人们的日常生活中普遍存在. 利用多种原理收集振动能量将其转化为电能成为研究热点. 基于接触生电和静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)为收集振动能量提供了一种可行的方法. 本文设计了一种接触分离式TENG. 推导了TENG的电极间电压-转移电荷量-板间距离(V-Q-x)之间的关系, 结合实验分析了负载电阻、振动频率等因素对其输出性能的影响关系, 当振动频率为1—6 Hz时, 每个工作循环内电荷的转移量几乎相同, 而电压和电流随着频率的增大而增大, 频率为5 Hz时, 最大输出功率达到0.5 mW. 运用COMSOL软件对TENG进行模拟仿真, 揭示了其在接触分离过程中电势以及聚合物表面电荷密度的分布和变化规律, 为高效收集振动能量的摩擦纳米发电机及自供能振动传感器设计提供理论与实践支撑.
洛伦兹破缺理论与Vaidya黑洞弯曲时空中的Dirac粒子隧穿辐射特征
蒲瑾, 杨树政, 林恺
2019, 68 (19): 190401. doi: 10.7498/aps.68.20190437
摘要 +
本文把平直时空中的洛伦兹对称性破缺的Dirac方程推广到动态Vaidya黑洞弯曲时空中. 由于动态Vaidya黑洞的表观视界与类时极限面重合, 根据霍金辐射量子效应理论, 我们在Vaidya黑洞的表观视界ra = 2M(v)处研究了洛伦兹破缺理论对Dirac粒子Hawking隧穿辐射特征的影响. 我们通过gamma矩阵的对易性质和半经典近似得到了一个新的洛伦兹对称性破缺的Dirac-Hamilton-Jacobi方程, 并利用这一修正的Dirac-Hamilton-Jacobi方程研究了Dirac粒子隧穿辐射的特征, 讨论了洛伦兹对称性破缺对动态球对称Vaidya黑洞的热力学参数的影响. 结果发现, 洛伦兹破缺理论中仅有类以太修正项会对黑洞热力学性质带来修正. 同时, 还发现修正Hawking温度与类以太矢量修正项系数的正负有关, 而我们之前应用洛伦兹破缺理论研究标量粒子的修正Hawking温度也是与类以太矢量修正项系数的正负有关的.
一种精确测量原子喷泉冷原子团温度的方法
施俊如, 王心亮, 管勇, 阮军, 刘丹丹, 白杨, 杨帆, 张辉, 余凤翔, 范思晨, 张首刚
2019, 68 (19): 190601. doi: 10.7498/aps.68.20190115
摘要 +
冷原子团的高斯半径和温度是用来描述冷原子团, 反映冷原子特性的主要参数. 本文提出了一种新型的测量冷原子团高斯半径和温度的方法, 采用过饱和近共振激光束照射冷原子团, 原子由于吸收了光子动量偏离原来的运动轨道, 而不能被探测系统所探测. 根据冷原子团的原子分布规律, 理论上构建了物理模型, 通过改变作用于冷原子团的推除光的尺寸来控制被推除的冷原子数目, 计算得到了不同高斯半径的冷原子团剩余原子数目与推除光尺寸的关系. 以国家授时中心铯原子喷泉为实验平台, 利用横向偏置的刀口光阑在不同下落高度控制作用于冷原子团的推除光尺寸, 测量出不同高度的剩余原子数目随推除光尺寸的变化情况. 应用理论公式拟合实验数据, 最终得到冷原子团在磁光阱中心正下方10 mm和160 mm处的高斯半径分别为(1.54 ± 0.05) mm和(3.29 ± 0.08) mm, 进一步计算得到冷原子团温度为(7.50 ± 0.49) μK. 为了验证刀口法的准确性和可重复性, 在同一实验条件下用刀口法和飞行时间法对冷原子团温度进行了测量与对比, 最终得到两种方法的测量结果基本一致.
光频梳频域干涉测距主要参数分析及一种改进的数据处理方法
陈嘉伟, 王金栋, 曲兴华, 张福民
2019, 68 (19): 190602. doi: 10.7498/aps.68.20190836
摘要 +
本文对光学频率梳频域干涉测距中的测距范围、分辨力、非模糊范围等的影响因素进行了分析, 并说明了传统傅里叶变换法的局限性和系统误差产生原因; 提出了一种等频率间隔重采样数据处理方法, 该方法基于三次样条插值, 修正了傅里叶变换法因频率量不等间隔造成的误差; 在此基础上提出峰值位置拟合算法, 解决了包络随距离展宽的问题. 模拟光谱仪数据并使用算法处理, 仿真结果表明系统误差小于0.2 μm, 且可将测量范围扩展至周期内任意位置. 最后搭建经典Michelson测距系统并进行了绝对距离测量实验, 将测量结果与干涉仪测量值进行对比, 达到了任意位置3 μm以下的误差.
基于心脏电影磁共振图像的一种新的右心室多图谱分割方法
苏新宇, 王丽嘉, 朱艳春
2019, 68 (19): 190701. doi: 10.7498/aps.68.20190582
摘要 +
基于心脏电影磁共振图像的右心室(RV)分割, 对心脏疾病的诊疗及预后有着十分重要的意义. 右心室结构复杂, 传统图像分割方法始终未能达到较高的精度. 多图谱方法通过配准和融合来实现RV分割, 是近几年RV分割中的主要方法之一. 本文提出一种新的右心室多图谱分割方法, 能够实现RV的全自动准分割. 本文首先采用自适应仿射传播算法获取一系列图谱集, 并基于豪斯多夫距离和归一化互信息选择与目标图像最相似的图谱集; 然后, 依次采用多分辨率的仿射变换和Diffeomorphic demons算法将目标图像配准到最相似图谱集, 并将配准得到的形变场应用于标记图像获得粗分割结果; 最后, 本文采用COLLATE算法融合粗分割结果得到RV轮廓. 30例心脏电影磁共振数据被用于回顾性分析. 本文算法与放射专家手工分割的RV 相比, Dice指标和豪斯多夫距离的平均值分别为0.84, 11.46 mm; 舒张末期容积, 收缩末期容积, 射血分数的相关系数和偏差均值分别是0.94, 0.90, 0.86; 2.5113, –3.4783, 0.0341. 与卷积神经网络相比, 本文算法在收缩末期的分割精度更接近手动分割结果. 实验结果表明, 该方法从有效的图谱选择和基于多分辨率的Diffeomorphic demons算法的多级配准提高了右心室分割的精度, 有望应用于临床辅助诊断.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于旋转主方向梯度直方图特征的判别稀疏图映射算法
童莹, 沈越泓, 魏以民
2019, 68 (19): 194202. doi: 10.7498/aps.68.20190224
摘要 +
非约束环境下采集的人脸图像复杂多变, 将其直接作为字典原子用于稀疏表示分类(sparse representation based classification, SRC), 识别效果不理想. 针对该问题, 本文提出一种基于旋转主方向梯度直方图特征的判别稀疏图映射(discriminative sparse graph embedding based on histogram of rotated principal orientation gradients, DSGE-HRPOG)算法, 用于构建类内紧凑、类间分离的低维判别特征字典, 提高稀疏表示分类准确性. 首先, 采用旋转主方向梯度直方图(histogram of rotated principal orientation gradients, HRPOG)特征算子提取非约束人脸图像的多尺度多方向梯度特征, 有效去除外界干扰和像素间冗余信息, 构建稳定、鉴别的HRPOG特征字典; 其次, 引入判别稀疏图映射(discriminative sparse graph embedding, DSGE)算法, 以类内重构散度最小、类间重构散度最大为目标计算特征字典的最佳低维投影矩阵, 进一步增强低维特征字典的判别性、紧致性; 最后, 提出投影矩阵和稀疏重构关系交替迭代优化算法, 将维数约简过程伴随在稀疏图构建过程中, 使分类效果更理想. 在AR, Extended Yale B, LFW和PubFig这4个数据库上进行大量实验, 验证了本文算法在实验环境数据库和真实环境数据库上的有效性.
S波段低磁场高效率相对论返波管振荡器研究
吴洋, 周自刚
2019, 68 (19): 194101. doi: 10.7498/aps.68.20182155
摘要 +
针对传统相对论返波管振荡器低磁场工作束波转换效率较低的问题, 本文提出并研究了一种带中间调制腔链及TM02模式提取腔的相对论返波管模型: 中间调制腔链用于进一步群聚电子束, 提高电子束的基波调制深度; TM02模式的提取腔用于提高返波管的Q值, 增强提取腔中的驻波电场; 漂移段用于调节电子束在调制腔链中的群聚相位和提取腔中的换能相位. 在此基础上, 设计了一个S波段高效率相对论返波管振荡器, 器件输出微波功率4.2 GW, 频率2.38 GHz, 束波转换效率达到50%, 引导磁场强度0.7 T.
基于光学Parity-Time对称微腔结构的大范围电场传感器
方云团, 王誉雅, 夏景
2019, 68 (19): 194201. doi: 10.7498/aps.68.20190784
摘要 +
为解决传统电场传感器测量范围受限的技术难题, 设计了一种基于光学Parity-Time(PT)对称掺杂电光介质的微腔结构, 提出新的电场传感机制. 利用传输矩阵方法计算结构的传输谱, 发现独特的放大的缺陷模式. 缺陷模式的峰值和波长位置均随外电场变化, 由此可以利用缺陷模峰值变化和波长位置变化两种机制测量同一电场. 测量范围仅受电光介质击穿电场的限制, 可以为0—0.06 V/nm, 几乎涵盖了可能的电场环境. 对峰值变化传感机制, 灵敏度范围38.042—47.558 nm/V; 对波长变化传感机制, 灵敏度范围18.357—18.642 nm2/V, 在测量范围内平均分辨率为0.00925 V/nm.
垂直腔面发射激光器低温光电特性
秦璐, 任杰, 许兴胜
2019, 68 (19): 194203. doi: 10.7498/aps.68.20190427
摘要 +
垂直腔面发射激光器通常被用作常温下850 nm波段短波长短距离光互连领域的激光光源, 多在室温下进行测试和使用. 在低温环境下垂直腔面发射激光器工作状态的表征是本文的研究重点. 我们表征了在不同温度下直流驱动垂直腔面发射激光器的发光光谱和10%占空比脉冲电流驱动垂直腔面发射激光器的发光光谱和功率-电流-电压曲线. 通过测试激光器在室温和10 K温度下性能的变化, 证明了现有的垂直腔面发射激光器在低温下仍能工作, 激光器在10 K低温环境下仍可以作为光互连的光源使用, 这一特点使得该激光器的应用范围可拓展至低温领域, 预示着垂直腔面发射激光器在低温光互连系统中具有应用价值.
激光3D纳米打印温度敏感的微球激光器
侯智善, 徐帅, 骆杨, 李爱武, 杨罕
2019, 68 (19): 194204. doi: 10.7498/aps.68.20190298
摘要 +
耳语回廊模式(WGM)微腔具有品质因子高、模式体积小、制作工艺简单多样、同时对周围环境敏感性极高等优点, 已被广泛应用于传感和检测. 然而, 真正的尺寸可控的三维微腔却少有报道. 本文报道了一种有源回音壁模式微球腔, 由商业光刻胶SU-8作为腔体材料, 有机染料罗丹明B作为增益介质. 利用飞秒激光双光子聚合, 可以得到尺寸精确可控的真三维微球激光器. 同时, 由于有机染料的特殊发光机理, 随着环境温度的变化, 染料荧光带飘移, 且会与腔体本征模式形成新的共振激发. 在一定温度变化范围内(20 ℃—35 ℃), 微球激光器的主激射峰波长与温度呈类线性相关. 研究结果对合理设计具有理想性能的小型化激光器具有积极的启发.
拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响
吴彬, 程冰, 付志杰, 朱栋, 邬黎明, 王凯楠, 王河林, 王兆英, 王肖隆, 林强
2019, 68 (19): 194205. doi: 10.7498/aps.68.20190581
摘要 +
电光调制技术是产生拉曼光的几种方法之一, 其优点是系统简单、易搭建且环境适应性强. 然而, 这种调制技术会产生额外的边带光, 并影响冷原子干涉绝对重力仪的测量精度. 本文利用自行研制的可移动冷原子重力仪, 研究了边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响. 详细分析了拉曼反射镜的位置、拉曼脉冲的作用时刻及其间隔、拉曼光的失谐等一系列参数与边带效应之间的关系, 实验发现这些参数对冷原子重力仪的精度评估有比较大的影响; 此外, 我们还发现在有边带效应的情况下, 原本不影响重力测量精度的实验参数也会影响最终的重力测量结果. 最后, 通过研究拉曼边带效应与拉曼光失谐之间的关系, 本文提出一种评估拉曼边带效应影响重力仪精度的方法. 本文结果为减小拉曼边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响提供了依据.
储能电容对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的影响
桂淮濛, 施卫
2019, 68 (19): 194206. doi: 10.7498/aps.68.20190321
摘要 +
针对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的研究, 对提高飞秒条纹相机的时间分辨率具有重要意义. 本文使用脉宽为60 fs的激光器触发电极间隙为3.5 mm的GaAs光电导开关, 在不同的储能电容及外加偏置电压条件下, 获得具有上升时间最快为149 ps, 电压传输效率最高为92.9%的快前沿正负对称输出, 测试结果满足条纹相机实现飞秒时间分辨率的设计需求. 实验结果的对比分析表明, 储能电容是影响电压传输效率及上升时间的重要因素之一. 同时, 结合GaAs光电导开关线性工作模式特点及电容储能特性分析表明, 当触发激光特性相同时, 随着储能电容的增大, 输出电脉冲传输效率及上升时间均会增加. 研究结果将有助于GaAs光电导开关更好地应用于飞秒条纹相机中.
不同散射介质对飞秒脉冲激光传输特性影响研究
张克瑾, 刘磊, 曾庆伟, 高太长, 胡帅, 陈鸣
2019, 68 (19): 194207. doi: 10.7498/aps.68.20190430
摘要 +
基于分层传输模型和Mie散射理论, 在粒子散射模型中充分考虑了谱分布特征, 数值模拟了800 nm飞秒激光在冰云、水云、雾、气溶胶和降雨环境中的传输特性. 结果表明, 谱分布和粒子相态对光丝传输特性有较大的影响. 雨滴的粒径较大, 光丝在降雨环境中传输时, 由于散射导致的能量衰减最强, 产生的光丝峰值光强和能量最低. 同时, 光丝能量在空间的分布不均, 产生了明显的多丝结构, 并导致光丝长度缩短. 水云和雾具有类似的谱分布特征, 光丝在水云和雾中的传输特性十分相似. 但由于雾中的粒子尺度更小, 光丝的能量较高, 光丝分布更集中. 气溶胶对光丝的散射最弱, 因此在传输前期没有对光丝的结构产生影响, 并以稳定的单丝结构传输, 光丝的峰值光强和能量最高, 但在距离成丝位置一段距离后光丝结构才逐渐出现扰动. 相同谱分布下, 由于冰粒子的散射能力强于水粒子, 造成光丝在冰云中的能量更低, 光丝分布不集中, 光丝的数量明显增多.
原子和分子物理学
金属原子催化作用下缺陷石墨烯薄膜的自修复过程
王路阔, 段芳莉
2019, 68 (19): 193101. doi: 10.7498/aps.68.20190995
摘要 +
采用分子动力学方法, 模拟了金属原子存在条件下缺陷石墨烯的自修复过程. 模拟采用了Ni和Pt两种金属原子作为催化剂, 通过改变系统温度, 得到了多组模拟结果. 观察对比了模拟结束时获得的原子构型图, 并通过计算修复过程中石墨烯内5, 6, 7元环的数量变化, 研究了不同金属原子对缺陷石墨烯的催化修复效果, 发现在适当的温度(1600 K和2000 K)下, 与无金属原子条件下的修复结果相比, 两种金属原子都表现出了一定的催化修复能力, 且Ni表现出的催化修复能力要优于Pt. 为了探究其背后的机理, 我们模拟了部分典型的结构演变. 发现Ni和Pt原子分别会导致“环内跳出”和“断环”的局部结构转变, 并且在不同温度下均表现出不同程度捕获碳链的能力. 此外, 观察了两种金属原子在平面内外的不同迁移行为, 并通过绘制金属原子的迁移路线, 计算其迁移量, 进一步研究了两种金属原子不同的催化修复机理. 研究结果有利于认识不同金属原子具有的不同催化修复效果, 理解不同金属原子的催化作用机制, 有助于针对缺陷石墨烯的修复选择合适的催化剂.
有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质
刘妮, 黄珊, 李军奇, 梁九卿
2019, 68 (19): 193701. doi: 10.7498/aps.68.20190347
摘要 +
研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质, 采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量. 通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式, 重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变, 发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外, 还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点. 有限温度的升高, 会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动; 当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时, 相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动; 声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态; 有限温度下, 在正常相区熵为定值, 而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.
气体、等离子体和放电物理
基于电荷守恒定律的航天器内带电三维仿真简化模型
原青云, 孙永卫, 张希军
2019, 68 (19): 195201. doi: 10.7498/aps.68.20190631
摘要 +
仿真模拟是开展航天器内带电风险评估的重要方法之一. 基于电荷守恒定律, 建立了内带电电位和电场三维计算模型, 给出了模型的一维稳态和瞬态求解算法及二维和三维求解方案, 设计了迭代算法来解耦电导率与电场强度, 并分析了该迭代算法的收敛性; 运用有限元算法和局部网格细化, 该模型具有方便考察关键点处电场畸变的优势; 与现有的辐射诱导电导率模型对比分析, 新模型更适合内带电三维数值计算; 与实验数据对比, 验证了内带电三维计算模型的正确性. 为解决航天器内介质带电评估问题提供了手段.
非均匀等离子体中1/4临界密度附近受激散射的非线性演化
吴钟书, 赵耀, 翁苏明, 陈民, 盛政明
2019, 68 (19): 195202. doi: 10.7498/aps.68.20190883
摘要 +
本文采用粒子模拟方法, 针对长脉冲激光在非均匀等离子体中的传输过程, 特别是在1/4临界密度附近, 等离子体中受激散射的非线性演化现象, 进行了细致的模拟研究. 研究结果表明: 在1/4临界面附近所产生的受激拉曼散射不稳定性, 其散射光在等离子体中被捕获, 并在该区域形成电磁孤子. 电磁孤子的振幅随着不稳定性的发展而提高, 并由此而产生一个有质动力场驱动周围的电子运动, 离子随后被电荷分离场加速, 最终形成准中性的密度坑. 在单个密度坑形成后, 由于该密度坑周围等离子体密度和温度产生了变化, 使得等离子体中逐渐形成更多的密度坑. 这些密度坑将等离子体分割成不连续的密度分布, 而这种密度分布最终明显地抑制了受激拉曼散射和受激布里渊散射不稳定性的发展.

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相对论皮秒激光在低密度等离子体中直接加速的电子束的横向分布特征研究
张晓辉, 董克攻, 华剑飞, 朱斌, 谭放, 吴玉迟, 鲁巍, 谷渝秋
2019, 68 (19): 195203. doi: 10.7498/aps.68.20191106
摘要 +
相对论皮秒激光与低密度等离子体作用可以通过“激光直接加速”机制获得超有质动力定标率的高能电子, 且电荷量可以达到百nC级, 在伽马射线产生、正电子产生等方面具有重要应用. 然而激光直接加速电子束相比激光尾场加速电子束具有更大的发散角, 同时实验观测的横向束分布也不均匀, 但是其中的物理机制研究较少. 本文通过二维粒子模拟证明, 相对论皮秒激光在低密度等离子体中驱动的激光直接加速中, 高能电子束会在激光偏振方向分叉, 而且电子能量越高这种现象越明显. 文章通过细致的理论分析解释了这种高能电子横向分布产生“分叉”结构的内在原因. 在激光直接加速的过程中, 电子在纵向获得加速的时候, 它在激光偏振方向(横向) betatron振荡的动能也会随之增加, 当电子的能量足够高时, 二者呈线性关系, 因此高能电子的横向速度的振幅近似相等, 这种相等的振幅最终导致了高能电子束在激光偏振方向的分叉.
外扩型电磁场控制筒形阴极内等离子体放电输运特性的仿真研究
崔岁寒, 吴忠振, 肖舒, 陈磊, 李体军, 刘亮亮, 傅劲裕, 田修波, 朱剑豪, 谭文长
2019, 68 (19): 195204. doi: 10.7498/aps.68.20190583
摘要 +
筒形阴极由于具有向内放电的特性, 可改善高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定、溅射材料离化率差异大等缺陷. 然而其产生的等离子体仅能依靠浓度差扩散的方式向基体运动, 沉积速率并没有明显改善, 尤其是在远离阴极区域. 使用外扩型磁场对离子运动进行引导, 可实现等离子体的聚焦和远距离输运, 从而减少离子损失, 提高沉积效率. 本文从模拟和实验的角度对磁场的布局与设置进行研究, 并获得不同磁场条件下的等离子体空间和时间输运特性及其对薄膜沉积的影响. 结果表明电磁场的引入不仅可以大幅提高筒形阴极内等离子体的引出效率, 实现不同程度的引出或聚焦, 而且对等离子体放电也产生明显的增强或减弱, 可根据不同的需求或材料进行精确调控. 通过控制磁场, 可获得较强的HiPIMS放电和较高的沉积速率, 实验结果与仿真预测相符合. 该工作完善了HiPIMS沉积技术在沉积效率上的不足, 拓宽了筒形阴极的溅射工艺窗口和适用范围, 有助于HiPIMS更进一步的推广与应用.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
硅和钇双掺杂对γ-TiAl基合金稳定性和抗氧化性的影响
宋庆功, 王丽杰, 朱燕霞, 康建海, 顾威风, 王明超, 刘志锋
2019, 68 (19): 196101. doi: 10.7498/aps.68.20190490
摘要 +
改善TiAl基合金的高温抗氧化性, 对于拓展其应用领域具有重要意义. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 从原子平均形成能、弹性常数、间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位的形成能等方面研究了Si和Y替位双掺杂对γ-TiAl基合金抗氧化性的影响. 结果显示, 各个双掺杂γ-TiAl体系的原子平均形成能均为负值, 表明体系具有能量稳定性, 理论预报它们均可以由实验制备, 其中大多数体系的弹性常数满足力学稳定性判据. 对于满足力学稳定性条件的体系, 综合间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位形成能的分析结果, 揭示Si和Y均替位Ti生成体系Ti6SiYAl8对改善抗氧化性效果明显; Y替位Ti且Si替位Al生成体系Ti7YAl7Si, Si替位Ti且Y替位Al生成体系Ti7SiAl7Y对改善抗氧化性具有不确定性; Si和Y均替位Al生成体系Ti8Al6SiY不利于改善抗氧化性.
高硬导电Cu-Ni-Si系铜合金强化相成分设计
李冬梅, 韩敬宇, 董闯
2019, 68 (19): 196102. doi: 10.7498/aps.68.20190593
摘要 +
Cu-Ni-Si系铜合金有良好的导电、导热和机械性能, 被广泛用于电子元器件等领域. 设计Cu-Ni-Si系铜合金成分时, 析出相成分的确定是关键. 本文利用团簇加连接原子模型方法按“析出相”设计Cu-Ni-Si系铜合金的成分. 依据团簇选取准则, 选定 δ-Ni2Si, γ-Ni5Si2和β-Ni3Si相团簇式分别为 [Ni-Ni8Si5]Ni, [Si-Ni10]Si3和 [Si-Ni12]Si3; 在基体Cu含量原子分数为93.75%, 95%, 95.83%, 96.7% 和 97.5% 的每一成分点处, 分别按析出相δ-Ni2Si, γ-Ni5Si2和β-Ni3Si设计了系列Cu-Ni-Si合金的成分. 合金原料在充满氩气的真空电弧炉中熔炼成合金锭, 经 950 °C/1 h固溶水淬和 450 °C/4 h时效水淬处理. 当合金的导电性成为成分设计的主因时, 基体Cu含量分别在90%—95.63% 和95.63%—97.5% 成分区间时, 析出相分别按δ-Ni2Si和 γ-Ni5Si2设计; 基体Cu含量大于97.5%, 按δ-Ni2Si, γ-Ni5Si2或β-Ni3Si中任一相设计均可, 导电性基本没有差别. 如果合金的强度是成分设计的主因, 基体Cu含量分别在90%—93.93%, 93.93%—94.34%, 94.34%—95.63% 和95.63%—96.12% 成分区间时, 析出相对应于上述成分区间分别按δ-Ni2Si, γ-Ni5Si2, β-Ni3Si和 γ-Ni5Si2设计; 基体Cu含量一旦大于96.12%, 析出相按δ-Ni2Si, γ-Ni5Si2或β-Ni3Si中任一相设计均可.
p层空穴浓度及厚度对InGaN同质结太阳电池性能的影响机理研究
潘洪英, 全知觉
2019, 68 (19): 196103. doi: 10.7498/aps.68.20191042
摘要 +
采用数值模拟的方法, 研究了p层空穴浓度和厚度对不同铟组分InGaN p-i-n同质结太阳电池性能的影响规律及其内在机理. 模拟计算的结果显示: 随着p层空穴浓度和厚度的增加, 太阳电池的转换效率均呈先增加、后略微下降的趋势; 而且铟组分越高, p层空穴浓度和厚度的影响越大. 为更好地理解这一规律, 本文从太阳电池的收集效率、I-V特性、内建电场和载流子输运等方面分析, 阐述了其背后的物理机理; 研究结果对InGaN太阳电池的结构设计及实验制备有一定的理论指导意义.

编辑推荐

液态五元Ni-Zr-Ti-Al-Cu合金快速凝固过程的高速摄影研究
徐山森, 常健, 吴宇昊, 沙莎, 魏炳波
2019, 68 (19): 196401. doi: 10.7498/aps.68.20190910
摘要 +
采用电磁悬浮和自由落体两种无容器熔凝技术, 并借助高速摄影实时分析方法, 研究了液态五元Ni40Zr28.5Ti16.5Al10Cu5合金的深过冷能力和快速凝固机制. 在电磁悬浮条件下, 液态合金的过冷度可达290 K (0.21TL). 当深过冷熔体快速凝固时, 高速摄影观察发现悬浮液滴表面呈现点状和环状两种区域形核方式. 合金的快速凝固组织由初生Ni3Ti相、次生Ni10Zr7相和(Ni10Zr7+Ni21Zr8)共晶组成. 初生Ni3Ti相以枝晶方式生长, 枝晶生长速度随熔体过冷度的增大以幂函数关系单调递增, 最高可达12 mm/s, 同时其体积分数逐渐减小至13.4%, 并发生显著组织细化. 在自由落体条件下, 尽管合金液滴凝固组织的相组成并未发生变化, 但随着过冷度的增大, 初生Ni3Ti相的生长被抑制, 凝固组织由晶态向非晶态转变, 且非晶相的体积分数线性增大. 当直径小于275 μm时, 合金液滴实现了完全非晶态凝固.
基于多阶邻居壳数的向量中心性度量方法
王凯莉, 邬春学, 艾均, 苏湛
2019, 68 (19): 196402. doi: 10.7498/aps.68.20190662
摘要 +
K-壳分解法在度量复杂网络中节点的重要性方面具有重要的理论意义和应用价值. 但K-壳方法中, 存在大量壳值相等的节点, 从而无法精确地比较这些具有相同壳值节点的相对重要性. 因此, 本文基于网络中节点自身壳值与其多阶邻居的壳值, 设计利用向量的形式来表示节点在复杂网络中的相对重要性程度, 提出了多阶邻居壳数向量中心性方法, 并设计了该中心性向量比较方法. 通过在七个真实网络中进行消息传播与静态攻击实验, 发现基于多阶邻居壳数向量的中心性方法具有计算复杂度低, 能够有效发现具有高传播能力的节点, 在传播实验中具有优越的性能. 并在静态攻击实验过程中倾向于优先破坏网络中的传播核心结构. 多阶邻居壳数向量中心性方法在保留K-壳中心性信息的前提下, 极大提高了节点重要性的区别程度, 平衡了对节点在复杂网络中联通结构的重要性的度量和对传播结构重要性的度量, 因此具有重要理论意义与应用价值.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
二维材料WTe2用于气体传感器的性能研究
艾雯, 胡小会, 潘林, 陈长春, 王一峰, 沈晓冬
2019, 68 (19): 197101. doi: 10.7498/aps.68.20190642
摘要 +
二维过渡金属硫族化合物由于具有大的比表面积、高的载流子迁移率以及快速响应等特性, 在高性能气体传感器应用方面具有显著优势. 本文通过密度泛函理论计算, 研究了CO, CO2, NH3, NO, NO2气体分子在单层WTe2表面的吸附构型、吸附能、电荷转移、电学及磁学特性. 结果表明, N基气体分子的吸附能小于C基气体分子的吸附能, 说明WTe2对N基气体分子的吸附更敏感. 电荷分析结果表明, NH3气体分子吸附在WTe2表面时表现为给电子体, 而其他四种气体分子都表现为得电子体. 能带结构方面, 与CO, CO2, NH3气体分子相比, 磁性气体分子NO和NO2的吸附在费米能级附近引入了杂质能带, 杂质能带主要来源于O原子和N原子的p轨道. 此外, NO和NO2气体分子分别诱导了0.99 μB和0.80 μB的磁矩. 本文的研究结果为实验上制备基于WTe2的超灵敏气体传感器提供理论指导.
对称纳米棒三聚体结构的Fano共振特性研究
李爱云, 张兴坊, 刘凤收, 闫昕, 梁兰菊
2019, 68 (19): 197801. doi: 10.7498/aps.68.20190978
摘要 +
利用时域有限差分方法, 理论研究了由中间短棒和两侧长棒构成的对称金纳米棒三聚体结构的光学性质, 分析了结构参数和介电环境对其Fano共振特性的影响. 结果表明: 随着中间短棒长度、三棒整体尺寸或短棒两侧介质折射率的减小, Fano共振谷蓝移; 棒间距的增大同样导致Fano共振谷蓝移, 但边棒长度的变化对Fano共振谷位的影响较小; 同时, 随着纳米结构参数或介电环境的变化, Fano共振谷两侧共振峰强度发生改变, 共振对比度先增大后减小. 通过比较纳米结构截面的电磁场和电流密度矢量分布发现, 共振谷两侧光谱强度的变化源于结构参数或介电环境引起的等离激元共振模式的改变. 研究结果对基于Fano共振可控的纳米结构设计有一定的参考意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
Au纳米颗粒负载WO3纳米花复合结构的二甲苯气敏性能
李东珂, 贺冰彦, 陈坤权, 皮明雨, 崔玉亭, 张丁可
2019, 68 (19): 198101. doi: 10.7498/aps.68.20190678
摘要 +
本文采用水热法成功制备了Au纳米颗粒负载的WO3纳米花材料, 并运用XRD, SEM, TEM等手段对其晶体结构和形貌进行了表征, 并详细研究了其对二甲苯的气敏性能. 首先对Au的浓度和气敏元件的工作温度进行了优化, 结果表明, 0.4 μl Au纳米颗粒负载的WO3对二甲苯的灵敏度最高, 最佳工作温度为250 ℃. 同纯WO3相比, Au纳米颗粒负载的WO3纳米花具有更快的响应/恢复速度和更高的目标气体选择性, 在100 ppm二甲苯中灵敏度达到了29.5. 此外, 检测限度可以低至5 ppm水平. 最后对气敏元件表面可能发生的氧化还原反应的机理进行了研究和讨论, 认为Au负载的WO3纳米花材料有望应用于二甲苯气体传感器.
基于目标场点法和流函数的磁共振有源匀场线圈设计方法
黄清明, 陈珊珊, 张建青, 杨洋, 郑刚
2019, 68 (19): 198301. doi: 10.7498/aps.68.20190612
摘要 +
磁场均匀性是磁共振系统的重要参数, 提高磁场均匀性有助于磁共振时域信号的检测和磁共振频域信号分辨率的改善. 基于有源匀场连续电流密度分布的思想, 采用目标场点法和流函数结合的方法设计匀场线圈, 即由毕奥-萨伐尔定律确定磁场分布与电流密度的关系, 约束线圈半径和设置约束点后, 根据目标场分布逆向求解线圈平面的电流密度分布, 再用流函数将电流密度分布离散化处理, 得到匀场线圈的绕线位置分布. 根据电磁仿真计算结果制作包含一阶与二阶匀场线圈应用于磁共振分析仪, 实验验证表明该匀场线圈能有效地改善永磁体核磁共振系统磁场的均匀性.
基于Knowm忆阻器的新型忆感器模型的设计与分析
朱雷杰, 王发强
2019, 68 (19): 198501. doi: 10.7498/aps.68.20190793
摘要 +
以往有关忆阻器模型及其应用研究主要集中于忆阻器基本概念构建并分析忆阻器模型及其等效电路模型, 而基于市场上商用忆阻器件的研究则很少. 本文根据忆感器与忆阻器之间的理论关系, 基于全球首款商用忆阻器芯片: Knowm忆阻器, 结合第二代电流传输器和跨导运算放大器, 构建了一种新型忆感器模型. 通过调节输入信号的频率和幅值以及运算跨导放大器的跨导增益, 可有效地在电路中实现忆感器忆感值的连续调节. 设计了新型忆感器的LTspice电路模型和硬件实验电路, 以电路仿真结果和硬件电路实验结果验证了新型忆感器模型的有效性和设计方法的正确性.
具有经验学习特性的忆阻器模型分析
邵楠, 张盛兵, 邵舒渊
2019, 68 (19): 198502. doi: 10.7498/aps.68.20190808
摘要 +
类似人类记忆的短期、长期记忆现象在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道. 在多篇这类忆阻器的研究文献中还报道了经验学习特性: “学习-遗忘-再学习”实验中, 短期记忆遗忘后再次学习, 记忆恢复的速度明显比初次学习的记忆形成速度更快. 本文对这类忆阻器已有数学模型在“学习-遗忘-再学习”实验中的特性给出进一步分析. 仅考虑短期、长期记忆现象的忆阻模型在该实验中表现为较快速再次学习特性, 再次学习的记忆恢复速度较快主要是由于脉冲间隔期间的遗忘速度比初次学习时更慢. 考虑经验学习特性的忆阻模型在再学习阶段的记忆恢复速度更快主要是因为脉冲作用时的记忆增速更快, 同时仍然存在脉冲间隔期间的遗忘速度减慢. 与经验学习特性相关的状态变量的物理意义可利用连通两电极的导电通道的周围区域在不同外加电压作用下的变化来给出解释.
非金属原子边缘修饰InSe纳米带的磁电子学特性及应变调控
李野华, 范志强, 张振华
2019, 68 (19): 198503. doi: 10.7498/aps.68.20190547
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了Se边用H饱和、In边用各种非金属元素X(X = H, B, N, P, F和Cl)端接的锯齿型InSe纳米带(H-ZN(7)-X)的几何结构、磁电子特性及应变效应. 计算的形成能和Forcite退火模拟表明H-ZN(7)-X具有稳定的几何结构. F和Cl端接时, 纳米带具有和H端接时类似的磁金属性质. N端接时, 纳米带磁性最强. 但B和P端接使得纳米带边缘的磁性完全消失. 特别是, 我们发现外加的机械应变可以增强H-ZN(7)-N磁稳定性, 并且有效地调节费米能级处的自旋极化率(SP), 能在0—92%之间变化, 这意味着可设计机械开关来控制低偏压下的自旋输运. 应变调制机制与应变诱导的键长变化导致不成对的电子的重新分布或消失有关. N-ZN(7)-N的磁性主要来源于In, Se及N原子的p轨道, 这对于研发非过渡金属磁性材料有重要意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
基于稀疏重构的尾波干涉成像方法
张涛, 侯宏, 鲍明
2019, 68 (19): 199101. doi: 10.7498/aps.68.20190831
摘要 +
尾波干涉成像是利用尾波时延和扩散近似敏感核来反演散射介质中微小速度扰动空间分布的技术. 该问题本质上是一个欠定问题, 一般无确定解, 导致其难以精确定位介质中微小波速变化的区域. 为解决上述缺陷, 本文利用速度扰动分布在空间上具有稀疏性的特点, 提出了一种基于压缩感知理论中稀疏重构算法的尾波干涉成像方法. 该方法可在散射介质中较准确地获取速度扰动的空间位置和范围, 同时具有较高的计算效率. 数值仿真和实验结果表明: 相比于现有的线性最小二乘差分成像方法, 无论是单个还是多个扰动区域, 该方法均能更精确地进行定位成像, 同时明显减少了计算时间.
化学复合率对激发赤道等离子体泡影响的数值模拟
姜春华, 赵正予
2019, 68 (19): 199401. doi: 10.7498/aps.68.20190173
摘要 +
本文模拟研究了背景电离层在一维和二维扰动下产生等离子体泡的过程, 在模拟过程中引入行进式电离层扰动(traveling ionosphere disturbances, TIDs)模型激发生成电子密度的二维扰动, 同时通过改变化学复合率来研究不同复合率对等离子体泡结构形态的影响. 模拟结果表明, 复合率对等离子体泡的生成速度有较大影响, 复合率越大, 激发等离子体泡所需时间越长. 另外, 在二维扰动情况下电离层生成等离子体泡的速度要比一维扰动情况下的速度慢. 在一维扰动情况下, 不同复合率对等离子体泡结构形态影响不大, 而在TIDs激发的等离子体泡中, 不同复合率对等离子体泡的结构形态有较大影响. 在较小复合率的情况下, TIDs激发的等离子体泡可以产生分叉结构, 并伴有大量小尺度的等离子体泡结构, 同时模拟结果存在等离子体泡底部收缩现象. 模拟结果还表明, 当存在大量小尺度等离子体泡时, 单个等离子体泡周围的极化电场方向在非线性的演化过程中可能会发生变化, 因此并不是所有底部等离子体泡都能够抬升到电离层顶部, 只有其周围极化电场方向一直是东向的等离子体泡, 才能够进一步抬升到电离层顶部.
分形结构稀疏孔径阵列的成像性能
郝未倩, 梁忠诚, 刘肖尧, 赵瑞, 孔梅梅, 关建飞, 张月
2019, 68 (19): 199501. doi: 10.7498/aps.68.20190818
摘要 +
$ 0.0952 < F \leqslant 0.2246$时, 其变化对MTF曲线影响较小. 外层旋转具有周期性, 转角的变化对实际截止频率没有大的影响. 当约化孔径参数$ {d_0} = 1$, 填充因子为22.46%时, N = 18阵列的中频特性更加平稳, 实际截止频率也更高. 利用分形自相似性可以在相对保持中频特性的前提下有效地扩展系统孔径. 由于采用约化孔径参数, 数值计算结果具有标度不变性.">根据分形的自相似性理论提出一种分形稀疏孔径阵列结构. 该阵列是以Golay-3为分形结构单元, 按自相似方式扩展构成的一种多层分形阵列结构. 采用无量纲约化参数对其结构进行表征, 给出光瞳函数和调制传递函数解析表达式. 通过数值计算分形结构在不同填充因子和不同外层旋转角下的调制传递函数、实际截止频率和中频特性, 比较分析了当孔径数分别为N = 3, N = 9, N = 18阵列的MTF及特性参数. 结果表明, 当填充因子为$ 0.0952 < F \leqslant 0.2246$时, 其变化对MTF曲线影响较小. 外层旋转具有周期性, 转角的变化对实际截止频率没有大的影响. 当约化孔径参数$ {d_0} = 1$, 填充因子为22.46%时, N = 18阵列的中频特性更加平稳, 实际截止频率也更高. 利用分形自相似性可以在相对保持中频特性的前提下有效地扩展系统孔径. 由于采用约化孔径参数, 数值计算结果具有标度不变性.