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Vol. 68, No. 3 (2019)

2019年02月05日

专题

量子相干和量子存储研究进展

编者按:

量子相干是量子态的基本特性,也是量子叠加原理的客观体现,保持长时间的量子相干是实现量子计算的基本要求.量子相干的研究由来已久,近来,特别是量子相干度量的提出,以及将量子资源理论引入到量子相干的研究中来,人们对量子相干的研究热情被极大地激活,并产生了大量的新研究结果,使得人们对量子相干的认识进一步加深,明晰了量子相干与量子纠缠之间的关系.为帮助读者了解这方面的最新进展,推动量子相干方面的研究,本专题邀请了中国科学院物理研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、清华大学等量子相干方面的理论和实验的专家专门撰写了相关的综述报告,为进入本领域的研究人员提供参考.


广义上来说,量子存储是将一个未知的量子状态(一般是一个量子叠加态)存储到一个量子系统中,当人们需要使用此量子态时,可以高保真度地获得这个量子态.量子存储在远程量子通信、量子中继、量子网络、量子精密测量以及分布式量子计算中都发挥着关键性的作用.实现量子存储功能有很多候选物理系统,目前不同的物理体系在量子存储方面都有各自的优缺点.现阶段,相对比较成熟的量子存储体系主要包括原子系统(包括冷原子和热原子)和固态系统.在这两种物理系统中中国科学家们都做出了重要贡献.为促进本方向的交流合作,并鼓励更多的学者了解和进入这一重要的领域,本专题特别邀请了中国科学技术大学、上海交通大学、清华大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、山西大学等单位的专家撰文介绍了这方面的最新实验进展.


希望通过本专题的这些文章能够对读者了解量子相干和量子存储的基本理论和最新进展提供帮助.

客座编辑:中国科学技术大学 郭光灿 物理学报.2019, 68(3).
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 专题: 量子相干和量子存储研究进展
专题
 
 
原子和分子物理学
核物理学
核物理学
气体、等离子体和放电物理
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
三维电磁扩散场数值模拟及磁化效应的影响
李志旋, 岳明鑫, 周官群
2019, 68 (3): 030201. doi: 10.7498/aps.68.20181567
摘要 +
采用矢量有限元法实现了三维电磁扩散场数值模拟, 并成功将其应用在大地电磁的正演研究中. 为灵活精确地拟合起伏地形和地下不规则构造, 采用由不规则四面体单元组成的非结构化网格, 可根据模型设计的需要调整网格的大小. 引入了基于二次场理论, 将解析的一次场从总场中扣除, 直接计算二次场, 使得误差仅局限于相对较小的二次场, 以提高总场计算精度. 常规的节点有限元法不满足电性分界面上法向电场不连续和无源区单元内电流密度无散, 违反麦克斯韦方程组. 为克服节点有限元法的弊端, 使用矢量有限元法求解基于二次电场的偏微分方程. 另外, 在算法设计中, 考虑了磁导率参数的变化, 可以模拟磁导率不均匀的模型. 通过与COMMEMI模型已发表的结果对比, 证明了本文算法的正确性和精确性. 为突显非结构网格优势, 计算了椭球异常体模型和任意地形模型的MT响应, 并详细讨论了地形和磁化效应对三维数值模拟结果的影响.
专题: 量子相干和量子存储研究进展
相干与信息守恒及其在Mach-Zehnder干涉中的应用
傅双双, 骆顺龙, 孙源
2019, 68 (3): 030301. doi: 10.7498/aps.68.20181778
摘要 +
自量子力学诞生以来, 相干性和互补性一直是被广泛而深入研究的两个重要课题. 随着量子信息近年来的发展, 人们引入了若干度量来定量地刻画相干性和互补性. 本文建立两个信息守恒关系式, 分别基于“Bures距离-保真度”和“对称-非对称”, 并且利用它们来刻画相干性和互补性. 具体来说, 首先从信息守恒的观点解释Bures距离和保真度的互补关系, 并由此自然推导出Mach-Zehnder 干涉仪中的Englert“干涉-路径”互补关系. 其次在量子态和信道相互作用的一般框架中讨论“对称-非对称”信息守恒关系, 并揭示其与Bohr互补性和量子相干性的内在联系. 最后, 在Mach-Zehnder干涉仪中探讨相干、退相干及互补性, 刻画两个信息守恒关系之间的密切联系.
多模式固态量子存储
杨天书, 周宗权, 李传锋, 郭光灿
2019, 68 (3): 030303. doi: 10.7498/aps.68.20182207
摘要 +
量子存储器是光子与物质系统之间的接口, 允许存入和读出加载了量子信息的光子, 是构建实用化量子网络的核心器件. 基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器, 较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一. 本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展. 主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储. 在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作. 该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础, 其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.
量子相干
李保民, 胡明亮, 范桁
2019, 68 (3): 030304. doi: 10.7498/aps.68.20181779
摘要 +
量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念, 同时也是重要的量子信息处理的物理资源. 随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出, 量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题. 量子相干作为一种物理资源也十分脆弱, 极容易受到环境噪声的影响而产生退相干, 因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题. 另外, 量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值. 本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数, 概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象, 同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用. 量子相干研究仍处于快速发展之中, 期望本综述能为该领域的发展带来启示.
中性原子量子计算研究进展
许鹏, 何晓东, 刘敏, 王谨, 詹明生
2019, 68 (3): 030305. doi: 10.7498/aps.68.20182133
摘要 +
相互作用可控、相干时间较长的中性单原子体系具备在1 mm2的面积上提供成千上万个量子比特的规模化集成的优势, 是进行量子模拟、实现量子计算的有力候选者. 近几年中性单原子体系在实验上取得了快速的发展, 完成了包括50个单原子的确定性装载、二维和三维阵列中单个原子的寻址和操控、量子比特相干时间的延长、基于里德伯态的两比特量子门的实现和原子态的高效读出等, 这些工作极大地推动了该体系在量子模拟和量子计算方面的应用. 本文综述了该体系在量子计算方面的研究进展, 并介绍了我们在其中所做的两个贡献: 一是实现了“魔幻强度光阱”, 克服了光阱中原子退相干的首要因素, 将原子相干时间提高了百倍, 使得相干时间与比特操作时间的比值高达105; 二是利用异核原子共振频率的差异建立了低串扰的异核单原子体系, 并利用里德伯阻塞效应首次实现了异核两原子的量子受控非门和量子纠缠, 将量子计算的实验研究拓展至异核领域. 最后, 分析了中性单原子体系在量子模拟和量子计算方面进一步发展面临的挑战与瓶颈.
相干时间超过10 min的单离子量子比特
汪野, 张静宁, 金奇奂
2019, 68 (3): 030306. doi: 10.7498/aps.68.20181729
摘要 +
能够长时间储存量子信息的量子存储设备是实现大规模量子计算和量子通信的基本要素. 与其他量子计算平台相比, 囚禁离子系统的优势之一在于具有很长的相干时间. 此前, 基于囚禁离子的单量子比特相干时间不到1 min. 研究发现, 在囚禁离子系统中, 限制量子比特相干时间的主要因素是运动能级加热和环境噪声, 其中后者包含环境磁场涨落和微波相位噪声. 在同时囚禁171Yb+离子和138Ba+离子的混合囚禁系统中, 通过实施协同冷却和动力学解耦, 可以实现相干时间超过10 min的单离子量子比特. 这一技术有望用于实现量子密码学和搭建混合量子计算平台.
量子存储研究进展
窦建鹏, 李航, 庞晓玲, 张超妮, 杨天怀, 金贤敏
2019, 68 (3): 030307. doi: 10.7498/aps.68.20190039
摘要 +
量子技术, 比如量子通信、量子计算, 具有经典技术所不具有的优势. 但是, 作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱, 很容易受到外界环境的影响而丢失, 而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的. 这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现, 除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来. 在过去的十几年中, 量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究, 而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化. 现如今, 量子存储领域追求的是可实用化, 而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是: 高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行. 通过介绍多个具有代表性的存储方案, 本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势. 其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注. 但是由于噪音问题, 直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储. 本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍, 对FORD方案之所以能够成功进行了分析, 还对量子存储的降噪方法进行了总结.
多个量子节点确定性纠缠的建立
刘艳红, 吴量, 闫智辉, 贾晓军, 彭堃墀
2019, 68 (3): 034202. doi: 10.7498/aps.68.20181614
摘要 +
量子纠缠是一种重要的量子资源, 在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠, 然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送, 这对于实现量子信息网络是至关重要的. 本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场, 而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移. 利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理, 将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠. 然后, 存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道, 纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场. 三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力. 这个方案实现了三个量子节点间的纠缠, 并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络, 为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.
基于拉曼协议的量子存储
史保森, 丁冬生, 张伟, 李恩泽
2019, 68 (3): 034203. doi: 10.7498/aps.68.20182215
摘要 +
量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统, 是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件. 量子存储协议多种多样, 其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注. 然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性. 本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标, 在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后, 重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究, 取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.
基于超绝热捷径技术快速制备超导三量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger态
于宛让, 计新
2019, 68 (3): 030302. doi: 10.7498/aps.68.20181922
摘要 +
本文提出了一个基于超绝热捷径技术快速制备超导三量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger态的理论方案. 该方案首先在量子Zeno动力学的帮助下得到系统的有效哈密顿量, 之后通过引入与有效哈密顿量具有相同形式的反向导热哈密顿量来构建绝热捷径, 加速了整个系统的演化过程. 该方案不需要初态和目标态之间的直接耦合, 在实验上也更容易实现. 数值模拟结果表明该方案对超导量子比特的自发辐射、波导谐振腔的泄漏以及超导量子比特的退相位是鲁棒的.
纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟
胡梦丹, 张庆宇, 孙东科, 朱鸣芳
2019, 68 (3): 030501. doi: 10.7498/aps.68.20181665
摘要 +
采用三维多相流格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM), 对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究. 通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证. 模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律. 结果表明, 较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大, 通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大, 而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动, 其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态; 较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大, 液滴的最终润湿状态为Wenzel态; 润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大, 成为Cassie态. 冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好. 通过模拟还发现, 冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关. 本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.
单氯化锶分子低激发态的光谱及跃迁特性
伍冬兰, 袁金宏, 温玉锋, 曾学锋, 谢安东
2019, 68 (3): 033101. doi: 10.7498/aps.68.20181770
摘要 +
利用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(ic-MRCI + Q)方法, 结合相对论有效芯赝势基(aug-cc-pV5Z-PP)作为Sr原子和相关一致五重基aug-cc-pV5Z为Cl原子的计算基组, 优化计算了单氯化锶(Sr35Cl)分子14个低激发电子态的势能曲线和跃迁偶极矩. 为了获得更加精确的光谱参数, 计算中同时引入核价电子相关和相对论效应修正势能曲线. 利用LEVEL 8.0程序拟合修正的势能曲线, 得到相应电子态的光谱常数、振动能级和分子常数等光谱性质, 结果与近来的已获得的理论计算和实验值符合得较好, 同时给出了Franck-Condon因子和辐射寿命等跃迁性质. 这些精确的光谱跃迁特性可为进一步构建Sr35Cl分子激光冷却方案提供理论支持.
强场非次序双电离中再碰撞动力学的强度依赖
黄诚, 钟明敏, 吴正茂
2019, 68 (3): 033201. doi: 10.7498/aps.68.20181811
摘要 +
利用三维经典系综模型系统地研究了不同强度线偏振激光脉冲驱动下He原子的非次序双电离. 结果表明在非次序双电离中回碰电子的返回次数、两电子的碰撞距离和电子对的关联特性都强烈地依赖于激光强度. 对于750 nm, 随着激光强度的增加, 单次返回诱导的非次序双电离事件逐渐减少, 而多次返回事件的比例显著增加. 对于1500 nm, 随着激光强度的增加, 前三次返回诱导的非次序双电离事件都会减少, 返回次数大于3的轨道对非次序双电离的贡献逐渐增加. 这是因为在高强度下每次返回过程中母核的库仑吸引对返回电子横向偏离的补偿较弱, 所以需要更多次的返回来补偿电子的横向偏离以实现再碰撞. 轨道分析表明非次序双电离中两电子的碰撞距离随激光波长和强度的增加而逐渐减小. 最后讨论了非次序双电离中电子对的关联特性对返回次数的依赖.
飞秒激光场中原子所受光学偶极力研究
刘纪彩, 成飞, 赵亚男, 郭芬芬
2019, 68 (3): 033701. doi: 10.7498/aps.68.20182016
摘要 +
通过求解全波矢布洛赫方程研究了两能级原子与飞秒超快激光脉冲的相互作用过程, 计算了不同拉比频率取值下原子所受光学偶极力和粒子数布居随时间的演化情况, 分析了光场失谐量对光学势分布情况的影响. 研究发现: 由飞秒激光场产生的横向光力的时间平均值并不等于零, 而是随着拉比频率的增加呈现振荡的增大趋势; 纵向光力的时间平均作用也并非是拉比频率的单调函数, 而是随着拉比频率的增加呈现周期性的振荡分布特性; 光学势的分布对光场的失谐量具有明显的依赖性, 随着失谐量的变化, 光学势的性质也随之发生了改变.

编辑推荐

基于赝热光照明的单发光学散斑成像
肖晓, 杜舒曼, 赵富, 王晶, 刘军, 李儒新
2019, 68 (3): 034201. doi: 10.7498/aps.68.20181723
摘要 +
散射介质对光的散射是当前限制光学成像深度或距离的一个严重的问题. 本文首先数值模拟比较了光透过随机散射介质成像研究中常用的基于光学记忆效应(memory effect, ME)和自相关(autocorrelation, AC)方法的HIO&ER算法和乒乓(Ping-Pang, PP)算法的优缺点. 通过对HIO&ER算法和PP算法的恢复效果和迭代次数进行比较, 发现PP算法在保持较高恢复效果的前提下拥有更快的运行速度. 实验中, 利用连续He-Ne激光器和旋转毛玻璃产生赝热光源, 通过物镜对随机散射介质后数毫米距离内的不同形状物体进行了单帧成像, 并采用PP算法成功地恢复出微米量级物体的实际图像. 这一研究结果将进一步促进ME和AC方法在深层生物组织医学成像研究上的应用. 最后, 实验研究了不同的物镜和散射介质的间距对成像恢复的放大率、分辨率和图像强度的影响特性, 并进行了详细研究.
优化抽运空间分布实现连续变量超纠缠的纠缠增强
李娟, 李佳明, 蔡春晓, 孙恒信, 刘奎, 郜江瑞
2019, 68 (3): 034204. doi: 10.7498/aps.68.20181625
摘要 +
超纠缠近年来受到人们广泛的关注, 其在量子信息和量子通信领域具有非常重要的作用. 在Liu等(2014 Phys. Rev. Lett. 113 170501)的工作中, 他们利用二类相位匹配的非简并光学参量放大器获得了约1.00 dB的同时具有轨道角动量和自旋角动量纠缠的连续变量超纠缠态. 在此基础上, 本文通过进一步分析抽运模式与下转换模式间的纠缠关系, 优化了抽运空间构造. 实验结果表明, 相比Liu等利用高斯基模做抽运场, 使用优化的抽运模式时轨道角动量纠缠和自旋角动量纠缠的不可分度分别提高了96.2%和96.3%, 最终将超纠缠态的纠缠度提高到了(4.00 ± 0.02) dB, 为连续变量超纠缠态的进一步应用奠定了基础.
基于声学超材料的低频可调吸收器
翟世龙, 王元博, 赵晓鹏
2019, 68 (3): 034301. doi: 10.7498/aps.68.20181908
摘要 +
在当今社会, 噪声污染已经成为人类健康的一大威胁, 如何有效地控制和消除噪声污染一直是科研领域的一个重要话题. 本文以开口环嵌套结构为模型, 设计并制备了一种声学超材料. 通过理论分析、数值模拟和实验测试, 发现由于模型内部空腔的强烈耦合共振效应, 该超材料可以在低频区域实现接近完美的吸声效应. 此外, 通过简单地绕轴旋转其内腔开口方向, 即可改变该超材料的相对阻抗值, 进而在较宽的频带范围内实现对吸收峰位置的可调控制. 由于该超材料具有深亚波长的尺寸, 因此非常有利于低频吸声器件的小型化和集成化, 同时该模型也为宽带吸收器的设计奠定了基础.
黏性各向异性磁流体Kelvin-Helmholtz不稳定性: 二维数值研究
刘迎, 陈志华, 郑纯
2019, 68 (3): 035201. doi: 10.7498/aps.68.20181747
摘要 +
利用corner transport upwind和constrained transport算法求解非理想磁流体动力学方程组, 对匀强平行磁场作用下, 黏性各向异性等离子体自由剪切层中的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了数值模拟. 从流动结构、涡结构演化、磁场分布、横向磁压力、抗弯磁张力等角度对各向同性和各向异性黏性算例结果进行了讨论, 分析了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响. 结果表明, 黏性各向异性比黏性各向同性更利于流动的稳定. 其稳定性作用是由于磁感线方向上剪切速率降低导致界面卷起程度和圈数的降低, 并使卷起结构中小涡产生增殖、合并, 破坏了涡的常规增长, 从而导致流动的稳定. 黏性各向异性对横向磁压力的影响比对抗弯磁张力更大.
光源尺寸和光谱带宽对波带板成像的影响
陆中伟, 王晓方
2019, 68 (3): 035202. doi: 10.7498/aps.68.20181236
摘要 +
X射线菲涅耳波带板成像能实现亚微米空间分辨能力, 有可能应用于激光等离子体或聚变靶的高分辨X射线成像诊断. 之前的数值模拟研究表明, 成像分辨能力受光源尺寸、入射光或成像光谱带宽的影响. 本文报道在632.8 nm为中心波长的可见光波段, 对波带板成像的数值模拟和原理性验证实验. 数值模拟表明: 随着扩展光源尺寸增加, 视场中央分辨能力基本不变, 而像对比度下降; 随着成像的光谱带宽的增加, 视场中央分辨能力与像对比度同时下降. 实验证实了数值模拟的结论, 且实验与数值模拟结果的定量比较也符合得较好.
同轴枪放电等离子体电流片的运动特性研究
漆亮文, 赵崇霄, 闫慧杰, 王婷婷, 任春生
2019, 68 (3): 035203. doi: 10.7498/aps.68.20181832
摘要 +
同轴枪放电可以产生高速度、高密度的等离子体射流, 在天体物理、核物理等研究领域具有广泛的应用. 基于同轴枪放电等离子体运动的“雪犁模型”分析, 本实验通过对等离子体光电信号和磁信号的测量及放电照片的拍摄, 研究了不同放电电流和气压对同轴枪放电等离子体电流片的运动特性、电流通道分布的影响. 实验结果发现: 一次放电过程中, 气压为10 Pa、放电电流为35.7—69.8 kA时, 随着放电电流的增加, 等离子体喷射速度增加, 输运距离与离子携带的轴向动能成正比, 大电流条件下, 等离子体喷出枪口时易于在枪底端形成新的电流通道; 气压为5—40 Pa、放电电流为49.8 kA时, 随着气压的增加, 等离子体喷射速度减小, 输运距离缩短, 高气压下, 等离子体喷出枪口时在枪底端未产生新的放电通道, 这与放电过程中遗留在枪底端的带电粒子和电流片渗漏残留在枪内的中性粒子共同形成的阻抗通道有关; 电流反向时, 二次放电击穿位置发生在电极头部, 放电过程中存在多次放电现象.
AlxCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系
王浩玉, 农智升, 王继杰, 朱景川
2019, 68 (3): 036101. doi: 10.7498/aps.68.20181893
摘要 +
为了探索AlxCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系, 结合固溶体特征参数和第一性原理计算, 研究Al元素含量对AlxCrFeNiTi (x = 0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响, 并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系. 结果表明: AlxCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小, 合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构, 说明研究的AlxCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体; 合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大, 但合金的结构稳定性略有下降; 当合金元素按照等原子比进行成分配比时, 合金的原子尺寸差异最大; AlxCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外, 还表现出一定的共价和离子键结合特征; 对于AlxCrFeNiTi系合金而言, 随着热力学熵焓比的增大, 合金体弹模量和韧性随之增大; 随着合金混合焓的增加, 合金在压缩方向的各向异性程度明显降低. 热力学熵焓比和混合焓可作为AlxCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.
Ce和O空位共掺杂TiO2的电子结构与光学性质
周诗文, 彭平, 陈文钦, 庾名槐, 郭惠, 袁珍
2019, 68 (3): 037101. doi: 10.7498/aps.68.20181946
摘要 +
采用基于密度泛函理论加U的计算方法, 研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光吸收性质. 计算结果表明, Ce和O空位共掺杂TiO2的带隙中出现了杂质能级, 且带隙窄化为2.67 eV, 明显比纯TiO2和Ce, O空位单掺杂TiO2的要小, 因而可提高TiO2对可见光的响应能力, 使TiO2的光吸收范围增加. 光吸收谱显示, 掺杂后TiO2的光吸收边发生了显著红移; 在400.0—677.1 nm的可见光区, 共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO2和Ce单掺杂TiO2, 而略低于O空位单掺杂TiO2. 此外, Ce掺杂TiO2中引入O空位后, TiO2的导带边从−0.27 eV变化为−0.32 eV, 这表明TiO2的导带边的还原能力得到了加强. 计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.
外场作用下铁电/铁磁双层膜的极化磁化性质
郑伟, 杜安
2019, 68 (3): 037501. doi: 10.7498/aps.68.20181879
摘要 +
建立了铁电/铁磁双层膜模型, 铁电层的电矩用连续标量描述, 而铁磁层的自旋应用经典矢量描述. 利用蒙特卡罗方法模拟了体系的热力学性质和极化、磁化行为. 给出了零场下体系的内能、比热、极化和磁化随温度变化的关系, 并分别研究了体系在外磁场和外电场下的极化和磁化行为. 模拟结果表明, 双层膜体系的内能、比热、极化和磁化性质因层间耦合系数的不同而明显不同, 当界面耦合较弱时, 双层膜表现出各自的热力学性质, 当层间耦合增强到一定程度时, 双层膜耦合为一个整体, 表现出统一的热力学性质. 该双层膜在外场中形成电滞回线和磁滞回线, 并表现出偏置特性, 界面耦合强度和温度影响滞后回线和偏置现象.
Nd含量对Bi6−xNdxFe1.4Ni0.6Ti3O18多晶材料多铁性的影响
陈诚, 卢建安, 杜微, 王伟, 毛翔宇, 陈小兵
2019, 68 (3): 037701. doi: 10.7498/aps.68.20181287
摘要 +
${\text{μ}}{\rm C/cm}^2$. 室温下BNFNT-0.20样品磁性能(2Ms)最大约达到 4.132 emu/g (1 emu/g = 10–3 A·m2/g). 变温介电损耗结果表明Nd掺杂降低了Fe3+和Fe2+间的电子转移或跃迁的激活能. X射线光电子能谱结果表明小量Nd掺杂有助于增强Bi离子稳定性, 对改善样品的铁电性能有积极意义.">采用柠檬酸-硝酸盐法制备了Bi6−xNdxFe1.4Ni0.6Ti3O18 (BNFNT-x, x = 0.00, 0.10, 0.20, 0.25和0.30)前驱液, 再经过干燥、烧结过程制备了单相多晶材料. 研究发现, 少量Nd掺杂有助于提高样品的铁电性能, BNFNT-0.25样品的铁电性能(2Pr)最大, 约达到19.7 ${\text{μ}}{\rm C/cm}^2$. 室温下BNFNT-0.20样品磁性能(2Ms)最大约达到 4.132 emu/g (1 emu/g = 10–3 A·m2/g). 变温介电损耗结果表明Nd掺杂降低了Fe3+和Fe2+间的电子转移或跃迁的激活能. X射线光电子能谱结果表明小量Nd掺杂有助于增强Bi离子稳定性, 对改善样品的铁电性能有积极意义.

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55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的γ射线和X射线电离总剂量效应研究
曹杨, 习凯, 徐彦楠, 李梅, 李博, 毕津顺, 刘明
2019, 68 (3): 038501. doi: 10.7498/aps.68.20181661
摘要 +
基于60Co-γ射线和10 keV X射线辐射源, 系统地研究了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的电离总剂量效应, 并特别关注其电学特性退化的规律与物理机制. 总剂量辐照引起闪存单元I- V特性曲线漂移、存储窗口变小和静态电流增大等电学特性的退化现象, 并对其数据保持能力产生影响. 编程态闪存单元的Id- Vg曲线在辐照后显著负向漂移, 而擦除态负向漂移幅度较小. 对比两种射线辐照, 擦除态的Id- Vg曲线漂移方向不同. 相比于擦除态, 富含存储电子的编程态对总剂量辐照更为敏感; 且相比于60Co-γ射线, 本文观测到了显著的X射线剂量增强效应. 利用TCAD和Geant 4工具, 从能带理论详细讨论了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元电离总剂量效应和损伤的物理机制, 并模拟和深入分析了X射线的剂量增强效应.
集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计
徐平, 杨伟, 张旭琳, 罗统政, 黄燕燕
2019, 68 (3): 038502. doi: 10.7498/aps.68.20181684
摘要 +
集成化导光板下表面微结构分布是影响背光模组出射光均匀性的关键因素, 因此是背光模组设计的重点之一. 本文针对微棱镜一维分布设计中存在的大面积同一性影响背光模组亮度均匀性的问题, 提出一种集成化导光板下表面微棱镜二维分布的设计思想, 以提高背光模组的亮度均匀性. 利用光学软件Lighttools对5.0英寸集成化导光板下表面微棱镜结构的较佳二维分布进行优化探索, 通过与较佳的一维分布仿真结果对比分析可知, 优化后的二维分布模式下, 背光模组的光能利用率、照度均匀性、亮度均匀性分别达到92.03%, 87.07%和91.94%, 满足行业标准; 其中, 照度均匀性比一维分布提高了10%; 同时, 从亮度图观察, 背光模组的整体亮度均匀性得到了有效提升. 该研究结果对于背光模组轻薄化、集成化开发具有一定的参考价值.
原子和分子物理学
一种新型的低散射微带天线阵设计
兰俊祥, 曹祥玉, 高军, 韩江枫, 刘涛, 丛丽丽, 王思铭
2019, 68 (3): 034101. doi: 10.7498/aps.68.20181708
摘要 +
本文将电磁表面(electromagnetic surface, EMS)的设计思想引入到微带天线阵的设计中, 在设计天线单元的同时, 也将其作为EMS单元兼顾其反射特性. 通过在矩形辐射贴片上开弧形缺口, 得到一种新的单元结构, 该单元可与原始EMS单元之间形成180° ± 30°有效相位差, 且作为天线单元时与原始天线工作在相同谐振模式、相同频带. 将两种单元以棋盘形式构成组合天线阵, 在两个极化下分别基于相位对消原理和吸波原理实现了雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩. 实测与仿真结果表明: 相较于等大小的金属板, 在x极化波照射下, 天线阵在5.6—6.0 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩, 相对带宽为10.1%; 在y极化波照射下, 天线阵在5.0—7.2 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩, 相对带宽为24%. 同时由于两种单元在辐射上具有较好的一致性, 使得组合天线阵的辐射性能得以保持. 该方法有效解决了天线阵辐射和散射难以兼顾的矛盾, 为其他形式的低散射天线阵的设计提供了新的方法与思路.
聚甲基丙烯酸甲酯间隔的金纳米立方体与金膜复合结构的表面增强拉曼散射研究
王向贤, 白雪琳, 庞志远, 杨华, 祁云平, 温晓镭
2019, 68 (3): 037301. doi: 10.7498/aps.68.20190054
摘要 +
${\text μ}{\rm g/mL}$的条件下复合结构中R6G的拉曼信号最强, 且可测量R6G的最低浓度达10–11 mol/L.">金属纳米颗粒与金属薄膜的复合结构由于其局域表面等离子体和传播表面等离子体间的强共振耦合作用, 可作为表面增强拉曼散射(SERS)基底, 显著增强吸附分子的拉曼信号. 本文提出了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)间隔的90 nm金纳米立方体与50 nm金膜复合结构的SERS基底, 通过有限元方法数值模拟, 得到PMMA的最优化厚度为15 nm. 实验制备了PMMA间隔层厚度为14 nm的复合结构, 利用罗丹明6G (R6G)为拉曼探针分子, 633 nm的氦氖激光器作为激发光源, 研究了复合结构和单一金纳米立方体的SERS效应, 发现复合结构可以使探针分子产生比单一结构更强的拉曼信号. 在此基础上, 研究了不同浓度金纳米立方体水溶液条件下复合结构中R6G的拉曼光谱. 结果表明, 当金纳米立方体水溶液浓度为5.625 ${\text μ}{\rm g/mL}$的条件下复合结构中R6G的拉曼信号最强, 且可测量R6G的最低浓度达10–11 mol/L.
核物理学

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氢化二维过渡金属硫化物的稳定性和电子特性: 第一性原理研究
王丹, 邹娟, 唐黎明
2019, 68 (3): 037102. doi: 10.7498/aps.68.20181597
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用氢对单层二维过渡金属硫化物(TMDs)进行功能化是调节单层TMDs电子性质的既有效又经济的方法. 采用密度泛函理论, 对单层TMDs (MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te))的稳定性和电子性质进行理论研究, 发现在单层MX2的层间有一个比其表面更稳定的氢吸附位点. 当同阳离子时, 随着阴离子原子序数的增加, H原子与MX2层的结合越强, 氢化单层MX2结构越稳定; 相反, 同阴离子时, 随着阳离子原子序数的增加, H原子与MX2层的结合越弱. 氢原子从MoS2的表面经层间穿越到另一表面的扩散势垒约为0.9 eV. 氢化对单层MX2的电子特性也会产生极大的影响, 主要表现在氢化实现了MX2体系从无磁性到磁性体系的过渡. 表面氢化会使MX2层的带隙急剧减小, 而层间氢化使MX2的电子结构从半导体转变为金属能带.
气体、等离子体和放电物理
表面形貌对热阴极电子发射特性的影响
郝广辉, 李泽鹏, 高玉娟, 周亚昆
2019, 68 (3): 037901. doi: 10.7498/aps.68.20181725
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为了研究热阴极表面形貌对电子发射能力的影响, 使用飞秒激光微纳加工技术在光滑的热阴极表面制备不同尺寸和形状的周期性条纹结构, 并使用相同的制备工艺对阴极进行除气和激活. 测试结果显示: 阴极表面周期性条纹结构可有效增强阴极的电子发射能力, 正交双向条纹结构表面阴极的发射电流密度高于单向条纹结构表面阴极的发射电流密度, 而且随条纹结构尺寸的降低, 阴极的电子发射能力逐渐增强. 对阴极表面形貌进行仿真, 发现微尖顶端位置在强电场的作用下具有较强的电子发射能力. 当阴极表面微尖底部直径与高度比值(r/h)较小时, 微尖的侧面仍是阴极电子发射的主要区域, 但是随着r/h减小, 阴极的电子发射区域逐渐由微尖侧面发射向微尖顶端转移, 场助电子发射效应成为阴极电子发射的主要组成部分.