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Vol. 68, No. 9 (2019)

2019年05月05日

封面文章

线极化Bell-Bloom测磁系统中抽运光对磁场灵敏度的影响
利用适用于线极化Bell-Bloom测磁系统的布洛赫方程和含有自旋弛豫的速率方程, 以铯原子为研究对象, 分析了抽运光对磁场灵敏度的影响, 并在实验上分别采用与铯原子D1线和D2线共振的线偏光作为抽运光和探测光, 用充有缓冲气体的气室进行了实验. 实验结果与理论分析一致, 均表明只有在一定的光强范围内, 增大抽运光光强可以提高磁场灵敏度. 且利用这一方法分析了原子的自旋弛豫对磁场灵敏度的影响. 这项研究对于深入认识线极化的Bell-Bloom测磁系统, 以及如何通过优化系统实现磁场灵敏度的提高具有重要的意义. 杨晨, 左冠华, 田壮壮, 张玉驰, 张天才 物理学报.2019, 68(9): 090701.
总论 核物理学 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 特邀综述
特邀综述
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
总论
具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能
王拓, 陈弘毅, 仇鹏飞, 史迅, 陈立东
2019, 68 (9): 090201. doi: 10.7498/aps.68.20190073
摘要 +
硫化银(Ag2S)是一种典型的快离子导体材料, 前期关于Ag2S的研究主要集中在光电和生物等领域. 最近的研究表明, α-Ag2S具有和金属一样的良好延展性和变形能力. 但是, Ag2S的热电性能尚无公开报道. 本工作合成了单相Ag2S化合物, 系统研究了其在300—600 K范围的物相变化、离子迁移特性和电热输运性质. 研究发现, Ag2S在300—600 K温度区间表现出半导体的电输运性质. 由于单斜-体心立方相晶体结构转变, Ag2S的离子电导率、载流子浓度、迁移率、电导率、泽贝克系数等性质在455 K前后出现急剧变化. 在550 K, Ag2S的功率因子最高可达5 μW·cm–1·K–2. Ag2S在300—600 K温度区间均表现出本征的低晶格热导率(低于0.6 W·m–1·K–1). S亚晶格中随机分布的类液态Ag离子是导致β-Ag2S体心立方相具有低晶格热导率的主要原因. 在573 K, Ag2S的热电优值可达0.55, 与Ag2Se, Ag2Te, CuAgSe等已报道的Ag基快离子导体热电材料的性能相当.
纳米颗粒的表面效应和电极颗粒间挤压作用对锂离子电池电压迟滞的影响
彭劼扬, 王家海, 沈斌, 李浩亮, 孙昊明
2019, 68 (9): 090202. doi: 10.7498/aps.68.20182302
摘要 +
硅作为锂离子电池电极材料之一, 其应力效应尤为突出, 进而将影响电池性能. 本文建立了电化学反应-扩散-应力全耦合模型, 并研究了恒压充放电条件下扩散诱导应力、表面效应和颗粒间挤压作用对电压迟滞的影响. 结果发现, 应力及其导致的电压迟滞程度与颗粒尺寸相关. 在大颗粒(颗粒半径r > 100 nm)中, 扩散诱导应力是导致电势迟滞效应的主要因素, 这将导致电池能量耗散. 对于纳米级小颗粒(r < 100 nm)而言, 表面效应占据主导, 表面效应虽然能缓解电压迟滞, 同时却会使驱动电化学反应部分的过电势回线下移, 造成锂化容量衰减. 本文综合考虑了扩散诱导应力和表面效应, 得出: 半径为10 nm的颗粒将会使电极具备较好的综合性能. 此外, 对于硅电极而言, 颗粒间挤压作用会使应力回线向压应力状态演化, 进而导致锂化容量的衰减. 计算结果表明, 在电极设计中, 对孔隙率设定下限值有助于提升电极性能.

特邀综述

非线性薛定谔方程的高阶分裂改进光滑粒子动力学算法
蒋涛, 黄金晶, 陆林广, 任金莲
2019, 68 (9): 090203. doi: 10.7498/aps.68.20190169
摘要 +
为提高传统光滑粒子动力学(SPH)方法求解高维非线性薛定谔(nonlinear Schrödinger/Gross-Pitaevskii equation, NLS/GP)方程的数值精度和计算效率, 本文首先基于高阶时间分裂思想将非线性薛定谔方程分解成线性导数项和非线性项, 其次拓展一阶对称SPH方法对复数域上线性导数部分进行显式求解, 最后引入MPI并行技术, 结合边界施加虚粒子方法给出一种能够准确、高效地求解高维NLS/GP方程的高阶分裂修正并行SPH方法. 数值模拟中, 首先对带有周期性和Dirichlet边界条件的NLS方程进行求解, 并与解析解做对比, 准确地得到了周期边界下孤立波的奇异性, 且对提出方法的数值精度、收敛速度和计算效率进行了分析; 随后, 运用给出的高阶分裂粒子方法对复杂二维和三维NLS/GP问题进行了数值预测, 并与其他数值结果进行比较, 准确地展现了非线性孤立波传播中的奇异现象和玻色-爱因斯坦凝聚态中带外旋转项的量子涡旋变化过程.
基于数据库进行乏燃料鉴别的多元统计分析研究
苏佳杭, 伍钧, 胡思得
2019, 68 (9): 090204. doi: 10.7498/aps.68.20190107
摘要 +
近年来, 随着国际核军控形势的变化, 包含防扩散、防核恐及核安保的多边国际军控合作越来越受到重视. 核取证技术作为防扩散、防核恐及核安保的一项核心技术, 在对涉核非法活动的威慑、阻止以及响应方面具有重要作用, 值得深入研究. 目前针对核取证技术的研究较多, 主要集中于材料的表征和数据的解读. 其中解读作为核取证研究技术中最重要的一环, 所面对的对象是多种多样的, 包括铀矿石、黄饼、核燃料、乏燃料等, 而其中乏燃料由于其潜在的威胁越来越受到重视. 本文聚焦于在核取证场景中利用多元统计分析方法进行乏燃料鉴别的研究, 主要是利用因子分析、判别分析和回归分析方法对乏燃料组分进行分析, 研究各方法的适用范围, 并为未来可能的利用数据库进行乏燃料鉴别的工作提供理论依据与可行方案, 为相关核取证溯源工作的顺利开展提供支撑.
基于光子计数的纠缠微波压缩角锁定
魏天丽, 吴德伟, 杨春燕, 罗均文, 李响, 朱浩男
2019, 68 (9): 090301. doi: 10.7498/aps.68.20182077
摘要 +
针对基于超导180°混合环的纠缠微波制备方案探测效率低、信息处理难以及控制复杂等问题, 设计了基于微波光子计数的压缩角锁定方案. 对超导180°混合环的输出信号进行微波光子计数, 通过贝叶斯准则估计输入压缩态微波场的相对压缩角, 并将压缩角校正信息反馈于约瑟夫森参量放大器抽运源, 调整两路单模压缩态微波场的相对压缩角为180°, 达到控制输出纠缠性能最优的目的. 该研究为路径纠缠微波的纠缠性能的提升以及高质量纠缠微波源的设计提供了理论参考.
一种K分布强湍流下的测量设备无关量子密钥分发方案
谷文苑, 赵尚弘, 东晨, 朱卓丹, 屈亚运
2019, 68 (9): 090302. doi: 10.7498/aps.68.20182130
摘要 +
研究了K分布强湍流下自由空间测量设备无关量子密钥分发协议模型, 采用阈值后选择方法来减少大气湍流对密钥生成率的影响, 对比分析了使用阈值后选择方法前后协议的密钥率和湍流强度之间的关系. 仿真结果表明, 使用阈值后选择方法可以有效地提高协议的密钥生成率, 尤其是在高损耗和强湍流区域, 而且其最佳阈值与湍流强度、信道平均损耗有关, 对实际搭建性能较好的自由空间测量设备无关量子密钥分发协议系统具有一定的参考价值.
曲波域统计量自适应阈值探地雷达数据去噪技术
李静和, 何展翔, 杨俊, 孟淑君, 李文杰, 廖小倩
2019, 68 (9): 090501. doi: 10.7498/aps.68.20182061
摘要 +
非线性、非平稳探地雷达数据常掺杂各种复杂噪声源, 其对精确提取弱反射波信号、识别绕射波双曲线同相轴特征具有严重影响, 忽略噪声影响给探地雷达探测数据全波形偏移成像及后续解译造成较大误差. 采用传统阈值函数的曲波变换去噪需要根据数据噪声水平人为确定合理阈值控制系数. 对此, 本文开展自适应阈值函数的曲波变换去噪算法研究. 引入块状复数域阈值函数算法, 分析传统阈值函数曲波变换去噪的效果随阈值控制系数变化的规律; 利用高阶统计量理论, 对曲波变换系数在尺度、方向上进行相关性叠加, 通过相关性统计量自适应确定有效信号在曲波变换系数分布尺度、旋转方向, 由此确定清除噪声成分阈值范围, 构建统计量自适应阈值函数曲波变换去噪算法. 针对包含随机噪声、相关噪声合成探地雷达数据及实测探地雷达数据, 采用传统阈值函数曲波变换去噪与本文提出去噪算法处理结果对比分析, 检验了本文算法的有效性及可行性. 研究成果对复杂探地雷达数据精确推断解译具有指导意义.

封面文章

线极化Bell-Bloom测磁系统中抽运光对磁场灵敏度的影响
杨晨, 左冠华, 田壮壮, 张玉驰, 张天才
2019, 68 (9): 090701. doi: 10.7498/aps.68.20190030
摘要 +
利用适用于线极化Bell-Bloom测磁系统的布洛赫方程和含有自旋弛豫的速率方程, 以铯原子为研究对象, 分析了抽运光对磁场灵敏度的影响, 并在实验上分别采用与铯原子D1线和D2线共振的线偏光作为抽运光和探测光, 用充有缓冲气体的气室进行了实验. 实验结果与理论分析一致, 均表明只有在一定的光强范围内, 增大抽运光光强可以提高磁场灵敏度. 且利用这一方法分析了原子的自旋弛豫对磁场灵敏度的影响. 这项研究对于深入认识线极化的Bell-Bloom测磁系统, 以及如何通过优化系统实现磁场灵敏度的提高具有重要的意义.
核物理学
复动量格林函数方法对n-α散射研究
王晓伟, 郭建友
2019, 68 (9): 092101. doi: 10.7498/aps.68.20182197
摘要 +
在复动量表象下引入格林函数, 建立了复动量格林函数方法. 把这种方法应用于n-α散射系统, 计算其散射相移. 提取n-α系统的共振态并研究共振态对能级密度、相移和散射截面的贡献. 在不引入任何非物理参数的前提下, 离散化薛定谔积分方程得到束缚态、共振态和连续谱. 通过分析散射态物理量可以更好地理解共振态以及非共振连续谱态. 在n-α系统中的成功应用, 证明了该方法的正确性.
原子和分子物理学
钫原子磁偶极超精细结构常数及其同位素的磁偶极矩的理论计算
娄冰琼, 李芳, 王沛妍, 王黎明, 唐永波
2019, 68 (9): 093101. doi: 10.7498/aps.68.20190113
摘要 +
$\mu $, 这些值与已有的测量值具有非常好的一致性. 本文报道了12S, nP (n = 9—12)和 nD (n = 10—11)态的磁偶极超精细结构常数.">应用基于B样条基组的相对论耦合簇理论方法, 计算了212Fr原子的nS (n = 7—12), nP (n = 7—12)和nD (n = 6—11)态的磁偶极超精细结构常数. 与精确实验值的比较说明这套理论方法能精确计算出磁偶极超精细结构常数, 其中7P态的磁偶极超精细常数的理论值与实验值之间的差异小于1%. 在忽略场移效应对Fr原子7P态超精细结构常数的影响下, 通过结合实验值进一步定出了207−213,220−228Fr核磁偶极矩$\mu $, 这些值与已有的测量值具有非常好的一致性. 本文报道了12S, nP (n = 9—12)和 nD (n = 10—11)态的磁偶极超精细结构常数.

编辑推荐

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估
李婷, 卢晓同, 张强, 孔德欢, 王叶兵, 常宏
2019, 68 (9): 093701. doi: 10.7498/aps.68.20182294
摘要 +
在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中, 通常黑体辐射引起的频移是最大的一项. 黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响. 针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统, 通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法, 评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度. 其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移. 在真空腔体外表面设置了5个测温点, 利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化, 用SolidWorks绘图软件建立腔体模型, 通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时, 原子团所处位置温度的波动为0.34 K. 最终得到黑体辐射频移总的修正量为–2.13(1) Hz, 不确定度为2.4 × 10–17.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究
魏留磊, 蔡洪波, 张文帅, 田建民, 张恩浩, 熊俊, 朱少平
2019, 68 (9): 094101. doi: 10.7498/aps.68.20182291
摘要 +
利用二维粒子模拟方法, 本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题. 研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场, 形成具有选能作用的“磁势垒”, 强流电子束中的低能端电子在“磁势垒”的作用下返回激光作用区域, 在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程, 从而显著提升高能电子产额. 还应用单粒子模型, 分析了电子在激光场作用下的运动行为, 验证了多次加速的物理机理.
权重函数对关联方程估计超声速混合层波前方差精度的影响
谢文科, 刘俊圣, 费家乐, 周全, 夏辉, 陈欣, 张盼, 彭一鸣, 于涛
2019, 68 (9): 094202. doi: 10.7498/aps.68.20182269
摘要 +
气动光学的研究中, 关联方程(linking equation)是关联湍流力学量与光学量的一个重要的方程. 但是, 基于模型简化的关联方程在亚声速低速流场的应用中通常忽略权重函数对波前方差估计精度的影响. 本文在纳米粒子示踪平面激光散射技术获得超声速混合层流场密度数据的基础上, 应用关联方程计算超声速混合层的流向波前方差, 并进行误差分析. 结果表明: 基于关联方程估计的流向波前方差与直接对密度场的积分计算结果具有较好的一致性; 在适当地定义相干长度、密度脉动协方差高斯模型近似的基础上, 分析了权重函数对关联方程计算精度的影响, 指出了权重函数对关联方程在超声速流场密度高度相关区域中应用的必要性. 研究的开展对于拓展关联方程在高速流场中的应用具有一定指导意义.
复杂大气背景下机载通信终端与无人机目标之间的激光传输特性研究
王明军, 魏亚飞, 柯熙政
2019, 68 (9): 094203. doi: 10.7498/aps.68.20182052
摘要 +
云层、气溶胶和大气分子是大气环境的主要组成部分. 本文基于逐次散射法求解辐射传输方程, 建立了复杂大气背景下机载无线光通信终端与地空无人机目标之间的激光传输模型. 考虑真实大气背景中卷云、大气分子和气溶胶存在的情况下, 数值计算了1.55 μm激光经机载通信终端发出后通过大气背景的直接传输和一阶散射传输后接收功率随无人机目标高度的变化关系, 分析了飞机在云上、云中和云下以及卷云冰晶粒子有效半径、飞机与无人机之间的水平距离对接收激光信号传输功率的影响. 数值结果表明: 激光通过卷云传输的功率很大程度上取决于飞机在云上、云下或云中的位置; 飞机与无人机目标之间的水平距离和卷云冰晶粒子的有效半径对激光直接传输和一阶散射传输影响较大; 与云上大气相比, 云下的大气分子和气溶胶对激光有较大的衰减. 本文工作可为进一步开展地空链路上复杂大气背景对机载与低空无人机目标激光通信实验、无人机编队、指挥和组网技术的研究提供理论支撑.
日光强度涨落自关联消湍流成像
李明飞, 阎璐, 杨然, 寇军, 刘院省
2019, 68 (9): 094204. doi: 10.7498/aps.68.20182181
摘要 +
从关联成像理论出发, 提出了日光场在实际大气湍流环境中强度点对点自关联成像理论, 并进行了实验验证, 分析了太阳光强度二阶自关联成像和强度点对点二阶自关联成像的区别. 研究结果表明, 太阳光场的点对点四阶自关联, 即强度的二阶点对点自关联, 可实现消大气湍流成像. 为验证理论有效性, 利用外场实验进行了验证, 获得优于17 km距离的消湍流成像结果. 理论和实验均表明, 太阳光强度涨落的点对点自关联可实现消大气湍流成像. 相比于相机直接成像, 本文成像方法消除了大气湍流影响, 同时该方案极大提升了关联成像技术的实用性, 可直接用于远距离消大气湍流的高质量成像, 增加图像识别率. 理论表明, 任何成像过程中波前受相位扰动影响的波段, 如红外、紫外等, 均可利用本文方法消除影响, 成果具有较大实用价值.
级联四波混频系统中纠缠增强的量子操控
杨荣国, 张超霞, 李妮, 张静, 郜江瑞
2019, 68 (9): 094205. doi: 10.7498/aps.68.20181837
摘要 +
各类系统中的纠缠操控是量子信息科学的重要问题之一. 本文研究了热原子蒸气的级联四波混频过程中产生的纠缠增强及纠缠增强的相位敏感特性. 研究表明, 该级联四波混频过程第二级输出的探针光和共轭光的量子纠缠较第一级明显增强, 最大可达5 dB以上, 且随着强度因子的增大可实现完美纠缠. 文中还详细讨论了量子关联类型及纠缠大小与抽运光相位、非线性强度因子之间的变化关系, 结果显示, 由于纠缠增强及纠缠类型对抽运光相位的敏感性, 通过控制相位和强度因子可改变光场噪声特性从而实现对探针光和耦合光之间纠缠增强、纠缠度大小、纠缠类型的量子操控. 该理论研究对实验实现纠缠增强及双模压缩态压缩角、压缩度的光学参量操控具有重要的指导意义.
竞争型非线性介质中艾里-高斯光束交互作用的调控
陈卫军, 宋德, 李野, 王新, 秦旭磊, 刘春阳
2019, 68 (9): 094206. doi: 10.7498/aps.68.20190042
摘要 +
基于分步傅里叶法研究了艾里-高斯光束在三次聚焦和五次散焦竞争型非线性介质中交互作用的调控. 结果表明: 当入射角度为零时, 同相位艾里-高斯光束相互吸引, 五次散焦非线性强度较弱时, 可形成周期逐渐缩短的呼吸孤子或强度不变的孤子. 五次散焦非线性强度较强时, 呼吸孤子的平均宽度变大甚至出现光束分叉现象, 形成孤子对. 反相位艾里-高斯光束相互排斥, 排斥力随五次散焦非线性强度单调递增. 当入射角度不为零时, 通过控制光束入射角度的正负和初始间距. 同相位和反相位艾里-高斯光束交互作用时可以同时表现出相互吸引和排斥的现象.
一种低声速沉积层海底参数声学反演方法
李梦竹, 李整林, 周纪浔, 张仁和
2019, 68 (9): 094301. doi: 10.7498/aps.68.20190183
摘要 +
软泥底环境下沉积层参数的声学反演是国际水声领域的一个研究热点. 浅海中, 当高声速基底和海水之间存在一层低声速(小于海水声速)的沉积层时, 小掠射角情况下不同频率声传播损失会出现周期性增大现象. 基于此现象, 提出一种适用于低声速沉积层的海底参数声学反演方法. 首先, 推导给出小掠射角情况下传播损失周期增大的频率间隔与沉积层声速、厚度及近海底海水声速之间的解析表达式; 其次, 利用一次黄海实验中软泥底环境下的宽带声传播信号, 提取了小掠射角下传播损失增大的频率周期; 再次, 把该解析表达式作为约束条件, 结合Hamilton密度与声速的经验公式, 采用匹配场处理反演给出沉积层的声速、密度、厚度及基底的声速、密度; 然后, 利用声传播损失数据反演得到泥底环境下不同频率的声衰减系数, 通过拟合发现泥底声衰减系数随频率近似呈线性关系; 最后, 给出了双层海底模型和半无限大海底模型等效性的讨论. 反演结果为低声速沉积层海底声传播规律研究与应用提供了海底声学参数.
纳米通道粗糙内壁对流体流动行为的影响
梅涛, 陈占秀, 杨历, 王坤, 苗瑞灿
2019, 68 (9): 094701. doi: 10.7498/aps.68.20181956
摘要 +
纳米流动系统具有高效、经济等优势, 在众多领域具有广泛的应用前景. 因该类系统具有极高的表面积体积比, 致使界面滑移效应对流动具有显著影响. 本文采用分子动力学方法以两无限大平行非对称壁面组成的Poiseuille流动为对象, 分析了壁面粗糙度与润湿性变化对通道内流体流动的影响. 对于不同结构类型的壁面, 需要通过水动力位置来确定固液界面位置, 准确计算固液界面位置有助于更好地分析界面滑移效应. 研究结果表明, 上下壁面不对称会引起通道内流场参数分布的不对称, 壁面粗糙度及润湿性的变化会影响近壁面附近流体原子的流动特性, 由于壁面凹槽的存在, 粗糙壁面附近的数密度分布低于光滑壁面一侧. 壁面粗糙度及润湿性的变化会影响固液界面位置, 肋高变化及壁面润湿性对通道中速度分布影响较大, 界面滑移速度及滑移长度随肋高和润湿性的增大而减小; 肋间距变化对通道内流体流动影响较小, 界面滑移速度和滑移长度基本保持恒定.
湍流等离子体鞘套中高斯光束的传播特性分析
吕春静, 韩一平
2019, 68 (9): 094201. doi: 10.7498/aps.68.20182169
摘要 +
为了研究高斯光束在湍流等离子体鞘套中的传输特性, 根据广义惠更斯-菲涅耳原理, 采用基于快速傅里叶变换的功率谱反演法, 用多随机相位屏来模拟湍流带来的影响. 根据超声速飞行器绕流等离子体流场厚度在厘米级别的特点, 光束在两个相位屏之间的传输过程中采用菲涅耳衍射积分的两次快速傅里叶变换算法(double fast Fourier transform algorithm), 利用多随机相位屏模拟等离子体鞘套湍流对光束传输产生的影响, 解决了多随机相位屏模拟湍流研究中的超短距离传输问题. 当飞行高度为45 km, 飞行速度为18马赫时, 通过对超声速飞行器绕流等离子体流场的统计分析, 发现在此飞行条件下折射率起伏方差的强度范围10–11—10–14. 对高斯光束在湍流等离子体流场中的传输特性进行了数值仿真. 结果表明: 在等离子体鞘套湍流中折射率起伏强度、波长、传输距离等都是影响高斯光束质量的重要因素. 折射率方差越大, 传输距离越长, 光斑弥散越严重, 光强起伏越大, 光强减弱也越明显. 光束的波长越长, 高斯光束抑制湍流的能力越强, 光斑弥散程度越小, 光强起伏也越小.
气体、等离子体和放电物理
双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制
李宇涵, 邓联文, 罗衡, 贺龙辉, 贺君, 徐运超, 黄生祥
2019, 68 (9): 095201. doi: 10.7498/aps.68.20181960
摘要 +
针对超材料吸波频带窄的问题, 采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式, 设计了宽频高性能复合吸波体. 研究发现, 在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽, 且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz), 吸收峰值达–14.4 dB. 利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性, 通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型, 定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点, 发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符, 说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.
光电离速率影响大气压空气正流注分支的机理研究
涂婧怡, 陈赦, 汪沨
2019, 68 (9): 095202. doi: 10.7498/aps.68.20190060
摘要 +
大气压空气中的流注放电有广泛的理论和应用研究价值, 包括雷电机理、输变电系统空气绝缘理论以及材料表面改性等. 流注是一个快速发展的强电离区域, 在传播过程中存在着一种重要的特点—分支现象. 光电离为正流注发展提供必要的自由电子, 且实验结果表明分支特征与流注头部的光电离速率密切相关. 本文基于新的流注分支判据, 采用了粒子网格单元与蒙特卡罗碰撞相结合(PIC-MCC)的三维放电模型(Pamdi3D)进行数值仿真验证. 为了研究光电离速率对正流注分支的影响, 仿真了毫米尺度间隙针-板电极正流注发展, 系统研究了不同光电离参数的影响. 当减小氮气-氧气比例、光子吸收截面或光电离效率系数后, 流注均更早地出现分支现象. 这些计算结果表明大气压空气中流注头部光电离速率的降低将导致其发生分支的概率更高.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
过渡金属硼碳化物TM3B3C和TM4B3C2稳定性和性能的理论计算
胡前库, 侯一鸣, 吴庆华, 秦双红, 王李波, 周爱国
2019, 68 (9): 096201. doi: 10.7498/aps.68.20190158
摘要 +
在过渡金属轻元素化合物中, 寻找新的硬质或者超硬材料是当前的一个研究热点. 目前寻找范围多集中在过渡金属硼化物、碳化物和氮化物等二元体系, 三元相的研究则相对较少. 本文以已知Nb3B3C和Nb4B3C2结构为模板, 采用元素替代法构建了29种TM3B3C (TM为过渡金属元素)结构和29种TM4B3C2结构, 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 成功找到了热力学、动力学以及力学都稳定的Ta3B3C和Ta4B3C2两种新相. 结构搜索计算确认了这两相为全局能量最优结构. 能带结构和态密度的计算显示这两相均为导体, 导电性主要源于Ta原子的d电子. 这两种新相的硬度大约为26 GPa, 说明Ta3B3C和Ta4B3C2属于高硬度材料, 但不是超硬材料.
特邀综述
化学气相沉积石墨烯薄膜的洁净转移
张晓波, 青芳竹, 李雪松
2019, 68 (9): 096801. doi: 10.7498/aps.68.20190279
摘要 +
石墨烯因其优异的性能在很多领域具有广阔的应用前景. 目前石墨烯薄膜主要是以铜作为催化基底, 通过化学气相沉积法制备. 这种方法制备的石墨烯薄膜需要被转移到目标基底上进行后续应用, 而转移过程则会对石墨烯造成污染, 进而影响石墨烯的性质及器件的性能. 如何减少或避免污染, 实现石墨烯的洁净转移, 是石墨烯薄膜转移技术研究的重要课题, 也是本综述的主题. 本综述首先简单介绍了石墨烯的转移方法; 进而重点讨论由于转移而引入的各种污染物及其对石墨烯性质的影响, 以及如何抑制污染物的引入或如何将其有效地去除; 最后总结了石墨烯洁净转移所存在的挑战, 展望了未来的研究方向和机遇. 本综述不仅有助于石墨烯薄膜转移技术的研究, 对整个二维材料器件的洁净制备也将有重要参考价值.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究
郭丽娟, 胡吉松, 马新国, 项炬
2019, 68 (9): 097101. doi: 10.7498/aps.68.20190020
摘要 +
采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质, 结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中, 其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力. 能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留, 同时, 由于石墨烯的结合作用, 二硫化钨呈现出n型半导体. 通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型, 层间距增大, 肖特基将从p型转变为n型接触. 三维电荷密度差分图表明, 负电荷聚集在二硫化钨附近, 正电荷聚集在石墨烯附近, 从而在界面处形成内建电场. 肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关, 平面平均电荷密度差分图显示, 随着层间距逐渐增大, 界面电荷转移越来越弱, 且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近, 导致费米能级向上平移, 证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变. 本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.
离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管
宋航, 刘杰, 陈超, 巴龙
2019, 68 (9): 097301. doi: 10.7498/aps.68.20190058
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在石墨烯场效应晶体管栅介结构中引入具有良好电容特性或极化特性的材料可改善晶体管性能. 本文采用化学气相沉积制备的石墨烯并以PVDF-[EMIM]TF2N离子凝胶薄膜(ion-gel film)作为介质层制备底栅型石墨烯场效应管(graphene-based field effect transistor, GFET), 研究其电学特性以及真空环境和温度对GFET性能的影响. 结果表明离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应晶体管表现出良好的电学特性, 室温空气环境中, 与SiO2栅介GFET相比, ion-gel膜栅介GFET开关比(Jon/Joff)和跨导(gm)分别提高至6.95和3.68×10–2 mS, 而狄拉克电压(VDirac)低至1.3 V; 真空环境下ion-gel膜栅介GFET狄拉克电压最低可降至0.4 V; 随着温度的升高, GFET的跨导最高可提升至6.11×10–2 mS.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究
李勇, 王应, 李尚升, 李宗宝, 罗开武, 冉茂武, 宋谋胜
2019, 68 (9): 098101. doi: 10.7498/aps.68.20190133
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FeNiMnCo-C体系中, 在压力6.5 GPa、温度1280—1300 ℃的极端物理条件下, 采用温度梯度法成功合成了硼(B)、硫(S)协同掺杂金刚石大单晶. 通过傅里叶红外光谱测试对高温高压所制备金刚石中的杂质进行了表征. 借助霍尔效应对典型金刚石样品的电输运性能进行了测试, 测试结果表明: 硼硫协同掺杂有利于提高p型金刚石的电导率, 而且硼硫在合成体系中的添加比例可以决定金刚石的p, n特性. 此外, 第一性原理计算结果表明, 合成体系中不同比例的硼硫协同掺杂对金刚石的p, n特性以及电导率有着直接的影响, 计算结果与实验测试结果相吻合.

编辑推荐

基于二维材料MXene的仿神经突触忆阻器的制备和长/短时程突触可塑性的实现
陈义豪, 徐威, 王钰琪, 万相, 李岳峰, 梁定康, 陆立群, 刘鑫伟, 连晓娟, 胡二涛, 郭宇锋, 许剑光, 童祎, 肖建
2019, 68 (9): 098501. doi: 10.7498/aps.68.20182306
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兼具长时程可塑性与短时程可塑性的电子突触被认为是类脑计算系统的重要基础. 将一种新型二维材料MXene应用到忆阻器中, 制备了基于Cu/MXene/SiO2/W的仿神经突触忆阻器. 结果表明, Cu/MXene/SiO2/W忆阻器成功实现了稳定的双极性模拟阻态切换, 同时成功模拟了生物突触短时程可塑性的双脉冲易化功能和长时程可塑性的长期增强/抑制行为, 其中双脉冲易化的易化指数与脉冲间隔时间相关. Cu/MXene/SiO2/W忆阻器的突触仿生特性, 归功于MXene辅助的Cu离子电导丝形成与破灭的类突触响应机理. 由于Cu/MXene/SiO2/W忆阻器兼具长时程可塑性与短时程可塑性, 其在突触仿生电子学和类脑智能领域将会具有巨大的应用前景.
包含液相扩散方程简化的锂离子电池电化学模型
刘征宇, 杨昆, 魏自红, 姚利阳
2019, 68 (9): 098801. doi: 10.7498/aps.68.20190159
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锂离子电池的电化学模型对于电池特性分析和电池管理具有重要意义, 但是准二维(P2D)模型复杂度太高, 为了在保证模型精度的基础上尽量降低复杂度, 本文提出了一种包含液相简化的P2D (LSP2D)模型, 该模型首先基于电化学平均动力学将电池端电压化简成为仅耦合固相Li+浓度cs和液相Li+浓度ce的方程, 然后进一步对表达csce演化规律的偏微分方程进行抛物线近似化简, 使得最终的模型由多项式组成. COMSOL仿真表明在放电倍率为1C时该模型与单粒子(SP)模型的估算精度和速度相当, 但在放电倍率为3C时, 该模型的估算时间比P2D模型减少了99.73%, 与SP模型相当, 估算精度相比SP模型有大幅度提升.