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Vol. 69, No. 23 (2020)

2020年12月05日

封面文章

基于机器学习构建的环三亚甲基三硝胺晶体势
环三亚甲基三硝胺(RDX)是一种高能低感度炸药, 对其能量和性质的准确计算对于开展该炸药的分子模拟至关重要. 本文基于机器学习算法, 采用高维神经网络模型, 对RDX分子晶体结构数据集进行势函数训练. 分别采用9种不同的网络结构进行测试训练, 并选取其中学习效果最好的势函数对RDX分子晶体结合能和晶格中原子受力进行计算, 均能很好地重复出第一性原理的计算结果, 其测试集结合能的均方根误差为59.2 meV/atom. 作为机器学习势函数的应用, 进一步使用该势函数对α相RDX晶体进行分子动力学模拟, 以验证其适用性. 王鹏举, 范俊宇, 苏艳, 赵纪军 物理学报.2020, 69(23): 238702.
专题: 柔性电子
专题
综述
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 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
专题: 柔性电子
基于水热法制备三氧化钼纳米片的人工突触器件
郭科鑫, 于海洋, 韩弘, 卫欢欢, 龚江东, 刘璐, 黄茜, 高清运, 徐文涛
2020, 69 (23): 238501. doi: 10.7498/aps.69.20200928
摘要 +
近年来, 在神经形态电子中, 能够模拟突触功能的人工突触器件的研发引起了广泛关注. 本文利用水热法制备出高比表面积的基于MoO3纳米片的薄膜, 并将其用于人工突触器件的制备, 成功模拟了如: 突触后兴奋电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、脉冲持续时间依赖可塑性(SDDP)、脉冲电压依赖可塑性(SVDP)及脉冲速率依赖可塑性(SRDP)等神经突触的重要功能.
综述

编辑推荐

室温磁性斯格明子材料及其应用研究进展
刘益, 钱正洪, 朱建国
2020, 69 (23): 231201. doi: 10.7498/aps.69.20200984
摘要 +
磁性斯格明子是一种具有涡旋状非共线自旋结构的准粒子, 具有独特的拓扑保护特性, 可在极低电流驱动下运动, 有望在信息技术领域获得广泛应用. 从2015年开始, 科学家已经发现了多种室温磁性斯格明子材料, 例如斯格明子多层膜、人工斯格明子材料、β-Mn型单晶材料、中心对称材料(铁氧体、六方Ni2In型)等. 其中多层膜材料由于其制备工艺简单、可通过调节各膜层厚度优化性能、器件集成度高等优点而备受关注. 这些室温磁性斯格明子材料具有涌生电动势、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等特性, 有望用来制备多种新型自旋电子器件, 例如赛道存储器、微波探测器、纳米振荡器等, 其中赛道存储器有望成为下一代非易失性、低能耗和高密度的存储器. 本文首先介绍了磁性斯格明子的基本特性, 然后综述了近年来室温磁性斯格明子材料的研究进展、制备技术及表征方法, 最后简单介绍了用室温磁性斯格明子材料研制赛道存储器、微波探测器等原型器件的研究进展, 展望了室温磁性斯格明子材料的未来发展趋势.
高温高压下金刚石大单晶研究进展
尤悦, 李尚升, 宿太超, 胡美华, 胡强, 王君卓, 高广进, 郭明明, 聂媛
2020, 69 (23): 238101. doi: 10.7498/aps.69.20200692
摘要 +
金刚石具有一系列优于其他材料的极限特性, 应用领域十分广泛. 金刚石大单晶更能充分发挥其功能特性, 从而成为国内外研究的热点. 为此, 本文在介绍金刚石大单晶高温高压合成原理及工艺技术的基础上, 重点综述了四种类型的金刚石大单晶以及掺杂金刚石大单晶的研究现状和研究重点. Ia型金刚石大单晶可由Ib型金刚石通过高温高压退火处理得到, 其中氮的转变机制及效率研究十分重要; 对Ib型金刚石大单晶的表面分析表征、晶体缺陷控制、再结晶石墨析出、多晶种法批量化生产方面进行了综述; 对IIa型金刚石大单晶中除氮剂和触媒的选择、微晶石墨析出与抑制方面的研究进行了介绍; 研究了IIb型金刚石中硼元素的扇区存在及其对合成金刚石生长特性的影响; 掺杂金刚石大单晶主要从B, N, S, P等不同掺杂元素的不同掺杂源或与硼等协同掺杂的研究状况进行了介绍. 并提出金刚石大单晶需要在Ib及IIa型的批量化、IIb型的超导特性、掺杂n型半导体方面加强研究.
总论
基于变化静电场的非接触式摩擦纳米发电机设计与研究
曹杰, 顾伟光, 曲召奇, 仲艳, 程广贵, 张忠强
2020, 69 (23): 230201. doi: 10.7498/aps.69.20201052
摘要 +
基于接触生电与静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)及其自供能传感器在新能源和物联网等领域有重要的应用前景. 存在电负性差异的聚合物材料在接触分离过程中, 由于电子的转移, 在聚合物周围空间会产生变化的静电场, 已有的TENG研究中, 主要利用垂直于摩擦层和电极层平面的场强产生静电感应, 忽略了聚合物周边的电场效应. 根据静电感应原理, 处于电场中的导体其内部电荷会重新分布, 这为导体在与摩擦材料不接触的情况下导体表面产生感应电信号提供了途径. 本文设计了一种利用摩擦层周围变化静电场的非接触式摩擦纳米发电机(NC-TENG), 研究了硅胶薄膜和丁腈橡胶薄膜在接触分离过程中, 导体与摩擦材料的距离、导体感应面积尺寸及导体相对于摩擦材料所处方位等参数对感应电输出性能的影响. 结果表明, 在与摩擦材料完全分离的情况下, NC-TENG可以产生稳定的电信号输出. NC-TENG的感应电压随着导体与摩擦材料距离的增大而减小, 随着导体感应面积的增大而逐渐增大, 对于尺寸为30 mm × 30 mm的摩擦材料, 导体在面积为60 mm × 45 mm时NC-TENG的电输出趋于稳定, 产生约13 V的开路电压. 此外, 导体相对于摩擦材料所处的方位对感应电输出也具有显著的影响. 本文设计的NC-TENG提供了一种新颖的电输出产生模式, 为接下来对TENG的研究及自供能传感器的应用提供了更多可能性.
中间测量对受驱单量子比特统计复杂度的影响
巩龙延, 杨慧, 赵生妹
2020, 69 (23): 230301. doi: 10.7498/aps.69.20200802
摘要 +
$N$次中间量子测量后, 在系统演化的最后时刻$\tau$, 末态的统计复杂度$C$. 研究发现: 在$\tau$由0变大的过程中, $C$从0开始, 先增大到最大值, 然后减小, 直到再趋近于0; $N$ 较小时, $C$伴随着明显的不规则振荡现象, 振幅随$\tau$逐渐减小; $N$越大, $C$$\tau$的变化趋势越接近无中间测量时的变化趋势. 研究结果给量子态的操控提供了一定的理论参考.">最近, 基于量子信息理论的统计复杂度引起了人们的关注. 在噪声环境下, 一个受外界驱动的单量子比特系统具有丰富的动力学行为. 本文利用Lindblad方程, 在Born-Markov近似下, 研究$N$次中间量子测量后, 在系统演化的最后时刻$\tau$, 末态的统计复杂度$C$. 研究发现: 在$\tau$由0变大的过程中, $C$从0开始, 先增大到最大值, 然后减小, 直到再趋近于0; $N$ 较小时, $C$伴随着明显的不规则振荡现象, 振幅随$\tau$逐渐减小; $N$越大, $C$$\tau$的变化趋势越接近无中间测量时的变化趋势. 研究结果给量子态的操控提供了一定的理论参考.
基于超导电路的奥特-汤恩斯分裂效应
吴小宇, 赵虎, 李智
2020, 69 (23): 230302. doi: 10.7498/aps.69.20200796
摘要 +
基于约瑟夫森结的超导量子比特是一个宏观的人工原子, 通过微纳米加工的方法, 可以改变人工原子的基本参数. 三维Transmon量子比特是目前已知退相干时间较长的一种量子比特, 该量子比特通过电容的方式与三维超导谐振腔进行耦合, 是一个人造的原子与腔场耦合系统, 可对原子物理、量子力学、量子光学、腔量子电动力学的各种效应进行实验验证. 本文制备并实现了3D Transmon量子比特, 通过Jaynes-Cummings方法寻找到了区分基态、第一激发态和第二激发态的最佳读出功率, 对共振条件下和非共振条件下的奥特-汤恩斯分裂效应进行了测试表征, 得到的测试结果与理论结果相符.
旋转二维激子极化激元凝聚涡旋叠加态的动力学特性
吴昊, 任元, 刘通, 王元钦, 刑朝洋
2020, 69 (23): 230303. doi: 10.7498/aps.69.20200697
摘要 +
研究了二维激子极化激元凝聚正反涡旋叠加态在半导体微腔极化激元波色爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate, BEC)体系旋转情形下的稳定性和动力学特性. 在体系旋转情形下对单分量Gross-Pitaevskii方程进行重构, 利用四阶龙格库塔方法和时域有限差分方法构建数值模型. 利用实时演化方法研究在体系旋转的情况下, 不同拓扑荷数的正反涡旋叠加态的实时演化过程及稳态局域粒子数和体系旋转角速率之间的关系. 研究了涡旋叠加态激发区域的旋转速率与体系旋转速率的关系, 并阐明了体系的旋转速率对涡旋叠加态相位稳定性的影响机理.研究表明, 半导体微腔极化激元BEC体系的旋转速率对激子极化激元凝聚叠加态的演化过程及其动力学特性有重要影响.
化学自突触的电导扰动诱导相干或随机双共振现象
曲良辉, 都琳, 曹子露, 胡海威, 邓子辰
2020, 69 (23): 230501. doi: 10.7498/aps.69.20200856
摘要 +
神经元的自突触结构具有自反馈的作用, 神经递质量子形式的释放使得自突触的自反馈作用容易受到扰动, 本文重点研究了化学自突触的电导扰动对FHN神经元电生理活动的影响. 首先, 恰当的化学自突触参数能够产生动力学行为的分岔现象, 诱导不同周期峰放电模式之间的转迁. 特别地, 自突触的自反馈功能会引起从混沌放电状态到周期的峰放电或准周期的簇放电状态的转迁. 其次, 基于神经递质释放的量子特征, 借助放电频率和变异系数两个指标定量地研究自突触电导的随机扰动对神经元放电活动的影响. 数值结果表明自突触电导的扰动在自反馈的作用下能够改变离子通道的活性, 不仅提高FHN神经元对外加激励信号的编码效率, 而且改变神经元放电活动的规则性, 诱导显著的相干或随机双共振现象, 其内在机制是电导扰动所引起的神经元系统不稳定的动力学分岔. 本文的研究进一步揭示了自突触结构对神经元放电活动自我调节的作用, 有待为生理操控自突触结构提供理论参考.
原子和分子物理学
铷原子系综自旋噪声谱实验研究
杨煜林, 白乐乐, 张露露, 何军, 温馨, 王军民
2020, 69 (23): 233201. doi: 10.7498/aps.69.20201103
摘要 +
自旋噪声谱是一种测量自旋涨落的光谱技术, 由于无扰动的测量机制, 其光谱信号非常微弱. 本文基于含有一定压力的缓冲气体的天然丰度铷原子气室, 搭建了无外磁干扰的铷原子系综自旋噪声谱测量装置, 获得了微弱的铷原子系综自旋噪声谱信号, 实现了对铷原子系综自旋特性的测量与表征. 研究了探测光光强、频率失谐量、铷原子数密度等参数对自旋噪声谱信号的影响. 自旋噪声谱信号的积分与探测光光强的平方成正比, 光强会展宽自旋噪声谱的半高全宽. 自旋噪声谱信号的积分依赖于探测光的失谐量, 共振处呈现凹陷, 这是由一定压力的缓冲气体的充入引起均匀展宽所导致. 自旋噪声信号的积分与原子数密度的1/2次幂成正比. 本研究有助于铷原子自旋噪声谱技术应用于磁场的精密测量等方面, 也为高信噪比、小型化铷原子自旋噪声谱测量系统的研制提供了参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于人工表面等离激元结构的超表面磁镜
殷允桥, 吴宏伟
2020, 69 (23): 234101. doi: 10.7498/aps.69.20200514
摘要 +
提出了一种表面粗糙磁镜的概念, 该界面由人工表面等离激元结构阵列设计而成. 这种人工表面等离激元结构通过周期性地将螺旋金属条插入到介电圆盘构造中以支持强磁偶极共振模式. 特别地, 对于不同外半径下的螺旋结构, 可以通过调节每个结构的螺旋度以支持相同共振频率的磁偶极模式. 为此, 设计了由多种不同尺寸的人工表面等离激元结构排列构成的粗糙磁镜, 计算了其效率并与光滑磁镜做了比较. 本文所提出的粗糙磁镜可以用来增强光与复杂结构的物质之间的相互作用, 亦可能应用于微波和太赫兹波段的生物传感和成像.
一种复合型极化转换表面及其在天线辐射散射调控中的应用
郭泽旭, 曹祥玉, 高军, 李思佳, 杨欢欢, 郝彪
2020, 69 (23): 234102. doi: 10.7498/aps.69.20200797
摘要 +
透射型极化转换表面因其具有易于与天线共形的巨大应用优势, 受到国内外学者的广泛关注. 本文将极化栅结构与各向异性贴片结构相结合, 设计并验证了一种复合型透射极化转换单元, 将该极化转换单元组成透射超表面, 可以同时实现极化选择和透射型线-圆极化变换两种功能. 当电磁波极化方向垂直于极化栅延伸方向入射到复合型极化转换表面时, 该极化转换表面可以在9.3—10.9 GHz实现透射型线-右旋圆极化转换, 当电磁波极化方向平行于极化栅延伸方向入射时, 可以实现同极化全反射. 将该极化转换单元及其镜像单元棋盘排布后组成棋盘排布表面, 以电磁表面覆层的形式应用于带宽为9.4—10.7 GHz的线极化源微带天线, 利用圆极化的相反旋向对消特性, 组成一款新颖的线极化天线. 相比于源微带天线, 在9.5—10.5 GHz该天线的线极化纯度得到提高, 同时实现了天线的前向增益提高和带内雷达散射截面减缩, 最大减缩量达39.2 dB. 实验验证和仿真结果吻合较好, 该设计在高增益、低散射天线设计和天线辐散射性能综合调控中具有重要的参考价值.
基于超表面的旋向选择吸波体
王朝辉, 李勇祥, 朱帅
2020, 69 (23): 234103. doi: 10.7498/aps.69.20200511
摘要 +
近年来, 基于超表面的完美吸波体成为了各国学者的研究热点. 其中圆极化波的旋向选择吸波体更是在手性传感器和卫星通讯等领域有着广泛的应用. 为此, 本文提出了一种基于方形开口环结构超表面的圆极化波的旋向选择吸波体. 该吸波器能够吸收入射的右旋圆极化波, 而完全反射左旋圆极化波. 首先从理论上分析产生旋向选择吸波的理论条件, 然后在该理论的指导下设计出了符合条件的超表面单元. 该单元由金属-介质板-金属三层构成, 顶层是改进后的方形开口环金属结构, 中间层是FR4介质板, 底层是全金属板. 对超表面单元进行数值仿真, 仿真结果表明, 该单元在7.2 GHz处可以选择性吸收右旋圆极化波而反射左旋圆极化波, 并且保持圆极化波的旋向不改变. 右旋圆极化波的吸波率达到了90%以上, 而左旋圆极化波的吸波率低于19%. 该方法不仅适用于微波段, 而且可以被推广到更高频段, 有望在卫星通讯领域得到广泛应用.
基于光场偏振特性的目标表面漫反射分量获取技术
蔡玉栋, 韩平丽, 刘飞, 闫明宇, 邵晓鹏
2020, 69 (23): 234201. doi: 10.7498/aps.69.20201064
摘要 +
针对三维成像、图像匹配及模式识别等领域中目标表面镜面反射光成分影响所导致成像效果受限、特征识别准确度低等问题, 提出一种基于光场偏振特性的目标表面漫反射光分量获取技术. 该技术通过对反射光场中镜面反射与漫反射分量的偏振特性进行深入挖掘, 充分利用各分量之间的偏振差异性及彼此独立性的特点, 建立线性约束模型; 此外, 通过确定线性约束模型的最佳混合系数矩阵, 实现复杂反射光场中对漫反射分量的精确获取和解译. 仿真与真实场景数据处理结果表明, 该技术能够有效地分离复杂光场中的漫反射光分量, 解决了目前三维成像及模式识别技术中对纯漫反射条件的依赖, 为被动式远距离三维成像技术在复杂反射光场中的应用奠定基础.
基于图形处理器加速数值求解三维含时薛定谔方程
唐富明, 刘凯, 杨溢, 屠倩, 王凤, 王哲, 廖青
2020, 69 (23): 234202. doi: 10.7498/aps.69.20200700
摘要 +
量子力学领域中对强激光场与原子分子相互作用的理论研究非常依赖于数值求解含时薛定谔方程. 本文在强场电离的背景下并行求解氢原子的三维含时薛定谔方程. 基于球极坐标系, 采用分裂算符-傅里叶变换方法将含时薛定谔方程进行了离散化. 由此可得到长度规范下的光电子连续态波函数. 图形处理器(GPU)可以依托多线程结构充分发挥细粒度并行的优势, 实现整体算法的并行加速. 计算表明, 相对于中央处理器(CPU), GPU并行计算有着最高约60倍的加速比. 由此可见, 基于GPU加速数值求解三维含时薛定谔方程能够显著缩短计算耗费的时间. 这一工作对利用GPU快速求解三维含时薛定谔方程有着重要的指导意义.
扁长型微瓶腔中的回音壁模式选择及Fano谐振
王梦宇, 孟令俊, 杨煜, 钟汇凯, 吴涛, 刘彬, 张磊, 伏燕军, 王克逸
2020, 69 (23): 234203. doi: 10.7498/aps.69.20200817
摘要 +
微瓶腔在腔动力学、非线性光学、高灵敏度传感和微型激光器等领域具有非常大的应用潜力. 首先, 从亥姆霍兹方程出发, 详细研究了微瓶腔中的模式场分布理论. 利用电弧放电加工方法, 制备了扁长型微瓶腔. 其次, 采用光纤锥波导耦合方式有效激发了微瓶腔中的径向模式和轴向模式, 并且通过调节微瓶腔与波导的耦合间隙, 实现了对微瓶腔的欠耦合、临界耦合和过耦合三种耦合状态控制. 实验中, 光谱中回音壁模式得到很好的模式定位和识别, 最大品质因子Q值达到1.78 × 108. 通过采用接触式耦合来增强调谐的稳定性, 控制不同的耦合位置实现了谐振模式选择性激发, 得到了稳定并且干净的谐振光谱. 最后, 通过选择光纤锥波导直径观察到了Fano谐振效应. 所展示的结果对增强微腔传感、非线性光学和腔动力学等应用有重要意义.

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宽频带压缩态光场光学参量腔的设计
王俊萍, 张文慧, 李瑞鑫, 田龙, 王雅君, 郑耀辉
2020, 69 (23): 234204. doi: 10.7498/aps.69.20200890
摘要 +
压缩态光场是量子光学研究中的一种重要量子资源. 在量子信息应用中, 压缩态光场的频谱带宽是限制信息传输容量的重要指标. 目前, 光学参量振荡器是产生强压缩度非经典光场最有效的方法之一. 本文通过分析输出耦合镜透射率、线宽、阈值功率对简并光学参量振荡器频谱带宽的影响, 实验完成了低阈值(18 mW)、宽频带(84.2 MHz)、高稳定(锁定基线标准偏差为0.32 MHz)量子压缩器的设计. 结果表明, 相比单共振光学参量振荡器, 双共振腔型具有低阈值、高稳定的特点, 更适合于宽频带压缩态光场的制备与实际应用.

编辑推荐

国产部分掺杂光纤实现3 kW全光纤激光振荡输出
张志伦, 张芳芳, 林贤峰, 王世杰, 曹驰, 邢颍滨, 廖雷, 李进延
2020, 69 (23): 234205. doi: 10.7498/aps.69.20200620
摘要 +
模式不稳定效应和非线性效应成为光纤激光器输出功率和光束质量进一步提升的主要限制因素. 采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备33/400 μm部分掺杂掺镱双包层光纤, 镱离子掺杂直径比为70%, 折射率剖面近似阶跃型. 利用主振荡功率放大系统验证部分掺杂光纤光束质量优化作用, 种子光束质量为1.53, 随着泵浦功率增长, 输出激光光束质量逐渐优化至1.43. 搭建915 nm反向泵浦全光纤结构激光振荡器. 实验中, 在泵浦光功率约为4.99 kW时, 获得3.14 kW中心波长为1081 nm的激光输出, 3 dB带宽为3.2 nm, 且未出现模式不稳定和受激拉曼散射现象, 这是目前基于国产部分掺杂光纤实现的最高输出功率. 以上结果表明, 部分掺杂光纤在实现高功率且高光束质量光纤激光输出中具有潜力.
双螺线圈射频共振结构增强硅空位自旋传感灵敏度方法
张文杰, 刘郁松, 郭浩, 韩星程, 蔡安江, 李圣昆, 赵鹏飞, 刘俊
2020, 69 (23): 234206. doi: 10.7498/aps.69.20200765
摘要 +
针对硅空位自旋磁共振信号射频场非均匀展宽问题, 提出并设计了一种双螺线圈射频共振结构, 利用双螺线圈平行对称特性, 构建射频场均匀区, 非均匀性小于0.9%, 相比单根直线性结构, 均匀性提高了56.889倍. 同时, 利用射频信号近距离互感耦合共振特性, 实现了射频场的增强, 相比单线圈结构增强了1.587倍, 等效的自旋传感灵敏度提高了4.833倍. 实验中搭建基于SiC硅色心自旋磁共振效应的光探测磁共振传感测量系统, 通过对比不同类型的射频天线, 测试得到基于双螺线圈射频共振天线结构的硅空位色心自旋磁共振信号对比度提高了6倍, 通过调制解调信息解算方法得到传感器的灵敏度提高了4.833倍, 传感器噪声降低了8倍, 提高了硅空位自旋传感测量灵敏度, 结合SiC晶圆芯片制造技术, 为高精度、芯片级自旋量子传感器件的制造提供了技术支撑.
基于飞秒激光成丝测量燃烧场温度
李帅瑶, 张大源, 高强, 李博, 何勇, 王智化
2020, 69 (23): 234207. doi: 10.7498/aps.69.20200939
摘要 +
激光诊断技术是燃烧温度场无干扰在线测量的主要手段, 开发精确的燃烧场温度测量技术对于研究燃烧基础问题具有重要意义. 目前, 基于激光的燃烧场测温技术大多以纳秒激光作为光源, 基于飞秒激光的测温技术相对较少. 本文开发了一种基于飞秒激光成丝的燃烧场温度测量方法. 飞秒激光在光学介质中传播时, 会形成一条具有一维长度且强度均匀分布的光丝, 由于光丝内的功率密度极高, 足以通过光解和激光诱导光化学反应等方式将原子/分子激发到高能级, 进而向低能级跃迁时释放荧光. 通过相机收集荧光信号即可获得光丝的空间长度, 光丝的长度与光学介质的温度密切相关, 将光丝置于已知温度的燃烧场中, 可获得不同温度下的光丝长度, 结合理论推导, 对实验数据进行拟合, 可获得光丝长度与温度的定量关系, 进而实现燃烧场温度的测量.
桌面飞秒极紫外光原子超快动力学实验装置
海帮, 张少锋, 张敏, 董达谱, 雷建廷, 赵冬梅, 马新文
2020, 69 (23): 234208. doi: 10.7498/aps.69.20201035
摘要 +
飞秒极紫外光脉冲是研究原子分子超快动力学过程的重要工具, 是同步辐射及自由电子激光这样的大科学装置的重要补充, 而且具有非常诱人的发展前景. 本工作基于大功率飞秒近红外激光在气体介质中的高次谐波过程, 搭建了一套桌面飞秒极紫外光源. 使用充气的中空波导管产生高次谐波, 增大了驱动光与介质的作用长度, 显著提高了光子产额. 使用了光栅的圆锥衍射模式来实现高次谐波光子能量的选择, 在保证高衍射效率的同时, 减小了光栅衍射对于光脉冲的时间展宽效应. 通过实际测量, 光源的输出光子能量可覆盖20—90 eV的范围. 在光子能量为40 eV附近, 输出光子流强达1 × 1010 photons/s, 光子能量分辨约为0.4 eV. 该光源结合新研制的反应显微成像谱仪, 为研究极紫外光与原子分子的相互作用提供了独特的手段. 目前已成功开展多次原子及分子电离实验, 系统性能稳定.
衍射波导用于大视场角的物理问题
邬融, 孙明营, 周申蕾, 乔战峰, 华能
2020, 69 (23): 234209. doi: 10.7498/aps.69.20200835
摘要 +
衍射光栅已在波导中得到广泛应用, 能将光束或图像从耦入端传输并在预定位置耦合输出, 不过在应用于诸如增强现实/虚拟现实等大视场角(field of view, FOV)、彩色光源时会存在FOV不匹配、视场缺失、出射不均匀等问题. 故从这些物理问题出发, 推导出衍射波导的FOV上限、视场完整的理论边界公式, 在此基础上再分别针对单色波和复色波进行深入研究. 得出单层衍射波导在常规高折射率n = 1.75条件下, 支持单色波FOV理论上限约48°, 支持复色波颜色系数q = 1.3的FOV理论上限26.4°, 更大FOV就需要配置更高折射率和更小q值. 视场完整性的边界条件表明, 减小长波的最大衍射角和减薄波导厚度就能解决视场缺失的问题, 实用最大衍射角一般不超过75°, 波导层厚度根据FOV大小一般在0.5—1.0 mm之间. 最后提出将各全内反射视场展开为光线追迹图的方法和瞳孔均摊接收各角度光能的分布函数, 就此可求解光栅耦出区的最佳位置, 并利用分布函数的倒数来约束投射光的角分布或者光栅效率的角分布, 以在任意位置都能接收均匀出射视场: 单色波导的均匀性从0.27提高到0.15, 单光栅复色波导中长波均匀性从0.40提高到0.28. 这些研究结果有助于解决衍射波导用于大FOV和复色光的难题.
弹性介质包围的球形液体腔中气泡和粒子的相互作用
张陶然, 莫润阳, 胡静, 陈时, 王成会, 郭建中
2020, 69 (23): 234301. doi: 10.7498/aps.69.20200764
摘要 +
为探究外层弹性介质对液体腔内气泡和粒子相互作用的影响, 从速度势分布理论出发, 结合拉格朗日方程得到了腔内气泡和粒子的运动方程, 分析了气泡的共振频率及声波作用下粒子和气泡间的相互作用对其平动行为的影响. 结果表明, 介质弹性和密度等特性均可改变腔内气泡的共振频率, 表现为气泡的共振频率随着球腔的半径增大有先减小后增大的变化趋势, 且逐渐趋于无界液体中单泡的共振频率. 气泡和粒子在球形液体腔中的平动受到声场参数、外层弹性介质特性、气泡和粒子本身特征等因素的影响, 总体特征表现为粒子有向腔壁运动的趋势, 气泡的平动与气泡和粒子间相互作用特征密切相关.

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中华白海豚声接收通道
张闯, 宋忠长, 张宇
2020, 69 (23): 234302. doi: 10.7498/aps.69.20200958
摘要 +
中华白海豚依靠其回声定位系统进行导航与目标探测. 本文利用计算机断层扫描、超声测量与数值模拟研究中华白海豚声呐系统声接收过程. 计算机断层扫描结果表明, 中华白海豚声接收系统位于下颌区域. 声接收通道主要包含下颌骨内侧脂肪、下颌骨外侧脂肪、下颌骨与听小骨. 数值模拟结果表明, 中华白海豚的声接收通道具有多样性. 声波可沿着下颌骨传播至下颌内部脂肪, 并随后传导至听小骨处. 声波还可以通过下颌骨外侧脂肪进入声接收系统. 声接收通道的多样性表明中华白海豚声呐系统的复杂性, 探究声接收工作原理能加深下颌脂肪与下颌骨等多相介质形成的系统对声传播的控制, 可为人工声接收系统设计提供新思路.
零质量射流作用下红细胞在微管道中变形的数值模拟
艾晋芳, 解军, 胡国辉
2020, 69 (23): 234701. doi: 10.7498/aps.69.20200971
摘要 +
因为在生物安全性和导入效率等方面的优势, 基于力学方法实现基因导入日益得到学术界的重视. 本文提出了一种基于零质量射流, 对微管道中运动的细胞施加流体作用力, 引起其发生变形, 进而促使细胞膜上力敏通道开启的方法, 并通过数值模拟进行了理论验证. 本文采用浸没有限元法, 对红细胞在微管道内运动过程中受到零质量射流作用的变形情况进行数值模拟, 探讨了如何高效地实现小分子物质导入细胞. 数值模拟的重要参数有微管道内压力梯度Δp, 零质量射流的振幅Am和频率f. 经过对流场特征和红细胞受力情况的分析, 发现当细胞某处表面张力T0大于临界表面张力 τ c时, 细胞表面力敏通道打开, 并得到每一时刻细胞力敏通道打开的百分比Popen. 本文定义了通道开启积分I, 以衡量在不同的流动参数情况下, 细胞膜力敏通道的开启程度, 进而探讨了压力梯度和射流振动频率、振幅对I值的影响, 以寻找优化的工艺参数. 该方法具有微制造工艺简单易行, 在保证高通量导入的同时, 便于对所施加的流体作用力进行精确控制的特点, 这使得蛋白质、基因等物质实现跨膜输运, 进入细胞并发生重编程成为可能.
超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型
周曜智, 李春, 李晨阳, 李清廉
2020, 69 (23): 234702. doi: 10.7498/aps.69.20200903
摘要 +
对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究, 建立了连续液柱三维实体模型. 基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程, 计算了液体射流轨迹与横截面变形, 合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失, 提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型. 利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像, 研究的参数变量包括液体喷注压降(1—2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm/1.0 mm)及液气动量比(3.32—7.27). 研究结果表明, 采用连续液柱模型可以较好地预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态, 并可较为真实地反映实际流场特征, 预测结果与实验结果吻合良好.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
低能氨离子/基团扩散对铟锡氧化物薄膜电学性质的影响规律
赵世平, 张鑫, 刘智慧, 王全, 王华林, 姜薇薇, 刘超前, 王楠, 刘世民, 崔云先, 马艳平, 丁万昱, 巨东英
2020, 69 (23): 236801. doi: 10.7498/aps.69.20200860
摘要 +
有机-无机杂化甲氨铅碘类钙钛矿太阳能电池在制备及使用过程中, 甲氨铅碘层中的甲基铵离子易分解为甲基离子/基团和氨离子/基团, 其中氨离子/基团可以扩散进入铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)透明电极层, 并影响ITO的电学性质. 本文通过低能氨离子束与ITO薄膜表面相互作用, 研究低能氨离子/基团在ITO薄膜表面扩散过程, 及其对ITO薄膜电学性质的影响规律. 研究结果表明, 低能氨离子/基团在ITO薄膜表面扩散过程中, 主要与ITO晶格中的O元素结合形成In/Sn—O—N键. ITO不同晶面的O元素含量不同, 低能氨离子/基团能够在无择优ITO薄膜表面的各个晶面进行扩散, 因此将严重影响其电学性质, 导致无择优ITO薄膜电阻率增加约6个数量级. 但(100)择优取向ITO薄膜的主晶面为(100)晶面, 最外层由In/Sn元素构成, 不含O元素. 因此(100)择优取向ITO薄膜能够有效地抑制低能氨离子/基团扩散, 并保持原始电学性质. 最终, (100)择优取向ITO薄膜有望成为理想的有机-无机杂化甲氨铅碘类钙钛矿太阳能电池用透明电极层材料.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质

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缺陷与掺杂共存的黑磷烯甲醛传感行为的电子理论
张国英, 焦兴强, 刘业舒, 张安国, 孟春雪
2020, 69 (23): 237101. doi: 10.7498/aps.69.20200990
摘要 +
黑磷烯(black phosphorene, BP)因其“褶皱”的晶格结构而具有较高的比表面积, 在气体吸附及气体传感器方面应用具有很大的优势. 掺杂及缺陷对其传感性有较大的影响. 本文以基于密度泛函理论的第一性原理方法为基础探究了本征、Al掺杂、含P原子空缺以及P空位与Al掺杂共存的黑磷烯体系吸附甲醛前后的传感行为. 通过建立含缺陷和掺杂吸附体系的结构模型, 计算得出了吸附能、能带结构及电荷转移等电子结构参数. 结果表明, 本征BP烯以及含P原子空缺的BP烯体系对甲醛分子吸附能力较弱, P原子空缺对电导率以及电荷转移没有影响, 所以本征黑磷烯不适合用于传感器材料. Al掺杂和P空位与Al掺杂共存的BP烯体系, 吸附甲醛分子的能力明显比前两种情况增强, 电荷转移明显增加, 改变了载流子浓度, 提高了电导率. 此外, 在能带图中明显看到产生一个杂质能级, 有效带隙明显变窄, 表明Al掺杂提高了纯净和含P空位黑磷烯的传感性. 因此, Al掺杂和P空位与Al掺杂共存的BP烯体系预计可成为一种新的传感器材料.
拓扑超导体FeSexTe1–x单晶超导性能与磁通钉扎
梁超, 张洁, 赵可, 羊新胜, 赵勇
2020, 69 (23): 237401. doi: 10.7498/aps.69.20201125
摘要 +
铁基超导体FeSexTe1–x由于其具有上临界场高、各向异性小、临界电流密度大等优点, 备受研究者的广泛关注. 本文采用自助溶剂法生长得到了几种Se/Te组分比例不同的FeSexTe1–x单晶样品, 对其结构和形貌进行了表征, 并且对样品在低温下的磁性进行了测量. 对样品超导态下临界电流密度、磁通钉扎力和磁场的关系进行了分析, 讨论了样品在低温下的磁通钉扎模式. 通过分析Se和Te的不同比例对上述性能的影响, 确定了超导性能最佳的组分, 为今后进一步研究FeSexTe1–x的超导与拓扑性质提供了参考.
NiFe2O4纳米粒子掺杂对单畴YBCO超导块材性能的影响
李国政, 陈超
2020, 69 (23): 237402. doi: 10.7498/aps.69.20201116
摘要 +
采用一种新型的顶部籽晶熔渗生长(TSIG)工艺制备了铁酸镍(NiFe2O4, NFO)纳米粒子掺杂的YBCO超导块材, 并对其生长形貌、微观结构、超导性能进行了研究. 结果表明, 在低掺杂量下, YBCO单畴体的正常生长不会受NFO掺杂的影响, 但是在高掺杂水平下样品边缘开始出现明显的随机成核. 磁悬浮力性能测试结果表明, 随着NFO掺杂量的增加, 样品的最大磁悬浮力先增大后减小, 掺杂重量百分比为0.2%的样品表现出最大的磁悬浮力(33.93 N). 低温磁性测试结果表明, 随着NFO掺杂量的增加, 样品的Tc值逐渐降低, 而且超导转变宽度(ΔTc)也逐渐变宽. 最佳掺杂下(重量百分比为0.2%)样品的零场Jc值为8.68 × 104 A/cm2, 比未掺杂样品提高了31%. 电子探针微区分析(EPMA)结果表明, YBCO体系中掺杂的纳米NFO在热处理过程中发生了分解, 而溶解出的Ni和Fe离子最终以元素替代的方式存在于YBCO块材内, 这可以在超导基体中引入晶格畸变和弱超导区作为有效的磁通钉扎中心, 从而提高样品的超导性能.
一种具有减反射性能的Cu2ZnSnS4太阳能电池透明导电氧化物薄膜
敬婧, 李致朋, 卢伟胜, 王宏宇, 杨祖安, 杨毅, 尹祺圣, 杨馥菱, 沈晓明, 曾建民, 詹锋
2020, 69 (23): 237801. doi: 10.7498/aps.69.20200897
摘要 +
通过研究一种新型透明导电氧化物薄膜(transparent conductive oxide, TCO)的减反射作用, 探索增加入射光进入Cu2ZnSnS4 (CZTS)太阳能电池从而提高太阳能电池效率的新途径. 在AM1.5光照条件下, 设计了一种在宽波长范围内具有更好的减反射性能的TCO薄膜, 即SiO2/ZnO减反射TCO薄膜(antireflective transparent conductive oxide, ATCO). 为了衡量300—800 nm波长范围内的减反射效果, 引入了有效平均反射率方法(effective average reflectance, EAR)进行测算. 为充分考虑折射率色散的影响以及TCO, ATCO薄膜与有源层的耦合, 本文采用多维光学传输矩阵对各关键材料层的耦合及膜厚进行了优化, 以准确衡量最优的减反射效果. 最后, 通过比较常规CZTSSC和ATCO-CZTSSC的减反射性能, 得到了新型ATCO膜, 可以有效地减少光损耗并提高光电转换效率的结论.
金属光栅异常透射增强黑磷烯法拉第旋转的理论研究
董大兴, 刘友文, 伏洋洋, 费越
2020, 69 (23): 237802. doi: 10.7498/aps.69.20201056
摘要 +
黑磷是一种具有直接带隙的二维材料, 其较宽的带隙填补了石墨烯和二维过渡金属硫化物之间的带隙空白, 其特殊的褶皱状晶体结构导致了其独特的面内各向异性, 使其具有了独特的力电磁响应特性. 本文基于单层黑磷设计了一种金光栅/黑磷/硅的混合等离子体结构的磁光器件. 通过金属光栅诱导异常透射显著增强透射率, 同时通过TE模式和TM混合等离子体模式匹配耦合增强了法拉第旋转效应. 在1.5 THz工作频率点, 对器件参数进行优化后, 施加5 T的外部磁场, 法拉第旋转角度可以达到2.7426°, 增益为14.434倍, 同时透射率能够保持在85%以上. 此外, 研究了黑磷的载流子密度和外部磁场对磁光器件的调谐特性. 最后, 讨论了金属光栅的类等离子模式对本征波导模式和法拉第磁光效应的影响.
物理学交叉学科及有关科学技术领域

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涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线的模式分析
董慧莹, 秦晓茹, 薛文瑞, 程鑫, 李宁, 李昌勇
2020, 69 (23): 238102. doi: 10.7498/aps.69.20201041
摘要 +
设计了一种涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导. 在椭圆柱坐标系中, 借助于Mathieu函数和坐标变换, 采用多极方法对波导所支持的6个最低阶模式进行了研究, 并分析了这些模式的特性与工作波长、石墨烯费米能以及波导结构参数之间的依赖关系. 结果表明, 调节波导的工作波长、石墨烯的费米能及纳米线之间的间距, 可大幅度调节这些模式的特性. 调节纳米线的半长轴及半短轴, 可以微调这些模式的特性. 在两种条件下, 通过比较涂覆石墨烯的单根椭圆电介质纳米线、对称椭圆电介质纳米并行线与非对称椭圆电介质纳米并行线所支持的基模的性能, 发现本文所设计的波导的性能优于其他两种波导. 本文的研究工作可以为涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导的设计、制作及应用提供理论基础.
椭球胶体在圆球胶体体系中扩散行为的实验研究
刘心卓, 王华光
2020, 69 (23): 238201. doi: 10.7498/aps.69.20201301
摘要 +
复杂受限介质中的扩散行为在自然界是普遍存在的, 与其相关的研究涉及物理学、材料科学和生物学等多学科领域, 受到了这些领域研究者们的广泛关注. 然而, 相比于众多的圆球受限扩散研究, 对形状各向异性的粒子在复杂受限介质中的扩散行为的研究依然比较匮乏. 本文提出了一个简单的软物质实验模型—胶体椭球与圆球混合体系, 来研究形状各向异性的椭球在圆球的受限环境下的扩散行为. 通过描述椭球的运动轨迹和计算粒子的均方位移、范霍夫自关联函数以及非高斯参量, 发现随着圆球浓度的增大, 椭球的平动和转动都被抑制, 出现次扩散行为; 并且, 平动和转动的位移分布也展现出不同的演化行为, 表明这两种运动在高浓度下会发生解耦合. 此外, 在不同圆球浓度下, 椭球都趋向于沿自身长轴方向扩散, 因此在沿长轴和短轴方向的平动受到的受限作用的影响也不同, 导致二者也发生解耦合行为. 综上所述, 受限环境会导致各向异性胶体粒子出现反常扩散行为. 本文的研究有助于理解复杂环境中各向异性物体的扩散和输运行为.
基于数字微镜器件的数字线扫描荧光显微成像技术
王美昌, 于斌, 张炜, 林丹樱, 屈军乐
2020, 69 (23): 238701. doi: 10.7498/aps.69.20200908
摘要 +
在激光扫描共聚焦显微镜的基础上, 线扫描荧光显微术利用线扫描代替点扫描, 提升图像获取速度, 具有系统结构简单、成像速度快、光毒性弱、更适合于活体厚样品的高分辨快速成像, 对于生命科学和生物医学等领域的研究具有重要的意义. 然而, 目前的线扫描显微技术在系统灵活性、成像速度、分辨率和光学层析能力等方面仍面临着许多亟需解决的问题. 因此, 本文提出一种基于数字微镜器件(digital micromirror device, DMD)的数字线扫描荧光显微(digital line-scanning fluorescence microscopy, DLSFM)成像方法和系统, 在照明光路中引入高速空间光调制器DMD实现多线并行扫描激发, 简化光学系统, 提升系统灵活性和扫描速度; 提出基于荧光信号标准差的DLSFM图像重构算法, 结合三维Landweber解卷积算法实现了三维高分辨光切片图像重构. 在此基础上, 利用搭建DLSFM开展了荧光珠和老鼠肾切片标准样品的成像实验, 实验结果表明, DLSFM具有快速三维高分辨层析成像能力.

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基于机器学习构建的环三亚甲基三硝胺晶体势
王鹏举, 范俊宇, 苏艳, 赵纪军
2020, 69 (23): 238702. doi: 10.7498/aps.69.20200690
摘要 +
环三亚甲基三硝胺(RDX)是一种高能低感度炸药, 对其能量和性质的准确计算对于开展该炸药的分子模拟至关重要. 本文基于机器学习算法, 采用高维神经网络模型, 对RDX分子晶体结构数据集进行势函数训练. 分别采用9种不同的网络结构进行测试训练, 并选取其中学习效果最好的势函数对RDX分子晶体结合能和晶格中原子受力进行计算, 均能很好地重复出第一性原理的计算结果, 其测试集结合能的均方根误差为59.2 meV/atom. 作为机器学习势函数的应用, 进一步使用该势函数对α相RDX晶体进行分子动力学模拟, 以验证其适用性.