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Vol. 69, No. 24 (2020)

2020年12月20日

特邀综述

  

封面文章

转录机器: 绳上舞者
转录机器是响应细胞信号并启动基因转录的分子机器. 它控制着基因在恰当的时间以适当的速率表达, 演奏着生命之曲的底层旋律. 为了揭示转录机器的工作原理, 研究人员从其结构、动力学、信号转导等不同的维度进行探索. 研究进程在跌宕起伏中螺旋式上升, 各大研究领域趋于成熟却也趋于独立. 故此, 本文着眼全局, 扼要介绍真核生物转录机器在多领域的重要进展, 着重呈现看似大相径庭的新发现. 结构研究揭示了转录机器的基本架构, 核心争议在于媒介子(也称中介体复合物)的信号传递方式—“变构效应”抑或“招募导引”. 超级增强子的可能工作机制包括令人遐想的“液相分离”和“精确协作”. “转录钟”研究揭示了转录动力学的基本特征. 转录爆发现象的发现, 带来了转录调控机制的“调频”与“调幅”之争—前者得到了更多的支持. 此外, 本文也概述了转录研究的技术困难和理论模型, 提供了基于系综统计方法的研究策略, 并介绍了转录机器的理想模型. 转录机器在DNA上的运转方式源自进化的长河, 似乎是对物理学定律的完美运用与平衡. 王耀来, 刘锋 物理学报.2020, 69(24): 248702.
特邀综述
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综述
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总论 核物理学 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 地球物理学、天文学和天体物理学
特邀综述

封面文章

转录机器: 绳上舞者
王耀来, 刘锋
2020, 69 (24): 248702. doi: 10.7498/aps.69.20201631
摘要 +
转录机器是响应细胞信号并启动基因转录的分子机器. 它控制着基因在恰当的时间以适当的速率表达, 演奏着生命之曲的底层旋律. 为了揭示转录机器的工作原理, 研究人员从其结构、动力学、信号转导等不同的维度进行探索. 研究进程在跌宕起伏中螺旋式上升, 各大研究领域趋于成熟却也趋于独立. 故此, 本文着眼全局, 扼要介绍真核生物转录机器在多领域的重要进展, 着重呈现看似大相径庭的新发现. 结构研究揭示了转录机器的基本架构, 核心争议在于媒介子(也称中介体复合物)的信号传递方式—“变构效应”抑或“招募导引”. 超级增强子的可能工作机制包括令人遐想的“液相分离”和“精确协作”. “转录钟”研究揭示了转录动力学的基本特征. 转录爆发现象的发现, 带来了转录调控机制的“调频”与“调幅”之争—前者得到了更多的支持. 此外, 本文也概述了转录研究的技术困难和理论模型, 提供了基于系综统计方法的研究策略, 并介绍了转录机器的理想模型. 转录机器在DNA上的运转方式源自进化的长河, 似乎是对物理学定律的完美运用与平衡.
综述
声涡旋信息应用研究进展
郭忠义, 刘洪郡, 李晶晶, 周红平, 郭凯, 高隽
2020, 69 (24): 244301. doi: 10.7498/aps.69.20200826
摘要 +
涡旋声束携带的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)可以传递给物体, 在微粒操控等方面有较好的应用前景. 除此之外, 涡旋声束在声学通信方面同样具有巨大的潜力. 由于具有不同OAM模式值的涡旋声束相互正交, 因此, 将OAM模式引入传统声学通信领域, 为未来实现高速、大容量及高频谱效率的水下声通信技术提供了潜在的解决方案. 本文对OAM声束的研究进展进行了综述, 主要介绍了涡旋声束的产生和检测方案、传输特性, 及其在声通信方面的典型研究案例. 最后, 对OAM声束的未来发展趋势及其前景进行了分析与展望.
二维过渡金属硫属化合物相变方法的研究进展
张浩哲, 徐春燕, 南海燕, 肖少庆, 顾晓峰
2020, 69 (24): 246101. doi: 10.7498/aps.69.20200965
摘要 +
近些年来, 二维过渡金属硫属化合物因其具有独特的原子结构和能带特征而备受关注. 过渡金属硫属化合物不仅存在稳定相, 也存在一些亚稳相, 这些亚稳相因其独特的电学和光学特性逐渐成为研究的热点. 为了获得这些亚稳相, 一种能够使过渡金属硫属化合物在两种晶相之间可控相变的方法必不可少. 本文首先对过渡金属硫属化合物的电学、力学和光学特性进行了总结, 然后介绍了其不同的晶相结构特征, 接着列举了目前报道的过渡金属硫属化合物的八种相变方法: 化学气相沉积法、掺杂法、分子插层法、应力法、高温热处理法、激光引导法、等离子体处理法以及电场引导法, 并且介绍了各自的研究进展, 最后对本文涉及的相变方法进行了总结并列举了这些方法迄今为止所存在的一些问题. 该文详细阐述了过渡金属硫属化合物的相变方法, 为未来过渡金属硫属化合物的相变研究提供了一个很好的参考方向.
基于压电驻极体的微能量采集
张咪, 左西, 杨同青, 张晓青
2020, 69 (24): 247701. doi: 10.7498/aps.69.20200815
摘要 +
综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究, 包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点, 以及该材料在微能量采集领域的应用研究. 压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料, 其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构协同作用的结果, 是一类新型人工微结构柔性机电耦合材料. 压电驻极体以强压电效应、柔韧、低密度、低声阻抗、薄膜型等为特征, 是制备轻量化柔性传感器和机械能量采集器的理想换能材料. 压电驻极体已被应用于振动能量采集器、人体运动能量采集器、以及声能采集器的研究中. 根据压电驻极体膜受力方向的不同, 可以将能量采集器的工作模式分为33模式和31模式两种. 本文对基于压电驻极体的三类能量采集器的研究状况进行综述, 并讨论未来的发展方向.

编辑推荐

预测人类移动行为的介入机会类模型研究进展
刘二见, 闫小勇
2020, 69 (24): 248901. doi: 10.7498/aps.69.20201119
摘要 +
预测地点间人类的移动在人类迁徙、交通预测、疾病传播、商品贸易、社会交往等诸多方面具有重要的意义. 介入机会模型是最早从个体目的地选择行为角度建立的预测人类移动的模型, 它将起终点之间的介入机会作为影响人类移动的关键因素, 启发研究者提出了许多新的介入机会类模型. 介入机会类模型在很多学科领域也获得了广泛的应用. 本文首先对包括介入机会模型、辐射类模型、人口权重机会类模型、探索类介入机会模型和统一机会模型等在内的介入机会类模型的研究进展进行综述, 然后对这些介入机会类模型在空间交互和疾病传播方面的应用进行介绍, 最后对该类模型未来的研究方向进行探讨.
总论
基于连续感染模型的新冠肺炎校园传播与防控策略分析
孙皓宸, 刘肖凡, 许小可, 吴晔
2020, 69 (24): 240201. doi: 10.7498/aps.69.20201106
摘要 +
新冠肺炎疫情在中国平稳后多省已开始复学, 在学校这种封闭式环境中师生长时间接触会增加疫情爆发的可能. 虽然学校停课可以有效地缓解疫情, 但大面积的学生隔离会造成人群恐慌和社会负担, 所以针对校园这一特殊环境需要制定更加科学的防控措施. 本文中根据患病期间新冠肺炎感染个体病毒排出情况重新定义患者的传染能力, 将其引入到传统易感-潜伏-传染-恢复(SEIR)模型后提出了更符合新冠肺炎患者实际传播的连续感染模型. 其次, 通过真实接触数据计算学生间有效距离, 提出针对校园的数字接触追踪防控措施. 通过真实在校期间学生接触数据与连续感染模型模拟新冠肺炎在校园中的传播, 从而比较各种防控措施对校园疫情的防控效果, 并且通过施加防控措施时累计隔离人次评估各防控措施带来的社会影响. 结果发现, 相比于传统SEIR模型, 新冠肺炎在连续感染模型中会造成更大的病例规模, 在连续感染模型中验证的防控措施更具有说服力. 在校园内采取数字接触追踪防控会在控制隔离人次最少的情况下达到与封闭学校近似的效果. 本文研究有助于学校选取合适的防控措施, 提出的连续感染模型有助于研究人员更准确地仿真新冠肺炎传播.
多频正弦混沌细胞神经网络及其复杂动力学特性
李茹依, 王光义, 董玉姣, 周玮
2020, 69 (24): 240501. doi: 10.7498/aps.69.20200725
摘要 +
大量动物实验表明, 生物神经系统中存在着不规则的混沌现象. 混沌神经网络是一种高度非线性动力系统, 它可以实现一系列复杂的动力学行为, 能够优化全局搜索和神经计算, 还可产生伪随机序列进行信息加密. 基于脑波由不同频率的正弦信号叠加理论, 为使神经网络更具生物特性, 提出了一种基于多频-变频正弦函数和分段型函数的非单调激活函数. 分析表明, 通过调节参数可使该激活函数拥有不同状态的脑电信号, 能够模拟频率不同、类型不同的脑电波同时工作时丰富多变的脑部活动. 基于该激活函数设计了一种新型混沌细胞神经网络. 采用基于结构复杂度的SE复杂度算法和C0复杂度算法分析了神经网络的复杂度; 利用Lyapunov指数谱、分岔图和吸引盆等方法, 详细分析了激活函数参数变化对其动力学特性的影响, 发现此混沌神经网络模型出现了一系列的复杂现象, 如多种不同类型的混沌吸引子、共存混沌吸引子、共存极限环等, 提升了混沌神经网络的性能, 证明了多频正弦混沌神经网络具有丰富的动力学特性, 使得其在信息处理、信息加密等方面也具有较好的前景.
基于深度学习压缩感知与复合混沌系统的通用图像加密算法
陈炜, 郭媛, 敬世伟
2020, 69 (24): 240502. doi: 10.7498/aps.69.20201019
摘要 +
提出一种适用于灰度图像与RGB格式彩色图像的通用图像加密算法. 利用双线性插值Bilinear与卷积神经网络对图像进行压缩, 再使用二维云模型与Logistic组成的复合混沌系统对压缩图像加解密(滑动置乱与矢量分解), 最后对解密图像进行重构. 重构网络中, 由卷积神经网络与双线性插值Bilinear主要负责重构轮廓信息, 全连接层主要负责重构颜色信息. 实验结果表明, 该基于深度学习压缩感知与复合混沌系统的通用图像加密算法在数据处理质量和计算量上有着很大优势. 由于复合混沌系统有着足够大的密钥空间且将明文哈希值与密钥关联, 可实现一图一密的加密效果, 能有效抵抗暴力攻击与选择明文攻击, 与对比文献相比, 相关系数更接近理想值且信息熵与明文敏感性指标也都在临界值范围内, 其加密算法有着更高的安全性.

编辑推荐

基于多路放大器加法电路噪声抑制的热声成像技术
汤永辉, 郑铸, 谢实梦, 黄林, 蒋华北
2020, 69 (24): 240701. doi: 10.7498/aps.69.20201036
摘要 +
热声成像信噪比往往较低, 为提高信噪比, 通常需要通过对热声信号进行多次取平均. 然而, 通过取平均提高信噪比的方式会降低热声成像时间分辨率, 阻碍快速热声成像技术的发展. 本文提出一种基于多路放大器加法电路的低成本快速热声成像技术, 将超声换能器接收到的热声信号分成四路同时进入四个放大器, 放大后再将该四路信号经过加法电路累加输入到采集系统中, 实现硬件层面的取平均去噪. 仿体实验结果表明: 通过基于多路放大器加法电路的低成本快速热声成像技术, 成像时间分辨率提高了5倍, 信噪比由~6 dB提升到了~12 dB. 本文通过低成本的简单加法电路原理, 既提高了热声成像技术时间分辨率, 又提升了成像信噪比, 为快速热声成像技术的发展提供了一种崭新的技术, 有助于推动热声成像技术的发展和临床应用.
核物理学
混合中子星内强子-夸克退禁闭相变
龚武坤, 郭文军
2020, 69 (24): 242101. doi: 10.7498/aps.69.20200925
摘要 +
高密度物质环境内可能存在多种相互竞争的粒子相. 利用包含ω2ρ2相互作用项的相对论平均场理论中FSUGold参数组描述强子相物质, 夸克质量密度相关的有效质量口袋模型描述夸克相物质, 再通过Gibbs相平衡条件构建强子-夸克混合相物质, 研究了处于β平衡的混合中子星性质. 计算口袋常数B对混合中子星性质的影响, 结果表明B对混合中子星内强子-夸克退禁闭相变始末点、粒子分布均有较大影响, 且相较于相变开始点, 相变结束点受B的影响会更加明显. 随着B的增大, 混合中子星物质状态方程变硬, 质量-半径关系曲线上升, 极限质量在1.3—1.4倍太阳质量(M)范围内, 半径在9—12 km之间. 此外, 还研究了吸引和排斥的Σ势对混合中子星性质的影响, 结果表明不同Σ势对混合中子星内的粒子种类影响较大, 且相较于Σ引力势, 混合中子星在Σ斥力势下拥有更大的极限质量. 计算得到吸引和排斥的Σ势下混合中子星的极限质量分别为1.38M和1.41M.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
一种编码式低雷达散射截面超表面天线阵列设计
郝彪, 杨宾锋, 高军, 曹祥玉, 杨欢欢, 李桐
2020, 69 (24): 244101. doi: 10.7498/aps.69.20200978
摘要 +
设计了一种非周期排布的低雷达散射截面超表面天线阵列. 该阵列由两种天线单元构成, 两种天线单元的上层贴片形状相同, 正交放置, 作为天线单元能以同种极化方式在相同频带下工作, 作为超表面单元相互之间能形成180° ± 37°的有效相位差. 阵列在x极化方向与y极化方向上分别利用相位对消与吸波原理减缩雷达散射截面. 同时, 根据编码超材料理论, 使用编程软件将两种单元进行非周期编码, 使阵列的反射场呈漫散射状分布, 有效降低了其峰值雷达散射截面. 仿真结果显示天线阵列的辐射性能良好. 与同等大小的金属板相比, 在x极化波垂直入射时, 设计天线阵列单站雷达散射截面(radar cross section, RCS)的6 dB减缩带宽为4.8—7.4 GHz, 相对带宽为42.6%; 在y极化波垂直入射时, 设计天线阵列单站RCS的6 dB减缩带宽为4.6—7.8 GHz, 相对带宽为51.6%. 同时, 设计天线阵较棋盘式天线阵散射能量分布更加均匀, 空间中RCS峰值明显降低. 实测结果与仿真结果符合较好.
宽带高效聚焦的片上集成纳米透镜
田梓聪, 郭遗敏, 胡晨岩, 王慧琴, 路翠翠
2020, 69 (24): 244201. doi: 10.7498/aps.69.20200948
摘要 +
在光学材料与器件中, 由于不同波长的光会以不同速度传播, 因此一束复色光经过单个光学器件后会产生色散, 导致普通透镜不同波长的光无法合焦. 传统的聚焦系统可通过叠加多个透镜解决这一问题, 但这是以增加系统的复杂度、质量和成本为代价, 不适用于高集成度的纳米光学系统. 目前比较好的解决方法是平面超透镜, 即利用超表面对各点的振幅、相位、偏振等进行空间调控, 达到合焦的目的, 但这种平面超透镜难以直接片上集成. 本文将有限元法与遗传算法相组合发展出一种智能算法, 优化出一种宽带高效聚焦的片上集成纳米透镜. 该透镜尺寸只有2 μm × 2 μm, 可实现波长从470 nm至1734 nm的低色散聚焦, 能将大小为2 μm的激光光束通过透镜与波导的耦合聚焦成200 nm以下的光束, 耦合传播效率可达80%以上. 同时, 该智能算法能够适用于不同的纳米结构, 均可获得类似的聚焦效果和高效的耦合传播效率. 该工作为宽带高效的纳米透镜提供了重要思路, 也为实现高密度集成的纳米光子器件提供了新途径.
偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析
冯帅, 常军, 胡瑶瑶, 吴昊, 刘鑫
2020, 69 (24): 244202. doi: 10.7498/aps.69.20200920
摘要 +
基于偏振调制的三维成像激光雷达, 具有测量范围远、测量精度较高、成像速度快、无运动伪像等优点, 同时不受其他调制方式中增强电荷耦合器件、雪崩光电二极管阵列探测器工艺复杂、易饱和损坏等缺点限制, 但存在需要双相机、成像视场角受电光晶体限制、成像质量易受到入射角度及云雾等大气条件影响等缺点. 为克服上述缺点, 本文提出采用偏振成像激光雷达与短波红外变焦光学系统共孔径复合的方式, 构建双模目标探测成像系统. 开展偏振成像激光雷达与短波红外复合光学系统设计研究, 使用光学设计软件完成系统光学设计, 并对完成系统像质分析; 使用光学仿真软件对光学系统成像过程仿真; 分析仿真结果表明所设计光学系统成像质量良好、设计正确可行. 本文所采用方法为偏振调制成像激光雷达研究提供一种新思路.
基于Zernike模型系数优化的椭球型窗口光学系统像差校正
梁殿明, 王超, 史浩东, 刘壮, 付强, 张肃, 战俊彤, 余益欣, 李英超, 姜会林
2020, 69 (24): 244203. doi: 10.7498/aps.69.20200933
摘要 +
传统的半球形窗口难以满足高速飞行器气动力学的需求, 采用流线型外表面的非球面光学窗口技术应运而生. 这种窗口会随着扫描视场角的变化产生大量动态像差, 校正这类像差成为高速飞行器光电成像系统发展的关键问题. 对于扫描视场为±60°的椭球形窗口光学系统, 研究了静态校正和无波前探测器的自适应光学技术相结合的大扫描视场像差校正方法. 设计时, 首先以减少系统像差种类为导向, 进行初始结构设计, 消除五阶Zernike像差, 从而减少后续自适应优化控制变量数. 利用Zernike多项式系数与变形镜驱动器电压之间的转换矩阵, 将优化变量由140个驱动器电压减少至Zernike多项式2—9项系数. 最后利用基于Zernike模型的遗传算法对变形镜面形进行控制, 校正残余像差. 仿真结果表明, 各典型扫描视场点的优化速度提升95%以上, 且光学像质接近衍射极限. 该优化方法不仅可以修正异形光学窗口引起的像差, 同时还能够校正光学系统装调、加工时引起的误差, 具有较强的实用性.
基于深度学习的联合变换相关器光学图像加密系统去噪方法
郎利影, 陆佳磊, 于娜娜, 席思星, 王雪光, 张雷, 焦小雪
2020, 69 (24): 244204. doi: 10.7498/aps.69.20200805
摘要 +
提出了一种基于深度学习的联合变换相关器(JTC)光学图像加密系统新型去噪方法. 针对JTC光学图像加密系统中解密图像噪声的问题, 设计了一种基于生成对抗网络的去噪框架, 并使用密集模块加强特征信息复用, 提高了网络的性能. 该方法通过引入通道注意力机制使网络区分不同通道的权重, 学习各通道之间的关联, 使网络能选择性的加强有用特征信息并抑制无用特征信息; 在损失函数方面, 加入非对抗损失部分, 结合对抗损失和生成器模型提高了解密噪声图像中高频信息的恢复质量; 最后重建出高质量的解密图像. 将该方法用于传统的JTC光学图像加密系统, 数值计算和模拟实验结果表明, 该方法可极大地消除JTC光学图像加密系统中噪声影响, 有效地提高JTC光学图像加密系统用于高质量图像加密的有效性和可行性.
非自治Kadomtsev-Petviashvili方程的自相似变换和二维怪波构造
张解放, 金美贞, 胡文成
2020, 69 (24): 244205. doi: 10.7498/aps.69.20200981
摘要 +
首先给出非自治Kadomtsev-Petviashvili方程转换为Kadomtsev- Petviashvili方程的一个自相似变换, 然后基于Kadomtsev-Petviashvili方程的Lump解构造了非自治Kadomtsev-Petviashvili方程的有理函数表示的二维单、双、三怪波解, 最后通过合适选取变参数, 用图示说明了它们的演化特征, 并利用快速傅里叶变换算法数值模拟测试了二维单怪波的动力学稳定性. 本文方法对寻找(2 + 1)维非线性波动模型的怪波激发提供了启迪.
磁电弹性材料中含有带四条纳米裂纹的正4n边形纳米孔的反平面断裂问题
杨东升, 刘官厅
2020, 69 (24): 244601. doi: 10.7498/aps.69.20200850
摘要 +
基于Gurtin-Murdoch表面理论和保角变换技术, 研究了磁电弹性材料中含有带四条纳米裂纹的正4n边形纳米孔的反平面断裂问题. 得出了考虑表面效应时磁电非渗透边界条件下的应力强度因子、电位移强度因子、磁感应强度因子和能量释放率的精确解. 数值算例展示了表面效应和孔口尺寸对磁电非渗透边界条件下应力强度因子、电位移强度因子、磁感应强度因子和能量释放率的影响. 研究发现, 考虑表面效应时的应力场强度因子、电位移强度因子和磁感应强度因子具有明显的尺寸依赖, 并且当孔口尺寸增加到一定程度后, 表面效应的影响开始减小, 最终趋于经典弹性理论.
垂直振动水柱中气泡下沉机理
赵小刚, 杨浩然, 张琪, 程琳, 张翔宇, 王凤龙, 段丞博, 卓伟, 徐春龙, 侯兆阳
2020, 69 (24): 244602. doi: 10.7498/aps.69.20200571
摘要 +
对装有水的容器施加垂直振动, 水中的气泡可能出现下沉的现象. 针对球形气泡构建了基于理想气体方程的气泡运动学模型, 该模型考虑了Basset力对气泡运动的影响. 观察到气泡的运动呈振荡形式, 存在一个临界深度, 气泡在临界深度时稳定振荡, 在临界深度以上时上升, 在临界深度以下时下沉. 采用分离气泡运动和引入收敛因子的方法对Basset力进行理论求解, 并通过等步长复合梯形公式对Basset力进行数值求解. 模型的数值模拟结果表明: 附加质量力是气泡下沉的关键因素, 而Basset力对气泡下沉的临界深度和气泡下沉的前期轨迹无明显影响, 但对气泡下沉的后期轨迹有较大影响. 采用去噪、二值化、填充图像等数字图像处理的办法提取气泡的特征尺寸, 可提高实验参数测量的准确性, 使气泡下沉的临界深度与理论值相匹配.
磁场对激光驱动Kelvin-Helmholtz不稳定性影响的二维数值研究
孙伟, 安维明, 仲佳勇
2020, 69 (24): 244701. doi: 10.7498/aps.69.20201167
摘要 +
Kelvin-Helmholtz不稳定性(KHI)是流体和等离子体的基本物理过程, 广泛存在于自然、天体物理以及高能量密度物理现象中. 本文提出一种新的实验方案产生磁化KHI. 利用开源的FLASH 模拟程序对激光驱动调制靶产生的KHI进行了二维的数值模拟, 考察和比较了KHI涡旋在毕尔曼自生磁场、外加磁场和无磁场情况下的演化. 模拟结果表明自生磁场在KHI演化过程中基本不会改变KHI 涡旋的形貌, 而平行于流体方向的外加磁场对剪切流有致稳作用, 主要稳定长波扰动. 该研究结果可为在高能量密度激光装置中开展强磁环境下KHI 实验提供理论指导.
激波冲击作用下液膜破碎的气液两相流
彭旭, 李斌, 王顺尧, 饶国宁, 陈网桦
2020, 69 (24): 244702. doi: 10.7498/aps.69.20201051
摘要 +
为了研究激波冲击作用下液膜的破碎过程, 采用计算流体力学方法对其气液两相流过程进行了三维数值模拟, 获得了激波的波系结构演变过程与液膜的变形、破碎、雾化特性, 并与实验结果进行了对比. 结果表明: 激波与液膜作用过程中存在入射、反射与透射现象, 透射激波强度与液体表面张力对液膜破碎过程有重要影响; 液膜在破碎过程中形成的雾化云团体积在前2.5 ms内迅速增长, 之后云团体积基本稳定; 在射流的作用下, 雾化云团内部形成不断扩张的三维空腔结构.
凝聚物质:结构、力学和热学性质

编辑推荐

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射
陈小辉, 谭伯仲, 薛桃, 马云灿, 靳赛, 李志军, 辛越峰, 李晓亚, 李俊
2020, 69 (24): 246201. doi: 10.7498/aps.69.20200929
摘要 +
$ {10^{8}} —{10^{9}}\;{{\rm{s}}^{ - 1}} $)冲击加载下, 金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变, 而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构, 均与文献报道一致. 同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好. 利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义, 同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.">高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态, 同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源, 成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台. 本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台, 并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测. 实验表明, 在高应变率($ {10^{8}} —{10^{9}}\;{{\rm{s}}^{ - 1}} $)冲击加载下, 金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变, 而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构, 均与文献报道一致. 同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好. 利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义, 同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.
有机半导体中极化子运动的同位素效应
刘璇, 高腾, 解士杰
2020, 69 (24): 246701. doi: 10.7498/aps.69.20200789
摘要 +
针对近年来实验发现的有机半导体电磁光现象中的同位素效应, 基于强电声耦合的紧束缚模型, 利用非绝热近似分别研究了小分子晶体和聚合物链内的极化子的运动, 并通过引入有效质量, 解释了同种材料中迁移率与基团质量的关系. 结果表明氢元素的氘化或碳13元素的存在都会降低有机材料迁移率, 且同位素效应的大小与电声耦合的大小有关. 在同位素取代浓度不变时, 同位素的分布不影响整个器件的迁移率. 本文讨论了各种可能的同位素效应并对其物理机理进行了分析, 为利用同位素效应调控有机器件性能提供理论支持.
PbTe基热电接头界面性能
王雅宁, 陈少平, 樊文浩, 郭敬云, 吴玉程, 王文先
2020, 69 (24): 246801. doi: 10.7498/aps.69.20201080
摘要 +
PbTe具有极高的热电转化效率, 本文以获得高质量、高转化效率的PbTe热电接头为目标. Pb的过量可以提高载流子浓度, 进而提高PbTe的热电性能, 复合电极能够改善界面势垒, 降低接触电阻. 传统方法通过抑制元素扩散降低接触电阻与提升剪切强度存在矛盾, 本文通过引入复合电极, 在电极材料与热电材料之间形成中间层, 抑制PbTe一侧Pb元素的扩散, 在降低接触电阻的同时提高了剪切强度. 通过调整PbTe的化学计量比, 得到样品Pb50.01Te49.99, 在Fe电极中混入Te和Pb, 将其与Pb50.01Te49.99一步热压烧结, 获得所需要的PbTe热电电极接头. 研究结果表明, 复合电极的接触电阻与纯Fe连接的相比, 接触电阻有近75%的降低, 为26.61 μΩ·cm2, 更加接近文献报道的最低值10 μΩ·cm2, 同时剪切强度相比于纯Fe电极也有较大幅度的提升, 这为获得性能优良的PbTe热电接头提供了新思路.
一维carbyne链原子键性质应变调控的第一性原理研究
侯璐, 童鑫, 欧阳钢
2020, 69 (24): 246802. doi: 10.7498/aps.69.20201231
摘要 +
基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法, 系统研究了应变对一维carbyne(卡拜)链原子键性质的调控机理. 结果表明, 轴向压缩应变的增加将导致carbyne链中碳-碳单键和碳-碳三键之间的键长差值越来越小, 最终变为零. 通过分析能带结构和差分电荷密度, 发现当压缩应变为16%时, carbyne链由半导体转变为金属. 当应变为17%时, 声子谱出现虚频. 在可研究范围内, 应变对carbyne链的热容量有增强作用. 而且, carbyne链的刚度远大于石墨烯和碳纳米管.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
多狄拉克锥的二维CrPSe3的半金属铁磁性与电子结构
杨俊涛, 熊永臣, 黄海铭, 罗时军
2020, 69 (24): 247101. doi: 10.7498/aps.69.20200960
摘要 +
$ \varGamma $-K的中点附近也出现了一类狄拉克锥结构, 二者均有较高的费米速度. 电子结构表明狄拉克电子主要源于Cr $ {\rm{d}}_{xz} $$ {\rm{d}}_{yz} $轨道的贡献. 在电子结构分析的基础上, 采用紧束缚模型对二维CrPSe3费米能级附近的能带进行模拟, 结果证明二维CrPSe3的多狄拉克锥结构受过渡金属Cr的六角几何排列对称性保护. 该研究为揭示二维材料的磁性机理和研制高温高速自旋器件提供了一良好的模型平台.">采用第一性原理方法和紧束缚模型研究了二维层状结构过渡金属硫族磷化物CrPSe3的磁学特性和电子结构. 二维CrPSe3晶格呈现六角蜂窝状结构, 声子谱证明其具备较好的动力学稳定性. 二维CrPSe3的电子结构呈现出自旋无能隙磁性半金属特性. 蒙特卡罗方法模拟出二维CrPSe3的居里温度为224 K, 分子动力学表明其具有良好的热力学稳定性. 晶体和电子结构研究揭示二维CrPSe3的磁性来源于反铁磁性的d-d直接交换作用和铁磁性的p-d超交换作用间的相互竞争. 二维CrPSe3的自旋向上的能带展现出奇异特性: 除了高对称点K处出现的一类狄拉克锥之外, 在高对称路径$ \varGamma $-K的中点附近也出现了一类狄拉克锥结构, 二者均有较高的费米速度. 电子结构表明狄拉克电子主要源于Cr $ {\rm{d}}_{xz} $$ {\rm{d}}_{yz} $轨道的贡献. 在电子结构分析的基础上, 采用紧束缚模型对二维CrPSe3费米能级附近的能带进行模拟, 结果证明二维CrPSe3的多狄拉克锥结构受过渡金属Cr的六角几何排列对称性保护. 该研究为揭示二维材料的磁性机理和研制高温高速自旋器件提供了一良好的模型平台.
铜掺杂Cu2SnSe4的热电输运性能
郑丽仙, 胡剑峰, 骆军
2020, 69 (24): 247102. doi: 10.7498/aps.69.20200861
摘要 +
$ 0.2\leqslant x \leqslant 1 $). 研究了Cu掺杂填充Cu/Sn位置上1/4本征空位对Cu2+xSnSe4热电性能的影响, 发现Cu/Sn中1/4空位能够被Cu完全填满(x = 1), 且Cu掺杂能够大幅度地提升(可达两个数量级)样品的电导率, 从而显著提高了功率因子. 同时, 发现在大Cu掺杂量范围($ 0.1 \leqslant x \leqslant 0.8 $)内, Cu2+xSnSe4电导率增长与掺杂量增加呈线性关系, 且载流子迁移率随Cu掺杂量的增加而增加. 进一步的研究发现, 载流子在Cu2+xSnSe4中的电输运行为遵循电子-声子耦合的小极化子模型.">Cu2SnSe4化合物具有本征的低热导率和可调控的电导率, 同时不含稀贵元素、无毒和价格低廉, 具有作为中温区热电材料的潜力. 本文通过高能球磨结合放电等离子烧结制备了Cu2SnSe4以及Cu掺杂的Cu2+xSnSe4块体材料($ 0.2\leqslant x \leqslant 1 $). 研究了Cu掺杂填充Cu/Sn位置上1/4本征空位对Cu2+xSnSe4热电性能的影响, 发现Cu/Sn中1/4空位能够被Cu完全填满(x = 1), 且Cu掺杂能够大幅度地提升(可达两个数量级)样品的电导率, 从而显著提高了功率因子. 同时, 发现在大Cu掺杂量范围($ 0.1 \leqslant x \leqslant 0.8 $)内, Cu2+xSnSe4电导率增长与掺杂量增加呈线性关系, 且载流子迁移率随Cu掺杂量的增加而增加. 进一步的研究发现, 载流子在Cu2+xSnSe4中的电输运行为遵循电子-声子耦合的小极化子模型.
VO2纳米粒子填充型聚合物薄膜电致相变特性
孙肖宁, 曲兆明, 王庆国, 袁扬
2020, 69 (24): 247201. doi: 10.7498/aps.69.20200834
摘要 +
采用简单的水热法结合热处理工艺, 制备了高纯、形貌可控的纳米VO2 (M)颗粒, 得到了退火时间对颗粒形貌的影响, 首次揭示了VO2聚乙二醇复合薄膜电致相变过程, 建立了电致相变模型. 实验以V2O5和H2C2O4·2H2O为原料, 经180 ℃, 12 h水热处理后, 得到VO2 (B)纳米颗粒, 真空退火转化为VO2 (M). 结果表明, 退火时间越长, 纳米颗粒长度越短. 多次重复测试发现, 复合薄膜在电场作用下, 均能够发生显著的相变现象, 但同一样品的重复相变电压低于第1次测试数据. 在首次测试后, 相变电压和非线性系数随纳米VO2的长度减小而指数增加, 同时发现材料两端电压在相变后可维持在10 V附近. 分析认为, 复合薄膜的相变电压和非线性系数由颗粒内势垒和界面间势垒共同决定. 首次伏安测试降低了颗粒间势垒, 造成了材料的“激活”现象, 纳米颗粒平均长度越短, 导电通道中的界面间势垒越多, 导致相变电压和非线性系数升高. 实验发现, 电场作用是复合薄膜相变发生的决定因素, 相变后焦耳热对维持相变起主要作用.
多效应铌酸钾钠基透明铁电陶瓷的制备及性能
刘泳, 徐志军, 范立群, 伊文涛, 闫春燕, 马杰, 王坤鹏
2020, 69 (24): 247702. doi: 10.7498/aps.69.20201317
摘要 +
透明铁电陶瓷是一类具有电光效应的功能陶瓷, 由于其兼具传统陶瓷耐高温、抗腐蚀、高硬度以及优异的机械性能等特性, 从而成为光电领域中的关键材料. 而当前应用较多的是对环境危害较大的铅基透明铁电陶瓷, 因此开发兼具光效应和电效应的无铅透明铁电陶瓷成为研究热点之一. 本文在铌酸钾钠基无铅压电陶瓷掺杂改性研究的基础上, 采用传统的固相合成法, 制备了铌酸钾钠基无铅透明铁电陶瓷(K0.5Na0.5)0.94–3xLi0.06LaxNb0.95Ta0.05O3 (KNLTN-Lax; x = 0, 0.01, 0.015, 0.02), 并对其晶体结构、微观形貌、透过率和电学性能进行了研究分析. 研究结果表明, La3+掺杂提高了铌酸钾钠基陶瓷的透过率, 掺杂量x = 0.02的陶瓷样品在可见光范围透过率达到50%, 在红外光附近的透过率则接近60%. La3+掺杂量x = 0.01时压电常数(d33)达到110 pC/N, 机电耦合系数(kp)达到0.267. 此外陶瓷样品具有明显的铁电体特征, 居里温度高于400 ℃, 呈现出理想的驰豫铁电体特征, 是一种有望取代铅基透明铁电陶瓷的环境友好型无铅透明铁电陶瓷.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
铁掺杂多孔氧化铟的NO2传感特性
刘志福, 李培, 程铁栋, 黄文
2020, 69 (24): 248101. doi: 10.7498/aps.69.20200956
摘要 +
研究NO2传感器材料特性和工作机理, 对监测大气污染及人体健康保护有重要意义. 本文采用水热法合成了铁掺杂的多孔In2O3纳米颗粒, 并基于上述纳米颗粒制备了NO2传感器. 运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和比表面积测试对所制备的纳米颗粒进行微观形貌表征, 同时对传感器性能包括温度特性、响应-恢复特性、选择性和稳定性等进行研究. 研究发现, 当In和Fe摩尔比为9∶1时, 由铁掺杂多孔In2O3纳米颗粒制作的传感器对NO2气体具有优秀的选择性和较短的响应-恢复时间. 在260 ℃的工作温度下, 传感器对浓度为50 ppm (1 ppm = 1 mg/L)的NO2气体的灵敏度值为960.5, 响应时间和恢复时间分别为5和6 s. 形貌测试结果表明, 采用Span-40做活性剂制备的铁掺杂In2O3纳米颗粒为边长50—200 nm的方形结构, 其中分布大量细小孔洞, 这是导致大的比表面积和高灵敏度的主要原因之一. 同时, 从空间电荷、内建势垒和掺杂前后能带变化等理论出发, 对所制备传感器的传感机理进行了分析.
电流密度对微米硅电极断裂行为的影响
张兴玉
2020, 69 (24): 248201. doi: 10.7498/aps.69.20200915
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高容量硅电极在脱/嵌锂过程中所发生的大体积变形、断裂行为会引起严重的力学衰减, 并导致电极的电化学性能退化. 这严重制约着硅电极材料在商业锂离子电池中的应用. 目前, 硅电极断裂行为的一些细节还未被彻底研究清楚. 为了进一步研究微米硅电极的断裂行为, 本文利用光学显微镜观测了单晶硅电极的形貌演化, 分析了不同电流密度下硅电极的断裂行为, 并重点研究了在不同电流密度下裂纹形成时硅电极的相对嵌锂深度. 结果表明, 电流密度越大, 硅电极断裂越严重. 但是在三种不同电流密度下, 裂纹形成时硅电极相对嵌锂深度差异不大(18%—22%). 这可能是由于微米硅电极各向异性变形所引起的局部应力集中在主导着断裂行为. 这些实验结果与有限元模型预测结果一致. 结合裂纹形成时锂化硅和晶体硅的界面位置以及力学模型, 讨论了裂纹形成时锂化硅层内部应力分布状态. 这些结果深化了对硅电极断裂行为的认识, 并为硅电极的设计和合适的脱/嵌锂速率选择提供一定的指导.
基于中继传输的海-空跨界磁感应通信覆盖范围与可用带宽分析
张歆, 童昱泽, 田志颖, 王金洪, 姚泽
2020, 69 (24): 248401. doi: 10.7498/aps.69.20200882
摘要 +
跨空海界面(跨界)的信息传输具有非常重要的实际意义, 磁感应通信具有可以双向跨界传输、不易受复杂水文环境影响的独特优势, 具备成为跨界通信技术的潜力. 但磁场分量随距离和频率增加的快速衰减限制了磁感应通信的覆盖范围和传输速率. 本文提出基于中继传输的海-空跨界磁感应通信方案, 利用中继传输获取分布式空间分集增益, 用来增强水下的磁场分量, 扩大跨界磁感应通信的水下覆盖范围和传输带宽. 利用分层导电媒质中的磁偶极子模型, 建立了基于中继传输的海-空跨界磁感应通信的传播模型; 提出了确定中继位置的方法与步骤; 通过水下磁感应强度分布的计算, 对比分析了不同中继条件下, 基于中继传输的海-空跨界磁感应通信的通信范围和可用带宽. 数值分析的结果表明, 选取合适的中继数量和位置, 中继传输可同时使跨界磁感应通信的水下覆盖范围和有效数据率成倍地增加, 从而使得基于中继传输的磁感应通信有望为跨界通信提供有效的解决方案.

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氧气分子吸附对单蒽分子器件自旋输运性质调控
崔兴倩, 刘乾, 范志强, 张振华
2020, 69 (24): 248501. doi: 10.7498/aps.69.20201028
摘要 +
利用基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理计算方法, 开展了氧气分子吸附对以石墨烯纳米带为电极的单蒽分子器件自旋极化输运性质的调控物理机理探索研究. 计算结果显示, 在未吸附氧气分子时, 单蒽分子以横向方式连接石墨烯纳米带要比单蒽分子以纵向方式连接石墨烯纳米带具有更优异的自旋过滤效应. 当氧气吸附单蒽分子后, 两种构型器件的自旋电流都会大幅度降低, 但是自旋过滤效应会有所增强. 尤其是单蒽分子以横向方式连接石墨烯纳米带的器件在± 0.5 V区间始终保持了近100%的自旋过滤效率. 通过分析器件的自旋极化输运谱、输运本征态和自旋过滤效率等, 详细地解释了氧气分子吸附调控器件的自旋输运性质以及改善器件的自旋过滤行为的物理机理.
低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器
李丹阳, 韩旭, 徐光远, 刘筱, 赵枭钧, 李庚伟, 郝会颖, 董敬敬, 刘昊, 邢杰
2020, 69 (24): 248502. doi: 10.7498/aps.69.20201044
摘要 +
窄带隙二维半导体材料Bi2O2Se由于其具有较高的载流子迁移率和优异的热学、化学稳定性, 在紫外-可见-近红外光谱区的光电子学领域有着广阔的应用前景. 本文通过化学气相沉积法合成了大面积高质量的Bi2O2Se单晶薄膜, 讨论了温度对薄膜形貌的影响规律, 并在此基础上制备了Bi2O2Se光电导探测器, 分别研究了Bi2O2Se在云母基片和氧化硅基片上的光电性能. 在532 nm光照下, 源漏电压仅为0.5 V时, 云母片上的Bi2O2Se薄膜的光电响应度和比探测率高达45800 A/W和2.65 × 1012 Jones (1 Jones = 1 cm·Hz1/2·W–1), 相应的光电增益超过105. 研究结果表明 Bi2O2Se在低功耗、高灵敏度的光电器件中具有优异的探测潜力.

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分子层次的金纳米棒-表面活性剂-磷脂自组装复合体形貌
杨颖, 宋俊杰, 万明威, 高靓辉, 方维海
2020, 69 (24): 248701. doi: 10.7498/aps.69.20200979
摘要 +
金纳米粒子表面修饰剂的组分和形貌影响其物理化学性质. 本文采用隐式溶剂耗散粒子动力学模拟的方法, 研究了金纳米棒、溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱的自组装形貌. 结果表明, 复合体组装形貌主要与溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱这两种修饰剂的摩尔比有关, 而金纳米棒与修饰剂的相互作用强度以及金纳米棒的直径对形貌的影响不明显. 当作用强度和直径一定时, 随着摩尔比增加, 修饰剂在金纳米棒表面会形成完整的双层膜、有裂痕的双层膜、长片状胶束、以及以螺旋形式缠绕在金纳米棒上的蠕虫状胶束. 进一步分析发现, 金纳米棒直径越小、摩尔比越大、或作用强度越大时, 金纳米棒两端的覆盖程度越高, 同时修饰剂吸附层的厚度越薄. 这些结果直接表征了溴化十六烷基三甲基铵和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱混合物在金纳米棒表面的形态, 在分子水平上加深了对金纳米棒自组装行为的理解, 有助于实现金纳米棒的可控自组装.
地球物理学、天文学和天体物理学
流场非线性特征提取与混沌分析
许子非, 缪维跑, 李春, 金江涛, 李蜀军
2020, 69 (24): 249501. doi: 10.7498/aps.69.20200625
摘要 +
为解决传统方法在判断离心压气机动态失稳过程中因信号强非线性导致误判错判, 针对其动态时序属非线性信号, 基于分形理论提出自适应变分模态分解(adaptive variational mode decomposition with fractal, AFVMD)方法以同时实现降噪与非线性特征提取, 采用相空间重构法还原系统动力学结构. 以某离心压气机失稳过程中叶轮动态压力数据为对象, 验证所提出算法的优越性, 分析其吸引子状态. 结果表明: 在处理具有非线性特征的含噪信号时, AFVMD比小波降噪具有更好的降噪效果与特征提取能力; 相空间将失速发展过程可视化, 最小流量状态所对应的相空间呈现“毛球状”; 随失速的发展, 相空间将逐渐发散; 经小波与AFVMD方法预处理的信号所对应相形对失速过程更加敏感; 通过经AFVMD处理的信号进行重构可更早捕获失速征兆, 其更小的最大Lyapunov指数表明该方法提升了流动混沌系统的可预测性, 为压气机失稳分析、预测提供新思路与方法.