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Vol. 69, No. 4 (2020)

2020年02月20日
物理学交叉学科及有关科学技术领域 原子和分子物理学 总论 特邀综述
特邀综述
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
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
腔光子-自旋波量子耦合系统中各向异性奇异点的实验研究
张高见, 王逸璞
2020, 69 (4): 1-10. doi: 10.7498/aps.69.20191632
摘要 +
通过耦合三维微波腔中光子和腔内钇铁石榴石单晶小球中的自旋波量子形成腔-自旋波量子的耦合系统, 并通过精确调节系统参数在该实验系统中观测到各向异性奇点. 奇点对应于非厄米系统中一种特殊状态, 在奇异点处, 耦合系统的本征值和本征矢均简并, 并且往往伴随着非平庸的物理性质. 以往大量研究主要集中在各向同性奇异点的范畴, 它的特征是在系统参数空间中沿着不同参数坐标趋近该奇异点时具有相同的函数关系. 在这篇文章中, 主要介绍实验上在腔光子-自旋波量子耦合系统中通过调节系统的耦合强度和腔的耗散衰减系数两条趋近奇异点的路径而实现了各向异性奇异点, 具体分别对应于在趋近奇异点时, 本征值的虚部的变化与耦合强度和腔的衰减系数的变化会有线性和平方根不同的行为. 各向异性奇异点的实现有助于基于腔光子-自旋波量子耦合系统的量子信息处理和精密探测器件的进一步研究.
石墨烯纳米网电导特性的能带机理第一原理
徐贤达, 赵磊, 孙伟峰
2020, 69 (4): 047101. doi: 10.7498/aps.69.20190657
摘要 +
通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理. 能带结构分析结果表明: 石墨烯纳米网超晶格(3m, 3n)(mn为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并; 碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙, 无论石墨烯的两个子晶格是否对等. 在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中, 反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件, 导致能带结构在 K 点的二重简并态分裂成带隙. 通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度, 为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.
Ti0.33WO3电子结构和太阳辐射屏蔽性能第一性原理
秦京运, 舒群威, 袁艺, 仇伟, 肖立华, 彭平, 卢国松
2020, 69 (4): 047102. doi: 10.7498/aps.69.20191577
摘要 +
节能减排已成为当今社会发展的主题, 对节约能源、提高太阳能的高效综合利用的新型窗用透明隔热材料的理论设计和研究尤其重要. 本文采用基于密度泛函理论的计算方法, 研究了六方相三氧化钨Ti掺杂前、后的晶格参数、电子能带结构、形成能和光学性质. 研究结果表明, Ti掺杂后晶格体积增大, 系统能量降为负值, 体系具有更好的稳定性; 掺杂后电子能带结构发生很大的变化, 但材料仍保持n型电导率; 随之, 其光学性质也发生改变, 掺杂前h-WO3无近红外吸收性能, 掺杂后的Ti0.33WO3具有很强的近红外吸收性能. 在此基础上研究了Ti掺杂h-WO3前、后的太阳辐射屏蔽性能, 掺杂前无太阳辐射屏蔽性能; 掺杂后的Ti0.33WO3薄膜具有可见光高透明、近红外屏蔽的性能. 计算结果为Ti掺杂h-WO3在窗用透明隔热材料方面的研究提供了理论依据.
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性
刘旭阳, 张贺秋, 李冰冰, 刘俊, 薛东阳, 王恒山, 梁红伟, 夏晓川
2020, 69 (4): 047201. doi: 10.7498/aps.69.20190640
摘要 +
本文制作了基于无栅AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管结构的温度传感器, 并对其温度相关的电学特性进行了表征. 实验测试了器件从50 ℃到400 ℃的变温电流-电压特性, 研究了器件灵敏度随着器件沟道长宽比的变化, 并研究了在300—500 ℃高温的空气和氮气中经过1小时恒温加热后器件的电学特性变化. 理论与实验研究结果表明, 随着器件沟道长宽比的增大, 器件的灵敏度会随之上升; 在固定电流0.01 A下, 器件电压随温度变化的平均灵敏度为44.5 mV/℃. 同时, 稳定性实验显示器件具有较好的高温保持稳定性.
低效率滚降、发光颜色稳定的磷光白色有机电致发光器件
肖心明, 朱龙山, 关宇, 华杰, 王洪梅, 董贺, 汪津
2020, 69 (4): 047202. doi: 10.7498/aps.69.20191594
摘要 +
本文采用多发光层结构, 制备了高亮度下具有高发光效率, 同时在较宽亮度范围内发光颜色稳定的白色磷光有机电致发光器件(WOLED). 在对双发光层结构磷光OLEDs的发光机制和载流子传输过程进行系统研究的基础上, 将两种磷光OLEDs的发光层结构相结合, 获得的多发光层结构磷光WOLED最大电流效率和外量子效率分别为34.6 cd/A和13.5%; 当亮度为1000 cd/m2时, 其电流效率和外量子效率分别为33.9和13.3%, 外量子效率滚降仅为1.5%; 亮度从1000 cd/m2增至10000 cd/m2的过程中, 其CIE色度坐标从(0.342, 0.403)变化至(0.326, 0.392), 变化量ΔCIE为(0.016, 0.011).
超导薄膜磁场穿透深度的双线圈互感测量
张若舟, 秦明阳, 张露, 尤立星, 董超, 沙鹏, 袁洁, 金魁
2020, 69 (4): 047401. doi: 10.7498/aps.69.20191758
摘要 +
磁场穿透深度是联系超导体宏观电动力学与微观机制的重要物理量, 其精确测量对于研究超导机理以及探索超导应用具有重要意义. 在众多的磁场穿透深度测量方法中, 双线圈互感法因具有测量精度高、技术相对成熟、对样品没有破坏等优点而被广泛使用, 其能被用于细致地研究超导薄膜的磁场穿透深度对温度、掺杂、外延应力等参量的依赖关系. 本文首先简要介绍了双线圈互感法的基本原理, 指出该方法的测量精度主要受系统几何参数及薄膜边缘漏磁的影响; 之后对自主设计搭建的透射型双线圈互感装置进行了系统的校验, 并详细说明了其测量精度: 对于厚度为100 nm, 穿透深度为150 nm的典型薄膜样品, 穿透深度绝对值的测量误差小于10%; 最后通过测量NbN超导薄膜的磁场穿透深度进一步检验了装置的精度, 分析表明穿透深度、超导能隙等物理量的测量值均与文献报道结果符合.
利用银纳米立方增强效率的多层溶液加工白光有机发光二极管
张雅男, 詹楠, 邓玲玲, 陈淑芬
2020, 69 (4): 047801. doi: 10.7498/aps.69.20191526
摘要 +
金属纳米粒子的局域表面等离子体共振效应常被用于增强有机发光二极管中激子辐射强度, 其增强效果与金属纳米粒子的共振波长、共振强度及其与激子之间的耦合密切相关. 本文将具有较强局域表面等离子体共振效应的银纳米立方引入多层溶液加工白光有机发光二极管中提升器件性能. 在传统的溶液加工有机发光二极管中, 发光层主体一般具有较强的空穴传输性, 因此激子主要在发光层/电子传输层界面附近复合. 本文将银纳米立方掺入电子传输层中, 使银纳米立方与激子之间产生充分的耦合作用, 提高激子发光强度. 对银纳米立方包裹二氧化硅外壳, 一方面优化纳米立方与激子之间的距离, 另一方面减小其对器件中电荷传输的影响. 通过优化银纳米立方的浓度, 多层溶液加工白光有机发光二极管的电流效率达到30.0 cd/A, 是基础器件效率的2倍. 另外, 由于银纳米立方的等离子体共振光谱较宽, 同时增强了白光中蓝光和黄光的强度, 因此引入银纳米立方基本没有影响白光的色度. 研究结果表明引入金属纳米粒子是提升多层溶液加工发光二极管性能的有效方法.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
动态复杂网络中节点影响力的研究进展
任卓明
2020, 69 (4): 1-9. doi: 10.7498/aps.69.20190830
摘要 +
节点影响力的识别和预测具有重要的理论意义和应用价值, 是复杂网络的热点研究领域. 目前大多数研究方法都是针对静态网络或动态网络某一时刻的快照进行的, 然而在实际应用场景中, 社会、生物、信息、技术等复杂网络都是动态演化的. 因此在动态复杂网络中评估节点影响力以及预测节点未来影响力, 特别是在网络结构变化之前的预测更具意义. 本文系统地总结了动态复杂网络中节点影响力算法面临的三类挑战, 即在增长网络中, 节点影响力算法的计算复杂性和时间偏见; 网络实时动态演化时, 节点影响力算法的适应性; 网络结构微扰或突变时, 节点影响力算法的鲁棒性, 以及利用网络结构演变阐释经济复杂性涌现的问题. 最后总结了这一研究方向几个待解决的问题及指出未来可能的发展方向.
钴掺杂MoSe2共生长中氢气的作用分析及磁电特性研究
张宝军, 王芳, 沈稼强, 单欣, 邸希超, 胡凯, 张楷亮
2020, 69 (4): 048101. doi: 10.7498/aps.69.20191302
摘要 +
采用原位共生长化学气相沉积法, 以Co3O4、MoO3、Se粉末为前驱物, 710 ℃下在SiO2衬底上生长掺钴MoSe2纳米薄片, 分析讨论氢气含量对其生长及调节机理的影响. 表面形貌分析表明, 氢气的引入促进了成核所需的氧硒金属化合物以及横向生长中需要的CoMoSe化合物分子的生成; AFM(Atomic Force Microscope)结果表明氢气有利于生长单层二维超薄掺钴MoSe2. 随着Co3O4前驱物用量的增加, 样品的拉曼和PL(Photoluminescence)谱图分别表现出红移和蓝移现象, 带隙实现从1.52 —1.57 eV的调制. XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)结果分析得到Co的元素组分比为4.4%. 通过SQUID-VSM(Superconducting QUantum Interference Device)和器件电学测试分析了样品的磁电特性, 结果表明Co掺入后MoSe2由抗磁性变为软磁性; 背栅FETs器件的阈值电压比纯MoSe2向正向偏移5 V且关态电流更低; 为超薄二维材料磁电特性研究及应用拓展提供了基础.
粉末颗粒气力加注特性实验研究
杨建刚, 胡春波, 朱小飞, 李悦, 胡旭, 邓哲
2020, 69 (4): 048102. doi: 10.7498/aps.69.20191273
摘要 +
粉末发动机是以粉末颗粒为燃料的新型发动机, 具有多次起动和推力调节的功能. 粉末加注是粉末发动机实验组织过程中的重要环节. 本研究通过搭建粉末供应系统开展粉末气力加注实验, 研究对比了集粉箱加注位置、流化气量对粉末气力加注特性的影响. 考虑了供粉过程中储箱内粉末堆积密度的动态变化, 并建立了相应的计算方法, 同时还采用控制系统理论揭示了储箱内粉末堆积密度的变化规律. 结果表明: 在相同条件下, 较大的流化气量有利于加注过程稳定, 但集粉箱加注率较低; 气力加注方式下集粉箱内的粉末堆积密度大于储箱内初始堆积密度; 采用较小的流化气量与集粉箱壁面切向加注方式有利于提高粉末粒径分布均匀性; 集粉箱壁面切向加注方式下, 流化气量较小时储箱内粉末的堆积密度是先增大后减小, 且堆积密度最终值小于初始值, 而流化气量较大时, 储箱内粉末的堆积密度是先增大后减小再增大后减小, 且堆积密度最终值大于初始值; 储箱内粉末堆积密度的动态变化过程类似于欠阻尼二阶系统, 流化气量较小时系统阻尼系数较小, 而流化气量较大时系统阻尼系数较大, 且是一个变阻尼过程.
热退火处理对AuGeNi/n-AlGaInP欧姆接触性能的影响
王苏杰, 李树强, 吴小明, 陈芳, 江风益
2020, 69 (4): 048103. doi: 10.7498/aps.69.20191720
摘要 +
本文在n-(Al0.27Ga0.73)0.5In0.5P表面通过电子束蒸发Ni/Au/Ge/Ni/Au叠层金属并优化退火工艺成功制备了具有较低接触电阻的欧姆接触, 其比接触电阻率在445 ℃退火600 s时达到1.4 × 10–4 Ω·cm2. 二次离子质谱仪测试表明, 叠层金属Ni/Au/Ge/Ni/Au与n-AlGaInP界面发生固相反应, Ga, In原子由于热分解发生外扩散并在晶格中留下Ⅲ族空位. 本文把欧姆接触形成的原因归结为Ge原子内扩散占据Ga空位和In空位作为施主提高N型掺杂浓度. 优化退火工艺对低掺杂浓度n-(Al0.27Ga0.73)0.5In0.5P的欧姆接触性能有显著改善效果, 但随着n-(Al0.27Ga0.73)0.5In0.5P掺杂浓度提高, 比接触电阻率与退火工艺没有明显关系. 本文为n面出光的AlGaInP薄膜发光二极管芯片的n电极制备提供了一种新的方法, 有望大幅简化制备工艺, 降低制造成本.
原子和分子物理学
单轴压缩下Ti3B4的力学、电学性能及变形机制的第一性原理研究
李君, 刘立胜, 徐爽, 张金咏
2020, 69 (4): 1-10. doi: 10.7498/aps.69.20191194
摘要 +
Ti3B4作为一种重要的钛硼化合物, 被广泛应用于工业生产和国防军事中. 但是有关Ti3B4在外载荷下的变形行为却鲜有报道, 这在很大程度上限制了它的应用. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Ti3B4在不同方向单轴压缩下的力学行为、电子结构以及变形机制. 结果表明, 在不同方向单轴压缩下, Ti3B4的变形行为表现出很强的各向异性. 在a轴压缩下, 层间Ti- Ti键减弱使Ti3B4承载能力降低, 最终层间Ti-Ti键和沿b轴B-B键断裂造成压缩应力突降; b轴压缩下, 层内Ti-B键减弱和层间Ti-B键增强导致Ti3B4承载能力逐渐降低, B-B键断裂导致结构破坏; c轴压缩下, 层内Ti-B键断裂和层间Ti-B键形成使结构稳定性降低. 由态密度分布可知, 在单轴压缩下, 变形后的Ti3B4仍然呈现金属性, 但是结构的共价性能降低. 通过讨论Ti3B4在不同方向单轴压缩下的力学行为与微观变形机制可以为改善其宏观性能提供一定的理论指导.
第一性原理软件北京原子技术模拟工具包的重构进展
马英晋, 张坦, 何连花, 金钟
2020, 69 (4): 043101. doi: 10.7498/aps.69.20191658
摘要 +
基于第一性原理的理论方法的研究, 代表了材料计算、分子模拟等领域的科学高地, 相应的第一性原理计算软件直接关系到该领域相关理论、算法的积累. 本文汇报了我们在重构第一性原理计算模拟软件—北京原子技术模拟工具包(BSTATE)的一些最新进展. 重构的核心思想是降低用户使用门槛、扩展软件适用范围、增加软件对于流行计算框架的支持. 基于此思路, 在BSTATE原有Makefile编译系统的基础上添加了CMake编译环境, 并支持各种数学函数库的自动和交互式配置; 通过在原有内置泛函基础上增添Libxc泛函库的支持, 使BSTATE支持的泛函数量有了数量级上的增长; 分析测试BSTATE在集群的并行特点, 并以更新数学库接口(fftw3、cufftw)的形式提供对于流行异构框架的初步支持.
光电离过程中Fe靶和V靶特征辐射的角相关研究
柳钰, 徐忠锋, 王兴, 曾利霞, 刘婷
2020, 69 (4): 043201. doi: 10.7498/aps.69.20191524
摘要 +
在发射角120°—170°的范围内, 应用硅漂移探测器以10°为间隔对中心能量为13.1 keV的韧致辐射诱发Fe靶和V靶发射的典型K系X射线光谱进行了测量. 得到特征X射线KαKβ的特征谱线, 考虑探测器对特征X射线的探测效率、靶对入射光子和出射光子吸收的校准及大气对特征X射线的吸收后, 结果显示不同探测角度下KβKα的强度比为一常数. 将本次实验探测角度为150°时的Kβ/Kα强度比值的实验值、理论计算值和Ertuğral的实验结果进行对比, 发现实验结果与预期相符. 对比不同探测角度下的强度比变化趋势推断特征X射线的角度依赖关系, 分析认为KαKβ在探测范围内是各向同性发射的.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟
胡晓亮, 梁宏, 王会利
2020, 69 (4): 1-10. doi: 10.7498/aps.69.20191504
摘要 +
本文采用相场格子Boltzmann方法研究了竖直微通道内中等Atwoods数流体的单模Rayleigh-Taylor不稳定性问题, 系统分析了雷诺数对相界面动力学行为以及扰动在各发展阶段演化规律的影响. 数值结果表明高雷诺数条件下, 不稳定性界面扰动的增长经历了四个不同的发展阶段, 包括线性增长阶段、饱和速度阶段、重加速阶段及混沌混合阶段. 在线性增长阶段, 我们计算获得的气泡与尖钉振幅符合线性稳定性理论, 并且线性增长率随着雷诺数的增加而增大. 在第二个阶段, 我们观察到气泡与尖钉将以恒定的速度增长, 获得的尖钉饱和速度略高于Goncharov经典势能模型的解析解[Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 134502], 这归因于系统中产生了多个尺度的旋涡, 而涡之间的相互作用促进了尖钉的增长. 随着横向速度和纵向速度的差异扩大, 气泡和尖钉界面演化诱导产生的Kelvin–Helmholtz不稳定性逐渐增强, 从而流体混合区域出现许多不同层次的涡结构, 加速了气泡与尖钉振幅的演化速度, 并在演化后期阶段, 导致界面发生多层次卷起、剧烈变形、混沌破裂等行为, 最终形成了非常复杂的拓扑结构. 此外, 我们还统计了演化后期气泡与尖钉的无量纲加速度, 发现气泡和尖钉的振幅在后期呈现二次增长规律, 其增长率系数分别为0.045与0.233. 而在低雷诺条件下, 重流体在不稳定性后期以尖钉的形式向下运动而轻流体以气泡的形式向上升起. 在整个演化过程中, 界面变得足够光滑, 气泡与尖钉在后期的演化速度接近于常数, 未观察到后期的重加速与混沌混合阶段.
高效外腔倍频产生426 nm激光的实验研究
田龙, 王庆伟, 姚文秀, 李庆回, 王雅君, 郑耀辉
2020, 69 (4): 044201. doi: 10.7498/aps.69.20191417
摘要 +
利用与铯原子吸收线对应的852 nm半导体激光作为基频光, 泵浦基于周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体的环形腔, 进行高效外腔谐振倍频并产生426 nm激光. 在理论分析小角度环形腔内的热透镜效应基础上, 发现晶体中等效热透镜中心位置并非在晶体的几何中心. 在理论分析的基础上, 实验上通过精密平移台精细调节PPKTP晶体在腔内位置, 使得等效热透镜中心位置与谐振腔的腰斑位置重合, 进而减小晶体热透镜效应导致的模式失配对倍频效率的影响. 在泵浦功率为515 mW时产生了428 mW的426 nm激光输出, 对应的倍频转换效率为83.1%. 此高效倍频过程为制备与铯原子吸收线相匹配的非经典光场提供有效泵浦光, 为推动量子非经典光场的应用以及量子信息科学的发展奠定基础.
平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射
付丽丽, 常峻巍, 陈佳琪, 张兰芝, 郝作强
2020, 69 (4): 044202. doi: 10.7498/aps.69.20191350
摘要 +
实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射. 与高斯飞秒激光的成丝对比发现, 平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝, 这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用. 并且, 在不损伤熔融石英的条件下, 平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射, 这是因为若产生光强相近的细丝, 平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高, 此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.
基于高次谐波产生的极紫外偏振涡旋光
范鑫, 梁红静, 单立宇, 闫博, 高庆华, 马日, 丁大军
2020, 69 (4): 044203. doi: 10.7498/aps.69.20190834
摘要 +
突破传统涡旋光场束缚, 发展短波极紫外涡旋光场是实现阿秒脉冲偏振控制的有效途径. 本研究利用自制的平场光栅光谱仪和超快时间保持的单色仪, 以800 nm, 35 fs高斯或具有偏振奇点的涡旋光脉冲驱动诱导氩原子产生高次谐波, 分别获得相应的高次谐波光谱以及谐波谱单阶光源的分布. 实验结果表明, 基于高次谐波产生实现近红外波段的涡旋光束特性转移到极紫外波段, 优化后的极紫外涡旋可以实现每秒108光子数输出. 同时发现极紫外波段的涡旋场和高斯场高次谐波产生具有相似相位匹配机制. 基于高次谐波产生的极紫外波段的偏振涡旋光为探究和操控原子分子量子态的含时演化动力学以及形成阿秒矢量光束提供了重要的方法和技术手段.
超临界压力CO2在水平圆管内流动传热数值分析
闫晨帅, 徐进良
2020, 69 (4): 044401. doi: 10.7498/aps.69.20191513
摘要 +
采用SST k-ω低雷诺数湍流模型对加热条件下超临界压力CO2在内径di = 22.14 mm, 加热长度Lh = 2440 mm水平圆管内三维稳态流动与传热特性进行了数值计算. 通过超临界CO2在水平圆管内的流动传热实验数据验证了数值模型的可靠性和准确性. 首先, 研究了超临界压力CO2在水平圆管内的流动传热特点, 基于超临界CO2在类临界温度Tpc处发生类液-类气“相变”的假设, 揭示了水平圆管顶母线和底母线区域不同的流动传热行为. 然后, 分析了热流密度qw和质量流速G对水平圆管内超临界压力CO2流动换热的影响, 通过获取流体域内的物性分布、速度分布和湍流分布等详细信息, 重点解释了不同热流密度qw和质量流速G下顶母线内壁温度Tw,i分布产生差异的传热机理, 分析结果确定了类气膜厚度δ、类气膜性质、轴向速度u和湍动能k是影响顶母线壁温分布差异的主要因素. 研究结果可以为超临界压力CO2换热装置的优化设计和安全运行提供理论指导.
基于直角网格法的单个和阵列布置下柔性水翼绕流数值模拟
辛建建, 陈振雷, 石凡, 石伏龙
2020, 69 (4): 044702. doi: 10.7498/aps.69.20191711
摘要 +
研究柔性水翼在不可压缩流体中的水动力特性, 对于船舵和减摇鳍等海洋结构物的设计和性能优化具有重要意义. 本文将自主开发的径向基函数虚拟网格法求解器扩展到模拟绕单个或多个柔性水翼的不可压缩流动问题. 数值模型基于虚拟网格有限差分法考虑浸入边界对流场的影响, 引入紧支径向基函数(compact supported radial basis function, CSRBF)以物面Lagrangian质点追踪复杂的柔性动边界. 基于该方法, 首先模拟了均匀流中主动拍动的柔性水翼, 升阻力系数良好的网格收敛性结果验证了本文方法的精度和可靠性. 并研究了柔性水翼在不同振荡频率下的水动力特性, 阐述了柔性水翼的推力生成机制. 然后模拟了绕阵列布置柔性水翼的流动现象, 研究了不同间距和不同振荡频率下水翼表面的升阻力系数变化规律和尾涡特性, 观察到紧密布置的柔性水翼在高频振荡下推力系数存在显著的放大效应, 同时推力为零时的临界频率提前.
总论
基于量子点接触的开放双量子点系统电子转移特性的研究
蓝康, 杜倩, 康丽莎, 姜露静, 林振宇, 张延惠
2020, 69 (4): 1-11. doi: 10.7498/aps.69.20191718
摘要 +
基于量子点接触探测器(QPC)理论上研究了双量子点(DQD)系统在耗散环境和纯退相环境影响下的电子转移特性. 结果表明, 耗散环境中探测器导致的退相干会增大平均电流和Fano factor随时间演化的值, 并观察到量子芝诺效应的存在. 在对称的DQD情况下, 弛豫减小了平均电流随时间演化的震荡振幅. 在非对称的DQD情况下, 弛豫降低了Fano factor随时间演化的峰值. 纯退相环境中测量会阻碍共隧穿过程中不同电流通道之间的转换, 导致Fano factor的极高值. 在对称的DQD情况下, 增大纯退相速率会提高Fano factor. 在非对称的DQD情况下, 动力学随时间的演化对纯退相环境不敏感. 另外, 还发现探测器内n个电子的转移几率只受QPC与DQD耦合的影响. 我们的结论可以为实验工作者研究电子输运特性提供理论参考.
Pre-Bötzinger复合体的从簇到峰放电的同步转迁及分岔机制
杨永霞, 李玉叶, 古华光
2020, 69 (4): 040501. doi: 10.7498/aps.69.20191509
摘要 +
Pre-Bötzinger复合体是兴奋性耦合的神经元网络, 通过产生复杂的放电节律和节律模式的同步转迁参与调控呼吸节律. 本文选用复杂簇和峰放电节律的单神经元数学模型构建复合体模型, 仿真了与生物学实验相关的多类同步节律模式及其复杂转迁历程, 并利用快慢变量分离揭示了相应的分岔机制. 当初值相同时, 随着兴奋性耦合强度的增加, 复合体模型依次表现出完全同步的“fold/homoclinic”, “subHopf/subHopf”簇放电和周期1峰放电. 当初值不同时, 随耦合强度增加, 表现为由“fold/homoclinic”, 到“fold/fold limit cycle”、到“subHopf/subHopf”与“fold/fold limit cycle”的混合簇放电、再到“subHopf/subHopf”簇放电的相位同步转迁, 最后到反相同步周期1峰放电. 完全(同相)同步和反相同步的周期1节律表现出了不同分岔机制. 反相峰同步行为给出了与强兴奋性耦合容易诱发同相同步这一传统观念不同的新示例. 研究结果给出了pre-Bötzinger复合体的从簇到峰放电节律的同步转迁规律及复杂分岔机制, 反常同步行为丰富了非线性动力学的内涵.
基于新的五维多环多翼超混沌系统的图像加密算法
庄志本, 李军, 刘静漪, 陈世强
2020, 69 (4): 040502. doi: 10.7498/aps.69.20191342
摘要 +
本文提出了一种基于新的五维多环多翼超混沌系统的数字图像加密方法. 首先, 将明文图像矩阵和五条混沌序列分别通过QR分解法分解成一个正交矩阵和一个上三角矩阵, 将混沌系统产生的五条混沌序列分别通过LU分解法分解成一个上三角矩阵和一个下三角矩阵, 分别将两个上三角矩阵和一个下三角矩阵相加, 得到五个离散后的混沌序列; 其次, 将明文图像矩阵分解出来的正交矩阵与五个混沌序列分解出来的五个正交矩阵相乘, 同时把明文图像矩阵分解出来的上三角矩阵中的元素通过混沌序列进行位置乱, 再将操作后的两个矩阵相乘; 最后, 将相乘后的矩阵通过混沌序列进行比特位位置乱, 再用混沌序列与其进行按位“异或”运算, 得到最终加密图像. 理论分析和仿真实验结果表明该算法的密钥空间远大于10200, 密钥敏感性强, 能够有效地抵御统计分析和灰度值分析的攻击, 对数字图像的加密具有很好的加密效果.
选取任意庞加莱截面的新方法
张识, 王攀, 张瑞浩, 陈红
2020, 69 (4): 040503. doi: 10.7498/aps.69.20191585
摘要 +
针对用庞加莱截面分析非线性系统时较难选择合适截面的问题, 提出了一种投影时域法. 该方法可以在时域上直观地判断所选平面是否合适并实时准确地调整平面的方向与位置. 文中给出了投影时域法的完整定义并从理论上详细分析了该方法的原理; 同时研究了在时域上判断所选平面是否是合适的庞加莱截面的条件以及如何调整所选平面的方向与位置; 最后, 利用投影时域法对三种典型的三维或四维非线性系统进行了仿真实验, 实验结果证明了该方法的有效性和实用性.
频率色散表面阻抗对真空电子太赫兹源的影响
任泽平, 陈再高, 陈剑楠, 乔海亮
2020, 69 (4): 040701. doi: 10.7498/aps.69.20191488
摘要 +
为了研究欧姆损耗对高频真空电子器件工作特性的影响, 首先推导频率色散表面阻抗边界在三维共形粒子模拟软件UNIPIC-3D中的实现原理, 并通过对有耗边界矩形谐振腔和圆波导进行模拟验证了该阻抗边界算法的正确性. 采用有耗共形UNIPIC-3D模拟相对论太赫兹表面波振荡器和低电压平板格栅返波振荡器. 模拟结果表明, 对于表面波振荡器和平板BWO这种电磁场集中在金属慢波结构附近的太赫兹真空电子器件, 欧姆损耗会对器件的运行带来极大影响, 对于采用铜材料的器件, 输出功率会下降一半左右, 器件起振时间出现延迟, 但器件工作频率几乎不变. 为了提高相对论太赫兹表面波振荡器的效率, 在二极管和慢波结构之间增加了反射腔, 模拟结果表明, 在考虑器件表面损耗的条件下, 器件的工作频率保持不变, 输出功率由41 MW提高到60 MW.
特邀综述
Verwey相变处Fe3O4的结构、磁性和电输运特性
刘祥, 米文博
2020, 69 (4): 040505. doi: 10.7498/aps.69.20191763
摘要 +
作为典型的金属–绝缘体转变, Fe3O4的Verwey相变蕴涵的丰富物理现象与微观机制, 因而受到了人们的广泛关注. 在Verwey相变处, Fe3O4的晶体结构、电子结构以及磁各向异性等均发生转变, 但其磁基态并未发生改变. 与其他强关联体系相比, Fe3O4的Verwey相变不需要考虑磁交换耦合作用的变化, 有利于揭示强关联体系中金属–绝缘体转变的物理本质. 本文从晶体结构、电荷有序、电输运特性、磁性和铁电特性等方面简要地介绍了Fe3O4的Verwey相变的研究历史和现状.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
载流子复合及能量无序对聚合物太阳电池开路电压的影响
周庆中, 郭丰, 张明睿, 尤庆亮, 肖标, 刘继延, 刘翠, 刘学清, 王亮
2020, 69 (4): 046101. doi: 10.7498/aps.69.20191699
摘要 +
聚合物太阳电池中载流子的复合与能量无序对器件的开路电压有着深刻的影响. 本文同时研究了基于传统富勒烯(PC71BM)和非富勒烯(O-IDTBR)电子受体的聚合物太阳电池. 通过交流阻抗谱、低温电流密度-电压谱、瞬态光电压以及电致发光光谱等手段重点研究了载流子复合及能量无序对电池器件开路电压的影响. 具体地, 交流阻抗谱和瞬态光电压测试结果表明, 富勒烯体系载流子复合损失较为严重. 电致发光光谱研究显示, PC71BM器件的发光峰随着注入电流的增加不断向短波长处移动, 而O-IDTBR体系发光峰位置基本不变, 该结果证明PC71BM体系中能量无序度更高. 载流子复合严重及能量无序度更高共同作用导致了富勒烯器件开路电压的降低.
高熵合金短程有序现象的预测及其对结构的电子、磁性、力学性质的影响
任县利, 张伟伟, 伍晓勇, 吴璐, 王月霞
2020, 69 (4): 046102. doi: 10.7498/aps.69.20191671
摘要 +
如何有效预测高熵合金的稳态结构, 是开展研究其物理及化学等性能的基础. 以FeCuCrMnMo合金为例, 在有限晶胞尺寸内, 采用蒙特卡洛结合密度泛函理论杂化计算方法(Monte Carlo/density functional theory, MC/DFT)预测高熵合金的平衡态结构. 与准随机近似方法(special quasirandom structures, SQS)不同, 该方法不再追求高熵合金结构的理想随机状态, 而是充分考虑合金中原子尺寸、混合焓、原子间相互作用等物理因素. 通过第一性原理计算体系能量来实现, 使得蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)方法保证结构在原子交换过程中体系能量逐渐收敛于平衡态. 最终预测得到的平衡态结构出现Cu原子的短程有序现象(short range order, SRO)与实验上合金中的Cu偏析现象相一致. 相较于由SQS方法获得的随机状态, 该SRO结构在能量上更加稳定. 同时本文对稳态结构通过序参数及径向分布函数进行表征, 并对SRO现象的出现进行物理解释, 进一步揭示了SRO的出现对高熵合金结构性质的影响.
氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟
周良付, 张婧, 何文豪, 王栋, 苏雪, 杨冬燕, 李玉红
2020, 69 (4): 046103. doi: 10.7498/aps.69.20191069
摘要 +
$\left\langle {111} \right\rangle $ 位错线, 随后, 该位错线会沿晶界面上[111]方向迁移出去; 在∑9[110](411)晶界处, He泡在我们的模拟时间尺度范围内没有观察到W自间隙子的发射和位错的挤出.">钨(W)是潜在的聚变堆面向等离子体材料. 聚变反应中产生的氦(He)不溶于金属W, 并在其中易聚集形成He泡, 使W基体发生脆化, 从而导致W基体的性能发生退化. 在前人工作的基础上, 本文采用分子动力学研究了He泡在单晶bcc-W中以及bcc-W中∑3[211](110)和∑9[110](411) 晶界处He泡形核长大初期的演化过程. 结果发现, 晶界处He泡的长大机制和单晶W中有所不同. 单晶W中He泡通过挤出位错环促进长大. 而He泡在∑3[211](110)晶界处的长大机制为: 首先挤出并发射少量自间隙W原子, 而后挤出1/2 $\left\langle {111} \right\rangle $ 位错线, 随后, 该位错线会沿晶界面上[111]方向迁移出去; 在∑9[110](411)晶界处, He泡在我们的模拟时间尺度范围内没有观察到W自间隙子的发射和位错的挤出.
快凝Pd82Si18合金原子团簇的演化特性及遗传机制
高明, 邓永和, 文大东, 田泽安, 赵鹤平, 彭平
2020, 69 (4): 046401. doi: 10.7498/aps.69.20190970
摘要 +
采用分子动力学(MD)模拟计算, 对Pd82Si18合金快凝过程中基本原子团簇的遗传特性、演化趋势和结构稳定性进行了研究. 团簇类型指数法(CTIM)分析表明: 非晶固体中Si原子为中心的(10 2/1441 8/1551)双帽阿基米德反棱柱(BSAP)团簇数目占据优势. 快凝过程中, BSAP结构团簇具有最大的遗传分数, 并且其他以Si原子为中心的Kasper团簇大多都会向BSAP结构团簇转变. 通过对Si原子为中心的Kasper基本团簇电子性质第一性原理计算发现, 体系中BSAP团簇的结合能最低, 结构稳定性较高, 与分子动力学计算结果一致.