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Vol. 70, No. 5 (2021)

2021年03月05日

封面文章

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测
利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate, DAST)晶体, 通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测. 高效生成了近红外上转换光, 采集到其脉冲包络和光谱, 获得了ns量级的时间分辨率, 并换算太赫兹波的频率, 实现了对太赫兹信息的全面表征. 与商用高莱探测器相比, 上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级; 在可探测频率3.15—29.82 THz范围内, 响应度普遍高2—3个数量级. 结果表明: 室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器, 极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围, 使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力. 刘鹏翔, 李伟, 郭丽媛, 祁峰, 庞子博, 李惟帆, 汪业龙, 刘朝阳 物理学报.2021, 70(5): 050701.
特邀综述
特邀综述
综述
综述
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 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
特邀综述

特邀综述

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模
文炼均, 潘东, 赵建华
2021, 70 (5): 058101. doi: 10.7498/aps.70.20201750
摘要 +
作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”, 马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点. 马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计, 可以构建受拓扑保护的量子比特. 这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰, 具有长的退相干时间, 在容错量子计算中具有重要的应用前景. 半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台. 本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展, 并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.
综述
铅卤钙钛矿法布里-珀罗谐振腔激光器
赵辛未, 吕俊鹏, 倪振华
2021, 70 (5): 054205. doi: 10.7498/aps.70.20201302
摘要 +
随着后摩尔时代的到来, 对大容量、高速度信息处理的需求使得半导体器件应用由电子集成转向光子集成, 高性能微纳激光器是实现光子集成的重要环节. 种类丰富的半导体材料促进了半导体微纳激光器的快速发展, 近年来, 随着大量新型半导体材料(如二维半导体、铅卤钙钛矿等)的涌现, 有望实现半导体微纳激光器性能的进一步提升. 由于钙钛矿材料具有高光吸收、缺陷高容忍、激子结合能大等优异光学性质, 使其成为高增益、低阈值半导体微纳激光器的优秀候选材料. 法布里-珀罗(F-P)谐振腔激光器是钙钛矿激光器中研究广泛、结构简单、应用价值较高的一类激光器. 本文以铅卤钙钛矿F-P谐振腔激光器为例, 对其工作机理以及近年来的研究成果进行综述, 从激子与光子弱耦合的光子激光和强耦合的极化子激光两个方面出发, 详细介绍了钙钛矿材料既作为增益介质又作为谐振腔的F-P结构激光器以及仅作为增益介质的F-P腔激光器的激光的产生原理和影响因素, 最后总结了钙钛矿F-P谐振腔激光器当前面临的挑战, 展望了其进一步发展可能具备的前景.
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池: 光学模拟的研究进展
王其, 延玲玲, 陈兵兵, 李仁杰, 王三龙, 王鹏阳, 黄茜, 许盛之, 侯国付, 陈新亮, 李跃龙, 丁毅, 张德坤, 王广才, 赵颖, 张晓丹
2021, 70 (5): 057802. doi: 10.7498/aps.70.20201585
摘要 +
近几年, 钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池发展迅速, 效率已经从13.7%提升到29.1%. 由于叠层电池器件的制作工艺复杂, 而叠层太阳电池中的光学损失对转换效率的影响很大, 所以通过光学模拟进而获得高效电池至关重要. 本文首先从商业软件和自建模型两方面概述了光学模拟的方法, 接着从反射损失和寄生吸收两方面针对光学模拟研究进展进行了总结和分析, 最后指出了叠层电池光学模拟过程中需要注意的问题. 钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的转换效率极限最高可达40%, 具备很大的提升空间, 结合模拟工作的研究, 叠层电池的发展将会取得更大的进步.
总论
基于麦克斯韦电磁场理论的神经元动力学响应与隐藏放电控制
安新磊, 乔帅, 张莉
2021, 70 (5): 050501. doi: 10.7498/aps.70.20201347
摘要 +
钙、钾、钠等离子在细胞内连续泵送和传输时产生的时变电场不仅会影响神经元的放电活动, 而且会诱导时变磁场去进一步调节细胞内离子的传播. 根据麦克斯韦电磁场理论, 时变的电场和磁场在细胞内外的电生理环境中会相互激发而产生电磁场. 为了探究电磁场影响下的神经元放电节律转迁, 本文在三维Hindmarsh-Rose (HR)神经元模型的基础上, 引入磁通变量和电场变量, 建立了一个五维HR神经元模型(简称EMFN模型). 首先, 结合Matcont软件分析了EMFN模型的平衡点分布与全局分岔性质, 发现并分析了该模型存在的亚临界Hopf分岔、隐藏放电及其周期放电与静息态共存等现象. 其次, 利用双参数及单参数分岔、ISI 分岔和最大Lyapunov指数等工具进行数值仿真, 详细分析了EMFN模型存在的伴有混沌及无混沌的加周期分岔结构、混合模式放电和共存模式放电等现象, 同时揭示了电场和磁场强度影响其放电节律的转迁规律. 最后, 利用Washout控制器将EMFN模型的亚临界Hopf分岔转化为超临界Hopf分岔, 使其在分岔点附近的拓扑结构发生改变, 由此达到消除其隐藏放电的目的. 本文的研究结果证实了新建神经元模型具有丰富的放电节律, 将影响神经元的信息传递和编码, 为完善神经元模型, 揭示电磁场对生物神经系统的影响, 以及探求一些神经性疾病的致病机理提供了思路.
基于逻辑器件响应特性的自治布尔网络调控
刘海芳, 张建国, 龚利爽, 王云才
2021, 70 (5): 050502. doi: 10.7498/aps.70.20201249
摘要 +
自治布尔网络已成功应用于随机数产生、基因调控、储备池计算等领域. 为了在应用中合理选择器件使输出更好地满足各应用的需求, 本文研究了自治布尔网络中的逻辑器件响应特性变化时, 自治布尔网络输出状态随之变化的规律, 结果显示逻辑器件响应特性变化可以调控自治布尔网络输出在周期和混沌之间转变, 且能改变自治布尔网络输出序列的复杂程度. 进一步观察了逻辑器件响应特性和链路延时二维参数空间中输出序列复杂程度的分布, 结果显示快的逻辑门响应特性可以增强高复杂序列在链路延时参数空间的分布范围. 同时研究了自治布尔网络中任意逻辑器件的响应特性单独变化对网络输出状态的影响, 结果显示不同节点的器件响应特性对序列复杂程度的调控能力有差异. 研究表明, 逻辑器件响应特性可以调控网络输出序列复杂程度, 快的响应特性有利于高复杂混沌的稳定产生.

封面文章

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测
刘鹏翔, 李伟, 郭丽媛, 祁峰, 庞子博, 李惟帆, 汪业龙, 刘朝阳
2021, 70 (5): 050701. doi: 10.7498/aps.70.20201908
摘要 +
利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate, DAST)晶体, 通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测. 高效生成了近红外上转换光, 采集到其脉冲包络和光谱, 获得了ns量级的时间分辨率, 并换算太赫兹波的频率, 实现了对太赫兹信息的全面表征. 与商用高莱探测器相比, 上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级; 在可探测频率3.15—29.82 THz范围内, 响应度普遍高2—3个数量级. 结果表明: 室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器, 极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围, 使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.
基于标准样品回归算法和腔增强光谱的NO2检测方法
卞晓鸽, 周胜, 张磊, 何天博, 李劲松
2021, 70 (5): 050702. doi: 10.7498/aps.70.20201322
摘要 +
腔增强吸收光谱技术作为一种高灵敏的痕量气体测量技术, 其吸收光谱的浓度反演是极其关键的环节. 为消除因吸收截面和仪器响应函数的不确定性引入的测量误差, 本文提出了一种基于标准样品吸收光谱的浓度回归算法, 该方法在浓度反演过程上进行优化, 采用标准气体样品吸收光谱直接拟合未知浓度气体吸收光谱. 采用中心波长在440 nm处的蓝色发光二极管(LED)作为光源, 建立了一套非相干光腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统, 实测腔镜反射率为99.915%, 利用NO2气体的实测吸收光谱对该算法的有效性进行了验证. 与常规吸收截面回归算法比较, 结果表明本文提出的标准样品回归算法具有显著的优越性, 测量精度提升约4倍. 利用改进的算法结合标准样品配制的多个NO2气体对实验系统性能进行了深入评估, 测量结果与理论值具有很好的一致性. Allan方差分析显示在积分时间为360 s的情况下, NO2检测限可达到5.3 ppb (1 ppb = 10–9).
核物理学

编辑推荐

高能质子在散裂靶中的能量沉积计算与实验验证
周斌, 于全芝, 胡志良, 陈亮, 张雪荧, 梁天骄
2021, 70 (5): 052401. doi: 10.7498/aps.70.20201504
摘要 +
高能质子在散裂靶中的能量沉积是散裂靶中子学研究的重要内容之一, 准确掌握高能质子在散裂靶中引起的能量沉积分布与瞬态变化是开展散裂靶热工流体设计的重要前提. 本文采用MCNPX, PHITS与FLUKA三种蒙特卡罗模拟程序, 计算并比较了高能质子入射重金属铅靶、钨靶的能量沉积分布及不同粒子对总能量沉积的占比贡献; 针对高能质子入射金属钨靶的能量沉积实验数据空白, 采用热释光探测器阵列测量了250 MeV质子束入射厚钨靶的能量沉积分布, 实验结果表明蒙特卡罗模拟程序在散裂靶中能量沉积的计算结果具有较高的可靠性.
原子和分子物理学
外加横向电场作用下石墨烯纳米带电子结构的密度泛函紧束缚计算
崔洋, 李静, 张林
2021, 70 (5): 053101. doi: 10.7498/aps.70.20201619
摘要 +
采用基于密度泛函理论的紧束缚方法计算研究了外加横向电场对边缘未加氢/加氢钝化的扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构及电子布居数的影响. 计算结果表明, 石墨烯纳米带的能隙变化受其宽带影响. 当施加沿其宽度方向的横向外加电场时, 纳米带的能带结构及态密度都会产生较大的变化. 对于具有半导体性的边缘未加氢纳米带, 随着所施加电场强度的增加, 会发生半导体-金属的转变. 同时, 电场也会对能级分布产生显著影响. 外加电场导致纳米带内原子上电子布居数分布失去对称性, 电场强度越大, 其布居数不对称性越明显. 边缘加氢钝化可以显著改变纳米带内原子上的布居数分布.
特丁基对苯二酚的光谱及密度泛函研究
施斌, 袁荔, 唐天宇, 陆利敏, 赵先豪, 魏晓楠, 唐延林
2021, 70 (5): 053102. doi: 10.7498/aps.70.20201555
摘要 +
特丁基对苯二酚是重要的食品抗氧化剂. 理论上, 基于密度泛函理论, 采用B3LYP泛函及6-311G(d,p)基组在气相环境下优化分子的结构并进行频率计算. 在此基础上, 基于含时密度泛函理论, 选用SMD (solvation model based on density)溶剂模型, 利用B3LYP泛函并结合def2-TZVP基组计算分子在无水乙醇溶剂中的前50个激发态. 再通过Multiwfn软件对红外光谱做振动分析并考察分子间相互作用对红外光谱的影响, 对紫外光谱做分子轨道和电子空穴分析. 实验上, 通过KBr压片法, 利用傅里叶红外变换光谱仪测定样品红外光谱. 采用液相法, 以乙醇为溶剂, 利用紫外可见分光光度计测定样品紫外光谱. 通过对比分析可知, 理论光谱与实验光谱总体吻合较好. 红外光谱各基团的特征吸收峰都较为明显且较好吻合, 特丁基对苯二酚二聚体存在氢键作用, 这使得O—H键的强度被削弱, 导致吸收频率降低并在3670—3070 cm–1处出现一个宽峰. 紫外光谱主要由基态跃迁至第1, 2, 6, 7激发态形成, 最大吸收峰位于200 nm以下, 为π→π*和σ→π*跃迁形成, 268.8 nm和221.4 nm处的吸收峰均为n→π*和π→π*跃迁形成. 由电子空穴图可知, 这4个主要激发均为电子局域激发.
利用静电场中光电离效率谱精确确定1,3-二乙氧基苯分子的电离能
段春泱, 李娜, 赵岩, 李昌勇
2021, 70 (5): 053301. doi: 10.7498/aps.70.20201273
摘要 +
电离能是原子和分子的重要的特性参数, 在光物理和光化学过程中起着重要作用, 精确电离能对相关研究具有重要意义. 电离能是调试零动能光谱信号的重要参考数据, 在判断异构物数量和分子构型方面也起着关键作用. 1,3-二乙氧基苯是一种重要的苯的衍生物, 实验证实在超声分子束中包含两种旋转异构物I(down-up)和III(down-down). 它们的精确电离能还未见文献报道. 本文采用直线式飞行时间质谱仪测量了静电场中1,3-二乙氧基苯光电离效率曲线, 通过不同电场强度下测量的电离能(Stark效应)对场强的平方根线性拟合给出了两种异构物I和III精确的电离能分别为(62419 ± 2) cm–1和(63378 ± 2) cm–1. 相对于通常的脉冲电场加速机制和零动能光谱测量的电离能, 精确度大约分别由(± 10) cm–1和(± 5) cm–1提高到(± 2) cm–1. 分析和讨论了不同方法测量的物理机制和优缺点.
苯乙炔分子电子激发态超快动力学研究
向梅, 凌丰姿, 邓绪兰, 魏洁, 布玛丽亚∙阿布力米提, 张冰
2021, 70 (5): 053302. doi: 10.7498/aps.70.20201473
摘要 +
采用飞秒时间分辨质谱技术结合飞秒时间分辨光电子影像技术研究了苯乙炔分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学. 用235 nm光作为泵浦光, 将苯乙炔分子激发到第二激发态S2, 用400 nm光探测激发态的演化过程. 时间分辨的母体离子的变化曲线用指数和高斯函数卷积得到不同的两个组分, 一个是超快衰减组分, 时间常数为116 fs, 一个是慢速组分, 时间常数为106 ps. 通过分析时间分辨的光电子影像得到光电子动能分布, 结合时间分辨光电子能谱数据发现, 时间常数为116 fs 的快速组分反映了S2态向S1态的内转换过程. 实验还表明S1态通过内转换被布局后向T1态的系间窜跃过程为重要的衰减通道. 本工作为苯乙炔分子S2态非绝热弛豫动力学提供了较清晰的物理图像.

编辑推荐

气体团簇离子束两步能量修形法的平坦化效应
VasiliyPelenovich, 曾晓梅, 罗进宝, RakhimRakhimov, 左文彬, 张翔宇, 田灿鑫, 邹长伟, 付德君, 杨兵
2021, 70 (5): 053601. doi: 10.7498/aps.70.20201454
摘要 +
本文提出采用气体团簇离子束的两步能量修形法来改善4H-SiC(1000)晶片表面形貌. 先用15 keV的高能Ar团簇离子进行整体修形, 再用5 keV的低能团簇离子优化表面. 结果表明, 在相同的团簇离子剂量下, 与单一15 keV的高能团簇处理相比, 两步法修形后的表面具有更低的均方根粗糙度, 两者分别为1.05 nm和0.78 nm. 本文还以原子级平坦表面为研究对象, 揭示了载能团簇引起的半球形离子损伤(弧坑)与团簇能量的关系, 及两步能量修形法在弧坑修复中的优势. 在原子力显微镜表征的基础上, 引入了二维功率谱密度函数, 以直观全面地给出材料的表面形貌特征及其随波长(频率)的分布. 结果表明, 经任何能量的团簇离子轰击的表面, 在0.05—0.20 μm波长范围内, 团簇轰击都能有效地降低粗糙度, 而在0.02—0.05 μm范围内, 则出现了粗化效应, 这是由于形成了半球形离子损伤, 但第二步更低能量的团簇离子处理可以削弱这种粗化效应.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法
周静, 张晓芳, 赵延庚
2021, 70 (5): 054201. doi: 10.7498/aps.70.20201362
摘要 +
相位恢复法利用光波传输中某一(或某些)截面上的光强分布来传感系统波前, 其结构简单, 不易受震动及环境干扰, 被广泛应用于光学遥感和像差检测等领域. 传统相位恢复法采用迭代计算, 很难满足实时性要求, 且在一定程度上依赖于迭代转换或迭代优化初值. 为克服上述问题, 本文提出了一种基于卷积神经网络的相位恢复方法, 该方法采用基于小波变换的图像融合技术对焦面和离焦面图像进行融合处理, 可在不损失图像信息的同时简化卷积神经网络的输入. 网络模型训练完成后可依据输入的融合图像直接输出表征波前相位的4—9阶Zernike系数, 且波前传感精度均方根(root-mean-square, RMS)可达0.015λ, λ = 632.8 nm. 研究了噪声、离焦量误差和图像采样分辨率等因素对波前传感精度的影响, 验证了该方法对噪声具有一定鲁棒性, 相对离焦量误差在7.5%内时, 波前传感精度RMS仍可达0.05λ, 且随着图像采样分辨率的提升, 波前传感精度有所改善, 但训练时间成本随之增加. 此外, 分析了实际应用中, 当系统像差阶数与网络训练阶数略有差异时, 本方法所能实现的传感精度, 并给出了解决方案.
基于各向异性晶体的光学微分运算
余晨, 杨华, 陈书圆
2021, 70 (5): 054202. doi: 10.7498/aps.70.20201184
摘要 +
光学微分运算是边缘图像的光学检测核心原理, 与传统的数字图像处理方法相比, 具有效率高、结构简单且无需考虑算法和功耗等优点. 本文提出一种基于各向异性晶体的光学微分运算装置, 用定制的晶体片实现光的空间分化, 从而实现多角谱分量下的全方位边缘成像. 本文中的方案需要将光束的左右旋圆偏振分量横向分离, 再对中间部分的线偏振光进行滤波处理. 该方案主要是基于各向异性晶体的双折射效应, 整个装置整合为一条笔直的光路, 与自旋霍尔效应和超表面相比, 具备原理简单、成本较低且成像稳定的优点, 不过对晶体的厚度有较高的要求. 实验结果也较为理想地验证了此方案, 未来可望在量子观测、生物细胞和医学等领域实现一定潜在应用.

编辑推荐

一种基于多重散射的光学Hash函数
何文奇, 陈嘉誉, 张莲彬, 卢大江, 廖美华, 彭翔
2021, 70 (5): 054203. doi: 10.7498/aps.70.20201492
摘要 +
本文提出了一种基于光与多重散射介质相互作用的光学Hash函数构造方法. 该方法创新性地利用多重散射介质对相干调制光的天然随机散射作用, 实现了对调制光的“混淆”和“扩散”, 从而满足了Hash函数的核心功能要求: 高安全强度的单向编码/加密. 所设计的光电混合系统能有效地模拟Hash函数中的“压缩函数”, 结合具有特征提取功能的Sobel滤波器, 能实现将任意长度的输入数据压缩并加密为固定长度为256 bit的输出(即Hash值). 一系列仿真结果表明: 该方法所构造的光学Hash函数具有良好的“雪崩效应”和“抗碰撞性”, 其安全性能可比拟当前最为广泛使用的传统Hash函数(MD5和SHA-1).
利用全息法在偶氮聚合物薄膜中记录涡旋光场
陈天宇, 王长顺, 潘雨佳, 孙丽丽
2021, 70 (5): 054204. doi: 10.7498/aps.70.20201496
摘要 +
利用全息技术在偶氮聚合物薄膜中记录了拓扑荷数q = –1, 1, 2, 4的涡旋光场, 并将记录的原始叉形光栅与计算全息光栅进行对比, 对不同拓扑荷数涡旋光的记录速率和偶氮材料的可重复擦写性能进行了测试; 记录完成后, 将复现涡旋光与高斯光束干涉, 并与原始涡旋光和原始叉形光栅对比, 分析了记录质量. 实验结果表明:高阶涡旋光场的全息叉形光栅会在记录过程中发生劈裂, 轻微劈裂的涡旋光束仍维持一个稳定的环状结构; 全息记录过程中不同拓扑荷数的涡旋光束记录速率较为统一, 偶氮材料可经过上百次的擦写而不出现疲劳; 再现涡旋光与原始涡旋光在光强分布结构上保持高度一致, 再现涡旋光的干涉条纹与原始涡旋全息光栅保持高度一致, 涡旋光及其携带的拓扑荷信息可被有效记录和读取.
基于开口环阵列结构的表面晶格共振产生及二次谐波增强
张萌徕, 覃赵福, 陈卓
2021, 70 (5): 054206. doi: 10.7498/aps.70.20201424
摘要 +
理论研究了二维周期排列的金开口环谐振器的磁共振模式与周期阵列的衍射模式发生强耦合所需满足的条件及其对二次谐波产生效率的影响. 通过控制阵列结构在xy方向的周期大小, 使得衍射模式只在其中一个方向产生, 当衍射模式的电场方向与入射光电场偏振方向一致时, 衍射模式才会与开口环谐振器的磁共振模式发生强耦合作用, 产生表面晶格共振进而实现近场场增强. 在此基础上, 进一步计算了金开口环谐振器阵列的二次谐波产生效率, 随着阵列周期逐渐增大, 即开口环谐振器的数密度减小, 二次谐波强度呈现先增加后降低的趋势, 当开口环谐振器数密度降为原来的1/4左右时, 二次谐波强度可以增强2倍以上. 本文的研究为金属超表面二次谐波产生效率的提高提供了一种新的可能途径.
石墨烯增强半导体态二氧化钒近场热辐射
王波, 张纪红, 李聪颖
2021, 70 (5): 054207. doi: 10.7498/aps.70.20201360
摘要 +
本文基于涨落耗散定理和并矢格林函数求解麦克斯韦方程来研究两个半无限大平板的近场热辐射净热流, 提出了两个半无限大块状二氧化钒组成的V/V结构、石墨烯覆盖两个半无限大块状二氧化钒组成的GV/GV结构和石墨烯覆盖VO2薄膜组成的GV0/GV0结构, 深入研究了这三种结构中二氧化钒与石墨烯间的近场热辐射, 并分析了真空间距、二氧化钒薄膜厚度和石墨烯化学势等物理参量变化对近场热辐射的影响. 研究表明: 三种结构的近场热辐射均随间距增大而减小; 在真空间距为10 nm时, 由石墨烯覆盖的GV/GV结构的近场辐射热流比无石墨烯覆盖的V/V结构增强35倍, 耦合效果最好的是GV0/GV0结构, 该结构的近场辐射热流比GV/GV结构增强8.6倍; 在GV0/GV0结构中, 当二氧化钒薄膜厚度为30 nm时, 石墨烯化学势从0.1 eV增加到0.6 eV辐射热流会减小3.3倍. 本文系统研究了二氧化钒与石墨烯间相互耦合的近场热辐射, 对相关结构的近场热辐射实验和实际应用具有理论指导意义.
基于一维耦合腔光子晶体的声光可调谐平顶滤波器的研究
张若羽, 李培丽
2021, 70 (5): 054208. doi: 10.7498/aps.70.20201461
摘要 +
$ \pm 10\;{\rm{nm}}$内平顶滤波器的中心波长、矩形度、插入损耗、通带带宽出现的偏差很小. 该平顶滤波器具有易于设计和集成、通带平坦、可调谐范围宽、通带带宽稳定、插入损耗低、品质因素高的特点, 在光开关、可调谐光纤激光器、光纤传感等光通信领域有重要应用.">本文利用一维耦合腔光子晶体, 提出了一种声光可调谐平顶滤波器. 该滤波器利用声光效应, 通过改变超声波频率使一维耦合腔光子晶体透射谱的平顶滤波器的中心波长产生漂移, 从而实现可调谐的滤波功能. 基于传输矩阵法和声光效应理论, 建立了这种平顶滤波器的理论模型; 利用COMSOL软件, 对平顶滤波器的矩形度、通带带宽、插入损耗、可调谐特性、加工精度进行仿真研究. 研究结果表明, 通过施加频率为6—11 MHz的超声波, 可实现通带带宽为5—6 nm及中心波长在1514—1562 nm范围内可调谐的平顶滤波器; 在可调谐范围内通带带宽内插入损耗不超过2.23 dB, 最低仅为0.78 dB, 矩形度最低可达1.4; 加工误差在$ \pm 10\;{\rm{nm}}$内平顶滤波器的中心波长、矩形度、插入损耗、通带带宽出现的偏差很小. 该平顶滤波器具有易于设计和集成、通带平坦、可调谐范围宽、通带带宽稳定、插入损耗低、品质因素高的特点, 在光开关、可调谐光纤激光器、光纤传感等光通信领域有重要应用.
水中微小波纹圆柱体声散射低频共振调控
周彦玲, 王斌, 范军
2021, 70 (5): 054301. doi: 10.7498/aps.70.20201535
摘要 +
塑料类高分子材料甲基丙烯酸甲酯-亚克力(PMMA)圆柱中亚音速Rayleigh波低频隧穿共振可引起反向散射增强, 在低频标准散射体设计等领域具有重要应用价值. 提出一种微弱形变的规则波纹表面结构, 可实现水中PMMA圆柱反向散射低频共振频率的无源调控. 利用微扰法推导了水中微弱形变规则波纹圆柱反向散射低频共振频率偏移的近似解, 讨论了波纹微扰系数、周期对规则波纹圆柱共振频率偏移的影响规律. 基于Rayleigh波相位匹配方法分析了低频共振频率偏移的机理. 研究表明: 微弱形变规则波纹圆柱中亚音速Rayleigh波沿微弱形变波纹表面传播, 与光滑圆柱体相比, 传播路径的改变引起Rayleigh波传播相位变化, 导致了Rayleigh波低频共振频率发生偏移. 最后开展了微弱形变规则波纹圆柱体声散射特性水池实验, 获取了其反向散射共振频率, 明显观察到了规则波纹圆柱共振频率偏移现象, 与理论预报结果吻合较好.
浅海涌浪对表面声道声传播的影响
刘今, 彭朝晖, 张灵珊, 刘若芸, 李整林
2021, 70 (5): 054302. doi: 10.7498/aps.70.20201549
摘要 +
$70\;{\rm{km}}$远处带来了$10\; {\rm{dB}}$的传播损失增长. 因此在考察南海北部海区冬季声场特性时, 不仅要考虑海面风浪的影响, 更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响. 研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.">受海面强风和海-气相互作用影响, 表面声道普遍存在于冬季海洋环境中, 是一种天然有利于声传播的波导. 但是海面波浪使得海表形成粗糙界面, 会严重破坏这种优良性能. 本文利用南海北部海区的一次冬季声传播实验数据, 研究表面声道声传播特性. 研究表明, 海底底质对表面声道内声传播的影响较弱, 当海面风较小时, 涌浪造成的影响为主要原因. 实验数据显示, 考虑涌浪后的粗糙海面给$70\;{\rm{km}}$远处带来了$10\; {\rm{dB}}$的传播损失增长. 因此在考察南海北部海区冬季声场特性时, 不仅要考虑海面风浪的影响, 更需要考虑周围海域传来的涌浪的影响. 研究涌浪存在时的声传播特性对提升声纳设备在海况较差时的使用性能具有重要意义.
使用条件生成对抗网络生成预定导热率多孔介质
唐国智, 汪垒, 李顶根
2021, 70 (5): 054401. doi: 10.7498/aps.70.20201061
摘要 +
多孔介质在工程领域中的应用非常广泛, 其中有效导热率和孔隙率为多孔介质材料非常重要的性质, 得到一个符合需要的有效导热率和孔隙率的多孔介质材料具有重要意义. 本文使用四参数随机生成方法制作了训练数据集, 搭建了一个条件生成对抗网络(CGAN), 使用预定的有效导热率和孔隙率作为输入, 生成一个满足输入条件的多孔介质结构. 特别地, 由于多孔介质的孔隙结构分布对材料的有效导热率影响巨大, 提出局部结构损失函数参与网络训练, 使得网络更好地学习到孔隙分布与导热率之前的关系. 通过使用格子Boltzmann方法验证神经网络生成的多孔介质结构的有效导热率, 结果表明该方法能够快速且准确地生成预定参数的多孔介质结构.
Fe-Cr合金辐照空洞微结构演化的相场法模拟
杨辉, 冯泽华, 王贺然, 张云鹏, 陈铮, 信天缘, 宋小蓉, 吴璐, 张静
2021, 70 (5): 054601. doi: 10.7498/aps.70.20201457
摘要 +
Fe-Cr合金作为包壳材料在高温高辐照强度等极端环境下服役, 产生空位和间隙原子等辐照缺陷, 辐照缺陷簇聚诱发空洞、位错环等缺陷团簇, 引起辐照肿胀、晶格畸变, 导致辐照硬化或软化致使材料失效. 理解辐照缺陷簇聚和长大过程的组织演化, 能更有效调控组织获得稳定服役性能. 本文采用相场法研究Fe-Cr合金中空洞的演化, 模型考虑了温度效应对点缺陷的影响以及空位和间隙的产生和复合. 选择400—800 K温度区间、0—16 dpa辐照剂量范围的Fe-Cr体系为对象, 研究在不同服役温度和辐照剂量下的空位扩散、复合和簇聚形成空洞的过程. 在400—800 K温度区间, 随着温度的升高, Fe-Cr合金空洞团簇形核率呈现出先升高后下降的趋势. 考虑空位与间隙的重新组合受温度的影响可以很好地解释空洞率随温度变化时出现先升高后降低的现象. 由于温度的变化将影响Fe-Cr合金中原子离位阀能, 从而影响产生空位和间隙原子. 同一温度下, 空洞半径和空洞的体积分数随辐照剂量的增大而增大. 辐照剂量的增大, 级联碰撞反应加强, 空位与间隙原子大量产生, 高温下空位迅速的扩散聚集在Fe-Cr合金中将形成更多数量以及更大尺寸的空洞.
气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析
白立春, 孙劲光, 高艳东
2021, 70 (5): 054701. doi: 10.7498/aps.70.20201381
摘要 +
借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究, 重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节. 研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点. 阵列气泡源于游移气泡, 而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积, 从而减小所受的Bjerknes力, 降低活性的方式实现的. 游移气泡源于ALF (acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并, 使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡. 阵列气泡在Bjerknes力的作用下呈现出规则的表面波动, 而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳, 呈现极不规则的形貌, 并对附近阵列气泡的表面波动产生影响. 阵列气泡呈现出十分规则的排布, 相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的, 表现为相互排斥.
液体横向射流在气膜作用下的破碎过程
张彬, 成鹏, 李清廉, 陈慧源, 李晨阳
2021, 70 (5): 054702. doi: 10.7498/aps.70.20201384
摘要 +
为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程, 采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究, 模拟介质为水和空气. 研究结果表明, 液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程: 柱状破碎和表面破碎. Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因, 气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎, 破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布. Kelvin-Helmholtz (K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因, 液丝和液滴从射流表面剥离. 局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响, 当局部动量比较低时, 液体射流的破碎由K-H不稳定性主导; 随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导. 液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.
气体、等离子体和放电物理

编辑推荐

自由分子区内纳米颗粒的热泳力计算
崔杰, 苏俊杰, 王军, 夏国栋, 李志刚
2021, 70 (5): 055101. doi: 10.7498/aps.70.20201629
摘要 +
基于非平衡态分子动力学模拟方法, 研究了自由分子区内纳米颗粒的热泳特性. 理论研究表明, 纳米颗粒与周围气体分子之间的非刚体碰撞效应会明显地改变其热泳特性, 经典的Waldmann热泳理论并不适用, 但尚未有定量的直接验证. 模拟计算结果表明: 对于纳米颗粒而言, 当气-固相互作用势能较弱或气体温度较高时, 气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应可以忽略, Waldmann热泳理论与分子动力学模拟结果吻合较好; 当气-固相互作用势能较强或气体温度较低时, 非刚体碰撞效应较为明显, Waldmann热泳理论与模拟结果存在较大误差. 基于分子动力学模拟结果, 对纳米颗粒的等效粒径进行了修正, 并考虑了气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应, 理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.
纵磁作用下真空电弧单阴极斑点等离子体射流三维混合模拟
王振兴, 曹志远, 李瑞, 陈峰, 孙丽琼, 耿英三, 王建华
2021, 70 (5): 055201. doi: 10.7498/aps.70.20201701
摘要 +
真空电弧的特性直接受到从阴极斑点喷射出的等离子体射流的影响, 对等离子体射流进行数值仿真有助于我们深入了解真空电弧的内部物理机制. 然而, 磁流体动力学和粒子云网格仿真方法受限于计算精度和计算效率的原因, 无法有效地应用于真空电弧等离子体射流仿真模拟. 本文开发了一套三维等离子体混合模拟算法, 并在此基础上建立了真空电弧单阴极斑点射流仿真模型, 模型中将离子作宏粒子考虑, 而电子作无质量流体处理, 仿真计算了自生电磁场与外施纵向磁场作用下等离子体的分布运动状态. 仿真结果表明, 单个阴极斑点情况下真空等离子体射流在离开阴极斑点后扩散至极板间, 其整体几何形状为圆锥形, 离子密度从阴极到阳极快速下降. 外施纵向磁场会压缩等离子体, 使得等离子体射流径向的扩散减少并且轴线上的离子密度升高. 随着外施纵向磁场的增大, 其对等离子体射流的压缩效应增强, 表现为等离子体射流的扩散角度逐渐减小. 此外, 外施纵向磁场对等离子体射流的影响也受到电弧电流大小的影响, 压缩效应随电弧电流的增加而逐渐减弱.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
过渡金属原子掺杂的锯齿型磷烯纳米带的磁电子学特性
张华林, 何鑫, 张振华
2021, 70 (5): 056101. doi: 10.7498/aps.70.20201408
摘要 +
利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了掺杂铁、钴和镍原子的锯齿型磷烯纳米带(ZPNR)的磁电子学特性. 研究表明, 掺杂和未掺杂ZPNR的结构都是稳定的. 当处于非磁态时, 未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR为半导体, 而掺杂铁或者镍原子的ZPNR为金属. 自旋极化计算表明, 未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR无磁性, 而掺杂铁或者镍原子的ZPNR有磁性, 但只能表现出铁磁性. 处于铁磁态时, 掺杂铁原子的ZPNR为磁性半导体, 而掺杂镍原子的ZPNR为磁性半金属. 掺杂铁或者镍原子的ZPNR的磁性主要由杂质原子贡献, 产生磁性的原因则是在ZPNR中存在未配对电子. 掺杂位置对ZPNR的磁电子学特性有一定的影响. 该研究对于发展基于磷烯纳米带的纳米电子器件具有重要意义.
烧结过程中Ni-Al金属间化合物形成的内耗
李育川, 郝刚领, 王金, 王伟国, 王新福, 汪聃
2021, 70 (5): 056102. doi: 10.7498/aps.70.20201422
摘要 +
Ni-Al金属间化合物是一类重要的高温结构材料, 在多种领域具有明确的目标需求. 粉末冶金技术是制备Ni-Al金属间化合物的一种重要选择. 探索烧结过程中Ni-Al金属间化合物形成和转变过程, 明确固相扩散反应发生温度和金属间化合物种类对调控烧结工艺和优化产品质量至关重要. 本文采用内耗技术系统研究了Ni-Al粉末混合物压坯烧结过程的内耗行为. 在内耗-温度谱上观察到一个显著内耗峰, 随测量频率的增大而降低, 但峰温无明显频率依赖性. 同时, 内耗峰随升温速率的增大向高温方向移动且峰值增加. 分析认为, 该峰与升温过程中金属间化合物NiAl3和Ni2Al3的形成有关, 属于典型的相变内耗峰. 此外, 机械球磨可调控Ni-Al粉末混合物的微观结构, 内耗峰随球磨时间增加向低温方向移动且峰值降低, 表明固相扩散反应可在低温区域以较低速率进行. 这与球磨过程中粉末颗粒的细化、粉末混合物的片层化、固溶度和表面能的提高以及缩短的原子扩散路径有关. 同时也表明机械球磨可有效降低固相扩散反应起始温度进而降低烧结温度.
钙钛矿CsPbX3(X=Cl, Br, I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究
吴甜, 姚梦丽, 龙孟秋
2021, 70 (5): 056301. doi: 10.7498/aps.70.20201246
摘要 +
异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法. 本文构建了全无机钙钛矿CsPbX3 (X=Cl, Br, I)和二维五环石墨烯penta-graphene (PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结, 利用第一性原理研究了CsPbX3-PG异质结不同界面接触的稳定性, 进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能. 研究结果表明, CsPbX3-PG (X=Cl, Br, I)异质结具有II型能带排列特征, 能级差距由Cl向I逐渐缩小, 具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质. 此外, 研究发现CsPbX3-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围, 并能显著提高其光吸收能力, 尤其是CsPbI3具有最优的光吸收性能. 经理论估算, CsPbX3-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%. 这些结果表明, 全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX3-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能, 预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.
复杂网络牵制控制优化选点算法及节点组重要性排序
刘慧, 王炳珺, 陆君安, 李增扬
2021, 70 (5): 056401. doi: 10.7498/aps.70.20200872
摘要 +
本文研究复杂网络动力学模型的无向网络牵制控制的优化选点及节点组重要性排序问题. 根据牵制控制的同步准则, 网络的牵制控制同步取决于网络的Laplacian删后矩阵的最小特征值. 因此, 通过合理选择受控节点集得到一个较大的Laplacian删后矩阵最小特征值, 是牵制控制优化选点问题的核心所在. 基于Laplacian删后矩阵最小特征值的图谱性质, 本文提出了多个受控节点选取的递归迭代算法, 该算法适用于任意类型的网络. 通过BA无标度网络、NW小世界网络及一些实际网络中的仿真实验表明: 该算法在控制节点数较少时, 能有效找到最优受控节点集. 最后讨论了在复杂网络牵制控制背景下节点组重要性排序问题, 提出节点组的重要性排序与受控节点的数目有关.
电解质浓度对胶体粒子表面有效电荷的影响
赵小安, 徐升华, 周宏伟, 孙祉伟
2021, 70 (5): 056402. doi: 10.7498/aps.70.20201472
摘要 +
胶体粒子的表面有效电荷是决定胶体性质的重要物理量, 但溶液环境(如电解质溶液浓度)是否影响其数值至今尚无统一认识, 近年来的一些研究工作给出了存在争议的不同结果和假设. 在直接实验测量方面, 由于电解质离子和胶体表面吸附离子的置换, 粒子表面基团的不完全电离和胶体粒子对离子吸附的共同作用, 使得对这类粒子在不同溶液环境下的表面有效电荷的测量和变化机理的认识极为困难. 针对该问题, 本文测定了羧基和磺酸基修饰的聚苯乙烯胶体颗粒在不同粒子浓度和HCl浓度下的电导率, 由于两种粒子与HCl电离产生的阳离子相同(均为H+), 可根据电导率-数密度法(迁移法)得到胶体颗粒表面有效电荷数. 通过实验结果分析, 明确了HCl浓度以及粒子数密度对胶体粒子表面电荷的影响规律以及表面电荷随HCl浓度增大的原因. 除此之外, 羧基修饰颗粒比磺酸基修饰颗粒的表面电荷随HCl浓度变化更快; 对于同一HCl浓度, 磺酸基修饰胶体表面电荷不受粒子数密度影响, 而羧基修饰胶体颗粒却与之相关. 基于粒子表面电荷的理论模型, 对这些问题都给出了相应的解释.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响
李海鹏, 周佳升, 吉炜, 杨自强, 丁慧敏, 张子韬, 沈晓鹏, 韩奎
2021, 70 (5): 057801. doi: 10.7498/aps.70.20201643
摘要 +
石墨烯作为一种新型非线性光学材料, 在光子学领域具有重要的应用前景, 引起研究人员的极大兴趣. 本文运用量子化学计算方法研究了边界引入碳碳双键(C=C)和掺杂环硼氮烷(B3N3)环对石墨烯量子点非线性光学性质和紫外-可见吸收光谱的影响. 研究发现, 扶手椅边界上引入C=C双键后, 六角形石墨烯量子点分子结构对称性降低, 电荷分布对称性发生破缺, 导致分子二阶非线性光学活性增强. 石墨烯量子点在从扶手椅型边界向锯齿型边界过渡的过程中, 随着边界C=C双键数目的增加, 六角形石墨烯量子点和B3N3掺杂六角形石墨烯量子点的极化率和第二超极化率分别呈线性增加. 此外, 边界对石墨烯量子点的吸收光谱也有重要影响. 无论是石墨烯量子点还是B3N3掺杂石墨烯量子点, 扶手椅型边界上引入C=C双键导致最高占据分子轨道能级升高, 最低未占分子轨道能级的降低, 前线分子轨道能级差减小, 因而最大吸收波长发生了红移. 中心掺杂B3N3环后会增大石墨烯量子点的分子前线轨道能级差, 导致B3N3掺杂后的石墨烯量子点紫外-可见吸收光谱发生蓝移. 本文研究为边界修饰调控石墨烯量子点非线性光学响应提供了一定的理论指导.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于苯并二噻吩聚合物所制备的三元光电探测器的特性
安涛, 薛佳伟, 王永强
2021, 70 (5): 058801. doi: 10.7498/aps.70.20201185
摘要 +
本文采用P3HT∶PTB7∶PC61BM为活性层, 制备了覆盖可见光范围的三元体异质结有机光电探测器(organic photodetectors, OPDs). 利用原子力显微镜、 紫外可见吸收光谱和荧光光谱等手段研究了PTB7添加到P3HT∶PC61BM体系中对OPDs光学和电学性质的影响, 发现当P3HT∶PTB7∶PC61BM的质量比为8∶2∶10时, 三元混合层的响应光谱扩展到780 nm, OPDs的响应度R在630, 530, 460 nm的光照和–1 V偏压下分别达到178, 291, 241 mA/W, 比探测率D*达到1012 Jones, 并与课题组之前成果P3HT∶PBDT-TT-C∶PC61BM为活性层的三元有机光电探测器做了对比. 分析了两种基于苯并[1,2-b∶4,5-b]二噻吩(BDT)单元的聚合物PTB7与PBDT-TT-C分别添加到同一体系P3HT∶PC61BM中产生的器件性能差距的现象, 解释了PTB7由于氟原子的引入, 对混合薄膜微观形貌的影响和对薄膜中光生载流子迁移率的提升的原因. 这为制备性能更好的有机光电探测器提供了理论依据和方法.