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Vol. 70, No. 6 (2021)

2021年03月20日

专题—原子制造: 基础研究与前沿探索

  

封面文章

基于DNA折纸模板的铁原子阵列构建及其信息加密应用
在后摩尔时代, 突破原有技术极限, 进行原子尺度的精准构筑, 是当前的重大科学问题. DNA作为具有原子级精准度的生物大分子, 能够进行程序性的分子识别, 构筑原子数量与位置均严格确定的自组装结构, 因此是进行原子制造的理想平台. 本文提出基于DNA自组装折纸结构的精准定位能力, 构筑铁原子阵列图案, 并应用于对信息的加密. 实验结果表明, 采用类似“信息预置”的方法, 铁原子成功实现在DNA折纸不同位置的高效定位, 此方法还极大降低了实验工作量, 非常有利于多种不同阵列图案的平行制备. 利用所构建的铁原子阵列, 本文发展了原子阵列DNA折纸加密技术, 将密文编码为二进制并用类似盲文斑点的形式在DNA折纸上以特定图案表示, 通过单分子成像手段对密文信息进行了读取, 而密钥长度可高达700位以上. 作为示例, 成功地对普通文本及唐诗《登鹳雀楼》进行了加密, 证明了此策略的通用性和实用性. 凡洪剑, 李江, 王丽华, 樊春海, 柳华杰 物理学报.2021, 70(6): 068702.
专题—原子制造: 基础研究与前沿探索
专题
综述
综述
总论 基本粒子物理学与场 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 地球物理学、天文学和天体物理学
专题—原子制造: 基础研究与前沿探索

编辑推荐

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量
陈志文, 佘圳跃, 廖开宇, 黄巍, 颜辉, 朱诗亮
2021, 70 (6): 060702. doi: 10.7498/aps.70.20201870
摘要 +
Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩, 利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测, 理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平. 基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景. 本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术, 详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案. 最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.

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面向近原子尺度制造的光学测量精度极限分析
战海洋, 邢飞, 张利
2021, 70 (6): 060703. doi: 10.7498/aps.70.20201924
摘要 +
纳米级乃至更高精度的测量是原子及近原子尺度制造技术发展的基础和保障. 光学测量具有精度高、测量范围广、测量直观等优点, 其对单个成像光斑中心的定位可达远超衍射极限的精度. 但由于光本身散粒噪声、探测器暗电流噪声等随机性的存在, 光学测量存在精度极限. 本文基于克拉美罗下界理论发展了可适用于任意强度分布像斑的精度极限计算方法, 并以典型艾里斑为例, 分析了成像过程中反映信噪比、能量集中度、计算方式的参数对定位精度极限的影响规律并给出提高精度的建议和结论. 对实验所得像斑进行了精度极限计算, 验证了所得结论对类似艾里斑的像斑的适用性. 研究为原子及近原子尺度制造过程中光学测量的应用和优化提供了分析方法和理论指导.
二维材料在生物传感器中的应用
罗实, 魏大鹏, 魏大程
2021, 70 (6): 064701. doi: 10.7498/aps.70.20201613
摘要 +
自石墨烯发现以来, 大量二维层状材料被相继发现. 二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内, 使其对化学掺杂非常敏感, 有望引起生物传感领域的技术变革. 生物传感过程无论基于何种传感机制, 都包含了检测物识别和信号转化过程. 检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成, 信号转换依靠二维材料来实现信号输出. 在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑, 则可精确调控传感过程中的物理化学过程, 优化器件的各项指标. 本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展, 重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法, 探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.
原子尺度材料三维结构、磁性及动态演变的透射电子显微学表征
钟虓䶮, 李卓
2021, 70 (6): 066801. doi: 10.7498/aps.70.20202072
摘要 +
原子表征与操控是实现原子制造必须突破的物理瓶颈之一. 像差校正电子显微学方法因其优异的空间分辨率, 为实现原子精细制造提供了有力的表征手段. 因此, 利用电子显微学手段, 在原子尺度对原子制造的材料及器件进行三维结构和性能的协同表征, 对于深入理解原子水平材料操控的物理机理具有非常重要的意义. 纳米团簇及纳米颗粒是原子制造材料与器件研究的主要对象之一, 具有丰富的物理化学性质和较高的可操纵性. 本文探讨纳米团簇/颗粒结构三维定量表征、使役条件下纳米团簇/颗粒结构演变定量表征、纳米颗粒/晶粒结构-成分-磁性协同定量表征等诸多方法与实例, 阐明了电子显微学表征手段的突破和发展为实现精细控制的原子制造材料提供了坚实基础.
绿色环保化学机械抛光液的研究进展
郜培丽, 张振宇, 王冬, 张乐振, 徐光宏, 孟凡宁, 谢文祥, 毕胜
2021, 70 (6): 068101. doi: 10.7498/aps.70.20201917
摘要 +
原子级加工制造是实现半导体晶圆原子尺度超光滑表面的有效途径. 作为大尺寸高精密功能材料的原子级表面制造的重要加工手段之一, 化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用, 成为实现先进材料或器件超光滑无损伤表面平坦化加工的关键技术, 在航空、航天、微电子等众多领域得到了广泛应用. 然而, 为了实现原子层级超滑表面的制备, CMP工艺中常采用的化学腐蚀和机械磨削方法需要使用具有强烈腐蚀性和高毒性的危险化学品, 对生态系统产生了不可逆转的危害. 因此, 本文以绿色环保高性能抛光液作为对象, 对加工原子量级表面所采用的化学添加剂进行分类总结, 详尽分析在CMP过程中化学添加剂对材料表面性质调制的作用机理, 为在原子级尺度下改善表面性质提供可参考的依据. 最后, 提出了CMP抛光液在原子级加工研究中面临的挑战, 并对未来抛光液发展方向作出了展望, 这对原子尺度表面精度的进一步提升具有深远的现实意义.
面向单晶SiC原子级表面制造的等离子体辅助抛光技术
吉建伟, 山村和也, 邓辉
2021, 70 (6): 068102. doi: 10.7498/aps.70.20202014
摘要 +
目前Si基半导体由于其自身材料特性的限制, 已经越来越难以满足高速发展的现代电力电子技术对半导体器件的性能要求. SiC作为新一代半导体材料具有显著的性能优势, 但由于其属于典型的难加工材料, 实现SiC晶圆的高质量与高效率加工成为了推动其产业化应用进程的关键. 本综述在回顾近年来SiC超精密加工技术研究进展的基础上, 重点介绍了一种基于等离子体氧化改性的SiC高效超精密抛光技术, 分析了该技术的材料去除机理、典型装置、改性过程及抛光效果. 分析结果表明, 该技术具有较高的去除效率, 能够获得原子级平坦表面, 并且不会产生亚表面损伤. 同时针对表面改性辅助抛光技术加工SiC表面过程中出现的台阶现象, 探讨了该台阶结构的产生机理及调控策略. 最后对等离子体辅助抛光技术的发展与挑战进行了展望.

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DNA折纸结构介导的多尺度纳米结构精准制造
戴李知, 胡晓雪, 刘鹏, 田野
2021, 70 (6): 068201. doi: 10.7498/aps.70.20201689
摘要 +
原子及近原子尺度制造在近年来一直是物质科学领域被广泛探讨的前沿问题. 当制造和加工的尺度从微米、纳米逐渐走向原子级别时, 材料在常规尺度下所具备的性质已无法通过经典理论进行解释, 相反地, 会在这一尺度下展现出一系列新奇的特性. 因而对材料极限制造尺度和颠覆性物性的不断追求始终是科学界共同关注的重点领域. 作为一种在纳米尺度下对结构制造单元进行精细操控的先进手段, DNA纳米技术的开发和发展为纳米制造甚至原子制造提供了新的观点和思路, 而DNA折纸术作为DNA纳米技术的重要组成部分, 正在凭借其在结构制造过程当中的高度可编程性成为纳米尺度下进行各类物质精准制造的独特的解决方案, 并可能为不同物质不同材料更小尺度和任意形状的精准构筑带来机遇. 本文首先简单概述了DNA折纸术的基本原理和发展历程, 然后根据制造策略的不同对DNA折纸结构的纳米制造的相关代表性工作做了总结, 并在文末提出了对于DNA折纸结构在原子制造中的可行性的思考和未来发展方向的展望.

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基于Rydberg原子的高灵敏微波探测与通信
樊佳蓓, 郝丽萍, 白景旭, 焦月春, 赵建明, 贾锁堂
2021, 70 (6): 063201. doi: 10.7498/aps.70.20201401
摘要 +
$ (E_{{\rm{L}}}) $, 共振耦合相邻的两个Rydberg能级 $|68{\rm{D}}_{5/2}\rangle$$|69{\rm{P}}_{3/2}\rangle$, 与具有一定失谐$ {\text {δ}} f $的待测微弱信号场$(E_{{\rm{S}}})$同时作用于Rydberg原子. Rydberg原子作为微波混频器可直接读出两束微波的差频信号, 实现待测信号场的高灵敏探测, 对应的最小测量值为$E_{0} = 1.7\;$μV/cm, 频率分辨率小于1 Hz. 在此基础上, 对微弱信号场进行编码, 实验上很好地还原了加载到微波弱场上的基带信号, 测量的传输带宽达200 MHz, 实现了微弱场条件下的通信.">利用Rydberg原子作为微波传感器实现了微弱场的测量与通信. 在铯原子蒸气池中, 相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(510 nm)与铯原子相互作用形成阶梯型三能级电磁感应透明光谱, 用于实现Rydberg原子的光学探测. 频率约为 2.19 GHz的强微波场作为本地场$ (E_{{\rm{L}}}) $, 共振耦合相邻的两个Rydberg能级 $|68{\rm{D}}_{5/2}\rangle$$|69{\rm{P}}_{3/2}\rangle$, 与具有一定失谐$ {\text {δ}} f $的待测微弱信号场$(E_{{\rm{S}}})$同时作用于Rydberg原子. Rydberg原子作为微波混频器可直接读出两束微波的差频信号, 实现待测信号场的高灵敏探测, 对应的最小测量值为$E_{0} = 1.7\;$μV/cm, 频率分辨率小于1 Hz. 在此基础上, 对微弱信号场进行编码, 实验上很好地还原了加载到微波弱场上的基带信号, 测量的传输带宽达200 MHz, 实现了微弱场条件下的通信.

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金刚石氮-空位色心的原子自旋声子耦合机理
沈翔, 赵立业, 黄璞, 孔熙, 季鲁敏
2021, 70 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.70.20201848
摘要 +
金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注. 本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控, 以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率. 首先, 基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系, 分析了声子与晶格能量交互作用, 研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理, 建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型. 其次, 基于氮-空位色心晶格振动理论, 引入满足布洛赫定理的系数矩阵, 建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型. 同时, 基于德拜模型, 考虑热膨胀效应, 解析该声子共振系统的声子热平衡性质, 并对其比热模型进行研究. 最后, 基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究, 构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型, 并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性. 研究结果表明, 系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位, 声子模式强化伴随着热力学熵的降低. 含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱, 热力学性质更不稳定. 含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级, 次共振频率约为[800,1200] MHz. 根据次共振频段设计叉指宽度为1.5 μm的声表面波共振机构, 其中心频率约为930 MHz. 在该声子共振调控参数条件下, 声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率, 实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.

封面文章

基于DNA折纸模板的铁原子阵列构建及其信息加密应用
凡洪剑, 李江, 王丽华, 樊春海, 柳华杰
2021, 70 (6): 068702. doi: 10.7498/aps.70.20201438
摘要 +
在后摩尔时代, 突破原有技术极限, 进行原子尺度的精准构筑, 是当前的重大科学问题. DNA作为具有原子级精准度的生物大分子, 能够进行程序性的分子识别, 构筑原子数量与位置均严格确定的自组装结构, 因此是进行原子制造的理想平台. 本文提出基于DNA自组装折纸结构的精准定位能力, 构筑铁原子阵列图案, 并应用于对信息的加密. 实验结果表明, 采用类似“信息预置”的方法, 铁原子成功实现在DNA折纸不同位置的高效定位, 此方法还极大降低了实验工作量, 非常有利于多种不同阵列图案的平行制备. 利用所构建的铁原子阵列, 本文发展了原子阵列DNA折纸加密技术, 将密文编码为二进制并用类似盲文斑点的形式在DNA折纸上以特定图案表示, 通过单分子成像手段对密文信息进行了读取, 而密钥长度可高达700位以上. 作为示例, 成功地对普通文本及唐诗《登鹳雀楼》进行了加密, 证明了此策略的通用性和实用性.

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六方氮化硼层间气泡制备与压强研究
姜程鑫, 陈令修, 王慧山, 王秀君, 陈晨, 王浩敏, 谢晓明
2021, 70 (6): 069801. doi: 10.7498/aps.70.20201482
摘要 +
六方氮化硼(h-BN)具有六角网状晶格结构和高化学机械稳定性, 可以用来封装气体并长期保持稳定, 适合用作新型信息器件及微纳机电器件的衬底材料, 具有巨大的应用前景. 近期, 科研人员发现氢原子可以无损穿透多层h-BN, 在层间形成气泡, 可用作微纳机电器件. 本文研究了氢等离子体处理时间对h-BN气泡尺寸的影响. 发现随着处理时间的延长, 气泡尺寸整体变大且分布密集程度会降低. 原子力显微镜的测量发现所制备的h-BN气泡具有相似的形貌特征, 该特征与h-BN的杨氏模量和层间范德瓦耳斯作用相关. 此外, 发现微米尺寸气泡的内部压强约为1—2 MPa, 纳米尺寸气泡的内部压强可达到GPa量级.
综述
月尘被动防护技术的最新研究进展
穆萌, 张海燕, 王晓, 李存惠, 张小平, 王明智, 朱应敏, 高立波, 赵呈选, 陆洋, 王卫东
2021, 70 (6): 060501. doi: 10.7498/aps.70.20201517
摘要 +
月球的特殊环境使月尘具有导电等特殊的性质, 极易黏附在探测仪器上造成设备的失效, 给探月工程带来极大的危害, 因此国内外众多研究组针对月尘危害展开深入研究. 本文从黏附机理、防护方法和实验测试几方面对月尘的被动防护技术进行综述和展望. 首先, 阐述了月尘对探测设备造成的不利影响及影响因素, 进而具体论述月尘黏附的机理, 详细介绍造成黏附的两种主要作用力的理论基础. 然后, 针对不同作用机理系统阐述了降低月尘颗粒黏附力的主要方法, 对月尘被动防护技术的最新进展进行了总结. 最后, 结合防护方式的不同, 总结了测试月尘黏附力的方法, 从而为有效实现探测设备表面月尘防护奠定基础.
总论
单壁碳纳米管受限空间内水的分布
孙志伟, 何燕, 唐元政
2021, 70 (6): 060201. doi: 10.7498/aps.70.20201523
摘要 +
碳纳米管管腔作为分子物质的纳米通道, 其储存或输送水的能力具有重要研究价值. 为了研究碳纳米管管腔受限空间对水分子团簇结构和分布的影响, 本文采用分子动力学方法探究了管径、手性和温度对单壁碳纳米管管腔内水的结构和分布的影响. 结果表明: 在常温下, 管径尺寸范围为1.018—1.253 nm的单壁碳纳米管管内易形成有序的多元环水结构, 此范围以外碳纳米管管内难以形成水的有序结构; 且随着管径尺寸增大, 多元环水呈现由三元环至六元环的结构变化; 范德瓦耳斯势分布分析表明, 在上述管径范围内, 水分子趋向于贴近碳纳米管管壁分布而形成水的有序结构. 对比管径尺寸差别较小的碳纳米管, 其手性对多元环水结构影响不大. 多元环水结构的稳定性表现出温度依赖性, 管径较大的碳纳米管内的多元环水的有序结构更易随温度升高而消失.
红外光谱辐射计探测器高阶非线性响应校正方法
孙永丰, 徐亮, 沈先春, 金岭, 徐寒杨, 成潇潇, 王钰豪, 刘文清, 刘建国
2021, 70 (6): 060701. doi: 10.7498/aps.70.20201530
摘要 +
针对傅里叶变换红外光谱辐射计辐射定标需要黑体辐射面充满仪器视场的技术特点, 分析了由于入射光子流较高导致红外探测器产生非线性响应误差的机理. 通过仿真包含非线性误差的黑体辐射数据, 研究了非线性误差对光谱产生的影响, 并根据卷积和交叉迭代两种校正方法, 提出了适合校正高阶非线性响应误差的迭代方法—梯度下降法. 利用傅里叶变换红外光谱辐射计进行辐射定标实验, 对比卷积、交叉迭代和梯度下降法三种校正方法的效果, 结果显示三种校正方法均可有效减小非线性误差, 分别使拟合优度提高了0.15%, 0.29%和0.39%, 梯度下降法校正后的光谱数据更为准确.
基本粒子物理学与场
识别Z玻色子喷注的卷积神经网络方法
李靖, 孙昊
2021, 70 (6): 061301. doi: 10.7498/aps.70.20201557
摘要 +
高能物理中喷注识别任务是从背景中识别出感兴趣的特定信号, 这些信号对于在大型强子对撞机上发现新的粒子, 或者新的过程都有着非常重要的意义. 量能器中产生的能量沉积可以看做是对喷注的一种拍照, 分析这样产生的数据在机器学习领域中属于一个典型的视觉识别任务. 基于喷注图片, 本文探索了利用卷积神经网络(convolutional neural networks, CNNs)识别量子色动力学背景下的Z玻色子喷注, 并与传统的增强决策树(boosted decision trees, BDTs)方法进行了对比. 在本文利用的输入前提下, 三种相关的性能参数表明, CNN比BDT带来了约1.5倍的效果提升. 除此之外, 通过最优与最差的喷注图与混淆矩阵, 说明了CNN通过训练学习到的内容与整体识别能力.
原子和分子物理学
有机分子吸附和衬底调控锗烯的电子结构
肖美霞, 冷浩, 宋海洋, 王磊, 姚婷珍, 何成
2021, 70 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.70.20201657
摘要 +
锗基集成电子学的发展潜力源于其极高的载流子迁移率以及与现有的硅基和锗基半导体工业的兼容性, 而锗烯微小带隙能带特点极大程度地阻碍其应用. 因此, 在不降低载流子迁移率的情况下, 打开一个相当大的带隙是其应用于逻辑电路中首先要解决的问题. 本文采用范德瓦耳斯力修正的密度泛函理论计算方法, 研究了电场作用下有机分子吸附和衬底对锗烯原子结构和电学性质的影响. 研究结果表明, 有机分子吸附和衬底通过弱相互作用破坏了锗烯亚晶格的对称性, 从而在狄拉克点上打开了相当大的带隙. 苯/锗烯和六氟苯/锗烯体系均在K点打开了带隙. 当使用表面完全氢化的锗烯(锗烷HGeH)衬底时, 苯/锗烯/HGeH和六氟苯/锗烯/HGeH体系的带隙可进一步变宽, 带隙值分别为0.152和0.105 eV. 在外电场作用下, 上述锗烯体系可实现大范围的近似线性可调谐带隙. 更重要的是, 载流子迁移率在很大程度上得以保留. 本文提出了一种有效的可调控锗烯带隙的设计方法, 为锗烯在场效应管和其他纳米电子学器件中的应用提供了重要的理论指导.
基于自旋回波探测的地面磁共振T2谱正反演策略
杨玉晶, 叶瑞, 赵汗青, 万玲, 林婷婷
2021, 70 (6): 063301. doi: 10.7498/aps.70.20201427
摘要 +
作为新兴地球物理方法之一, 地面磁共振技术具有直接探测优势. 但由于其发展时间较短, 相关建模及反演方法介绍较少, 传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限, 且适应性较差. 近年来, 应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域的研究热点. 本文推导了其灵敏度核函数及正演公式, 引入线性空间反演方案, 即通过奇异值分解将含噪自旋回波信号由时间域变换至空间域. 为避免矩阵病态问题, 采用奇异值滤波法抑制分解病态程度, 并联合同时迭代重建技术进一步提升空间域矩阵求解精度. 结合非线性拟合对空间域矩阵参数进行提取, 实现含水层对应含水量、横向弛豫时间的有效估计. 通过模拟野外实验并进行数据解释, 证实了该方案能够有效降低浅层含水量至1.5%, 横向弛豫时间估测误差至0.02 s. 本文的研究成果, 将为地面横向弛豫时间探测及相关理论发展及方法在水文地质调查方面的推广应用提供有力支撑.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
不同模态沙尘暴对太赫兹波的衰减分析
王红霞, 张清华, 侯维君, 魏一苇
2021, 70 (6): 064101. doi: 10.7498/aps.70.20201393
摘要 +
太赫兹波空间传输特性研究对于太赫兹波在空间中的应用具有重要意义. 为研究太赫兹波在沙尘暴天气中的传输特性, 本文根据沙尘粒子尺度的对数正态分布, 应用Mie散射理论和Monte Carlo方法, 分析了国内不同地域的六种干沙模态沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减特性, 给出了消光参量和衰减率与频率的关系. 结果表明, 随着频率的增大, 1—10 THz频段太赫兹波的衰减率呈先增加后减小的趋势, 沙尘暴的模态不同, 太赫兹波衰减较强的频段范围有所不同. 为了分析沙粒含水量对太赫兹波传输衰减的影响, 计算了不同尺寸的沙尘粒子3个效率因子与含水量的关系, 发现粒子尺寸不同, 含水量对消光的影响也不同; 应用Monte Carlo方法计算了两种湿沙模态的沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减, 给出了衰减率与含水量及频率的关系. 结果表明, 随沙粒含水量增大, 沙尘暴对太赫兹波衰减较强的频段向低频方向移动, 含水量小于5%时, 太赫兹波衰减率随含水量增大显著增强, 湿度较大的沙尘暴天气对太赫兹波的传输衰减影响更大.
基于氧化镁晶体中级联四波混频过程的紫外飞秒光脉冲产生
陈忠, 华林强, 张津, 龚成, 柳晓军
2021, 70 (6): 064201. doi: 10.7498/aps.70.20201573
摘要 +
紫外波段飞秒激光脉冲是研究超快化学和超快物理相关过程的重要工具, 实现波长可调谐的宽带紫外飞秒光脉冲将有助于推动超快动力学及相关领域的研究. 本文报道了以两束400 nm的飞秒光脉冲作为级联四波混频的抽运源, 在氧化镁晶体中产生9阶频率上转换和5阶频率下转换边带信号的实验结果. 边带波长范围从350 nm到450 nm连续可调谐, 这些边带信号的发散角和波长与级联四波混频理论预测结果吻合. 紫外边带相对于入射光的整体转化效率约为1.2%. 同时, 高阶边带的光谱形状呈现高斯型, 其谱宽理论上支持傅里叶转换极限脉宽为20—50 fs. 本文展示了一种高效产生波长可连续调谐的紫外飞秒光脉冲的便捷方法, 为基于紫外超短脉冲的相关研究提供了有效工具.
基于无芯光纤的多参数测量传感器
孙家程, 王婷婷, 戴洋, 常建华, 柯炜
2021, 70 (6): 064202. doi: 10.7498/aps.70.20201474
摘要 +
设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器, 可用来同时测量折射率和温度. 该传感器中, 两处无芯光纤充当输入、输出耦合器, 中间单模光纤作为传感臂. 利用有限元仿真和理论分析, 确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm. 在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输, 由于倏逝场的作用, 受到环境折射率和温度的影响. 选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象, 实现了折射率和温度的同步测量. 实验结果表明: 1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU (refractive index unit)和0.166 nm/℃; 1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃. 该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时, 仍能保持较高灵敏度, 在生物医疗等方面有着较好的应用前景.
一种水平变化波导中声传播问题的耦合模态法
刘娟, 李琪
2021, 70 (6): 064301. doi: 10.7498/aps.70.20201726
摘要 +
针对介质参数及海底边界水平变化波导中的声传播问题, 本文基于多模态导纳法提出一种能量守恒且便于数值稳定求解的耦合模态方法. 将声压表示为一组正交完备的本地本征函数之和, 对声压满足的Helmholtz方程在本地本征函数上作投影, 推导出关于声压模态系数的二阶耦合模态方程组. 耦合矩阵直观描述水平变化因素对模态耦合的贡献. 为避免直接求解二阶耦合模态方程组可能遇到的数值发散问题, 将其重构为两个耦合的一阶演化方程组, 引入导纳矩阵并使用Magnus数值积分方法获得稳定的声场解. 利用该耦合模态方法数值计算水平变化波导中的声场, 并与COMSOL参考解比较, 结果表明该耦合模态理论能够精确求解水平变化波导中的点源及分布源传播问题.
气体、等离子体和放电物理
短脉冲强激光驱动磁重联过程的靶后电势分布特征
于家成, 仲佳勇, 安维明, 平永利
2021, 70 (6): 065201. doi: 10.7498/aps.70.20201339
摘要 +
超短超强激光因其极端的物理参数范围以及可用于研究相对论等离子体等特征, 成为当前激光驱动磁重联物理的研究热点. 通常采用两路激光与平面靶相互作用实现激光驱动磁重联, 然而在实验诊断中, 由于激光等离子体自身的复杂性导致很难辨别磁重联的物理特征. 本文对两路短脉冲激光驱动平面靶磁重联进行了数值模拟, 重点分析了靶后电势分布特征和磁重联之间的关系. 模拟结果显示, 靶后电势分布可以直接影响被加速离子在探测面上的空间分布, 因此可用来直接诊断短脉冲激光驱动磁重联实验.
磁化套筒惯性聚变中端面损失效应的一维唯象模型与影响分析
赵海龙, 肖波, 王刚华, 王强, 阚明先, 段书超, 谢龙, 邓建军
2021, 70 (6): 065202. doi: 10.7498/aps.70.20201587
摘要 +
得益于激光预加热和轴向磁场的作用, 磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion, MagLIF)构型理论上能有效降低聚变实现的难度, 具有极大的应用潜力. 本文选择MagLIF过程中伴随激光预加热所必然存在端面损失效应作为研究目标, 搭建了能够描述几何参数与腊肠不稳定性等高维效应的一维唯象物理模型, 并分别通过与二维流体动力学程序和国外同类程序的计算对比完成参数拟合校验; 在此基础上, 获得端面损失效应对MagLIF内爆过程及预加热效果的影响规律. 计算结果表明: 不同喷射半径下MagLIF负载在内爆过程的绝大多数时间内保持了相近的流体动力学演化过程, 并在迟滞阶段经历了相同的质量损失比例, 且考虑端面效应后得到的预加热和内爆产额相对变差, 但却不改变规律性的趋势. 所建立的模型与结论有助于加深对MagLIF预加热和端面损失过程中物理图像的认知和理解.
周期调制结构平面薄膜电爆炸实验研究
刘永棠, 盛亮, 李阳, 张金海, 孟伦, 李豪卿, 袁媛, 孙铁平, 欧阳晓平
2021, 70 (6): 065203. doi: 10.7498/aps.70.20201574
摘要 +
在金属层表面引入微结构以实现对Z箍缩等离子体形成和发展过程中不稳定性的调控具有重要研究价值. 在“强光一号”装置上(峰值电流~1.4 MA, 上升时间~100 ns), 开展了针对具有一维周期性凹槽调制结构的金属薄膜的电爆炸实验研究. 实验负载采用外推型平面结构, 基底为30 μm厚铝膜, 刻蚀周期为2 mm, 刻蚀深度约为10 μm. 通过激光阴影成像、激光干涉成像和可见光自辐射成像等系统进行联合诊断. 实验结果表明刻蚀结构对等离子体发展过程的不稳定性特征产生了明显调制作用, 原本征波长也受到抑制, 微结构周期对不稳定结构波长产生趋同效应; 未刻蚀一侧边界层同样受刻蚀层结构的影响, 在不稳定结构上表现出相似形貌, 且内外侧不稳定性特征的耦合关联性增强; 刻蚀凹槽处在爆炸过程中膨胀更为迅速, 形成的表面等离子体结构与初始结构反相; 在刻蚀结构的几何突变处会形成细长的等离子体喷流, 在二分之一刻蚀波长处出现波谱特征峰. 理论分析表明电流密度调制造成电热不稳定性分布改变是调控作用产生的重要原因.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
Gd3(Al,Ga)5O12:Ce闪烁晶体缺陷对其发光性能的影响
孟猛, 祁强, 赫崇君, 丁栋舟, 赵书文, 施俊杰, 任国浩
2021, 70 (6): 066101. doi: 10.7498/aps.70.20201697
摘要 +
新型闪烁晶体Gd3(Al,Ga)5O12:Ce (GAGG:Ce)在制备过程中易出现包裹体及反格位缺陷等问题, 严重影响晶体的性能. 为了抑制这些缺陷以得到大尺寸高质量的GAGG:Ce晶体, 本文以Gd3(Al,Ga)5O12为基质、Ce3+为掺杂离子, 采用提拉法生长得到了GAGG:Ce晶体, 并对不同晶体部位的物相结构、微区成分、透光性质、发光及时间性能进行了测试和对比分析. 结果表明, GAGG:Ce晶体的透过谱中存在340和440 nm两处Ce3+特征吸收带, 且位于550 nm处的直线透过率为82%. 晶体尾部因杂相包裹体等宏观缺陷的影响, 导致其透过率下降至70%左右. 微区成分分析进一步表明GAGG:Ce晶体中存在三种类型的包裹体, 分别为富Gd相、富Ce相及(Al,Ga)2O3相. GAGG:Ce晶体的X射线激发发射谱中在550 nm附近存在Ce3+宽发射带, 且380 nm处还存在GdAl/Ga反格位缺陷引起的发射. 晶体中存在的杂相包裹体及GdAl/Ga反格位缺陷等因素导致Ce3+在GAGG基质的发光强度下降12.5%; GdAl/Ga反格位离子与近邻Ce的隧穿效应使得GAGG:Ce晶体的衰减时间由117.7 ns延长至121.9 ns, 且慢分量比例由16%增加至17.2%.
石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究
汉芮岐, 宋海洋, 安敏荣, 李卫卫, 马佳丽
2021, 70 (6): 066201. doi: 10.7498/aps.70.20201591
摘要 +
石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体. 然而, 目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰. 本文采用分子动力学模拟方法, 对90°, 45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟, 研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化, 以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制, 并分析其对塑性区的影响. 研究发现, 石墨烯可以有效阻碍位错运动, 并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形. 在纳米压痕过程中, 位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同. 研究结果表明, 在石墨烯/铝基复合材料中, 位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同, 且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型. 此外, 石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关. 本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.
磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响
范海龙, 陈明文
2021, 70 (6): 066401. doi: 10.7498/aps.70.20201748
摘要 +
利用线性稳定性方法研究了外加磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响, 且模型同时考虑了温度场、浓度场和流动的耦合作用. 利用计算得出的色散关系式分析了磁场对糊状层稳定性的影响, 其中包括直接模式和振荡模式. 给出了不同情况下外加磁场对糊状层稳定性的影响, 发现磁洛伦兹力可以减小由浮力引起的失稳效应. 振荡模式下外加磁场对糊状层产生稳定作用, 但直接模式下外加磁场对糊状层的稳定作用具有不确定性. 本文所给出结果为工业中利用外加磁场改善产品的质量提供了重要的理论参考.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
应力调控BlueP/X Te2 (X = Mo, W)范德瓦耳斯异质结电子结构及光学性质理论研究
邢海英, 郑智健, 张子涵, 吴文静, 郭志英
2021, 70 (6): 067101. doi: 10.7498/aps.70.20201728
摘要 +
通过第一性原理计算探讨了蓝磷烯与过渡金属硫化物MoTe2/WTe2形成范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质, 以及施加双轴应力对相关性质的影响. 计算结果表明, 形成BlueP/X Te2 (X = Mo, W)异质结, 二者能带排列为间接带隙type-II并有较强的红外光吸收, 同时屏蔽特性增强. 随压缩应力增加, BlueP/X Te2转变为直接带隙type-II能带排列最后转变为金属性; 随拉伸应力增加, 异质结转变为间接带隙type-I能带排列. 外加应力也能有效调控异质结的光吸收性质, 随压缩应力增加吸收边红移, 光吸收响应拓展至中红外光谱区且吸收系数增大; BlueP/MoTe2较BlueP/WTe2在中红外至红外光区间表现出更强的光吸收响应; 静态介电常数ε1(0)大幅增加. 结果表明, 压缩应力对BlueP/MoTe2和BlueP/WTe2能带排列、光吸收特性均有显著的调控作用, 其中BlueP/MoTe2对调控更敏感, 这些特性也使BlueP/X Te2异质结在窄禁带中红外半导体材料及光电器件具有令人期待的应用价值.
电荷耦合效应对高耐压沟槽栅极超势垒整流器击穿电压的影响
徐大林, 王玉琦, 李新化, 史同飞
2021, 70 (6): 067301. doi: 10.7498/aps.70.20201558
摘要 +
通过沟槽结构和可调节的电子势垒, 沟槽栅极超势垒整流器可以更为有效地实现通态压降和反向漏电流之间的良好折衷. 在高压应用时, 电荷耦合效应对于提高该器件的反向承压能力起到了关键作用. 本文通过理论模型与器件模拟结果, 分析了沟槽深度、栅氧厚度和台面宽度等关键参数对电荷耦合作用下二维电场分布的影响, 归纳出了提高该器件击穿电压的思路与方法, 为器件设计提供了有意义的指导. 在此基础上, 提出了阶梯栅氧结构, 该结构在维持几乎相同击穿电压的同时, 使正向导通压降降低51.49%.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
铝基薄膜忆阻器作为感觉神经系统的习惯化特性
朱玮, 郭恬恬, 刘兰, 周荣荣
2021, 70 (6): 068502. doi: 10.7498/aps.70.20201961
摘要 +
感觉神经系统可在外界刺激与生物体反应之间建立联系. 感觉神经系统中的最小单位神经元可直接将外界刺激传递至中枢神经, 再由中枢神经通过控制和调节生物体对外界刺激作出反应. 神经突触连接了相邻神经元进行脉冲信息传递功能. 习惯化是神经突触在信息传递中过滤外界无关信息时的一个基本特性, 可以让感觉神经系统更快速地适应外界环境变化. 忆阻器模拟神经突触功能在近年获得进展, 然而针对以忆阻器为基础的具有习惯化特性的神经突触以及完整神经系统的研究相对匮乏. 本文利用磁控溅射技术制备了厚度约为40 nm且含铝纳米颗粒的氮化铝薄膜忆阻器, 并发现这种结构忆阻器对于重复的外界刺激有明显的习惯化行为, 该行为与感觉神经系统的习惯化特性极为相似. 若将这种具有习惯化的神经突触与感觉神经元串联, 可形成LIF (leaky integrate-and-fire)生物模型模拟完整的神经系统行为, 也为忆阻器在第三代神经网络(脉冲神经网络)中的应用提供理论参考.
不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移及其与½[${{11}}\bar {{1}}$]位错环相互作用行为
王瑾, 贺新福, 曹晗, 贾丽霞, 豆艳坤, 杨文
2021, 70 (6): 068701. doi: 10.7498/aps.70.20201659
摘要 +
$11\bar 1$]位错环相互作用机制. 结果表明, 螺位错在低温2 K剪切应力下主要沿($\bar 2 11$)面滑移; 随温度逐渐升高到823 K, 它容易发生交滑移, 该交滑移在($\bar 1 10$)和($\bar 2 11$)面之间交替进行, 因此随温度升高, 临界剪切应力逐渐降低. 当螺位错滑移靠近位错环时, 不同温度下螺位错与位错环相互作用机制不同: 低温2 K时, 螺位错与位错环之间存在斥力作用, 当螺位错滑移靠近位错环过程中, 螺位错发生交滑移, 切应力比无位错环时有所降低; 中温300 K和600 K时, 螺位错与位错环间斥力对螺位错的滑移影响减弱, 螺位错会滑移通过位错环并与之形成螺旋结构, 阻碍螺位错继续滑移, 切应力有所升高; 高温823 K时, 螺位错因热激活更易发生交滑移, 位错环也会滑移, 两者在整个剪切过程中不接触, 剪切应力最低.">采用分子动力学方法模拟研究了不同温度下bcc-Fe中螺位错滑移行为和螺位错与½[$11\bar 1$]位错环相互作用机制. 结果表明, 螺位错在低温2 K剪切应力下主要沿($\bar 2 11$)面滑移; 随温度逐渐升高到823 K, 它容易发生交滑移, 该交滑移在($\bar 1 10$)和($\bar 2 11$)面之间交替进行, 因此随温度升高, 临界剪切应力逐渐降低. 当螺位错滑移靠近位错环时, 不同温度下螺位错与位错环相互作用机制不同: 低温2 K时, 螺位错与位错环之间存在斥力作用, 当螺位错滑移靠近位错环过程中, 螺位错发生交滑移, 切应力比无位错环时有所降低; 中温300 K和600 K时, 螺位错与位错环间斥力对螺位错的滑移影响减弱, 螺位错会滑移通过位错环并与之形成螺旋结构, 阻碍螺位错继续滑移, 切应力有所升高; 高温823 K时, 螺位错因热激活更易发生交滑移, 位错环也会滑移, 两者在整个剪切过程中不接触, 剪切应力最低.
考虑空间电荷层效应的氧离子导体电解质内载流子传输特性
徐晗, 张璐
2021, 70 (6): 068801. doi: 10.7498/aps.70.20201651
摘要 +
晶界或异质界面诱发的空间电荷层(space charge layer, SCL)效应, 被认为是氧离子导体电解质内界面附近区域载流子传输特性显著区别于体相区域的关键原因之一. 现有研究多采用Poisson-Boltzmann (PB)方程预测SCL效应的影响规律, 但其基于载流子电化学平衡假设, 无法用于载流子存在宏观运动的工况, 极大限制了相关传输机理研究. 本文耦合Poisson方程和载流子质量守恒方程, 建立了适用于载流子具有宏观运动时氧离子导体内载流子传输过程的模型, 推导了控制SCL效应的关键无量纲参数. 聚焦固体氧化物燃料电池中常用的AO2-M2O3氧离子导体电解质, 对比研究了传统PB方程和本文建立的Poisson-载流子质量守恒耦合方程的预测结果可靠性. 进一步采用耦合模型深入分析了考虑SCL效应时氧离子导体内部氧空位传输机理, 发现导体界面电流密度增大导致SCL电阻先减小后增大. 增大无量纲Debye长度(表征空间电荷层厚度与导体厚度的比值)可显著增大SCL电阻. 当驱动氧空位移动的过电势与热势数量级相当时, 增大无量纲电势(表征过电势与热势的比值)导致SCL电阻增大; 当过电势远小于热势时, 改变无量纲电势对氧空位传输过程几乎无影响. 本文研究结论可为通过合理设计晶界或异质界面以改善氧离子导体内载流子传输能力及最终提高相关电化学器件性能提供理论依据.
步行通道内行人流拉链现象的生成机理与仿真研究
武鑫森, 岳昊, 刘秋梅, 张旭, 邵春福
2021, 70 (6): 068901. doi: 10.7498/aps.70.20201626
摘要 +
以步行通道内的单向行人流为研究对象, 分析研究行人拉链现象的生成机理, 并建立基于Voronoi图的速度修正模型对其仿真研究. 首先, 从行人追求视野最佳和步行舒适的角度分析拉链现象的生成机理, 以行人的视野关注和视野遮挡描述影响行人移动过程中产生拉链偏移的因素; 以行人局部密度描述行人的步行舒适度; 引入拉链敏感系数描述行人客观偏移的意愿程度; 提出单个行人侧向偏移的机制, 获得行人最佳的偏移位置. 然后, 构建基于Voronoi图的行人速度修正仿真模型, 考虑行人是否有偏移倾向的主观意愿, 并嵌入偏移规则, 模拟再现行人的拉链现象. 仿真发现: 行人的拉链层数与通道宽度成正比, 该模型速度密度关系图与实证数据吻合较好; 与不考虑拉链效应相比, 倾向主动进行侧向偏移的行人占比越大, 越有助于提高通道内行人的移动速度、舒适度和空间利用率.
复杂网络上的意见动力学对谣言传播的影响
王祁月, 刘润然, 贾春晓
2021, 70 (6): 068902. doi: 10.7498/aps.70.20201486
摘要 +
通过在SIR (susceptible-infected-recovered)模型中引入抑制者对谣言的辟谣机制研究了在线社交网络上的意见动力学对谣言传播的影响. 在这一模型中, 节点可以与自身的邻居组成1个群, 传播者可以通过该群传播信息, 抑制者也可以在此群中对信息发表意见进行辟谣. 辟谣机制在降低未知者对于谣言的接受概率的同时也可以促使传播者向抑制者转变. 本文采用ER (Erdös-Rényi) 随机网络、无标度网络以及真实的社交网络研究了抑制者的沉默概率对于谣言传播范围的影响. 首先发现, 谣言传播的过程以传播者的峰值为界可以分为两个阶段, 即谣言自由传播的前期以及抑制者和传播者互相制衡的后期; 其次, 谣言的传播会随着抑制者的沉默概率的增大而突然暴发. 在谣言暴发阈值之下, 沉默概率的增大不会导致谣言传播范围显著增大, 这是由于未知者在感知到谣言并转变为传播者后又迅速转变为抑制者; 而当沉默概率达到谣言暴发阈值时, 抑制者将不能控制传播者对谣言的传播从而导致抑制者的降低和谣言的暴发; 最后, 无标度上的谣言自由传播的前期阶段比随机网络持续的时间更短, 从而使无标度上的谣言更难以暴发. 本文的模型综合考虑了意见动力学和谣言传播的相互作用, 更加真实地模拟了真实世界社交网络中的谣言传播过程. 为谣言传播的控制和干预提供了一些有用的思路和见解.

编辑推荐

基于手机大数据的中国人口迁徙模式及疫情影响研究
戴碧涛, 谭索怡, 陈洒然, 蔡梦思, 秦烁, 吕欣
2021, 70 (6): 068903. doi: 10.7498/aps.70.20202084
摘要 +
新型冠状病毒感染的肺炎(COVID-19)可通过人员接触与流动迅速传播, 因此研究人类迁徙和出行模式的变化对疫情防控至关重要. 本文基于手机运营商2020年春运及疫情暴发前后连续两个月的全国地级市之间的人口流动数据, 运用时序网络分析方法构建人口流动网络拓扑结构指标, 并通过引入地理衰减因子提出Spatial-Louvain社团检测算法, 研究平时、春运、疫情防控隔离和生产复工四阶段的人口迁徙模式的时空演化规律. 研究发现: 受各地疫情防控措施影响, 武汉封城后全国城市间人口流量急剧下降, 并持续至2月中旬. 疫情期间人口流动网络结构呈现四阶段的时空演化模式; 本文提出的空间网络社团检测算法比传统Louvain算法平均模块度值提高了14%; 中国城市分布以经济交互和地理位置为基础, 形成了以核心城市为中心, 向周边辐射的城市群格局; 疫情因素仅能在短暂时间内改变部分城市的城市群归属, 当该因素消失或减弱后, 城市群能迅速恢复原有格局.
地球物理学、天文学和天体物理学
海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵的快速算法
陈博, 汪宏年, 杨守文, 殷长春
2021, 70 (6): 069101. doi: 10.7498/aps.70.20201282
摘要 +
借助电场耦合势三维有限体积法与直接求解技术, 研究建立了一套海洋可控源三维电磁响应显式灵敏度矩阵(或称为Fréchet导数)高效算法. 首先, 利用Yee氏交错网格和有限体积法对电场混合势Helmholtz方程进行离散处理, 建立与移动源电磁场正演模拟相对应的大型代数方程组, 再应用直接法得到的逆矩阵和三维线性插值技术事先确定插值算子和投影算子, 并利用投影算子与各个发射源离散向量的乘积计算多发射源电磁响应, 极大地提高了多发射源电磁场正演模拟效率. 在此基础上, 根据块状模型和像素模型中异常体电导率分片常数分布特征, 将电导率摄动产生的一次散射电流场表示成Yee氏剖分网格上散射电流元的叠加, 由投影算子与散射电流元的离散向量的乘积快速计算出电场强度与磁场强度的显式灵敏度矩阵. 最后, 通过数值计算检验算法的有效性, 并通过块状模型与像素模型分别研究海洋可控源电磁响应特征.