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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, 等
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.
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, 等
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.
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, 等
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.
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, 等
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.
磁电弹性材料中含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, 等
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. 得出结论: 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.
高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射研究
陈小辉, 谭伯仲, 薛桃, 马云灿, 靳赛, 李志军, 辛越峰, 李晓亚, 李俊, 等
摘要 +
${10.8} \sim {10.9}\;{{\rm{s}}^{ - 1}}$)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曲线吻合的很好.">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. 相变的本质是微观晶体结构的改变, 尽管宏观粒子速度剖面测量可间接获取相变信息(如典型三波结构)但是无法获悉微观变化, 而原位X 射线衍射可直接获取动态加载下材料晶体结构以及结构转变过程. 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(${10.8} \sim {10.9}\;{{\rm{s}}^{ - 1}}$)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曲线吻合的很好.
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, 等
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开展强磁环境下KHI 实验提供理论指导.
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, 等
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, 启发了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.
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, 等
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.
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, 等
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.
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, 等
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.
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, 等
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.
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, 等
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.
硫化物固态电解质材料界面及其表征的研究进展
张桥保, 龚正良, 杨勇, 等
摘要 +
发展高能量密度和高安全性的全固态锂电池技术对于推动我国锂电池产业技术的更新换代, 强化我国在这一领域的技术优势具有重要的现实意义. 固态电解质是全固态锂电池的核心组成部分, 其中硫化物固态电解质因其高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点, 被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一, 然而其空气稳定性较差, 与电极接触的界面存在界面副反应、锂枝晶生长及界面机械失效等缺点, 严重制约了其在高能量密度全固态锂电池中的应用. 本文首先综述硫化物固态电解质空气稳定性的研究方法及其退化机制、提高材料空气稳定性的策略与方法; 其次对其与正负极界面的相容性、稳定性及其解决策略进行了总结与分析; 最后总结归纳近年来电极/硫化物固态电解质界面的原位表征技术的研究进展, 并展望了未来硫化物固态电解质材料界面的研究重点和发展方向.
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, 等
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.
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