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纳米光学辐射传热: 从热辐射增强理论到辐射制冷应用
刘扬, 潘登, 陈文, 王文强, 沈昊, 徐红星
2020, 69 (3): 036501. doi: 10.7498/aps.69.20191906
摘要 +
热辐射作为一种无处不在的物理现象, 对于科学研究和工程应用都具有重要意义. 传统上对热辐射的理解主要是基于普朗克定律, 它描述了物体通过辐射交换能量的能力. 而近年来的研究表明, 由于微纳光学材料在尺寸上远小于热辐射峰值波长, 它们的热辐射性质往往很大程度上有别于传统黑体辐射理论所描述的宏观物体. 更重要的是, 微纳光学材料的热辐射性质可以通过改变它们的几何尺寸和微观构型进行定量的优化设计与精确调控. 纳米光学材料与辐射制冷效应的结合, 给热辐射效应在能源和环境等相关领域的应用提供了极具前景的应用价值. 本文首先从热辐射的基本原理和规律出发, 介绍纳米结构热辐射增强的发展进程和最新进展, 包括二维材料间的近场热辐射机理以及尺寸效应导致的远场热辐射增强; 其次, 介绍了近年来纳米光学材料在辐射制冷应用中的重大进展, 包括可以实现高效日间辐射制冷的各种纳米光学材料设计; 最后, 进一步介绍了日间辐射制冷的各种实际应用, 包括建筑物制冷、冷凝水收集、舒适衣物与太阳能电池降温等. 此外, 展望了纳米光学材料的辐射制冷技术在推动荒漠生态环境的治理与改造方面的广阔未来.

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微米气室铯原子自旋噪声谱
郭志超, 张桐耀, 张靖
2020, 69 (3): 037201. doi: 10.7498/aps.69.20191623
摘要 +
利用自旋噪声谱技术研究了无缓冲气体133Cs原子气室的自旋动力学和展宽机制. 在宏观原子气室中, 自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为高斯分布; 在空间局域较强的微米气室中, 自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为洛伦兹分布. 实验测量得到的自旋弛豫速率失谐频率谱的展宽约4 GHz, 明显大于宏观原子气室中约500 MHz的多普勒非均匀展宽. 同时, 研究了两种气室的总噪声的失谐频率谱. 在宏观原子气室中, 总噪声强度强烈依赖于激光相对于原子共振跃迁的频率失谐; 在微米气室中, 由于较强的均匀展宽, 总噪声的失谐频率谱中心处出现明显的凹陷. 通过建立简化的物理模型来计算微米气室的展宽机制, 在实验与理论中解释了原子的均匀展宽特性.

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脂质体包裹荧光受体方法研究α-突触核蛋白在磷脂膜上的结构和动态特征
马东飞, 侯文清, 徐春华, 赵春雨, 马建兵, 黄星榞, 贾棋, 马璐, 刘聪, 李明, 陆颖
2020, 69 (3): 038701. doi: 10.7498/aps.69.20191607
摘要 +
α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)在帕金森病的发病机理中起着关键的作用, 因而近年来受到了越来越广泛的关注. α-syn在膜上的动力学过程对理解其功能至关重要. 本文使用基于脂质体的单分子荧光衰减方法—LipoFRET, 首次对较高浓度下α-syn与磷脂膜的相互作用的动态过程进行了单分子层面上的研究. 研究发现, 在溶液中α-syn浓度升高时, 其中央NAC区域可离开磷脂膜表面进入水相中; 而N端部分位于膜表面内的位置变浅, 并有更高的概率脱离膜表面进入溶液中. 利用单分子荧光成像对α-syn解离的观察则发现, 随着溶液中的α-syn浓度升高, 脂质体上的α-syn解离速率加快. 因此高浓度下, α-syn在膜上各区域垂直位置变化促进了蛋白从膜上的解离. 结合LipoFRET的实验结果可以推断, α-syn的解离可能是由于不同的α-syn分子膜作用位点互相竞争而导致的解离. 这样的特征, 可能是体内环境中影响α-syn控制其聚集的重要性质.

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入射光照对典型光刻胶纳米结构的光学散射测量影响分析
董正琼, 赵杭, 朱金龙, 石雅婷
2020, 69 (3): 030601. doi: 10.7498/aps.69.20191525
摘要 +
作为一种快速、低成本和非接触的测量手段, 光学散射测量在半导体制造业中的纳米结构三维形貌表征方面获得了广泛关注与运用. 光学散射测量是一种基于模型的测量方法, 在纳米结构待测参数的逆向提取过程中, 为降低参数之间的耦合性, 通常需要将结构的光学常数作为固定的已知量, 即假设结构的材料光学常数不受光学散射仪入射光照的影响. 事实上, 这一假设对于半导体制造业中的绝大多数材料是成立的, 但某些感光材料的光学常数有可能随着入射光的照射时间增加而发生改变, 而由此产生的误差会在一定程度上传递给待测形貌参数的逆向提取值. 本文针对聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶薄膜培片和光栅结构分别开展了光学散射测量实验与仿真研究, 结果表明该光刻胶材料的光学常数随着入射光照时间增加而变化, 进而导致光栅结构形貌参数的提取结果较大地偏离于真实值, 不容被忽视. 这一研究发现将为更进一步提高光刻胶纳米结构三维形貌参数的测量精确度提供理论依据.

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可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用
陶蒙蒙, 陶波, 叶景峰, 沈炎龙, 黄珂, 叶锡生, 赵军
2020, 69 (3): 034205. doi: 10.7498/aps.69.20191515
摘要 +
可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术. 利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据, 可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力. 分析了在2 μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求. 利用掺铥光纤在2 μm波段较宽的发射谱, 采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2 μm光纤激光器. 获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出, 激光器静态线宽仅为0.05 nm. 利用该光源对空气中水在2 μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量, 在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线. 通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现, 测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线, 且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近. 这表明, 在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.

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低雷诺数下钝体三维尾迹中的涡量符号律
林黎明
2020, 69 (3): 034701. doi: 10.7498/aps.69.20191011
摘要 +
钝体是目前各种工程中广泛应用的一种结构. 钝体绕流的尾迹涡动力学也是经典的流体力学研究对象之一. 本文通过直接数值模拟, 针对低雷诺数下各种钝体结构的不可压缩绕流, 当形成三维尾迹时, 研究具有特定符号的涡量分布特征. 通过分析两类钝体结构, 基本的直柱体和受到几何扰动的柱体, 总结并得到了更为广泛适用的涡量符号律. 通过对比并分析这两类钝体结构, 结合理论证明的结果, 进一步厘清了对产生涡量符号律的这两类钝体结构之间的内在物理关联, 即引起自然失稳的小扰动在惯性力作用下产生的表面涡量只能向下游演化发展, 而几何扰动则根据扰动位置, 产生的表面涡量可以向扰动上游或下游演化发展. 从而可以推测所有钝体结构尾迹中的各种型式的涡脱落模态, 从涡量符号律的演化角度来看, 实际上是一致的, 都是起源于壁面产生特定符号组合规律的Π型涡.

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基于激子阻挡层的高效率绿光钙钛矿电致发光二极管
王润, 贾亚兰, 张月, 马兴娟, 徐强, 朱志新, 邓艳红, 熊祖洪, 高春红
2020, 69 (3): 038501. doi: 10.7498/aps.69.20191263
摘要 +
金属卤化物钙钛矿材料由于具有高的光致发光量子产率、高色纯度、带隙可调等杰出的光学性能, 被作为发光材料广泛地用于制备钙钛矿电致发光二极管(perovskite light-emitting diodes, PeLEDs). 虽然取得了较好的研究进展, 但是其效率和稳定性还未达到商业化的要求, 还需要进一步提高. 为了提高PeLEDs的效率和稳定性, 本文使用旋涂法, 引入了一种具有宽带隙和较好空穴传输能力的有机小分子材料4,4′-cyclohexylidenebis [N,N-bis (p-tolyl) aniline] (TAPC) 作为激子阻挡层, 获得了效率和寿命都得到提高的全无机PeLEDs. 研究表明, PeLEDs效率和寿命得到提高的物理机制主要源于两方面: 1) TAPC具有恰当的最高占有分子轨道能级, 与PEDOT:PSS的最高占有分子轨道能级和CsPbBr3的价带边形成了阶梯式能级分布, 有利于空穴注入和传输; 同时TAPC具有较高的最低未占分子轨道能级, 能够有效地阻止电子泄漏到阳极端, 并能很好地将电子和激子限制在发光层内; 2) TAPC层的引入可以避免钙钛矿发光层与强酸性的空穴注入材料Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)的直接接触, 进而免除钙钛矿发光层由于与PEDOT: PSS的直接接触所导致的激子淬灭, 从而提高了激子的发光辐射复合率.

特邀综述

  

特邀综述

拓扑材料中的超导
顾开元, 罗天创, 葛军, 王健
2020, 69 (2): 020301. doi: 10.7498/aps.69.20191627
摘要 +
近来, 人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相, 其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等. 这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述, 相应的材料被称为拓扑材料, 具有诸多新奇的物理特性. 其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模, 成为实现拓扑量子计算的主要候选材料. 除了探索本征的拓扑超导体外, 由于拓扑性质上的相似性, 在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段. 目前, 人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术, 已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导, 并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究. 本文回顾了本征拓扑超导候选材料, 以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作, 评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据, 并提出展望.

综述

  

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典型磁性材料价电子结构研究面临的机遇与挑战
唐贵德, 李壮志, 马丽, 吴光恒, 胡凤霞
2020, 69 (2): 027501. doi: 10.7498/aps.69.20191655
摘要 +
目前在磁性材料磁有序现象研究中广泛使用的交换作用、超交换作用和双交换作用模型形成于1950年代及其以前, 这些模型都涉及材料中的价电子状态, 但那时还没有充分的价电子状态实验依据. 1970年代以来, 有关价电子结构实验结果的报道越来越多, 这些实验结果表明传统的磁有序模型需要改进. 首先, 大量电子谱实验表明, 在氧化物中除存在负二价氧离子之外, 还存在负一价氧离子, 并且负一价氧离子的含量可达30%或更多. 这说明以所有氧离子都是负二价离子为基本假设的超交换和双交换作用模型需要改进. 其次, 一些实验证明, 铁、钴、镍自由原子的一部分4s电子在形成铁磁性金属的过程中变成了3d电子, 这为探讨金属磁性与电输运性质的关系提供了依据. 此外, 即使在现代的密度泛函计算中, 仍不能给出磁性交换作用能的函数表达式, 只能采取各种不同模型进行模拟计算, 从而使磁性材料的模拟计算遇到严重困难. 寻求一个磁有序能的函数表达式可能是解决这个困难的途径. 这些研究表明磁性材料价电子结构研究面临着重大的机遇与挑战. 本文首先介绍一些典型的实验例证, 然后介绍了基于这些实验结果的一套典型磁性材料的磁有序新模型, 随后介绍了基于新模型的磁性材料价电子结构与旧模型的主要区别, 最后指出了未来研究工作面临的挑战.

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表面活性剂对气-液界面纳米颗粒吸附规律的影响
张旋, 张天赐, 葛际江, 蒋平, 张贵才
2020, 69 (2): 026801. doi: 10.7498/aps.69.20190756
摘要 +
通过测定及分析纳米颗粒和表面活性剂-纳米颗粒复配体系在自由吸附过程与动态收缩过程中表面张力的变化, 总结了纳米颗粒在气-液界面的吸附排布规律以及表面活性剂对其吸附规律的影响. 实验结果表明, 自由吸附过程中, 随矿化度增加、阳离子活性剂浓度增加, 平衡表面张力降低, 这与颗粒吸附密度增加及颗粒润湿性改变有关. 浓度低于临界胶束浓度(CMC)时, 阳离子活性剂体系与混合体系的表面张力差异证明了阳离子活性剂可以通过静电作用吸附于纳米颗粒表面, 进而部分溶解于水相; 而阴离子活性剂与纳米颗粒相互作用力较弱, 对表面张力影响较小. 纳米颗粒体系在液滴收缩过程中, 表面张力从自由吸附平衡态进一步降低大约9 mN/m, 说明自由吸附过程中纳米颗粒不能达到紧密排布; 同时表面张力呈现为缓慢降低、快速降低和达到平衡三部分, 表面压缩模量可达70 mN/m, 满足了液膜Gibbs稳定准则, 这将有助于提高泡沫或者乳液稳定性. 纳米颗粒-表面活性剂体系在液滴收缩过程中表面张力降低值随活性剂浓度增加而减小; 表面压缩模量由高到低依次为: 纳米颗粒 > 阳离子活性剂-纳米颗粒 > 阴离子-纳米颗粒 > 表面活性剂.
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