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80.5 MeV/u碳离子诱发铜靶的放射性剩余产物测量
周斌, 于全芝, 张宏斌, 张雪荧, 鞠永芹, 陈亮, 阮锡超
2021, 70 (7): 072501. doi: 10.7498/aps.70.20201503
摘要 +
高能重带电粒子能直接穿透靶原子核外电子层, 与原子核发生直接碰撞, 发生散裂反应, 产生一系列具有放射性的剩余产物核. 重带电粒子诱发靶材放射性剩余核与辐射防护和人员安全有着密切联系, 当前, 大部分剩余核产额主要依靠蒙特卡罗粒子输运程序进行模拟计算, 其准确程度亟需通过实验测量进行准确评估. 本文利用能量为80.5 MeV/u的12C6+ 粒子对薄铜靶开展了辐照实验与伽玛射线测量, 结合伽玛谱学分析方法, 得出了辐照产生的18种放射性剩余产物的初始活度和产生截面值, 并与PHITS模拟结果进行对比. 结果表明, PHITS模拟程序对放射性剩余核种类的估计具有较高可靠性, 在其绝对产额方面, 与实验测量仍具有较大偏差.

专题—原子制造: 基础研究与前沿探索

  

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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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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.

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EuS/Ta异质结的极大磁电阻效应
芦佳, 甘渝林, 颜雷, 丁洪
2021, 70 (4): 047401. doi: 10.7498/aps.70.20201213
摘要 +
在铁磁/超导异质结中, 铁磁体的交换场通过近邻效应将导致超导体准粒子态密度的塞曼劈裂. 基于该效应, 在外磁场不强的情况下, 通过外加磁场可以有效地调节铁磁/超导界面处的交换作用, 从而实现超导体在正常态和超导态之间转换, 产生极大磁电阻. 本文利用脉冲激光沉积方法制备了EuS/Ta异质结并研究了其电磁特性. Ta在3.6 K以下为超导态, EuS在20 K以下为铁磁态. 在2 K时, EuS/Ta异质结中可观测蝴蝶型磁滞回线, 证明在低磁场下(< ±0.18 T)异质结中EuS铁磁态和Ta超导态共存. 磁输运测试表明, 通过施加外磁场可以有效调节EuS的交换场, 随着交换场的增大, 同时也加强了界面处的交换作用, 从而抑制Ta的超导态, 实现了Ta在超导态和正常态之间的转变, 在EuS/Ta异质结中观测到了高达144000%的磁电阻. 本文制备的EuS/Ta异质结具有极大磁电阻效应, 在自旋电子学器件中有潜在的应用前景.

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MgO衬底上YBa2Cu3O7–$_{ \delta}$台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性
王宏章, 李宇龙, 徐铁权, 朱子青, 马平, 王越, 甘子钊
2021, 70 (3): 037401. doi: 10.7498/aps.70.20201291
摘要 +
$ (T_{\rm C}-T)^2 $的变化规律, 77 K时JC值为1.4 × 105 A/cm2. 利用制备的台阶结, 初步制备了YBCO射频高温超导SQUID, 器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线, 温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250 $\text{μ}\Phi_0/{\rm Hz}^{1/2}$. 本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.">MgO衬底上的YBa2Cu3O7–δ (YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device, SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景. 本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究. 首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO (100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶, 然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜, 进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结. 在结样品的电阻-温度转变曲线中, 观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象, 与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致. 伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型, 在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度JC随温度T呈现出$ (T_{\rm C}-T)^2 $的变化规律, 77 K时JC值为1.4 × 105 A/cm2. 利用制备的台阶结, 初步制备了YBCO射频高温超导SQUID, 器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线, 温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250 $\text{μ}\Phi_0/{\rm Hz}^{1/2}$. 本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.

专题—原子制造:基础研究与前沿探索

  

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二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用
姚文乾, 孙健哲, 陈建毅, 郭云龙, 武斌, 刘云圻
2021, 70 (2): 027901. doi: 10.7498/aps.70.20201419
摘要 +
自石墨烯被发现以来, 二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展, 以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷. 随着二维新材料制备与应用探索的不断发展, 单一材料性能的不足逐渐凸显, 研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足, 甚至获得一些新的性能. 利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结, 实现特定的功能化, 或利用范德瓦耳斯力进行堆垛, 将不同二维材料排列组合, 从而在体系里引入新的自由度, 为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口. 本文从原子制造角度, 介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用. 首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念, 然后从原理上分类列举了常用的表征方法, 随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法, 并对其光电性质及器件应用做了简要介绍. 最后, 对领域内存在的问题进行了讨论, 对未来发展方向做出了展望.

特邀综述

  

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转录机器: 绳上舞者
王耀来, 刘锋
2020, 69 (24): 248702. doi: 10.7498/aps.69.20201631
摘要 +
转录机器是响应细胞信号并启动基因转录的分子机器. 它控制着基因在恰当的时间以适当的速率表达, 演奏着生命之曲的底层旋律. 为了揭示转录机器的工作原理, 研究人员从其结构、动力学、信号转导等不同的维度进行探索. 研究进程在跌宕起伏中螺旋式上升, 各大研究领域趋于成熟却也趋于独立. 故此, 本文着眼全局, 扼要介绍真核生物转录机器在多领域的重要进展, 着重呈现看似大相径庭的新发现. 结构研究揭示了转录机器的基本架构, 核心争议在于媒介子(也称中介体复合物)的信号传递方式—“变构效应”抑或“招募导引”. 超级增强子的可能工作机制包括令人遐想的“液相分离”和“精确协作”. “转录钟”研究揭示了转录动力学的基本特征. 转录爆发现象的发现, 带来了转录调控机制的“调频”与“调幅”之争—前者得到了更多的支持. 此外, 本文也概述了转录研究的技术困难和理论模型, 提供了基于系综统计方法的研究策略, 并介绍了转录机器的理想模型. 转录机器在DNA上的运转方式源自进化的长河, 似乎是对物理学定律的完美运用与平衡.

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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
2020, 69 (23): 238702. doi: 10.7498/aps.69.20200690
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.

专题:固态电池中的物理问题

  

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全固态电池中界面的结构演化和物质输运
拱越, 谷林
2020, 69 (22): 226801. doi: 10.7498/aps.69.20201160
摘要 +
全固态电池中科学问题的本质在于引入的固态电解质的特性及全新的固-固界面的存在. 从构-效关系出发, 固-固界面和电解质自身的结构演化与物质输运过程决定了全固态电池的性能. 随着固态电解质材料研究的不断丰富, 目前全固态电池中的问题主要集中在固-固界面,界面处的组成和结构限制了全固态电池的性能. 根据固-固界面接触的情况不同, 本文按照固-固界面物理接触、化学接触和表面改性处理这三个层次总结与讨论全固态电池中固-固界面处的结构及其物质输运. 最后从功能材料功能性起源角度讨论局域对称性与宏观复杂体系下材料性能的关联.

百岁铁电: 新材料、新应用专题

  

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高性能铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电和电卡性能
魏晓薇, 陶红, 赵纯林, 吴家刚
2020, 69 (21): 217705. doi: 10.7498/aps.69.20200540
摘要 +
压电陶瓷作为一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料, 在民用和军事方面都有着广泛应用. 随着人们环保及健康意识的提高, 高性能兼具环境协调性的无铅压电陶瓷的研究成为了一项紧迫任务. 在众多无铅材料中, (K, Na)NbO3 (KNN)基陶瓷因其优异的综合性能而受到关注, 但是利用相界同时调控高压电和电卡性能的研究偏少. 本文采用传统固相方法制备了0.944K0.48Na0.52Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3-1.6%(AgxNa1–x)SbO3-0.4%Fe2O3 (x = 0—1.0)无铅压电陶瓷, 重点研究了AgSbO3/NaSbO3对陶瓷相结构、压电和电卡性能的影响. 研究结果表明: 陶瓷在研究组分范围内均为“三方-正交-四方”三相共存; 随着AgSbO3含量的增加, 该陶瓷的压电及铁电性能均有所波动(d33 = 518—563 pC/N, kp = 0.45—0.56, Pmax = 21—23 μC/cm2Pr = 14—17 μC/cm2). 同时, 利用间接法表征了该陶瓷的电卡效应, 在居里温度附近得到了较高的电卡温变值(>0.6 K). 因此, 在KNN基陶瓷中通过相界构建能够同时实现高压电和良好的电卡性能.
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