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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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硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长
高飞, 冯琦, 王霆, 张建军
2020, 69 (2): 028102. doi: 10.7498/aps.69.20191407
摘要 +
纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提. 结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术, 通过分子束外延生长方法, 在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火, 实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长, 锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面. 详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否, 以及纳米线尺寸的影响.

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基于超表面的Tamm等离激元与激子的强耦合作用
吴晗, 吴竞宇, 陈卓
2020, 69 (1): 010201. doi: 10.7498/aps.69.20191225
摘要 +
本文研究了由超表面-介质间隔层-分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)构成的等离激元微腔结构中的Tamm等离激元及其与激子间的相互作用. 利用超表面中的结构参数变化能够调控光在其表面的反射位相这一特性, 可以在微腔结构的介质间隔层厚度保持不变时, 通过调节超表面的结构参数来调控微腔结构所支持的Tamm等离激元模式的共振位置, 从而为Tamm等离激元模式的调控提供更多自由度. 相比于传统金属薄膜-介质间隔层-DBR结构, 我们发现超表面的引入及其对反射位相的调控可以使超表面-介质间隔层-DBR结构在更小的间隔层厚度下支持共振在相同波长处的Tamm等离激元模式. 此外, 结合超表面对场的局域特性, 可以有效地降低Tamm等离激元模式体积. 在此基础上, 对比研究了传统的和基于超表面的Tamm等离激元与单层二硫化钨(WS2)的相互作用, 发现基于超表面的Tamm等离激元可以产生更强的光子与激子的强耦合作用, 获得更大的拉比(Rabi)劈裂.

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D-T中子诱发贫化铀球壳内裂变率分布实验
韩子杰, 朱通华, 鹿心鑫, 秦建国, 王玫, 蒋励, 杨波
2019, 68 (15): 152501. doi: 10.7498/aps.68.20181717
摘要 +
中子诱发裂变反应率是表征和检验中子在材料中的输运、裂变放能等过程的重要物理量. 贫化铀球壳裂变反应率径向分布数据可为铀核数据宏观检验及研究裂变放能与贫化铀球壳厚度的关系提供数据支持. 本文设计了内径为13.1 cm, 外径分别为18.10, 19.40, 23.35, 25.40, 28.45 cm的五种不同厚度的贫化铀球壳组合装置; 利用位于球壳中心的氘氚中子源轰击贫化铀球壳装置, 中子产额约为3 × 1010—4 × 1010 s–1; 在“赤道”平面与入射氘束成45°方向测量裂变反应率随径向分布的情况. 为了克服裂变室和俘获探测器等自身对模型和中子场的扰动, 本文选择与装置材料相同的贫化铀材料作为活化探测器, 以活化探测器中的裂变碎片143Ce发射的γ射线作为测量对象, 通过HPGe探测器测量的γ射线数, 基于143Ce裂变产额数据反推裂变反应率. 通过实验获得了贫化铀球壳内的裂变率及其径向分布规律, 裂变反应率和相对标准不确定度分别位于5.28 × 10–29—7.58 × 10–28之间和6%—11%之间. 基于蒙特卡罗程序和ENDF/BVI.8数据库完成了模拟计算, 并与实验结果进行了对比分析, 两者在不确定度范围内一致.

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三维地形频率域井筒电磁场区域积分方程法模拟
李静和, 何展翔, 孟淑君, 杨俊, 李文杰, 廖小倩
2019, 68 (14): 140202. doi: 10.7498/aps.68.20190330
摘要 +
井筒电磁法作为一种高效的地球物理勘探技术特别适合我国地形复杂地区(沙漠、高山等)的油气资源勘探. 地形起伏区域对井筒电磁响应的观测具有严重影响, 但到目前为止人们对三维井筒电磁地形效应特征的研究十分有限. 本文提出基于区域划分的积分方程法模拟带地形频率域井筒电磁系统响应, 与基于偏微分方程的有限差分、有限单元法相比, 该方法能更高效地模拟地形响应. 首先根据地形起伏情况定义感应数, 将地形条件下目标体的井筒电磁场模拟区域划分为参考模型、背景介质及目标体介质分布子区域, 针对各子区域的模拟计算特点, 配置Anderson算法、稳定型双共轭梯度-快速傅里叶积分方程算法, 从而获得三维地形频率域井筒电磁场响应. 通过将计算结果与半空间模型的Anderson算法解析解、带山谷地形模型的其他已发表的三维边界积分方程结果进行对比, 检验了本文算法的精度及高效性. 最后, 系统分析了山谷地形对井筒电磁地井观测系统电磁场响应的影响特征. 本文研究结果对三维井筒电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.

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清水出彩虹
孙天娇, 尚雅轩, 钱轩, 姬扬
2018, 67 (3): 034205. doi: 10.7498/aps.67.20172663
摘要 +
利用白光脉冲光纤激光器发出的高强度、高定向性的白光,聚焦地照射水,可以产生定向的、多级的彩色干涉环,这就是相干彩虹.脉冲激光加热在水里产生了大小相仿的气泡,每个气泡成为散射源.强光导致了空间自相位调制效应,从而产生了相干彩虹.已经在多种液体中观测到了这种现象.