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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

$ (E_{{\rm{L}}}) $, 共振耦合相邻的两个Rydberg能级 $|68{\rm{D}}_{5/2}\rangle$和$|69{\rm{P}}_{3/2}\rangle$, 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 $|68{\rm{D}}_{5/2}\rangle$和$|69{\rm{P}}_{3/2}\rangle$, 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.

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.

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.