总论
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2022, 71 (6): 060702.
doi: 10.7498/aps.71.20211853
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利用自制超高真空非接触调频开尔文探针力显微镜系统地研究了Au/Si(111)-(7×7)的结构和局域接触势能差. 虽然扫描隧道显微镜已被广泛应用于原子尺度金属吸附半导体表面的研究, 但仅局限在观测金属和半导体表面. 开尔文探针力显微镜允许在原子尺度利用局域接触势能差直接测量各类平整表面不同位置的电荷, 而成为更方便、更精确的电荷表征手段. 本文通过在室温下利用开尔文探针力显微镜对Au吸附Si(111)-(7×7)表面的形貌及局域接触势能差原子尺度测量, 同时建立相应的吸附模型和第一性原理计算, 得到了Au/Si(111)-(7×7)最佳吸附位置的差分电荷密度分布图, 并给出了Au在Si(111)-(7×7)表面的最佳吸附位置不定域移动的局域接触势能差关系, 分析了Au原子在吸附过程中与Si表面之间电荷转移的机理. 实验结果表明, Au/Si(111)-(7×7)吸附表面的局域接触势能差测量可以进行有效的Au与Si原子识别. 本研究对推动表面电荷精密测量的发展具有重要意义.
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2022, 71 (6): 060202.
doi: 10.7498/aps.71.20211625
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磁性材料是信息时代重要的基础材料, 不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提, 其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求. 本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据, 采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测. 提取了材料的元素和结构属性特征, 通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征, 发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献. 基于机器学习的随机森林算法, 构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型, 采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估, 结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力. 在测试检验中, 磁性基态分类模型的准确率为85.23%, 精确率为85.18%, 召回率为85.04%, F1分数为85.24%; 磁矩预测模型的拟合优度为91.58%, 平均绝对误差为0.098 μB/atom. 本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择, 可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.
2022, 71 (6): 060301.
doi: 10.7498/aps.71.20211733
摘要 +
在洛伦兹对称破缺的背景下研究了广义克莱因-戈尔登谐振子, 主要使用Nikiforov-Uvarov方法分析了有磁场和无磁场两种情况下的克莱因-戈尔登谐振子. 在此基础上, 详细分析了具有康奈尔势函数的克莱因-戈尔登谐振子的一些特殊情况. 结果表明, 广义克莱因-戈尔登谐振子的波函数和能量本征值明显依赖于洛伦兹对称破缺效应, 另外, 康奈尔势函数对克莱因-戈尔登谐振子也有着不可忽略的影响.
原子和分子物理学
2022, 71 (6): 063201.
doi: 10.7498/aps.71.20211905
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基于多组态Dirc-Fock方法和密度矩阵理论, 给出了原子序列双光双电离光电子角分布的计算表达式, 开发了相应的计算程序. 利用该程序计算了Ar原子和K+离子np (n = 2, 3)壳层的光电离截面、电偶极和非偶极角各向异性参数, 进一步给出了光电子的角分布情况. 结果表明: 在序列双光双电离中两次光电离过程相互影响, 两次光电离的截面以及各向异性参数类似; 在电离阈值附近, 3p壳层和2p壳层光电离截面以及各向异性参数展现出较大的差异, 在远离阈值时, 3p和2p壳层的截面和角各向异性参数变化行为类似; 在光电离截面的Cooper极小能量位置, 电偶极的贡献被压制, 凸显出非偶极效应的贡献. 非偶极效应导致光电子相对于入射光方向出现前向-后向不对称分布.
特邀综述
特邀综述
2022, 71 (6): 068503.
doi: 10.7498/aps.71.20212076
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近六十年来, 以硅为核心材料的半导体技术, 特别是CMOS集成电路技术推动了人类信息社会的深刻变革, 但也逐渐接近其物理极限和工程极限, 全球半导体产业已经进入后摩尔时代. 半导体性碳纳米管具有高迁移率、超薄体等诸多优异的电学特性, 因此成为后摩尔时代新型半导体材料的有力候选. 基于碳纳米管的碳基电子技术历经二十余年发展, 在材料制备、器件物理和晶体管制备等基础性问题中也已经取得了根本性突破, 其产业化进程从原理上看已经没有不可逾越的障碍. 因此, 本文着重介绍了碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势, 综述了碳基电子技术的基础性问题、进展和下一步的优化方向, 及其在数字集成电路、射频电子、传感器、三维集成和特种芯片等领域的应用前景. 最后, 本文还分析了碳基电子技术产业化进程中的综合性挑战, 并对其未来发展做出预测和展望.
专题: 固态单量子体系的调控与应用
2022, 71 (6): 060201.
doi: 10.7498/aps.71.20211970
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光与物质相互作用的过程具有丰富的物理内涵, 不仅有助于理解光的本质, 更可以提供一种有效操控物质的手段. 开放式光学微腔具有光场强局域性、频率域和空间域的可调谐性以及光纤可集成性等特点, 为研究微腔内的光与物质相互作用提供了一个理想平台. 本文首先介绍基于开放式法布里-珀罗微腔的腔量子电动力学系统的基本特性, 然后介绍开放式法布里-珀罗微腔结构的制备方法, 进而从弱耦合、强耦合和差发射体三方面着重介绍近年来开放式微腔与固态单量子系统相互作用的研究工作, 最后进行了总结与展望.
2022, 71 (6): 060302.
doi: 10.7498/aps.71.20211822
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在各种物理量中, 温度是最直观和最普遍的量. 温度的剧烈变化通常意味着物体的物理性质出现波动, 因此在各个领域中温度往往是重要的指标. 随着科学技术的发展, 许多领域研究和应用的尺度越来越小, 然而在小于10 μm的空间尺度内还没有通用的温度测量方法. 除了空间分辨率的要求, 传感器在测量过程中不应该对被测对象有巨大影响, 金刚石氮-空位(nitrogen vacancy, NV)色心是一种稳定的发光缺陷, 通过对其能谱和电子自旋量子态的测量, 可以获得其附近温度、电磁场等物理量的信息. 由于金刚石的化学特性稳定和热导率高, 可以进行纳米尺度的非破坏性测量. 它对细胞无毒, 也可以用于生命领域的研究. 此外, 根据金刚石的特性, NV色心可以与光纤、扫描显微镜等技术结合, 实现不同场景中的温度测量. 本文将介绍金刚石NV色心的温度特性、测温原理及其在相关领域的应用.
2022, 71 (6): 060304.
doi: 10.7498/aps.71.20211808
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在量子物理领域的研究中, 量子控制是必不可少的. 精确高效的量子控制, 是利用量子系统进行实验研究的前提, 也是量子计算、量子传感等应用的基础. 金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长, 可用光学方法实现初始化和读出, 通过微波射频场能实现普适的量子控制, 是研究量子物理的优秀实验平台. 本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果, 主要讨论了1) 金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理, 2)氮-空位色心的退相干机制, 3)单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展.
2022, 71 (6): 060701.
doi: 10.7498/aps.71.20212324
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单分子体系是一种典型的受限量子体系, 且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强, 因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态, 这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能. 对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件. 由于单分子体系的尺寸限制, 宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测. 扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力, 高分辨的成像和谱学能力, 可以实施原位的分子操纵, 还可以与多种外场和局域场表征技术联用, 是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具. 本文撷取这一领域较为代表性的进展, 介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状. 首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段, 然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性. 对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系, 分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍. 最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望.
2022, 71 (6): 064203.
doi: 10.7498/aps.71.20211803
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量子信息技术是20世纪极具代表性的两种科技进步—量子力学和信息科学技术相结合的新兴领域, 其发展需要解决量子信号的产生、处理、传输、同步和存储等一系列问题, 对材料的特性提出了严苛的要求, 然而目前还没有一种材料可以在所有功能上都能满足量子信息应用的需要. 掺铒晶体材料在1.5 μm 具有光学辐射峰, 并且具有良好的相干特性, 在量子信息技术的若干关键节点都有着巨大的应用前景. 本文结合掺铒晶体的性质, 回顾其在量子存储、量子频率转换、量子光源以及基于离子间相互作用的量子调控等方面的应用进展, 并对可能的发展方向进行讨论.
2022, 71 (6): 066101.
doi: 10.7498/aps.71.20212072
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极低温、高压强、强磁场等极端条件是发现和调控新奇物态的重要途径. 为了能在极端条件下实现灵敏的物性测量, 需要发展先进的传感探测方案. 基于金刚石氮空位中心的自旋量子传感可实现磁学、电学、力学、热学等物理参数的灵敏测量, 而且拥有微纳尺度的空间分辨率和极其宽泛的工作区间, 有望成为极端条件下灵敏物性测量的重要工具. 本文主要介绍低温、高温、零场、强磁场以及高压强等极端条件下金刚石氮空位中心的光学性质和自旋相干性质, 探讨极端条件下金刚石自旋量子传感所面临的机遇和挑战. 本文也包含自旋量子传感的基础知识和极端条件下量子传感应用进展.
2022, 71 (6): 067201.
doi: 10.7498/aps.71.20211786
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自旋器件有望实现量子信息存储、传感和计算, 是下一代数据存储和通信的理想器件. 与无机自旋器件相比, 有机自旋器件不仅可以实现传统无机自旋器件的功能, 而且在同一有机自旋阀器件中会同时测到正负磁电阻信号, 这是因为有机分子与铁磁电极在界面会发生自旋杂化而产生独特的自旋界面. 通过控制自旋界面, 可以改变界面处分子能级展宽和偏移程度, 从而实现对磁电阻信号的可控调制. 有机自旋阀器件发展迅速, 但仍有一些问题亟待研究, 如对自旋界面进行识别和表征, 以及利用自旋界面对有机自旋阀信号进行操控等. 针对上述问题, 本文首先综述了有机自旋阀的基本原理, 通过对比无机有机材料能级结构的差异解释了有机自旋阀中自旋界面形成的原因, 对于有机自旋阀中磁电阻信号的增强和反转现象, 利用自旋界面模型中能级展宽和偏移进行了解释; 接着列举了自旋界面的实验识别案例, 如利用对表面敏感的表征技术对自旋界面进行识别以及设计新颖的器件结构验证自旋界面的存在等; 然后汇总了利用自旋界面调制自旋信号的相关工作, 自旋界面的调制可以通过电场调节铁电层的铁电极化、诱导铁磁电极相变、界面化学工程和磁交换相互作用等方式实现; 最后总结了有机自旋界面中仍需解决的问题, 并对有机自旋界面的识别和可控利用进行了展望.
2022, 71 (6): 067301.
doi: 10.7498/aps.71.20211900
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在腔量子电动力学中, 如果量子发光体与腔模式的耦合强度超过二者的平均损耗, 就进入了强耦合区域, 此时会形成部分光部分物质的新量子态—极化激元态. 强耦合在室温玻色-爱因斯坦凝聚、极化激元激光、单光子非线性、量子信息等领域有重要的应用价值. 基于单个金属纳米颗粒的结构可以支持局域表面等离激元共振, 拥有极小的模式体积, 非常有利于强耦合现象的发生. 本文主要介绍了强耦合的理论背景、单个金属纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合、以及强耦合的动态调控, 并展望了该领域的研究前景.
2022, 71 (6): 067303.
doi: 10.7498/aps.71.20211819
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单分子器件电输运中的量子干涉效应是电子在分子独立的轨道能级内传输时因保持量子相干性, 从而在不同能级之间发生相互干涉的现象. 这种现象导致了电子在单分子器件内透射概率的增加或减小, 在实验中体现为单分子器件电导值的升高或降低. 近些年, 利用量子干涉效应对不同的单分子器件进行调控在实验中被证实是有效的调控手段, 如对单分子开关、单分子热电器件、单分子自旋器件等器件性能的调控. 本文介绍了量子干涉效应的相关理论与预测、实验观测与证实, 以及其在不同单分子器件上的调控作用.
2022, 71 (6): 067802.
doi: 10.7498/aps.71.20212050
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胶体半导体量子点具有宽带吸收、窄带发射、发光量子产率高、发射波长连续可调等优点, 是制备发光二极管、太阳能电池、探测器、激光器等光电器件的优质材料. 单量子点光谱能够消除系综平均效应, 可以在单粒子水平上获取量子点材料的结构和动力学信息及与其他材料间的电荷、能量转移动力学等. 相关研究结果能够指引量子点材料的设计和为量子点的相关应用提供机理基础. 另外基于单量子点可以开展纳米尺度上光与物质的相互作用研究, 制备单光子源和纠缠光子源等. 本文综述了单量子点光谱与激子动力学近期的相关研究进展, 主要包括单量子点的光致发光闪烁特性和调控方式、单激子和多激子动力学研究及双激子辐射特性的调控等. 最后简要地讨论了单量子点光谱未来可能的发展趋势.
2022, 71 (6): 068502.
doi: 10.7498/aps.71.20211872
摘要 +
磁场效应(magnetic field effects, MFEs)指的是材料或器件的光电物理特性(包括光致发光、电致发光、注入电流、光电流等)在外加磁场下发生的变化. 本文所述的是非磁性发光材料的MFEs, 其首先在有机半导体光电器件中被发现. 近十几年来, MFEs作为一种新兴的物理现象引起了广泛的研究; 同时它也成为一种独特的实验手段, 用以探讨有机半导体中电荷的输运、复合以及自旋极化等过程. 近期的研究发现, MFEs不仅存在于有机半导体中, 而且在拥有强自旋-轨道耦合作用的金属卤化物钙钛矿材料中被观测到, 这既拓展了MFEs的研究方向, 也为通过研究MFEs来探索金属卤化物钙钛矿器件的物理机制, 进而为提升其器件性能提供了契机. 本文重点关注有机半导体和卤化物钙钛矿在磁场下的电致发光和光致发光变化, 即发光的磁场效应. 回顾了到目前为止主流的理论模型和代表性实验现象, 对比分析了磁场下有机半导体和卤化物钙钛矿的发光物理行为. 以期为有机及钙钛矿磁场效应领域的研究提供一些思路, 同时为有机及钙钛矿发光领域的发展贡献些许想法.
2022, 71 (6): 060303.
doi: 10.7498/aps.71.20211797
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半导体材料中的自旋色心是量子信息处理的理想载体, 引起了人们的广泛兴趣. 近几年, 研究发现碳化硅材料中的双空位、硅空位等色心具有与金刚石中的氮-空位色心相似的性质, 而且其荧光处于更有利于光纤传输的红外波段. 然而受限于这类色心的荧光强度和谱线宽度, 它们在量子密钥分发和量子网络构建等方面的实际应用依然面临严峻的挑战. 利用光学腔耦合自旋色心实现荧光增强和滤波将能有效地解决这些难题. 将光纤端面作为腔镜, 并与自旋色心耦合可以实现小模式体积的腔耦合, 而且天然地避免了需要再次将荧光耦合进光纤而造成损耗的缺点. 本文理论计算了耦合碳化硅薄膜的光纤腔的性质和特征. 首先通过优化各项参数包括薄膜表面粗糙度、腔镜反射率等, 理论分析了存在于光纤腔中的不同模式的特点, 以及光纤腔耦合色心的增强效果及相关影响因素. 进一步地研究了对开放腔而言最主要的影响因素—振动对腔性质、色心的增强效果以及耦出效率的影响, 最终得到在不同振动下的最大增强效果以及对应的耦出透射率. 这些结果为今后光纤腔耦合色心的实验设计提供了最直接的理论指导, 为实验的发展和优化指明了方向.
2022, 71 (6): 063301.
doi: 10.7498/aps.71.20212003
摘要 +
分子内的电子-振动耦合特性对电子跃迁和分子光谱特征有重要影响, 是分子光谱学研究的中心课题之一. 本文利用具有亚纳米分辨的扫描隧道显微镜诱导发光成像技术, 通过高度局域的隧穿电子来充电激发单个苝四甲酸二酐分子, 研究该分子的瞬时带电态(–2价态)的电致发光特性以及相应的电子-振动跃迁的实空间成像特征. 具有亚分子分辨的光谱成像结果表明, 0-0纯电子跃迁的光子图“两点”亮斑特征是沿分子短轴的, 而某些电子振动峰的光子图“两点”亮斑方向却沿着分子长轴, 相对于0-0跃迁光子图的图案旋转了90°. 这表明这些振动态所对应的跃迁偶极取向是沿着分子长轴的, 相对于0-0的纯电子跃迁的偶极取向发生了明显的变化, 说明这些分子振动模式在电子的跃迁过程中对电子态空间分布产生了重要扰动. 理论计算表明, 这种跃迁偶极的变化源自于与Herzberg-Teller贡献相关的电子-振动耦合. 反对称的振动模式对纯电子跃迁的跃迁密度、特别是具有较大跃迁密度的原子产生了强烈的动态扰动, 或者说对分子波函数进行了“整形手术”, 从而诱导出沿分子长轴方向的跃迁电荷振荡, 引发沿分子长轴的跃迁偶极. 本文结果为从实空间的视角来直观理解分子瞬时带电态中的电子-振动耦合的微观图像提供了新的途径.
2022, 71 (6): 067202.
doi: 10.7498/aps.71.20211815
摘要 +
增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件, 这需要在石墨烯样品中引入独特的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用, 并保持较高的迁移率. 然而, 对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型”Rashba自旋-轨道相互作用, 会破坏可能存在的拓扑态, 并带来一定程度的杂质散射, 降低样品迁移率. 在石墨烯表面修饰EDTA-Dy分子后, 载流子迁移率得到了提高, 并且可以看到显著的量子霍尔电导平台. 其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制, 这意味石墨烯中可能引入了内禀的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用, 增强了Elliot-Yafet型电子自旋弛豫机制. 进一步通过矢量磁体磁阻测量, 发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪, 这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了Kane-Mele型自旋-轨道相互作用.
封面文章
2022, 71 (6): 067601.
doi: 10.7498/aps.71.20211348
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水是自然界中最重要的物质之一, 研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义. 近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度. 本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号, 并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变. 实验结果表明, 基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为, 为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段.
2022, 71 (6): 067801.
doi: 10.7498/aps.71.20211858
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近年来, 为了实现可拓展的集成化量子网络, 各种功能性量子器件的发展需求不断加深. 集成了单量子点的条形波导可以作为单向传输的量子点光源, 在单光子二极管、晶体管和确定性量子门等器件中具有广泛的应用. 本文利用共聚焦显微系统, 在4.2 K低温下, 通过激发波导中心区域的量子点光源, 实现了圆极化光的分离, 并验证了波导中的自旋动量锁定效应. 在实验中实现了具有反常抗磁行为的量子点荧光的手性传输, 拓宽了波导单向传输的波长调控范围. 在保证波导单向传输性的同时, 实现了不同输出光子中心能量的正向、反向偏移. 本文为研究宽波段范围的手性量子器件奠定了基础, 拓展了波导在量子信息领域中的应用.
2022, 71 (6): 067804.
doi: 10.7498/aps.71.20211863
摘要 +
将InAs/GaAs量子点样品薄膜置于覆盖有直径为50 nm的金(Au)纳米颗粒的硅衬底上, 可以调控量子点激子的自发辐射速率. 实验发现, 当量子点浸润层距离Au纳米颗粒表面15—35 nm时, 激子自发辐射速率受到抑制, 且距离为19 nm时抑制作用最大, 导致量子点激子的自发辐射速率减小到没有Au纳米颗粒时自发辐射速率的$ ~{10}^{-3} $ . 基于经典的偶极辐射模型模拟计算的激子自发辐射速率与实验结果一致.
综述
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2022, 71 (6): 066801.
doi: 10.7498/aps.71.20211902
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二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积, 是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用, 实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体. 设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面, 在原子尺度分析和表征界面结构, 揭示材料结构和性能之间的相互关系, 对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值. 本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展, 分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响, 探讨了可能的界面应变、界面反应, 及其对电学和光学等性质的调控, 讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略. 为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制, 为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.
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2022, 71 (6): 068701.
doi: 10.7498/aps.71.20211850
摘要 +
纳秒级高压脉冲电场的生物医学应用是近年来新兴的交叉学科研究领域, 相比于微秒和毫秒级脉冲电场, 高压纳秒脉冲电场不仅能够导致细胞膜结构极化和介电击穿, 产生膜电穿孔, 还可以穿透至细胞内部, 引发诸如细胞骨架解聚、胞内钙离子释放及线粒体膜电位耗散等细胞器生物电效应, 吸引了学术界的广泛关注. 本文首先介绍高压纳秒脉冲电场及其细胞器生物电作用的物理模型; 然后对高压纳秒脉冲电场与细胞骨架、线粒体、内质网、细胞核等亚细胞结构的相互作用研究进行综述和总结; 强调高压纳秒脉冲电场的细胞器作用与细胞死亡、细胞间通信等生物效应之间的联系; 最后, 凝练当前高压纳秒脉冲电场在生物医学研究中的关键技术问题, 并对未来潜在的研究方向进行展望.
核物理学
2022, 71 (6): 062301.
doi: 10.7498/aps.71.20211839
摘要 +
将有效液滴模型和推广的液滴模型推广至激发态丰质子核的双质子发射半衰期研究, 发现这两个模型都能较好地再现双质子发射半衰期的实验数据. 基于这两个模型预言了一些核的激发态的双质子发射的半衰期, 为将来的实验提供参考, 并将上述半衰期与统一裂变模型给出的半衰期进行了比较和分析. 此外, 以94Ag的21+激发态的双质子发射为例, 讨论了衰变能和衰变过程中带走的轨道角动量对其半衰期的影响, 发现半衰期对它们的依赖很敏感, 半衰期对衰变能的强烈依赖表明了精确测量核质量和激发能的重要性和必要性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (6): 064101.
doi: 10.7498/aps.71.20211204
摘要 +
基于广义Zakharov模型, 结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程, 通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程, 与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型. 分析推导出$\mathrm{T}{\mathrm{E}}_{{z}}$ 波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程, 然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法. 通过仿真来证明该方法在较小倾角下, 电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性. 结果表明, 在小角度入射下, 大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波, 同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播. 本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性, 为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.
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2022, 71 (6): 064201.
doi: 10.7498/aps.71.20211582
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宇宙射线缪子吸收成像技术是一种无损成像技术, 适用于对大尺度的成像目标进行无损探测. 考古学中现有的无损探测方法均存在一定的局限性, 若将缪子吸收成像技术应用于考古领域, 可以作为对传统无损探测方法的重要补充. 本文使用蒙特卡罗GEANT4程序, 对秦始皇陵地宫缪子吸收成像进行研究, 基于已有的秦始皇陵考古数据构建秦始皇陵地宫模型, 根据Reyna提出的海平面缪子能谱公式抽样产生缪子源的信息, 模拟了宇宙射线缪子在秦始皇陵地宫中的输运过程, 并利用图像重建算法实现墓室大小和位置的重构. 模拟结果表明, 利用单视角获得的缪子通量投影数据可以给出地宫中墓室边界的二维角坐标, 利用两个视角的投影数据可以重建墓室大小和三维位置, 重建得到的墓室边长和墓室中心位置相对于理论值的差异在7%左右.
2022, 71 (6): 064202.
doi: 10.7498/aps.71.20211758
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类似于利用强泵浦光调控介质光学性质实现对原共振吸收光的诱导透明, 本文利用实空间量子散射理论研究了如何实现波导光子从全反射到透射的转变. 结果表明, 通过引入辅助四分之一波长谐振器的耦合, 可实现原四分之一波长谐振器对共振微波全反射的透射. 利用微纳加工工艺制备了对应上述理论模型的四分之一波长谐振器样品, 在极低温条件下对该样品的微波传输特性进行了实验测试, 观测到了理论预言的微波波段类电磁诱导透明的部分现象, 证实了耦合谐振器的模式重整理论.
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2022, 71 (6): 064204.
doi: 10.7498/aps.71.20212132
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报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). 设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构; 设计并制备了具有隧穿特性的台面结构, 实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控; 采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构. VCSEL中心波长位于1547.6 nm, 工作温度为15 ℃时最高出光功率可达到2.6 mW, 最高单模出光功率达到0.97 mW, 最大边模抑制比达到35 dB. 随着工作温度增加, 激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低, 然而35 ℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW. 激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA, 并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度, 在气体探测领域具有很好的应用潜力. 本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.
2022, 71 (6): 064205.
doi: 10.7498/aps.71.20211882
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提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy, OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法. 使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声, 研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射, 并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证. 提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号, 与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号. 该方法有效避免了OF-CEAS系统中, 由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差. 最后, 基于该方法测量了1.53 μm附近的乙炔气体吸收特性, 评估系统的探测灵敏度为7.143 × 10–8 (1σ), 实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.
2022, 71 (6): 064701.
doi: 10.7498/aps.71.20211682
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Marangoni效应是一种液体在界面张力梯度作用下的自发流动行为. 液体界面上液体的Marangoni效应在工程技术领域具有重要作用. 本文使用硅油作为驱动液体, 正十六烷作为被驱动液体, 十二烷基硫酸钠溶液作为液体基底, 通过高速相机捕捉正十六烷受驱动铺展的整个过程, 研究了三相液体系统中液滴的Marangoni效应. 实验发现, 正十六烷在硅油的驱动下从内向外铺展, 形成液体圆环. 本文根据正十六烷圆环内、外边界铺展行为, 分析了正十六烷内边界和外边界的铺展原理, 并研究了滴入硅油体积对于铺展过程的影响. 研究发现, 正十六烷内边界铺展与单一液滴的铺展规律相同, 正十六烷内边界前期铺展由重力主导, 内边界铺展标度律在$ R \sim {t}^{1/4} $ 到$R \sim {t}^{1/2} $ 范围. 随后铺展由界面张力梯度主导, 内边界铺展标度律为$ R \sim {t}^{3/4} $ . 因内边界铺展受重力影响, 内边界的铺展速度与硅油体积成正相关. 而正十六烷外边界在硅油驱动下, 因接触角改变而产生界面张力梯度, 在界面张力梯度作用下外边界铺展标度律为$ R \sim {t}^{3/4} $ .
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (6): 066401.
doi: 10.7498/aps.71.20211757
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基于高效的单团簇生长算法, 采用蒙特卡罗方法模拟了考虑最近邻、次近邻, 直至第五近邻格点的二维正方格子的键渗流. 计算得到了二十余种格点模型高精度的键渗流阈值, 并深入探讨了渗流阈值$p_{\rm c}$ 与格点结构之间的关联. 通过引入参数$\xi = \displaystyle\sum\nolimits_{i} z_{i} r_{i}^{2} / i$ (其中$z_{i}$ 和$r_{i}$ 分别为第i近邻格点的配位数及到中心格点的距离)来消除“简并”, 研究发现$p_{\rm c}$ 随ξ的变化较好地满足幂律关系$p_{\rm c} \propto \xi^{-\gamma}$ , 数值拟合得$\gamma \approx 1$ .
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2022, 71 (6): 066402.
doi: 10.7498/aps.71.20211714
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Sb2Se3是一种低成本、环境友好、具有良好应用前景的光伏材料. 目前Sb2Se3太阳能电池的光电转换效率已经提高到了10%. 载流子复合动力学是决定Sb2Se3太阳能电池光电转换效率的关键因素. 本文利用飞秒时间分辨表面瞬态反射谱详细分析了Sb2Se3表面、Sb2Se3/CdS界面载流子复合动力学过程. 根据相对反射率变化${{\Delta }{R}}/{{R}}$ 的演化, 得到Sb2Se3载流子热化、带隙收缩时间约为0.2—0.5 ps, 估计热载流子冷却时间为3—4 ps. 还实验证实在Sb2Se3/CdS界面处存在自由电子转移和浅束缚电子转移两种电子转移过程. 本文提供了Sb2Se3表面瞬态反射谱分析方法, 所得实验结果拓展了对Sb2Se3表面及Sb2Se3/CdS界面载流子过程的理解.
2022, 71 (6): 066501.
doi: 10.7498/aps.71.20211405
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针对充放电模式对电极储锂性能的影响开展综合实验研究与机理分析. 设计了4种充放电模式, 进行不同充放电模式下还原氧化石墨烯电极的储锂性能实验, 并从电极动态反应性能和应变两方面开展实验分析充放电模式对储锂时间和容量的影响机理. 实验结果显示, 不同充放电模式下电极储锂时间越短容量折损越多, 综合数据分析指出电荷转移阻抗、扩散系数、过电位和应变均表现出了非线性和阶段性的特点. 最后提出“大电流-小电流”模式为可行的充放电优化方案, 利用电化学进程的非线性平衡了快充技术中时间和容量之间的矛盾, 为快速充电技术的设计和优化提供了一定的指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (6): 067302.
doi: 10.7498/aps.71.20211759
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有机分子铁电材料相较于传统无机铁电材料具有轻质、柔性、不含重金属原子和成本低等诸多优点, 长期以来得到了广泛的关注和研究. 近年来, 原子厚度的二维无机铁电材料的研究取得了突破性进展, 因而备受关注, 然而二维有机铁电材料的设计与研究却鲜有报道. 本文基于密度泛函理论方法设计了一种以环丁烯-1,2-二羧酸(cyclobutene-1,2-dicarboxylic acid, CBDC)分子为结构单元的二维单层有机铁电分子晶体. 由于CBDC分子晶体内部氢键的链状排布, 导致其块体呈现出明显的层状结构, 计算发现内部的氢键链使得CBDC分子晶体块体具有各向异性的剥离能, 因此有望由沿着剥离能最低的(102)晶面进行机械/化学剥离而获得相应的单层有机铁电分子晶体. 理论计算预测CBDC (102)分子晶体单层的面内自发极化约0.39 × 10–6 μC/cm, 可与部分无机同类相比拟. 计算表明CBDC (102)分子晶体单层具有较高的极化反转势垒, 且对外加单轴应力的响应较为敏感. CBDC (102)单层有机铁电分子晶体的高面内自发极化以及易被界面调控的极化反转势垒使其可被应用于轻质无金属及柔性铁电器件.
2022, 71 (6): 067803.
doi: 10.7498/aps.71.20211894
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光学带隙或禁带宽度是半导体材料的一个重要特征参数. 本文以3个具有代表性的InGaN/GaN多量子阱结构作为研究对象, 深入探讨了荧光法测定某个目标温度下InGaN阱层的光学带隙所需要满足的测试条件. 由于InGaN阱层是一种多元合金且受到来自GaN垒层的应力作用, 所以该阱层中不仅存在着杂质/缺陷相关的非辐射中心, 也存在着组分起伏诱发的局域势起伏以及极化场诱发的量子限制斯塔克效应. 因此, 为了获得目标温度下InGaN阱层的较为精确的光学带隙, 提出了荧光测量至少应满足的测试条件, 即必须消除该目标温度下非辐射中心、局域中心以及量子限制斯塔克效应对辐射过程的影响.
2022, 71 (6): 067805.
doi: 10.7498/aps.71.20211814
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以P123为结构导向剂、TEOS为硅源制备了有序介孔二氧化硅SBA-15, 并以此为模板制备了有序介孔碳(OMC). 小角X射线衍射、高分辨透射电子显微镜和N2吸附/脱附等测试结果均证实SBA-15与OMC具有高度有序的孔结构、相对较高的比表面积, 且孔洞平均尺寸分别约为7.5 nm和3.3 nm. 分别采用固相反应法和浸渍填充法制备了OMC/SBA-15复合材料和OMC@SBA-15及CuO@SBA-15复合材料. 随着OMC和CuO质量分数的增大, 3种复合材料中o-Ps寿命$ {\tau }_{4} $ 和其强度$ {I}_{4} $ 均减小. o-Ps湮没率$ {\lambda }_{4} $ 随OMC和CuO质量分数的变化可用一条或两条直线很好地拟合, OMC/SBA-15, OMC@SBA-15及CuO@SBA-15复合材料中反应速率常数$ k $ 分别为$(2.39\pm 0.44)\times {10}^{7}~{\mathrm{s}}^{-1}$ /$(6.65\pm 0.94)\times {10}^{6}~{\mathrm{s}}^{-1}$ , $(2.28\pm 0.19)\times {10}^{7}~{\mathrm{s}}^{-1}$ 和$(8.76\pm 0.47)\times {10}^{6}~{\mathrm{s}}^{-1}$ . 因此, 3种复合材料中$ {\tau }_{4} $ 及$ {I}_{4} $ 降低是由于电子偶素与碳、铜元素在介孔内或孔表面发生了化学猝灭和禁止效应. 同时, 电子偶素也是一种检测多孔材料中孔隙结构的有效探针.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2022, 71 (6): 068101.
doi: 10.7498/aps.71.20211845
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提出一种基于图案化石墨烯/氮化镓肖特基二极管与类电磁诱导透明超表面集成的新型太赫兹调制器. 通过施加连续激光或偏置电压改变异质结肖特基势垒, 进而致使石墨烯的费米能级在价带、狄拉克点与导带之间移动, 使得异质结的电导率发生变化. 在太赫兹时域光谱上表现出透射振幅的增减变化, 并观察到在狄拉克点上的调制行为. 因费米能级接近狄拉克点, 对外加光电激励非常敏感, 施加4.9—162.4 mW/cm2的光功率或者0.5—7.0 V的偏压, 调制深度先增加后减小, 相位差线性增加, 其中最大调制深度达90%, 最大相位差为189°, 该器件实现了太赫兹波的超灵敏多维动态调制. 总之, 该图案化石墨烯/氮化镓复合超表面调制器在超灵敏光学设备中存在潜在的应用价值.
2022, 71 (6): 068501.
doi: 10.7498/aps.71.20211655
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铁电场效应晶体管具有非挥发性、低功耗、读写速度快等优异的存储性能, 是最有前景的新型半导体存储器件之一. 为促进铁电场效应晶体管在辐射环境中的应用, 本文利用计算机辅助设计软件对全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元的单粒子效应进行研究, 分析了重离子不同入射位置及角度和漏极偏置电压对存储单元相关特性的影响. 结果表明: 重离子入射位置改变不会使氧化铪铁电层中相应的极化状态发生反向, 但会影响存储单元输出电压瞬态变化, 最敏感区域靠近漏-体结区域; 随着重离子入射角度减小, 存储单元输出电压峰值增大, 读数据“0”时入射角度变化的影响更为明显; 存储单元输出电压峰值受漏极偏置电压调制, 读数据“1”时调制效应更为明显. 本工作为全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元抗单粒子效应加固设计提供理论依据和指导.
2022, 71 (6): 068901.
doi: 10.7498/aps.71.20211621
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以通信网、电力网、交通网为代表的很多复杂网络以传输负载为基本功能. 在这些网络中, 网络的吞吐量是衡量网络传输性能的重要指标, 如何提升网络的吞吐量是研究热点之一. 不少研究人员提出了不同的路由算法, 通过调节传输路径来提高网络吞吐量. 但之前的研究很少考虑网络中节点的空间位置. 本文针对空间网络提出了一种高效的路由策略, 通过节点位置得到路径长度; 采用该算法, 负载从源节点沿着最短长度的路径传输到目标节点. 为了检验算法的有效性, 采用网络从自由流状态转变成拥塞状态的相变点Rc来衡量网络的吞吐量. 在匀质和异质空间网络上的仿真表明, 与传统的最少跳数路由策略相比, 本文提出的基于最短路径长度的路由算法能有效提高空间网络的吞吐量.
