2024年 73卷 第23期
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2024, 73(23): 230701.
doi: 10.7498/aps.73.20241211
摘要:
稀释制冷机作为一种可以获取10 mK以下极低温度的制冷技术, 广泛应用于量子计算、凝聚态物理等领域, 已经成为极低温区的主流技术. 目前国际上干式稀释制冷机的研究和应用已经较为成熟, 但是对其他类型的稀释制冷机研究较少, 研究工作还不够全面系统. 本综述围绕稀释制冷技术的研究现状, 系统介绍了其根本机理和制冷原理, 梳理了稀释制冷机的多种实现形式, 讨论了各种形式的优缺点和研究进展. 基于地面应用的典型稀释制冷机, 结合实际情况, 系统总结并分析了影响其制冷性能的内在、外在因素, 为稀释制冷技术研究提供技术参考.
稀释制冷机作为一种可以获取10 mK以下极低温度的制冷技术, 广泛应用于量子计算、凝聚态物理等领域, 已经成为极低温区的主流技术. 目前国际上干式稀释制冷机的研究和应用已经较为成熟, 但是对其他类型的稀释制冷机研究较少, 研究工作还不够全面系统. 本综述围绕稀释制冷技术的研究现状, 系统介绍了其根本机理和制冷原理, 梳理了稀释制冷机的多种实现形式, 讨论了各种形式的优缺点和研究进展. 基于地面应用的典型稀释制冷机, 结合实际情况, 系统总结并分析了影响其制冷性能的内在、外在因素, 为稀释制冷技术研究提供技术参考.
2024, 73(23): 230201.
doi: 10.7498/aps.73.20241278
摘要:
寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion), 是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键. 磁性斯格明子根据其拓扑产生机制, 可以由非中心对称结构诱导的DMI (Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生. 二维Janus结构具有两个不同面的原子层, 可以形成垂直内建电场, 打破中心空间反演对称性. 因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础. 本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据, 以其元素组分信息为特征描述符, 构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型, 基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测, 并采用十折交叉验证法对模型进行了评估. 梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力. 最后, 基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测, 筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构, 并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证. 本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型, 加速了二维Janus结构磁性的探索. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00072 中访问获取.
寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion), 是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键. 磁性斯格明子根据其拓扑产生机制, 可以由非中心对称结构诱导的DMI (Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生. 二维Janus结构具有两个不同面的原子层, 可以形成垂直内建电场, 打破中心空间反演对称性. 因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础. 本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据, 以其元素组分信息为特征描述符, 构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型, 基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测, 并采用十折交叉验证法对模型进行了评估. 梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力. 最后, 基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测, 筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构, 并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证. 本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型, 加速了二维Janus结构磁性的探索. 本文数据集可在
2024, 73(23): 230202.
doi: 10.7498/aps.73.20241369
摘要:
热反射技术是测量块体和薄膜材料热物性的重要工具, 但参数间复杂的相互关系为数据解析带来挑战. 本文以频域热反射法(FDTR)为例, 利用奇异值分解(SVD)对热反射信号进行了深入分析, 系统地揭示了不同变量之间的关联, 并提出了热反射实验中的关键组合参数. 这种方法不仅厘清了变量间的关系, 还明确了实验中可提取的最大参数数量. 作为应用实例, 本文对铝/蓝宝石样品进行了测量和信号分析, 发现相较于常规仅拟合衬底热导率和界面热导两个参数的做法, 最佳拟合FDTR信号能够同时确定金属膜热导率、衬底热导率、衬底比热容和界面热导四个参数. 拟合结果与文献参考值和其他方法测量结果进行了对比, 验证了该方法的有效性. 本研究深化了对热反射现象的理解, 为热表征技术和材料研究的进一步发展提供了有力支持.
热反射技术是测量块体和薄膜材料热物性的重要工具, 但参数间复杂的相互关系为数据解析带来挑战. 本文以频域热反射法(FDTR)为例, 利用奇异值分解(SVD)对热反射信号进行了深入分析, 系统地揭示了不同变量之间的关联, 并提出了热反射实验中的关键组合参数. 这种方法不仅厘清了变量间的关系, 还明确了实验中可提取的最大参数数量. 作为应用实例, 本文对铝/蓝宝石样品进行了测量和信号分析, 发现相较于常规仅拟合衬底热导率和界面热导两个参数的做法, 最佳拟合FDTR信号能够同时确定金属膜热导率、衬底热导率、衬底比热容和界面热导四个参数. 拟合结果与文献参考值和其他方法测量结果进行了对比, 验证了该方法的有效性. 本研究深化了对热反射现象的理解, 为热表征技术和材料研究的进一步发展提供了有力支持.
2024, 73(23): 230301.
doi: 10.7498/aps.73.20241382
摘要:
量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)技术因在确保通信安全方面的潜力而备受关注, 但其在大规模网络中的应用受限于量子资源的稀缺性和低效的利用率. 尤其在Ekert91协议中, 尽管利用了纠缠对进行密钥生成, 实际参与密钥生成的纠缠对数量有限, 导致资源利用率不高. 为了克服这一挑战, 本文提出一种基于多尺度纠缠重整化假设(multiscale entanglement renormalization ansatz, MERA)的QKD优化方案, 以提高纠缠资源的利用效率. 该方案利用MERA的分层结构和多体态压缩特性, 有效减少量子存储需求, 并显著提升纠缠对的利用率. 实验模拟显示, 在相同的加密请求(1024比特)和物理条件下, 与传统方法相比, 本文的方案节省了124151对纠缠资源, 既显著提高了资源的利用效率, 又未降低密钥生成过程的安全性, 有助于推动QKD技术在资源受限的环境中进一步发展和应用.
量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)技术因在确保通信安全方面的潜力而备受关注, 但其在大规模网络中的应用受限于量子资源的稀缺性和低效的利用率. 尤其在Ekert91协议中, 尽管利用了纠缠对进行密钥生成, 实际参与密钥生成的纠缠对数量有限, 导致资源利用率不高. 为了克服这一挑战, 本文提出一种基于多尺度纠缠重整化假设(multiscale entanglement renormalization ansatz, MERA)的QKD优化方案, 以提高纠缠资源的利用效率. 该方案利用MERA的分层结构和多体态压缩特性, 有效减少量子存储需求, 并显著提升纠缠对的利用率. 实验模拟显示, 在相同的加密请求(1024比特)和物理条件下, 与传统方法相比, 本文的方案节省了124151对纠缠资源, 既显著提高了资源的利用效率, 又未降低密钥生成过程的安全性, 有助于推动QKD技术在资源受限的环境中进一步发展和应用.
2024, 73(23): 230302.
doi: 10.7498/aps.73.20241303
摘要:
量子谐振子模型在量子光学和量子信息中具有十分重要作用, 一直以来是相关领域研究的热点问题之一. 在单模谐振子和双模纠缠态表象的基础上, 构造了一种新的双模耦合谐振子模型. 与以往报道的双模耦合谐振子不同, 本文提出的模型不仅具有新耦合系数的坐标和动量两个耦合项, 而且其能量本征值和波函数不需要消除耦合项便可直接求解, 这简化了有关的量子计算. 此外, 进一步分析了双模真空态在此谐振子作用下, 输出量子态的非经典特性, 如正交压缩性质、相空间Q函数、粒子数空间分布和量子纠缠等. 研究表明, 此双模耦合谐振子对输入真空态具有很强的耗散作用. 输出光场不仅呈现超泊松分布和强关联的特性, 而且光子具有较高的量子纠缠度. 因此, 本文提出的双模耦合谐振子是成为实现连续变量量子纠缠态的典型方案之一.
量子谐振子模型在量子光学和量子信息中具有十分重要作用, 一直以来是相关领域研究的热点问题之一. 在单模谐振子和双模纠缠态表象的基础上, 构造了一种新的双模耦合谐振子模型. 与以往报道的双模耦合谐振子不同, 本文提出的模型不仅具有新耦合系数的坐标和动量两个耦合项, 而且其能量本征值和波函数不需要消除耦合项便可直接求解, 这简化了有关的量子计算. 此外, 进一步分析了双模真空态在此谐振子作用下, 输出量子态的非经典特性, 如正交压缩性质、相空间Q函数、粒子数空间分布和量子纠缠等. 研究表明, 此双模耦合谐振子对输入真空态具有很强的耗散作用. 输出光场不仅呈现超泊松分布和强关联的特性, 而且光子具有较高的量子纠缠度. 因此, 本文提出的双模耦合谐振子是成为实现连续变量量子纠缠态的典型方案之一.
2024, 73(23): 230303.
doi: 10.7498/aps.73.20241094
摘要:
在连续变量量子密钥分发的实验系统中, 由于调制器受限于分辨率有限的驱动电压, 理想的高斯调制会退化成离散极化调制, 进而引发系统性能的下降. 本文提出并研究了线性光学克隆机改进的离散极化调制连续变量量子密钥分发方案. 在接收端插入线性光学克隆机能够有效地补偿由幅度和相位离散化产生的综合效应所造成的系统性能损失, 实现整体性能的提升. 本文推导出了所提方案在非理想外差探测下可组合安全密钥率的表达式, 并进行数值仿真. 仿真结果表明, 所提方案不仅能够通过灵活调谐线性光学克隆机的相关参数, 优化安全密钥率、提升过量噪声抗性, 还能有效克服有限码长效应对安全性的影响, 为推动连续变量量子密钥分发的实用化发展提供了切实有效的方法.
在连续变量量子密钥分发的实验系统中, 由于调制器受限于分辨率有限的驱动电压, 理想的高斯调制会退化成离散极化调制, 进而引发系统性能的下降. 本文提出并研究了线性光学克隆机改进的离散极化调制连续变量量子密钥分发方案. 在接收端插入线性光学克隆机能够有效地补偿由幅度和相位离散化产生的综合效应所造成的系统性能损失, 实现整体性能的提升. 本文推导出了所提方案在非理想外差探测下可组合安全密钥率的表达式, 并进行数值仿真. 仿真结果表明, 所提方案不仅能够通过灵活调谐线性光学克隆机的相关参数, 优化安全密钥率、提升过量噪声抗性, 还能有效克服有限码长效应对安全性的影响, 为推动连续变量量子密钥分发的实用化发展提供了切实有效的方法.
2024, 73(23): 230304.
doi: 10.7498/aps.73.20241274
摘要:
随着量子信息技术的发展, 多用户量子纠缠密钥分发网络受到越来越多的关注. 其中, 多波长量子光源是建立多用户连接的关键器件. 尽管近年来在多波长量子光源的研究上取得了显著的进展, 但受限于非线性光学器件的设计和制备技术, 增加量子光源的输出波长数仍然具有挑战性. 本文系统分析了氮化硅微环谐振腔的色散和尺寸等关键参数; 设计并制备得到了自由光谱范围为20 GHz的氮化硅微环谐振腔, 实验测试了氮化硅微环腔中量子关联光子对的产生和输出特性. 实验结果表明, 该光源在25.6 nm的波长范围内实现了71对波长上的关联光子对产生.
随着量子信息技术的发展, 多用户量子纠缠密钥分发网络受到越来越多的关注. 其中, 多波长量子光源是建立多用户连接的关键器件. 尽管近年来在多波长量子光源的研究上取得了显著的进展, 但受限于非线性光学器件的设计和制备技术, 增加量子光源的输出波长数仍然具有挑战性. 本文系统分析了氮化硅微环谐振腔的色散和尺寸等关键参数; 设计并制备得到了自由光谱范围为20 GHz的氮化硅微环谐振腔, 实验测试了氮化硅微环腔中量子关联光子对的产生和输出特性. 实验结果表明, 该光源在25.6 nm的波长范围内实现了71对波长上的关联光子对产生.
2024, 73(23): 230305.
doi: 10.7498/aps.73.20241265
摘要:
针对联合作战战役行动中平台聚类编组问题, 本文提出了一种基于量子K-means的量子增强求解方法. 该方法首先分别对经典K-means算法中的聚类类别数目设定和聚类中心点选择两部分进行了优化处理; 其次, 该方法针对聚类数据样本与各聚类中心点之间的欧氏距离构建对应的量子线路; 然后, 该方法针对聚类数据集的误差平方和构建对应的量子线路. 实验结果表明, 所提方法不但有效解决了此类行动规模下的平台聚类编组问题, 与经典K-means算法相比, 算法的时间复杂度和空间复杂度都有较大幅度降低.
针对联合作战战役行动中平台聚类编组问题, 本文提出了一种基于量子K-means的量子增强求解方法. 该方法首先分别对经典K-means算法中的聚类类别数目设定和聚类中心点选择两部分进行了优化处理; 其次, 该方法针对聚类数据样本与各聚类中心点之间的欧氏距离构建对应的量子线路; 然后, 该方法针对聚类数据集的误差平方和构建对应的量子线路. 实验结果表明, 所提方法不但有效解决了此类行动规模下的平台聚类编组问题, 与经典K-means算法相比, 算法的时间复杂度和空间复杂度都有较大幅度降低.
2024, 73(23): 232401.
doi: 10.7498/aps.73.20241198
摘要:
在MeV能段脉冲中子测量中, 塑料闪烁体是应用最为广泛的一种材料, 其中子能谱响应是脉冲中子能谱测量所需的关键数据. 基于中国散裂中子源白光中子束线, 使用飞行时间法测量了0.5—10 mm共5种不同厚度塑料闪烁体ST401对0.5—100 MeV能段的中子能谱响应曲线, 分析了束内伽马、伽马闪产生的闪烁体慢成分和中子源脉宽对中子能谱响应的影响. 受有限体积闪烁体边界效应影响, 不同厚度中子能谱响应曲线形状接近对数曲线, 质子逃逸是闪烁体能谱响应曲线偏离线性的主要原因, 闪烁体越厚, 偏离线性的中子能量越高.
在MeV能段脉冲中子测量中, 塑料闪烁体是应用最为广泛的一种材料, 其中子能谱响应是脉冲中子能谱测量所需的关键数据. 基于中国散裂中子源白光中子束线, 使用飞行时间法测量了0.5—10 mm共5种不同厚度塑料闪烁体ST401对0.5—100 MeV能段的中子能谱响应曲线, 分析了束内伽马、伽马闪产生的闪烁体慢成分和中子源脉宽对中子能谱响应的影响. 受有限体积闪烁体边界效应影响, 不同厚度中子能谱响应曲线形状接近对数曲线, 质子逃逸是闪烁体能谱响应曲线偏离线性的主要原因, 闪烁体越厚, 偏离线性的中子能量越高.
2024, 73(23): 232402.
doi: 10.7498/aps.73.20241246
摘要:
大面阵、高分辨率碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器可用于航天遥感、高精度卫星成像等领域, 我国下一代气象卫星将全部应用此类图像传感器. 然而, 空间高能质子会对碲镉汞红外焦平面阵列探测器造成位移损伤效应, 同时亦会在其像素单元金属氧化物半导体(MOS)管引入电离总剂量效应. 本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为对象, 基于超大面阵设计时所用的2 pixel×2 pixel基本像素单元, 构建了Geant4仿真模型, 并且进行了不同质子入射注量下的仿真研究, 获得了不同注量下的位移损伤情况, 包括非电离能量损失、离位原子数等. 结果表明, 空间高能质子累积注量为1013 cm–2时, 除了考虑碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应外, 亦需关注其像素单元MOS管电离总剂量效应. 与此同时, 结合仿真结果对其空间应用环境中的损伤情况进行了初步评估. 该研究可为未来超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间应用提供关键数据支撑.
大面阵、高分辨率碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器可用于航天遥感、高精度卫星成像等领域, 我国下一代气象卫星将全部应用此类图像传感器. 然而, 空间高能质子会对碲镉汞红外焦平面阵列探测器造成位移损伤效应, 同时亦会在其像素单元金属氧化物半导体(MOS)管引入电离总剂量效应. 本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为对象, 基于超大面阵设计时所用的2 pixel×2 pixel基本像素单元, 构建了Geant4仿真模型, 并且进行了不同质子入射注量下的仿真研究, 获得了不同注量下的位移损伤情况, 包括非电离能量损失、离位原子数等. 结果表明, 空间高能质子累积注量为1013 cm–2时, 除了考虑碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应外, 亦需关注其像素单元MOS管电离总剂量效应. 与此同时, 结合仿真结果对其空间应用环境中的损伤情况进行了初步评估. 该研究可为未来超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间应用提供关键数据支撑.
2024, 73(23): 234101.
doi: 10.7498/aps.73.20241160
摘要:
共形超构表面具有灵活的外形, 便于适应复杂的平台结构, 在移动载体散射调控方面具有显著的应用优势. 但共形超构表面散射场电磁仿真时间周期长、优化复杂, 难以支撑共形超构表面的敏捷设计. 本文提出了一种基于迁移学习的共形超构表面散射场高效智能计算方法. 首先, 根据天线理论和全波电磁仿真在物理机理上的同一性, 预先用大量理论数据训练源域模型, 构建相位分布与散射场的初始映射模型; 然后, 将少量全波仿真训练数据作为目标域样本, 依托预训练、参数冻结和模型微调实现初始模型的有效迁移, 完成超构表面相位分布到散射场映射模型的构建; 最后, 针对不同的共形几何结构, 在迁移学习模型基础上进行了二次迁移. 结果表明, 本文所提方法的散射场计算时间较全波仿真下降3个数量级, 在少样本条件下应用迁移学习后散射场计算精度平均提升19.8%, 训练数据量仅占未迁移学习模型的42.9%, 数据集收集时间缩短50.1%, 同时在超构表面共形结构发生改变时具有一定泛化性.
共形超构表面具有灵活的外形, 便于适应复杂的平台结构, 在移动载体散射调控方面具有显著的应用优势. 但共形超构表面散射场电磁仿真时间周期长、优化复杂, 难以支撑共形超构表面的敏捷设计. 本文提出了一种基于迁移学习的共形超构表面散射场高效智能计算方法. 首先, 根据天线理论和全波电磁仿真在物理机理上的同一性, 预先用大量理论数据训练源域模型, 构建相位分布与散射场的初始映射模型; 然后, 将少量全波仿真训练数据作为目标域样本, 依托预训练、参数冻结和模型微调实现初始模型的有效迁移, 完成超构表面相位分布到散射场映射模型的构建; 最后, 针对不同的共形几何结构, 在迁移学习模型基础上进行了二次迁移. 结果表明, 本文所提方法的散射场计算时间较全波仿真下降3个数量级, 在少样本条件下应用迁移学习后散射场计算精度平均提升19.8%, 训练数据量仅占未迁移学习模型的42.9%, 数据集收集时间缩短50.1%, 同时在超构表面共形结构发生改变时具有一定泛化性.
2024, 73(23): 234301.
doi: 10.7498/aps.73.20241123
摘要:
经颅聚焦超声是一种具有发展前景的技术, 具有无创、安全、穿透深度大等优点. 声全息透镜作为一种低成本且便捷的经颅聚焦方法, 具有较大的发展潜力. 然而, 基于单片声全息透镜通常只能实现单一经颅聚焦声场的重建, 在实际应用场景下缺乏应用灵活性. 针对该问题, 本文提出了一种用于经颅聚焦的多频声全息透镜的设计方法, 通过提取在不同频率下设计的聚焦到不同位置的两片声全息透镜中的有效信息, 并将其整合到一片声全息透镜中来实现, 生成的声全息透镜可以在不同频率的激发下聚焦到不同位置. 仿真和实验结果表明, 通过此方法设计的声全息透镜在不同频率的超声波激发下, 可以克服颅骨对超声波的散射效应, 在颅骨后方精确地形成高质量的声聚焦点.
经颅聚焦超声是一种具有发展前景的技术, 具有无创、安全、穿透深度大等优点. 声全息透镜作为一种低成本且便捷的经颅聚焦方法, 具有较大的发展潜力. 然而, 基于单片声全息透镜通常只能实现单一经颅聚焦声场的重建, 在实际应用场景下缺乏应用灵活性. 针对该问题, 本文提出了一种用于经颅聚焦的多频声全息透镜的设计方法, 通过提取在不同频率下设计的聚焦到不同位置的两片声全息透镜中的有效信息, 并将其整合到一片声全息透镜中来实现, 生成的声全息透镜可以在不同频率的激发下聚焦到不同位置. 仿真和实验结果表明, 通过此方法设计的声全息透镜在不同频率的超声波激发下, 可以克服颅骨对超声波的散射效应, 在颅骨后方精确地形成高质量的声聚焦点.
2024, 73(23): 234701.
doi: 10.7498/aps.73.20241383
摘要:
来流扰动感受性是边界层转捩的起始阶段, 能决定边界层扰动以何种路径触发转捩. 目前二维感受性研究较为充分, 但现实来流扰动往往以非零角入射, 导致空间扰动在圆锥周向上存在分量, 造成感受性呈现三维特征, 该问题研究偏少. 前期仅研究了低频慢声波入射的三维感受性, 对于不同类型扰动的三维感受性问题还未做系统性研究. 本文采用高精度三维数值模拟技术和线性稳定性理论, 开展有入射角的不同频率快/慢声波、熵波和涡波的钝锥三维感受性研究. 结果发现, 入射慢声波能够激发边界层第一和第二模态; 快声波很难激发不稳定模态; 熵波和涡波在低频条件下难以激发第一模态, 但在高频下可激发第二模态. 扰动入射角可造成感受性因周向位置而异, 体现在主导扰动形式的差异和边界层扰动幅值的差异. 不同扰动类型、频率下这种差异表现出不同的规律, 入射正面、背面和侧面都有可能是最强感受性. 导致这些现象可能是上游头部和入射正面扰动的共同作用结果.
来流扰动感受性是边界层转捩的起始阶段, 能决定边界层扰动以何种路径触发转捩. 目前二维感受性研究较为充分, 但现实来流扰动往往以非零角入射, 导致空间扰动在圆锥周向上存在分量, 造成感受性呈现三维特征, 该问题研究偏少. 前期仅研究了低频慢声波入射的三维感受性, 对于不同类型扰动的三维感受性问题还未做系统性研究. 本文采用高精度三维数值模拟技术和线性稳定性理论, 开展有入射角的不同频率快/慢声波、熵波和涡波的钝锥三维感受性研究. 结果发现, 入射慢声波能够激发边界层第一和第二模态; 快声波很难激发不稳定模态; 熵波和涡波在低频条件下难以激发第一模态, 但在高频下可激发第二模态. 扰动入射角可造成感受性因周向位置而异, 体现在主导扰动形式的差异和边界层扰动幅值的差异. 不同扰动类型、频率下这种差异表现出不同的规律, 入射正面、背面和侧面都有可能是最强感受性. 导致这些现象可能是上游头部和入射正面扰动的共同作用结果.
2024, 73(23): 234702.
doi: 10.7498/aps.73.20241332
摘要:
采用无量纲格子玻尔兹曼(non-dimensional lattice Boltzmann method, NDLBM)对方腔内纳米流体的自然对流进行数值模拟, 讨论克努森数(\begin{document}$10^{-6} \leqslant Kn_{{\rm{f}},{\rm{s}}} \leqslant 10^4$\end{document} \begin{document}$10^3 \leqslant Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}} \leqslant 10^6$\end{document} \begin{document}$10^{-2} \leqslant $\end{document} \begin{document}$ \phi_{\rm{s}} \leqslant 10^{-1}$\end{document} \begin{document}$Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$\phi_{\rm{s}}$\end{document} \begin{document}$Ra_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$\phi_{\rm{s}} = 8 {\text{%}}$\end{document} \begin{document}$\overline {Nu}_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Re_{{\rm{n}},{\rm{f}}}$\end{document} \begin{document}$\overline {Nu}_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Re_{{\rm{n}},{\rm{f}}}$\end{document} \begin{document}$Kn_{{\rm{f}},{\rm{s}}} = 10^{-1}$\end{document} \begin{document}$\overline {Nu}_{{\rm{f}},{\rm{L}}}$\end{document} \begin{document}$Kn_{\rm{f},\rm{s}} $\end{document} \begin{document}$Ra_{\rm{f},\rm{L}}$\end{document} \begin{document}$\phi_{\rm{s}}$\end{document}
采用无量纲格子玻尔兹曼(non-dimensional lattice Boltzmann method, NDLBM)对方腔内纳米流体的自然对流进行数值模拟, 讨论克努森数(
2024, 73(23): 235101.
doi: 10.7498/aps.73.20241177
摘要:
在高功率微波介质窗外表面周围, 气体击穿是限制功率容量提升的主要因素之一, 因此进行相应的模拟研究具有重要的意义. 本文通过粒子-蒙特卡罗碰撞模型对介质窗气体侧击穿特性进行了模拟研究. 将宏粒子合并方法引入该模型, 大大减少了跟踪的宏粒子数量, 以至于能够对整个击穿过程进行模拟与分析. 结果表明, 在宏粒子权重为变量下, 击穿的时空演化特性与宏粒子权重为常数下的结果符合得很好. 由于次级电子发射产额远小于1, 所以气体电离是介质窗气体侧击穿的主导机理. 电子电离和扩散导致等离子体的密度和厚度随着时间显著增加. 电子密度的峰值未出现在介质表面处而是在距离介质表面100—150 μm的位置. 这是因为大量的电子沉积在介质表面上, 伴随产生的自组织法向电场驱使电子远离介质表面. 由于本文关注的背景气体压强高于最大电离率对应的临界压强(约为1.33 × 103 Pa ), 所以电离率随着压强的增加而单调减小, 并导致击穿发展得更加缓慢. 通过比较击穿时间的模拟值与实验数据, 证实了粒子-蒙特卡罗碰撞模型的准确性.
在高功率微波介质窗外表面周围, 气体击穿是限制功率容量提升的主要因素之一, 因此进行相应的模拟研究具有重要的意义. 本文通过粒子-蒙特卡罗碰撞模型对介质窗气体侧击穿特性进行了模拟研究. 将宏粒子合并方法引入该模型, 大大减少了跟踪的宏粒子数量, 以至于能够对整个击穿过程进行模拟与分析. 结果表明, 在宏粒子权重为变量下, 击穿的时空演化特性与宏粒子权重为常数下的结果符合得很好. 由于次级电子发射产额远小于1, 所以气体电离是介质窗气体侧击穿的主导机理. 电子电离和扩散导致等离子体的密度和厚度随着时间显著增加. 电子密度的峰值未出现在介质表面处而是在距离介质表面100—150 μm的位置. 这是因为大量的电子沉积在介质表面上, 伴随产生的自组织法向电场驱使电子远离介质表面. 由于本文关注的背景气体压强高于最大电离率对应的临界压强(约为1.33 × 103 Pa ), 所以电离率随着压强的增加而单调减小, 并导致击穿发展得更加缓慢. 通过比较击穿时间的模拟值与实验数据, 证实了粒子-蒙特卡罗碰撞模型的准确性.
2024, 73(23): 235201.
doi: 10.7498/aps.73.20241380
摘要:
稳定性是影响Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou(FPUT)现象实验观测的一个十分重要的因素, 针对文献中FPUT现象稳定性分析贫乏的问题, 本文主要通过数值模拟方法研究非线性光纤中影响FPUT现象稳定性的主要因素. 本文采用的初始条件为实验上比较容易实现的正弦扰动平面波加上白色噪声, 发现增加扰动振幅及扰动信号与泵浦光之间的相位差均可极大程度的影响FPUT现象的稳定性. 结果表明: 1) 当扰动振幅从零逐渐增加时, 所观察到的FPUT现象的稳定性逐渐增强; 当扰动振幅增加至临界值, FPUT现象的稳定性增至最强; 当扰动振幅大于该临界值, FPUT现象的稳定性开始逐渐减弱. 2) 当扰动频率位于传统调制不稳定性区域时, 随着扰动信号与泵浦光之间相位差从0增加至π/2, FPUT现象的稳定性先减弱, 当相位差增加至某临界值, FPUT现象的稳定性减至最弱, 当相位差大于临界值, FPUT现象的稳定性又出现逐步增强的规律. 当扰动频率位于非传统调制不稳定性区域时, 与传统情况不同, FPUT现象的稳定性随扰动信号与泵浦光之间的相位差的增加而增强. 以上结果表明, 在FPUT现象的实验中, 为观察到更稳定的FPUT现象, 扰动振幅的值不能太小, 且扰动信号与泵浦光之间相位差也要适宜.
2024, 73(23): 236801.
doi: 10.7498/aps.73.20241155
摘要:
褶皱结构引起的周期性连续变化应变为调控二维材料电子和光电性质提供了重要手段. 然而, 关于褶皱状二维材料的形成机理及其对相关物性的调控研究仍缺乏理解. 本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法, 系统研究了褶皱状单层GeSe能带结构随波长和位置的变化规律. 结果表明, 由于各向异性的力学性质和褶皱引起的周期性连续变化应变, 褶皱状单层GeSe表现出各向异性的能带漏斗效应, 激子会定向聚集在褶皱的谷区域, 且聚集能力随着波长的减小而增强. 此外, 当波长减小至106 nm, 锯齿型褶皱状单层GeSe的能带漏斗消失, 而扶手椅型褶皱状单层GeSe的能带漏斗依然得以保持. 这些结果为褶皱状单层GeSe在激子输运中的应用提供了理论基础, 并为设计高性能基于二维材料的光电器件提供了新策略.
褶皱结构引起的周期性连续变化应变为调控二维材料电子和光电性质提供了重要手段. 然而, 关于褶皱状二维材料的形成机理及其对相关物性的调控研究仍缺乏理解. 本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法, 系统研究了褶皱状单层GeSe能带结构随波长和位置的变化规律. 结果表明, 由于各向异性的力学性质和褶皱引起的周期性连续变化应变, 褶皱状单层GeSe表现出各向异性的能带漏斗效应, 激子会定向聚集在褶皱的谷区域, 且聚集能力随着波长的减小而增强. 此外, 当波长减小至106 nm, 锯齿型褶皱状单层GeSe的能带漏斗消失, 而扶手椅型褶皱状单层GeSe的能带漏斗依然得以保持. 这些结果为褶皱状单层GeSe在激子输运中的应用提供了理论基础, 并为设计高性能基于二维材料的光电器件提供了新策略.
2024, 73(23): 237301.
doi: 10.7498/aps.73.20241095
摘要:
穿过磁性原子环的磁通能够诱导拓扑超导, 这种方法既不需要自旋轨道耦合也不需要螺旋磁序, 为实现低维拓扑超导提供新的思路. 本文介绍了在二维s波超导表面环状沉积铁磁序磁性原子链模型, 阐述了在此模型中磁通诱导拓扑超导的原理. 同时考虑实际实验, 磁性原子链打破了二维衬底表面的空间反演对称性, 带来了Rashba自旋轨道耦合, 进而导致原子链螺旋磁序的出现. 研究了Rashba自旋轨道耦合和螺旋磁序对拓扑超导态的影响. 结果发现, 自旋轨道耦合对原有拓扑态具有破坏性的影响, 而螺旋磁序只是推动了相变点在参数空间的转移, 不破坏原有拓扑态.
穿过磁性原子环的磁通能够诱导拓扑超导, 这种方法既不需要自旋轨道耦合也不需要螺旋磁序, 为实现低维拓扑超导提供新的思路. 本文介绍了在二维s波超导表面环状沉积铁磁序磁性原子链模型, 阐述了在此模型中磁通诱导拓扑超导的原理. 同时考虑实际实验, 磁性原子链打破了二维衬底表面的空间反演对称性, 带来了Rashba自旋轨道耦合, 进而导致原子链螺旋磁序的出现. 研究了Rashba自旋轨道耦合和螺旋磁序对拓扑超导态的影响. 结果发现, 自旋轨道耦合对原有拓扑态具有破坏性的影响, 而螺旋磁序只是推动了相变点在参数空间的转移, 不破坏原有拓扑态.
2024, 73(23): 237501.
doi: 10.7498/aps.73.20240934
摘要:
本文研究了长度方向磁化、厚度方向极化的3层磁电复合材料的非线性特性. 首先, 基于Z-L模型, 根据磁化强度的数值解特征, 拟合了磁化强度函数, 进一步推导了超磁致伸缩材料的动态参数, 如动态压磁系数、动态弹性柔顺系数和动态磁导率, 并分析了偏置磁场和预应力对相应参数的影响; 其次, 基于非线性磁致伸缩本构方程, 建立了磁电层合材料的对称磁-弹-电等效电路模型, 并推导了磁电系数表达式, 分析了其随偏置磁场和预应力的变化曲线, 与已报道的结果具有很好的一致性; 最后, 为了与理论结果进行比较, 采用COMSOL软件设置相同的参数, 绘制相应的磁电系数频率曲线, 二者结果符合较好, 并提取了最大峰值模态振动形状, 可以方便地观察到磁电层合材料长度方向的振动情况. 结果表明, 这种对称磁-弹-电等效电路理论模型及使用COMSOL软件数值模拟的方法是可取的, 为进一步进行磁电层合材料的非线性分析奠定了基础, 使设计高精度磁电微型器件成为可能.
本文研究了长度方向磁化、厚度方向极化的3层磁电复合材料的非线性特性. 首先, 基于Z-L模型, 根据磁化强度的数值解特征, 拟合了磁化强度函数, 进一步推导了超磁致伸缩材料的动态参数, 如动态压磁系数、动态弹性柔顺系数和动态磁导率, 并分析了偏置磁场和预应力对相应参数的影响; 其次, 基于非线性磁致伸缩本构方程, 建立了磁电层合材料的对称磁-弹-电等效电路模型, 并推导了磁电系数表达式, 分析了其随偏置磁场和预应力的变化曲线, 与已报道的结果具有很好的一致性; 最后, 为了与理论结果进行比较, 采用COMSOL软件设置相同的参数, 绘制相应的磁电系数频率曲线, 二者结果符合较好, 并提取了最大峰值模态振动形状, 可以方便地观察到磁电层合材料长度方向的振动情况. 结果表明, 这种对称磁-弹-电等效电路理论模型及使用COMSOL软件数值模拟的方法是可取的, 为进一步进行磁电层合材料的非线性分析奠定了基础, 使设计高精度磁电微型器件成为可能.
2024, 73(23): 238101.
doi: 10.7498/aps.73.20241439
摘要:
全无机CsPbX3材料作为一种新型的钙钛矿材料, 应用于太阳能电池, 具有生产高效、稳定的商用器件的潜在前景, 但由空穴传输材料和贵金属电极所带来的成本和稳定性问题却亟需解决, 由此基于无空穴传输层结构(HTL-free)的全无机体系的碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)引起了广泛关注. 本文通过精细调控X位卤素阴离子中I和Br的比例, 基于一步反溶剂法, 在大气环境下制备CsPbIxBr3–x薄膜和HTL-free C-PSCs, 找到兼顾效率和稳定的平衡点. 之后, 为进一步提高相应器件的性能, 将苯乙基溴化胺(PEABr)引入钙钛矿中, 最终基于PEABr处理后的钙钛矿薄膜具有更好的结晶度以及更低的缺陷态密度, 而生成少量二维钙钛矿能够钝化钙钛矿薄膜, 并抑制载流子的非辐射复合. 通过适量PEABr处理后, 器件的光电转换效率(PCE)显著增强, 从对照组最佳器件的10.18%提高到12.61%. 由此, 该方法为大气环境下制备高效率、低成本的HTL-free C-PSCs提供了优化思路.
全无机CsPbX3材料作为一种新型的钙钛矿材料, 应用于太阳能电池, 具有生产高效、稳定的商用器件的潜在前景, 但由空穴传输材料和贵金属电极所带来的成本和稳定性问题却亟需解决, 由此基于无空穴传输层结构(HTL-free)的全无机体系的碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)引起了广泛关注. 本文通过精细调控X位卤素阴离子中I和Br的比例, 基于一步反溶剂法, 在大气环境下制备CsPbIxBr3–x薄膜和HTL-free C-PSCs, 找到兼顾效率和稳定的平衡点. 之后, 为进一步提高相应器件的性能, 将苯乙基溴化胺(PEABr)引入钙钛矿中, 最终基于PEABr处理后的钙钛矿薄膜具有更好的结晶度以及更低的缺陷态密度, 而生成少量二维钙钛矿能够钝化钙钛矿薄膜, 并抑制载流子的非辐射复合. 通过适量PEABr处理后, 器件的光电转换效率(PCE)显著增强, 从对照组最佳器件的10.18%提高到12.61%. 由此, 该方法为大气环境下制备高效率、低成本的HTL-free C-PSCs提供了优化思路.
2024, 73(23): 238201.
doi: 10.7498/aps.73.20241176
摘要:
为了降低固体氧化物燃料电池在冷却过程中的裂纹扩展程度, 提高电池的稳定性和耐久性, 对含有预裂纹的固体氧化物燃料电池的三维模型进行有限元分析. 从工作温度、材料属性、预裂纹角度、预裂纹位置等方面出发, 以电池应力分布、裂纹扩展后的长度、最大宽度和偏转角度等作为判据, 探究各因素对预裂纹扩展行为的影响, 提出基于材料优化和结构优化的提高电池稳定性的方案. 研究结果表明, 在所选参数范围内, 为了抑制裂纹扩展程度, 电池的工作温度不应低于1023 K, 阳极的热膨胀系数应小于12.50×10–6 K–1. 此外, 当预裂纹倾斜角度为45°或预裂纹距阳极底部0.45 mm时, 裂纹扩展后的最大宽度最小, 且扩展方向最易预测, 此时电池受裂纹影响的范围最小, 稳定性最高. 该研究工作为抑制固体氧化物燃料电池的裂纹扩展, 提高燃料电池的使用寿命, 促进燃料电池的商业化进程提供了依据.
为了降低固体氧化物燃料电池在冷却过程中的裂纹扩展程度, 提高电池的稳定性和耐久性, 对含有预裂纹的固体氧化物燃料电池的三维模型进行有限元分析. 从工作温度、材料属性、预裂纹角度、预裂纹位置等方面出发, 以电池应力分布、裂纹扩展后的长度、最大宽度和偏转角度等作为判据, 探究各因素对预裂纹扩展行为的影响, 提出基于材料优化和结构优化的提高电池稳定性的方案. 研究结果表明, 在所选参数范围内, 为了抑制裂纹扩展程度, 电池的工作温度不应低于1023 K, 阳极的热膨胀系数应小于12.50×10–6 K–1. 此外, 当预裂纹倾斜角度为45°或预裂纹距阳极底部0.45 mm时, 裂纹扩展后的最大宽度最小, 且扩展方向最易预测, 此时电池受裂纹影响的范围最小, 稳定性最高. 该研究工作为抑制固体氧化物燃料电池的裂纹扩展, 提高燃料电池的使用寿命, 促进燃料电池的商业化进程提供了依据.
2024, 73(23): 238501.
doi: 10.7498/aps.73.20241365
摘要:
本文以顶栅结构的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors, GFET)为研究对象, 开展了不同偏置电压条件下的电应力可靠性研究. 实验结果表明, 在不同偏置电压条件的电应力作用下, GFET的载流子迁移率随着电应力时间的延长均不断退化, 而不同偏置电压条件的电应力对狄拉克电压(VDirac)的漂移方向和退化程度的影响不同; 栅极电应力与漏极电应力造成器件的VDirac漂移方向相反, 且栅极电应力要比栅极和漏极电压同时施加的电应力导致GFET的VDirac退化程度更加明显. 分析原因表明, 不同偏置电压条件下的电应力实验在器件中产生的电场方向不同, 从而会影响载流子浓度和移动方向. 诱导沟道中的电子和空穴隧穿进入氧化层, 被氧化层中缺陷和石墨烯/氧化层界面处的陷阱俘获, 形成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷, 从而导致GFET的载流子迁移率降低. 而电应力产生陷阱电荷的带电类型差异是造成VDirac漂移方向不同的主要原因. 论文结合TCAD仿真, 进一步揭示了电应力感生陷阱电荷对GFET的VDirac产生影响的仿真模型. 相关研究为石墨烯器件的实际应用提供了数据和理论支撑.
本文以顶栅结构的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors, GFET)为研究对象, 开展了不同偏置电压条件下的电应力可靠性研究. 实验结果表明, 在不同偏置电压条件的电应力作用下, GFET的载流子迁移率随着电应力时间的延长均不断退化, 而不同偏置电压条件的电应力对狄拉克电压(VDirac)的漂移方向和退化程度的影响不同; 栅极电应力与漏极电应力造成器件的VDirac漂移方向相反, 且栅极电应力要比栅极和漏极电压同时施加的电应力导致GFET的VDirac退化程度更加明显. 分析原因表明, 不同偏置电压条件下的电应力实验在器件中产生的电场方向不同, 从而会影响载流子浓度和移动方向. 诱导沟道中的电子和空穴隧穿进入氧化层, 被氧化层中缺陷和石墨烯/氧化层界面处的陷阱俘获, 形成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷, 从而导致GFET的载流子迁移率降低. 而电应力产生陷阱电荷的带电类型差异是造成VDirac漂移方向不同的主要原因. 论文结合TCAD仿真, 进一步揭示了电应力感生陷阱电荷对GFET的VDirac产生影响的仿真模型. 相关研究为石墨烯器件的实际应用提供了数据和理论支撑.
2024, 73(23): 238701.
doi: 10.7498/aps.73.20241170
摘要:
石墨烯具有优异的力学性能, 是一种较佳的硬质合金刀具涂层材料. 本文采用分子动力学, 以硬质合金(WC-Co)为基底, 并以Ni为过渡层, 建立沉积石墨烯涂层模型, 模拟Ni, C原子连续沉积和高温退火过程, 研究沉积温度和入射能量对石墨烯涂层生长的影响, 探究石墨烯沉积过程. 模拟结果发现, 当沉积温度为1100 K时, 石墨烯的覆盖率较高, 结构平整. 较高的沉积温度有助于提供足够的动能使碳原子来克服成核的势能障碍, 减少石墨烯生长缺陷. 温度过高导致碳原子不断在优先沉积的碳环处堆积形成多层网状结构和无序结构, 形成的石墨烯涂层覆盖率低. 入射能量的增大有助于减少石墨烯中的空位缺陷; 但入射能量过高, C-C的吸附作用较之C-Ni的吸附作用更强, 导致涂层连续性较差. 入射能量为1 eV时, 涂层表面粗糙度较低, 生长出较多的单层状石墨烯. 1100 K退火时, 碳膜在Ni过渡层同时存在溶解-成核过程, Ni过渡层催化消除了部分石墨烯缺陷, 六元碳环数量增多, 适宜的高温退火有利于缺陷碳环的修复重构和碳链的重排成环, 提高了石墨烯质量. 因此, 当沉积温度1100 K、入射能量1 eV时, 石墨烯沉积完后并退火, 可生长出较高质量的石墨烯涂层.
石墨烯具有优异的力学性能, 是一种较佳的硬质合金刀具涂层材料. 本文采用分子动力学, 以硬质合金(WC-Co)为基底, 并以Ni为过渡层, 建立沉积石墨烯涂层模型, 模拟Ni, C原子连续沉积和高温退火过程, 研究沉积温度和入射能量对石墨烯涂层生长的影响, 探究石墨烯沉积过程. 模拟结果发现, 当沉积温度为1100 K时, 石墨烯的覆盖率较高, 结构平整. 较高的沉积温度有助于提供足够的动能使碳原子来克服成核的势能障碍, 减少石墨烯生长缺陷. 温度过高导致碳原子不断在优先沉积的碳环处堆积形成多层网状结构和无序结构, 形成的石墨烯涂层覆盖率低. 入射能量的增大有助于减少石墨烯中的空位缺陷; 但入射能量过高, C-C的吸附作用较之C-Ni的吸附作用更强, 导致涂层连续性较差. 入射能量为1 eV时, 涂层表面粗糙度较低, 生长出较多的单层状石墨烯. 1100 K退火时, 碳膜在Ni过渡层同时存在溶解-成核过程, Ni过渡层催化消除了部分石墨烯缺陷, 六元碳环数量增多, 适宜的高温退火有利于缺陷碳环的修复重构和碳链的重排成环, 提高了石墨烯质量. 因此, 当沉积温度1100 K、入射能量1 eV时, 石墨烯沉积完后并退火, 可生长出较高质量的石墨烯涂层.
2024, 73(23): 239501.
doi: 10.7498/aps.73.20241281
摘要:
月球表面的带电尘埃对太空任务的顺利实施构成严重威胁, 对尘埃的充电和动力学的进一步研究有助于月球探测任务的顺利实施. 本文研究了具有不同功函数的尘埃颗粒在月球表面的充电和动力学. 重新计算了与4种尘埃颗粒功函数相关的表面充电电流, 并得到了它们在不同太阳天顶角下的充电和动力学结果, 揭示了尘埃颗粒充电和动力学结果对功函数的依赖性. 结果显示具有较小功函数的尘埃颗粒能够达到较大的平衡态, 且需要更长时间才能达到这些平衡态, 其中包括尘埃颗粒能够稳定悬浮的平衡高度, 能够携带的表面电荷量以及流经尘埃颗粒表面的充电电流. 结果表明, 当太阳天顶角在0°—90°范围内变化时, 平衡态与功函数之间都呈现明显的反比关系. 尘埃颗粒在临界太阳天顶角下不能发生稳定悬浮, 且该角度的大小与功函数也呈反比关系.
月球表面的带电尘埃对太空任务的顺利实施构成严重威胁, 对尘埃的充电和动力学的进一步研究有助于月球探测任务的顺利实施. 本文研究了具有不同功函数的尘埃颗粒在月球表面的充电和动力学. 重新计算了与4种尘埃颗粒功函数相关的表面充电电流, 并得到了它们在不同太阳天顶角下的充电和动力学结果, 揭示了尘埃颗粒充电和动力学结果对功函数的依赖性. 结果显示具有较小功函数的尘埃颗粒能够达到较大的平衡态, 且需要更长时间才能达到这些平衡态, 其中包括尘埃颗粒能够稳定悬浮的平衡高度, 能够携带的表面电荷量以及流经尘埃颗粒表面的充电电流. 结果表明, 当太阳天顶角在0°—90°范围内变化时, 平衡态与功函数之间都呈现明显的反比关系. 尘埃颗粒在临界太阳天顶角下不能发生稳定悬浮, 且该角度的大小与功函数也呈反比关系.
