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2024, 73 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.73.20231795
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20世纪初, 以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命, 促进了物质文明的巨大进步, 从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌. 自20世纪90年代以来, 量子调控技术的巨大进步, 使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进, 标志着第二次量子革命的兴起. 量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面, 为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案, 可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑. 经过近30年的发展, 我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃, 在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位; 在量子计算方面牢固占据国际第一方阵; 在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平. 当前, 需要根据国家战略需求和国际竞争态势, 做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判, 率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.
2024, 73 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.73.20231151
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金属是人类使用最广泛的材料之一. 相对于对金属力学性能的研究, 金属导热性能的相关研究较为匮乏. 对金属导热机制的理解往往还依赖于一百多年前建立的威德曼-弗朗兹定律. 金属导热和电子输运有密切联系, 同时又与晶格振动有关. 深入理解金属导热机制, 不但对材料应用意义重大, 而且有利于提高对导热基本理论的认知. 本文回顾了金属导热研究的历史, 并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结, 特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述. 此外, 本文也对金属导热理论的未来发展方向进行了探讨.
2024, 73 (2): 027702.
doi: 10.7498/aps.73.20230614
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聚合物电介质材料因其高功率密度、耐击穿、安全柔韧、易加工和自愈性等特点, 被广泛应用于智能电网、新能源汽车、航空航天、国防科技等领域. 其中, 基于三明治结构设计获得具有更高储能密度和储能效率的柔性电介质材料成为近年来聚合物储能电介质领域的研究热点和常用策略. 本文从电介质的材料构成、结构设计以及制备方法等角度综述了基于三明治结构聚合物电介质薄膜在储能密度提升方面的研究进展, 阐述了三明治结构电介质材料性能调控的微观机制和协同增强机理, 并展望了其发展趋势和应用前景.
2024, 73 (7): 078801.
doi: 10.7498/aps.73.20240201
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交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中, 但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响, 使得材料的性能和寿命下降, 因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控. 本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理, 系统分析了其老化过程及影响机制, 并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略, 同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题. 最后, 展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向, 为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导.
2024, 73 (9): 095201.
doi: 10.7498/aps.73.20231598
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半导体芯片是信息时代的基石, 诸如大数据、机器学习、人工智能等新兴技术领域的快速发展离不开源自芯片层面的算力支撑. 在越来越高的算力需求驱动下, 芯片工艺不断追求更高的集成度与更小的器件体积. 作为芯片制造工序的关键环节, 刻蚀工艺因此面临巨大的挑战. 基于低温等离子体处理技术的干法刻蚀工艺是高精细电路图案刻蚀的首选方案, 借助等离子体仿真模拟, 人们已经能够在很大程度上缩小实验探索的范围, 在海量的参数中找到最优工艺条件. 电子碰撞截面是等离子体刻蚀模型的关键输入参数, 深刻影响着模型预测结果的可靠性. 本文主要介绍了低温等离子体建模的基本理论, 重点强调电子碰撞截面数据在数值模拟中的重要作用. 与此同时, 本文概述了获取刻蚀气体截面数据的理论与实验方法. 最后总结了刻蚀相关原子分子的电子碰撞截面研究现状, 并展望了未来的研究前景.
2024, 73 (4): 044204.
doi: 10.7498/aps.73.20231384
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大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战. 本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法, 通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域, 生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号, 再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性, 仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信. 仿真验证了该方案的可行性, 随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验, 实现了误码率低于10–6的14 Gbit/s数据传输.
2024, 73 (6): 069301.
doi: 10.7498/aps.73.20231618
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蛋白质计算一直以来都是科学领域中的重要课题, 而近年来其与机器学习的结合, 更是极大地推进了相关学科的发展. 本综述主要讨论了机器学习在四个重要的蛋白质计算领域内的研究进展, 这四个领域包括：分子动力学模拟、结构预测、性质预测和分子设计. 分子动力学模拟依赖于力场参数, 准确的力场参数是分子动力学模拟的必需品, 而机器学习可以帮助研究者得到更加准确的力场参数. 在分子动力学模拟中, 机器学习也可以从复杂的体系中以较小的代价计算出所需求解的自由能. 结构预测一般是给定蛋白质序列预测其结构. 结构预测复杂度高、数据量大, 而这恰恰是机器学习所擅长的. 在机器学习的协助下, 近年来科研人员已经在单个蛋白质三维结构预测上取得了不错的成果. 性质预测则是指通过给定的已知蛋白质信息, 推断其可能拥有的性质, 这对于蛋白质的研究也是至关重要的. 更具挑战性的是分子设计, 虽然近年来机器学习在蛋白质设计上取得突破, 但这一领域还有很大空间值得探索. 本综述将针对以上四点分别展开论述, 并对蛋白质计算中的机器学习研究进行展望.
2024, 73 (6): 063101.
doi: 10.7498/aps.73.20231631
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基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性, 特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升, 使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一. 然而, 近年来转换效率的增长步入缓慢阶段, 同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战, 这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关. 为进一步提高电池效率和结构稳定性, 必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性. 本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响, 包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响, 论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性, 并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望.
2024, 73 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.73.20230556
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目前常见聚合物电介质电容器的储能性能在高温下会急剧劣化, 难以满足航空航天和能源等领域的需求. 为提高介质高温储能性能, 常掺杂纳米填料对电介质改性, 通过改变电介质内部陷阱参数来调控电荷输运过程, 但其内部陷阱的能级和密度与储能性能间的定量关系仍需进一步研究. 本文构建线性聚合物纳米复合电介质中指数分布陷阱电荷跳跃输运的储能与释能模型并进行了仿真. 纯聚醚酰亚胺在150 ℃的体积电阻率和电位移矢量-电场强度回线的仿真结果与实验符合, 证明了模型的有效性. 不同陷阱参数纳米复合电介质的仿真结果表明, 增大总陷阱密度和最深陷阱能级, 会降低载流子迁移率、电流密度和电导损耗, 提升放电能量密度和充放电效率. 在150 ℃和550 kV/mm外施场强下, 1.0 eV最深陷阱能级和1×1027 m–3总陷阱密度的纳米复合电介质放电能量密度和充放电效率分别为4.26 J/cm3和98.93%, 相比纯聚醚酰亚胺提升率分别为91.09%和227.58%, 显著提升了高温储能性能. 本研究为耐高温高储能性能电容器的研发提供了理论和模型支撑.
2024, 73 (6): 064203.
doi: 10.7498/aps.73.20231761
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受物理孔径大小和光线散射等影响, 合成孔径光学系统成像因通光面积不足和相位失真而出现降质模糊. 传统合成孔径光学系统成像复原算法对噪声敏感, 过于依赖退化模型, 自适应性差. 对此提出一种基于生成对抗网络的光学图像复原方法, 采用U-Net结构获取图像多级尺度特征, 利用基于自注意力的混合域注意力提高网络在空间、通道上的特征提取能力, 构造多尺度特征融合模块和特征增强模块, 融合不同尺度特征间的信息, 优化了编解码层的信息交互方式, 增强了整体网络对原始图像真实结构的关注力, 避免在复原过程中被振铃现象产生的伪影干扰. 实验结果表明, 与其他现有方法相比, 该方法在峰值信噪比、结构相似性和感知相似度评估指标上分别提高了1.51%, 4.42%和5.22%, 有效解决合成孔径光学系统成像结果模糊退化的问题.
2024, 73 (7): 072802.
doi: 10.7498/aps.73.20231661
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蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一, 其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子, 计算耗时长, 这阻碍了该方法的进一步应用, 尤其在需快速响应的情形. 本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法, 能够实现源分布可变, 几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解. 首先, 为高效生成用于神经网络训练的数据, 利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量, 在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点. 进而, 基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实, 设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略. 该网络的输入是中子源项, 输出是目标计数, 在几何、材料和目标计数固定的情况下, 该神经网络可重复使用, 根据新的源项快速准确得到目标计数. 本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题. 基于若干基准模型的验证表明, 训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数, 且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.
2024, 73 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.73.20231211
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物理忆阻器具有不对称的紧磁滞回线, 为了更加简便地模拟物理忆阻器的不对称紧磁滞曲线, 本文提出了一种含有偏置电压源的分数阶二极管桥忆阻器模型, 其具有可连续调控磁滞回线的能力. 首先, 结合分数阶微积分理论, 建立了含有偏置电压源的二极管桥忆阻器的分数阶模型, 并对其电气特性进行分析. 其次, 将其与Jerk混沌电路相融合, 建立了含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路模型, 研究了偏置电压对其系统动态行为的影响. 再次, 在PSpice中搭建了分数阶的等效电路模型, 并对其进行电路仿真验证, 实验结果与数值仿真基本一致. 最后, 在LabVIEW中完成了电路实验, 验证了理论分析的正确性与可行性. 结果表明, 含有偏置电压源的分数阶忆阻器, 可以通过调控偏置电压源的电压, 连续获得不对称紧磁滞回线. 随着偏置电源电压的改变, 非齐次分数阶忆阻混沌系统由于对称性的破环, 表现出由倍周期分岔进入混沌的行为.
2024, 73 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.73.20231589
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霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域, 其起源可以追溯到数百年前. 1879 年, 霍尔发现将载流导体置于磁场中时, 磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累, 这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应. 之后, 一系列新的霍尔效应被发现, 包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等. 值得注意的是, 霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化, 因此在信息传输过程中扮演着重要的角色. 在玻色子体系(如磁子)中, 相应的一系列磁子霍尔效应也被发现, 他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展. 本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应, 简述其现代半经典的处理方法, 包括虚拟电磁场理论和散射理论等. 并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源, 概述了不同类型磁子的霍尔效应. 最后, 对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.
2024, 73 (2): 024401.
doi: 10.7498/aps.73.20231142
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本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO2)在水平和垂直向上管中的流动和传热特性差异. 比较了不同质量流量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异. 与以往超临界流体的经典单相流体假设不同, 本文引入拟沸腾理论来处理sCO2在两管中的流动和传热, 将超临界流体视为多相结构, 包括近壁区的类气层和管芯中的类液流体. 结果发现, 传热方面, 在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致. 当垂直向上管发生传热恶化时, 垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温. 垂直向上管中SBO区分了正常传热和传热恶化. 而在水平管中, 当弗劳得数小于100时, SBO主导顶底壁面最大壁温差. 相比于垂直向上管, 相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值. 流动方面, 引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应. 主导水平管压降变化的机理是分层效应, 并用弗劳得数在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系.
2024, 73 (2): 026102.
doi: 10.7498/aps.73.20231357
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由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性, 因此在光电子学领域具有广泛的应用前景. 本文使用真空抽滤法, 将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式, 制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜; 进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数, 并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器, 这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成. 实验和仿真结果表明, 提出的太赫兹超表面吸收器在0.65, 0.85, 1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰, 实现了最高可达90%的完美吸收. 利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制. 通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层, 深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能. 研究结果表明, 这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度, 为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案 .
2024, 73 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.73.20230832
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III族氮化物半导体由于包含了宽的直接禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高电子迁移率等优异的性质, 自从发展以来便成为半导体领域中的一个热点. 并且由于其禁带宽度可以从近紫外涵盖到红外区域, 因此在传统半导体所难以实现的短波长光电子器件领域, 也具有广阔的应用前景. 原子层沉积由于其特殊的沉积机制可以在较低的温度下实现III族氮化物半导体的高质量制备, 通过调整原子层沉积的循环比也可以方便地调整合金材料中的成分. 发展至今, 原子层沉积已经成为制备III族氮化物及其合金材料的一种重要方式. 因此, 本文着重介绍了近期使用原子层沉积进行III族氮化物半导体及其合金的沉积及应用, 包括使用不同前驱体、不同方式、不同类型原子层沉积, 在不同温度、不同衬底上进行氮化物半导体及其合金的沉积. 随后讨论了原子层沉积制备的III族氮化物材料在不同器件中的应用. 最后总结了原子层沉积在制备III族氮化物半导体中的前景和挑战.
2024, 73 (7): 074204.
doi: 10.7498/aps.73.20231691
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微多普勒特征提取作为一种常用的时频分析工具, 对微动目标特征的提取重构具有重要意义. 为了更好地研究多运动的微多普勒效应, 提出了一种运动姿态分类方法. 按照目标频移是否随时间变化可以将运动姿态分为频移时变运动和频移时不变运动. 频移时变运动包括平移、翻滚和振动. 针对这种运动应分析对比不同时间对应的瞬态频移, 频移时不变运动主要为旋转运动. 本文通过微多普勒效应理论结合电磁波频域模型, 实现3D运动目标微动特性提取的仿真建立目标, 分析不同环境条件例如晴天阴天、有无湍流对探测的影响, 为后续实验研究奠定理论基础. 开展基于收发同置系统的多特征运动目标的微多普勒频移探测实验, 实验结果表明, 不同目标位置上频移的幅度、正负性和谱线宽度旨在反演目标形状、运动姿态、运动方向和速度. 利用FFTshift函数对一维数据进行解调分析, 实现三维时间-频率-强度关系的研究. 本研究实现了对目标宏观形状特性的测量以及微观运动信息的提取, 为雷达探测和识别奠定基础.
2024, 73 (1): 017503.
doi: 10.7498/aps.73.20231940
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稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性, 是破解摩尔定律难题的候选材料之一. 我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制, 探索并研制了新一代稀磁半导体材料, 为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案. 以(Ba,K)(Zn,Mn)2As2等为代表的新一代稀磁半导体, 通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷, 成功实现了230 K的居里温度, 刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录. 本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制. 我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究, 开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域, 充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景 .
2024, 73 (5): 054701.
doi: 10.7498/aps.73.20231745
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本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型), 致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究. 该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换, 并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 准则进行预先设定. 通过对雷诺数Re = 3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究, 获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 准则的组合条件. 研究表明, 该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构, 而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 准则的组合条件, 还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征, 及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.
2024, 73 (5): 058701.
doi: 10.7498/aps.73.20231569
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为实现对转基因和非转基因菜籽油的快速准确鉴别, 结合太赫兹时域光谱技术, 提出了一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型. 以两种转基因和两种非转基因菜籽油为研究对象, 应用太赫兹时域光谱技术获取其光谱信息, 发现相比于非转基因菜籽油, 转基因菜籽油在太赫兹波段具有更强的吸收特性, 同时它们的吸收光谱极为相似, 难以通过观察法进行准确区分. 为此, 提出一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型, 通过采用蜉蝣优化算法对支持向量机参数进行寻优, 并引入自适应惯性权重和Lévy飞行两种策略改进蜉蝣优化算法在寻优过程容易陷入局部最优解的问题, 增强蜉蝣优化算法的全局搜索能力和稳健性. 实验结果表明: 改进后的蜉蝣优化算法能够更有效地寻找到支持向量机的最优参数组合, 提升鉴别模型的整体性能, 该模型对4种菜籽油的识别精度为100%. 因此, 本研究为转基因菜籽油的类型鉴别提供了一种快速有效的新方法, 也为其他转基因物质的鉴别提供了有价值的参考.
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