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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 (8): 086104.
doi: 10.7498/aps.73.20231755
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本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法并结合准谐德拜模型, 对Co基高温合金中γ'-Co3(V, M) (M = Ti, Ta)相的结构稳定性、热力学性质以及有限温度下的力学性质进行了系统的研究和讨论. 结果表明, γ'-Co3(V, M)相能以L12结构稳定存在, 其具有良好的抵抗变形的能力. γ'-Co3(V, Ti)相的热力学性能对温度的敏感性要大于γ'-Co3(V, Ta)相, 且γ'-Co3(V, M)相具有高温稳定性. 在有限温度下, 随着温度的升高, γ'-Co3(V, M)相由塑性材料向脆性材料过渡转变, 而且, 除了硬度性能有所提升外, γ'-Co3(V, M) (M = Ti, Ta)相的力学性能均呈下降趋势.
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 (4): 048901.
doi: 10.7498/aps.73.20231416
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识别网络传播中最有影响力的节点是控制传播速度和范围的重要步骤, 有助于加速有益信息扩散, 抑制流行病、谣言和虚假信息的传播等. 已有研究主要基于描述点对交互的低阶复杂网络. 然而, 现实中个体间的交互不仅发生在点对之间, 也发生在3个及以上节点形成的群体中. 群体交互可利用高阶网络来刻画, 如单纯复形与超图. 本文研究单纯复形上最有影响力的传播者识别方法. 首先, 提出单纯复形上易感-感染-恢复(SIR)微观马尔可夫链方程组, 定量刻画单纯复形上的疾病传播动力学. 接下来利用微观马尔可夫链方程组计算传播动力学中节点被感染的概率. 基于网络结构与传播过程, 定义节点的传播中心性, 用于排序节点传播影响力. 在两类合成单纯复形与4个真实单纯复形上的仿真结果表明, 相比于现有高阶网络中心性和复杂网络中最优的中心性指标, 本文提出的传播中心性能更准确地识别高阶网络中最有影响力的传播者.
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 (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 (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 (3): 038901.
doi: 10.7498/aps.73.20231096
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量化复杂网络之间的结构相似性是网络科学中一个基本且具有挑战性的问题, 在医学、社会学等多个领域发挥了至关重要的作用. 传统的网络比较方法通常基于简单的结构特征, 例如节点度分布、最短路径长度等, 这些方法可能无法充分捕捉网络的全局结构信息, 导致得到的网络相似性不精准. 本文提出了一种基于高阶信息的网络相似性比较方法, 该方法同时考虑了网络的全局结构和局部结构. 具体而言, 通过构建网络节点的高阶聚类系数分布和节点间距离分布, 并利用基于这两个分布的Jensen-Shannon散度来量化网络之间的相似性. 实验结果表明, 相较于其他基线方法, 本文提出的方法不仅能高效地比较不同网络的相似性, 且在对真实网络进行扰动的过程中也表现出鲁棒性.
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): 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 (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): 025201.
doi: 10.7498/aps.73.20231056
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激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源, 在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值. 本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程, 介绍了其基本物理过程及数学描述方程, 建立了基于多物理场耦合的二维流体模型. 利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程, 探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题. 通过与高气压氙气等离子体实验结果对比, 确定了仿真模型的有效性. 相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制, 为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.
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): 034302.
doi: 10.7498/aps.73.20231578
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超声波识别在国防、军事、航空航天、核设施等高科技领域具有重要的应用价值. 利用超声波可以实现对个体金属材料的识别, 但现有研究侧重于识别材料超声信号差异的算法, 缺乏识别机理. 本文以2A12铝合金为例, 利用6个晶粒在尺寸、形状、排布方向以及排列顺序不同时, 建立了10个2A12铝合金微结构的初级模型, 以此类比多晶金属材料的复杂微观结构. 利用Comsol有限元软件仿真计算了金属材料不同微观结构中的超声波时域信号, 并将回波信号中的的背向散射信号提取为超声指纹. 定义了特征差异Q, 量化了具有不同微结构的散射模型间的超声指纹的差异. 结果表明, 微观结构的细微变化也会导致超声信号出现差异, 其中晶粒尺寸的变化对信号的影响更为显著. 随后提出了超声识别算法, 并对4块形状完全一致的2A12铝合金样品进行了识别实验. 识别结果表明, 利用超声指纹可以准确识别出目标样品, 且各样品间的超声指纹有显著区别. 最后对样品进行了扫描电子显微镜实验, 所得电子显微镜图片显示了各样品真实微观结构的形貌与差异, 证实了所建立的超声散射模型的有效性.
2024, 73 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.73.20231365
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满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大, 且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化. 为此, 本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理, 提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法. 在此基础上, 提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法, 结合弯折小型化设计, 获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体. 该FSS吸波体在TE和TM极化下, 90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz (相对带宽173%), 厚度仅为0.093λL. TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°, 而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°. 当每层FSS方阻在12—30 Ω/sq范围内波动时, 吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%. 实验测试结果与仿真结果基本吻合, 证明了所提方法的有效性.
2024, 73 (2): 027703.
doi: 10.7498/aps.73.20230708
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向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段, 其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管 (BNNTs), 因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注. 然而, 表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用. 基于此, 本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅 (mSiO2), 并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法, 优化BNNTs表面特性. 结果表明, 通过表面结构设计及功能化, 可显著改善BNNTs的分散特性, 提升其与环氧树脂的界面作用. 以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升, 并兼具较低的介电常数与损耗. 此外, mSiO2独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱, 有效阻碍了电子的迁移, 进而提高复合电介质的电气强度. 本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路, 亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.
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 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.73.20231030
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采用实时傅里叶变换光谱探测技术, 研究了基于泵浦强度调制的超快掺铒光纤锁模激光器中孤子分子光谱的脉动动力学. 结果表明, 在一定的泵浦强度调制情况下, 孤子分子光谱的脉动周期可由泵浦调制频率进行调控. 同时, 孤子分子脉动幅度以及孤子间相对相位的演化与泵浦调制频率有关. 在较低的调制频率(如1 kHz)下, 光谱脉动的孤子分子内脉冲间的相对相位随传播时间呈现滑动型动力学. 随着调制频率逐渐加大(如20 kHz), 孤子分子内脉冲间的相对相位演化逐渐趋于混乱, 表明脉动孤子分子可能存在固有的共振频率, 与孤子分子的稳定性有关. 研究结果对于深入理解孤子分子的产生与稳定性提升、孤子分子的全光操作及应用具有重要的指导意义.
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 (3): 037202.
doi: 10.7498/aps.73.20231393
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数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象. 当参数$ \varDelta\neq0$ 时, 此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为. 通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变, 即发生第1次局域化转变进入完全局域相后, 继续增加调制强度, 一些局域态重新恢复成了退局域化态, 进一步增加调制强度, 系统将再次进入完全局域化相. 最后给出了局域化相图. 当参数$ \varDelta=0$ 时, 此系统仅存在单频率调制. 通过解析和数值求解证明了, 系统存在解析的迁移率边, 但不存在重返局域化. 该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考, 也为重返局域化的研究提供了新的视角.
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