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高被引论文  (被引数据来源于全网,每月更新)

量子信息科技的发展现状与展望
潘建伟
2024, 73 (1): 010301. doi: 10.7498/aps.73.20231795
摘要 +
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.
蛋白质计算中的机器学习
张嘉晖
2024, 73 (6): 069301. doi: 10.7498/aps.73.20231618
摘要 +
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.
含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路动力学分析与实验研究
吴朝俊, 方礼熠, 杨宁宁
2024, 73 (1): 010501. doi: 10.7498/aps.73.20231211
摘要 +
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.
电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控
王江琼, 李维康, 张文业, 万宝全, 查俊伟
2024, 73 (7): 078801. doi: 10.7498/aps.73.20240201
摘要 +
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.
III族氮化物半导体及其合金的原子层沉积和应用
仇鹏, 刘恒, 朱晓丽, 田丰, 杜梦超, 邱洪宇, 陈冠良, 胡玉玉, 孔德林, 杨晋, 卫会云, 彭铭曾, 郑新和
2024, 73 (3): 038102. doi: 10.7498/aps.73.20230832
摘要 +
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.
第一性原理计算研究γ'-Co3(V, M) (M = Ti, Ta)相的结构稳定性、力学和热力学性质
袁文翎, 姚碧霞, 李喜, 胡顺波, 任伟
2024, 73 (8): 086104. doi: 10.7498/aps.73.20231755
摘要 +
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.
钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响
王静, 高姗, 段香梅, 尹万健
2024, 73 (6): 063101. doi: 10.7498/aps.73.20231631
摘要 +
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.
基于强流离子源的离子束溅射镀膜设备均匀性优化
李桑丫, 张艾霖, 徐欣, 吕涛, 王世康, 罗箐
2024, 73 (5): 058101. doi: 10.7498/aps.73.20231491
摘要 +
随着高端光学器件镀膜的发展, 其多样性溅射镀膜需求对离子束流流强、均匀度和可调性提出了更高的要求. 对于新一代离子束溅射镀膜机来说, 如何在不同离子比、不同流强的束流下保持足够的均匀度, 成为了溅射镀膜设备的一大难题. 本文提出了一种基于三电极引出系统的优化模拟方法, 模拟和优化了离子源的引出系统, 研究了等离子体电极、抑制电极、引出电极的形状、角度、距离对离子束引出性能的影响. 同时, 重点研究了离子比对束流引出的影响. 该模型可以指导科研工作者根据离子源的状态和应用需求, 对三电极引出系统的角度、距离和形状进行系统优化并找出最优解. 最后, 本文还给出了一种方法对混合离子束的溅射深度进行了估算.
金属导热理论的研究进展与前沿问题
王奥, 盛宇飞, 鲍华
2024, 73 (3): 037201. doi: 10.7498/aps.73.20231151
摘要 +
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.
识别高阶网络传播中最有影响力的节点
李江, 刘影, 王伟, 周涛
2024, 73 (4): 048901. doi: 10.7498/aps.73.20231416
摘要 +
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.
单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性
张向, 王玥, 张婉莹, 张晓菊, 罗帆, 宋博晨, 张狂, 施卫
2024, 73 (2): 026102. doi: 10.7498/aps.73.20231357
摘要 +
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 .
基于单向测量超声背散射系数的晶粒尺寸评价高效方法
刘雨, 田强, 王新艳, 关雪飞
2024, 73 (7): 074301. doi: 10.7498/aps.73.20231959
摘要 +
镍基高温合金GH4742具有优异的机械性能, 而晶粒尺寸是影响其性能的关键因素. 基于物理模型的超声背散射法可以实现晶粒尺寸高效和准确的评价, 但受限于复杂模型或多角度声束测量. 因此, 本文提出了一种只需单向测量的背散射系数法, 且无需考虑测量系统等无关因素的影响. 基于独立散射模型, 推导了只与材料相关的背散射系数; 利用空间相关函数描述了晶粒尺寸与背散射系数的关系; 采用参考信号剔除干扰因素的影响, 实现实验背散射系数的快速提取. 制备三组不同晶粒尺寸的GH4742试块进行相控阵超声实验和平均晶粒尺寸评价, 并与金相法结果进行对比. 结果表明本文方法得到的晶粒度与金相法结果最大相对误差为–22.7%, 最小相对误差为–3.7%.
面向应用的新一代稀磁半导体研究进展
彭毅, 赵国强, 邓正, 靳常青
2024, 73 (1): 017503. doi: 10.7498/aps.73.20231940
摘要 +
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 .
三明治结构柔性储能电介质材料研究进展
李雨凡, 薛文清, 李玉超, 战艳虎, 谢倩, 李艳凯, 查俊伟
2024, 73 (2): 027702. doi: 10.7498/aps.73.20230614
摘要 +
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.
不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟
邢赫威, 陈占秀, 杨历, 苏瑶, 李源华, 呼和仓
2024, 73 (9): 094701. doi: 10.7498/aps.73.20240192
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随着电子元件高性能化和小型化的发展, 纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注. 本文采用分子动力学模拟方法, 模拟了300, 325, 350 K的纳米通道中流体的流动传热情况, 工质为水, 水中不凝性气体用氩气代替. 结果表明: 流动过程中, 氩原子形成高势能团簇, 随着温度升高, 流体势能上升, 团簇逐渐减小或消失; 少量气体原子能够促进流动, 而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动, 同时, 被加热的工质能显著减小流动阻力系数; 近壁面区域流体温度高于中心区域, 团簇内部原子活动更加剧烈, 平均分子动能更大, 温度更高; 水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热, 氩原子会影响氢键数量, 高温会破坏水分子形成的氢键网络, 使努塞尔数下降. 本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理, 为电子设备的强化传热提供了理论指导.
近红外二区小动物活体荧光成像系统的研制
邬丹丹, 潘力, 周哲, 付威威, 朱海龙, 董月芳
2024, 73 (7): 078701. doi: 10.7498/aps.73.20231910
摘要 +
近年来, 小动物活体荧光成像系统被广泛应用于生物医学成像研究. 但是, 现有的荧光成像系统存在穿透深度有限、图像信噪比低等缺点. 因此, 利用近红外二区(near-infrared-II, NIR-II, 900—1880 nm)荧光成像技术在生物组织中具有的低吸收、低散射和穿透深度深等优点, 研制出一套NIR-II小动物活体荧光成像系统, 提出了一种荧光图像增强校正方法, 并设计生物组织模拟实验和活体动物实验测试该系统的性能和成像效果. 实验结果表明, 该系统具有穿透深度深、信噪比高、灵敏度高等优点. 结合商用的吲哚菁绿试剂和聚集诱导发光染料, 该系统可实时监测小鼠体内的血管分布情况, 并对深层组织器官进行持续监测, 实现活体小鼠清醒状态下的动态监测研究, 有助于推动生物医学成像领域的肿瘤研究和药物开发研究等进入一个新阶段.
影响钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率及稳定性的关键问题与解决方法
姚美灵, 廖纪星, 逯好峰, 黄强, 崔艳峰, 李翔, 杨雪莹, 白杨
2024, 73 (8): 088801. doi: 10.7498/aps.73.20231977
摘要 +
高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向, 目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显, 但在商业化推进过程中, 叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战. 本文通过收集相关文献资料, 包括实验数据和理论模拟结果, 对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析, 认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题. 因此, 文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化. 基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望, 旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.
磁序与拓扑的耦合: 从基础物理到拓扑磁电子学
刘恩克
2024, 73 (1): 017103. doi: 10.7498/aps.73.20231711
摘要 +
磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科, 二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础. 磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物, 为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度. 磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态, 通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应; 而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力. 当前, 新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征, 而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野. 这两个阶段的深入发展, 将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试. 本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段, 讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面, 阐述当前领域内的热点内容和发展趋势, 并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望, 以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.
磁畴壁拓扑结构研究进展
张颖, 李卓霖, 沈保根
2024, 73 (1): 017504. doi: 10.7498/aps.73.20231612
摘要 +
拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势, 有望提高数据读写精度、降低功耗, 从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件, 为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持. 但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点, 严重阻碍了其在实际器件中的应用, 因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键. 本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来, 利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作. 首次在范德瓦耳斯 Fe5–xGeTe2 二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链, 研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为, 揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制. 在该机制指导下, 设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜, 不仅获得了磁畴壁麦纫, 验证了生成机制的普适性, 还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变, 开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.
基于泵浦强度调制的超快光纤激光器中孤子分子光谱脉动动力学研究
方振, 余游, 赵秋烨, 张昱冬, 王治强, 张祖兴
2024, 73 (1): 014202. doi: 10.7498/aps.73.20231030
摘要 +
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.
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