Vol. 61, No. 15 (2012)
2012年08月05日
总论
2012, 61 (15): 150201.
doi: 10.7498/aps.61.150201
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不同于经典扩散模型中节点传染力等同于节点度k的假定, 基于交通流量的病毒扩散模型中, 各个节点的传染力可以等同于节点实际介数bk. 利用平均场近似方法, 提出基于交通流量SIS病毒修正扩散模型. 根据修正SIS模型, 以最小搜索信息路由为例, 重新研究病毒传播率β, 平均发包率λ同传播阈值βc, 平稳状态病毒密度ρ之间的关系. 理论分析与实验结果均表明, 当网络拓扑和路由策略一定时, 传播阈值βc为实际介数bk的均值bk>与其平方的均值bk2>的比值. 而稳定状态时感染密度ρ同感染同病毒传播率β, 平均发包率λ 以及λ =1时节点实际介数的均值bλ=1> 的乘积倒数存在幂率关系.
2012, 61 (15): 150202.
doi: 10.7498/aps.61.150202
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针对有向加权且存在全局可达点的静态网络拓扑, 考虑了同时具有通信时延和输入时延的一阶、二阶智能体系统的运动一致性问题. 基于广义Nyquist准则与频域控制理论的方法, 分析并得到了网络中所有智能体渐进收敛到一致状态的充分条件. 通过该条件发现一致性的达到只与系统的耦合强度、智能体的输入时延以及各自的连接状态信息有关, 与通信时延无关. 但是, 通信时延的存在却要影响系统的动态特性. 仿真实验结果进一步验证了理论分析所得结论的正确性.
2012, 61 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.61.150301
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通过计算并发度研究了陆续通过一个双模腔的两个原子之间的纠缠动力学特性, 讨论了第一个原子的相干性以及腔场初始纠缠度对两原子之间纠缠的影响. 结果表明系统在一定条件下可以出现两原子之间纠缠突然产生现象, 两原子之间产生纠缠的最大值依赖于双模腔场初始纠缠度; 并且可以通过改变原子的振幅来控制产生纠缠的阈值时间和纠缠的最大值, 理论上提供了一种调控纠缠的方式.
2012, 61 (15): 150302.
doi: 10.7498/aps.61.150302
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本文提出以两个qubit量子纠缠系统为工质的四能级制冷循环模型, 基于量子热力学第一定律和热纠缠概念, 分析了在循环中系统与外界交换的热量、输入功、制冷系数等热力学参数与量子纠缠之间的关系, 结果表明: 制冷系数等高线图是环状曲线, 随纠缠比r增加而非单调变化; 当相互作用常数J比较小时, 量子制冷机运行区间在c1>c2, 当增加J值时, 制冷机运行区间在c1>c2和 c1c2两个区域; 最大制冷系数εmax随J值增大而增加.
2012, 61 (15): 150303.
doi: 10.7498/aps.61.150303
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本文研究将三个二能级原子分别囚禁在耦合腔A, B和C中, 腔中原子与腔场发生共振相互作用的情况. 采用Negativity熵度量两子系统间的纠缠, 通过数值计算给出了两个原子之间和两个腔场之间的纠缠演化. 讨论了腔场间的耦合强度对纠缠特性的影响. 研究结果表明: 原子间的纠缠与腔场间的耦合系数间存在非线性关系. 另一方面, 相邻腔场腔A和腔B间, 以及腔B和腔C间的纠缠随腔场间的耦合系数增大而减弱, 但非相邻腔场腔A和腔C间的纠缠却随腔场间的耦合系数增大而增强.
2012, 61 (15): 150501.
doi: 10.7498/aps.61.150501
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本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.
2012, 61 (15): 150502.
doi: 10.7498/aps.61.150502
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利用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为随机数发生器的物理熵源, 分析了混沌信号自相关系数与随机序列游程数之间的联系, 在此基础上研究了激光器的弛豫振荡频率fr与随机序列速率fn在不同比值时, 序列游程数的变化情况. 研究发现, 当fr/fn=(2k+1)/4时, 随机序列的游程数容易满足NIST SP800-22随机数测试标准的要求. 当k=1时, 得到随机序列最大速率为fn=4fr/3.
2012, 61 (15): 150503.
doi: 10.7498/aps.61.150503
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研究了含两类分数阶微分项的线性单自由度振子, 通过平均法得到了系统的近似解析解. 在近似解中, 两类分数阶微分项的系数和阶次均以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响着系统的动力学特性, 这一点和现有文献中大多数直接将分数阶微分项归类为阻尼进行处理是完全不同的. 对近似解析解和数值解进行了比较, 二者符合精度很高, 证明了该结果的准确性. 然后分析了两类分数阶微分项的系数和阶次对系统响应特性的影响, 发现两类分数阶微分项的系数和阶次都既可以影响系统的共振振幅, 又可以影响系统的共振频率. 最后研究了第二类分数阶微分项对共振频率的影响, 指出了在振动控制工程中如何通过选取合适的第二类分数阶微分项的系数达到满意的控制效果.
2012, 61 (15): 150504.
doi: 10.7498/aps.61.150504
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提出一种考虑两种损耗特性的耦合发电机模型. 与原来的耦合发电机模型相比, 该模型更能反映实际情况. 通过数值计算Lypunov指数谱、分岔图、Poincaré映射等, 分析了系统在各种参数空间的性态变化. 结果显示考虑机械阻尼损耗的耦合发电机模型具有双吸引子, 机械阻尼损耗一方面可以抑制系统混沌, 另一方面却使系统在参数空间具有更复杂的混沌特性, 表征这两种损耗特性的参数对系统动力学行为都有显著的影响.
2012, 61 (15): 150505.
doi: 10.7498/aps.61.150505
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生物声纳的高灵敏度和高可靠性一直是仿生设计所追求的目标, 然而至今仍没有一个令人信服的物理模型能很好得解释生物声纳优越性能的原因, 其主要是缺乏对动物听觉系统神经信息编码的认识. 本文从蝙蝠听觉神经系统的生理结构出发, 用圆映射和符号动力学方法讨论了蝙蝠听觉神经系统在复杂环境中处理多普勒信号的一种可能性方案, 并通过计算机仿真证明了其合理性. 针对蝙蝠神经系统的不稳定性, 用符号动力学的方法分析神经系统信息处理的机理具有良好的鲁棒性和高灵敏度. 这种新的信号处理方法的研究, 为生物声纳信号的处理过程的进一步认识提供了一种新的解释.
2012, 61 (15): 150506.
doi: 10.7498/aps.61.150506
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采用非线性分析方法对氧相变换热器的入、出口压力脉动时间序列进行分析, 提取关联维数、Kolomogrov熵, 并对重构10维相空间矩阵的协方差矩阵进行最大奇异值分解. 验证了该热力学系统是具有混沌特征的非线性系统. 针对物质在临界点附近的特性, 考察了各混沌特性参数和普朗特数的关联性, 结果表明: 压力脉动信号蕴含了与系统相关的大量物理信息; 各混沌特性参数与普朗特数这一物性参数之间存在明显关联性; 说明各参数反映物质本身的物理本质, 可以作为考察物质相变物理特性的重要参数.
2012, 61 (15): 150507.
doi: 10.7498/aps.61.150507
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研究了相互耦合的时空混沌系统的参量辨识与投影同步问题. 依据Lyapunov定理, 设计了参量辨识律和表征耦合强度的待定函数的自适应律, 对响应系统中的未知参量进行了有效辨识, 并完成了时空混沌系统的投影同步研究. 采用具有时空混沌行为的Burgers方程作为实例进行了仿真分析.
2012, 61 (15): 150508.
doi: 10.7498/aps.61.150508
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对于滴状冷凝过程及其传热强化机理, 一般通过分析冷凝壁面上液滴分布和运动规律进行研究, 并且将单个液滴视为稳定的个体, 很少涉及液滴内部运动特征. 本文通过红外热像仪观测了纯蒸气滴状冷凝过程中, 液滴运动时自由表面温度场的演化过程. 发现在疏水壁面上, 液滴由于合并或脱落而发生移动过程中, 其自由表面温度先降低, 而后升高并高于移动前温度. 通过分析疏水表面上液滴移动过程的物理模型, 认为液滴移动时表面液膜发生履带式滚动现象, 或者发生液滴内部与自由表面附近的液体间形成对流和掺混现象. 对液滴运动时表面温度演变规律的分析表明: 触发液滴表面发生持续冷凝可能需要克服一个临界过冷度, 当气液间温差超过该临界值时才诱发冷凝; 液滴合并或脱落等整体运动过程, 导致了液滴内部的运动特征, 并促进了较大尺寸液滴表面发生直接冷凝, 这为强化冷凝传热的研究提供新的思路.
2012, 61 (15): 150509.
doi: 10.7498/aps.61.150509
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社交网络和微博是重要的Web2.0应用模式, 其观点传播模式与其他网络媒体以及传统媒体相比有很大差异. 本文提出一种基于在线社交网络的观点传播模型, 研究社交网络中舆论观点扩散的形式与特征. 仿真结果表明: 模型中信息传播的速度与六度分割理论的结论十分符合; 一个带强烈倾向性的观点在固有观点均匀分布的网络中传播的情况下, 稳定时网络中不会出现相反的观点; 稳定时的观点分布与源节点的度和回溯深度有关, 并不受信任界限的限制, 这与Deffuant模型和Hegselmann-Krause模型不同. 同时, 本文还分析了传播意愿、观点变更率和信任界限对弛豫时间的影响.
2012, 61 (15): 150701.
doi: 10.7498/aps.61.150701
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偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一. 针对法拉第旋镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术的残留偏振相位噪声问题进行了深入的理论和实验研究. 运用琼斯矩阵法建立了基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的理论模型; 分析了影响系统偏振相位噪声的主要原因: 法拉第旋镜的旋光角度偏差、入射光偏振态调制度、干涉仪两臂光纤双折射; 提出了相应的抑制偏振相位噪声的方法. 详细仿真分析了入射光偏振态调制度对干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的影响, 仿真分析得出若法拉第旋镜旋光角度偏差为最大工艺制造误差1°, 当入射光偏振态调制度为1.84 rad时, 系统可能出现的最大偏振相位噪声为0.0815 rad. 最后, 搭建了基于M-Z型偏振态调制器的偏振相位噪声测试系统, 测试了在传输光纤受到外界偏振扰动的情况下, 干涉传感系统存在的偏振相位噪声, 实验测试结果与理论分析结果基本一致, 有力地证明了该偏振相位噪声理论分析模型的正确性.
核物理学
2012, 61 (15): 152401.
doi: 10.7498/aps.61.152401
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为研究钆锆烧绿石固化Pu(Ⅳ)的相变化情况及化学稳定性, 以Gd2O3, ZrO2为原料, Ce(Ⅳ)作为Pu(Ⅳ)的模拟替代物质, 采用冷压热烧结的方法制备出Gd2Zr2-xCexO7(0≤ x≤ 2.0)系列样品. 分别在40 °C和70 °C的合成海水中, 对固化体的长期浸出性能进行研究. 借助粉末X射线衍射仪对所制备样品的物相信息进行收集, 利用等离子体质谱仪对固化体的浸出浓度数据进行分析. 研究结果表明: 当x ≤0.08时, 固化体保持为烧绿石相; 当x>0.08时, 固化体转变为具有缺陷的萤石型结构相. 固化体中Gd3+, Zr4+和Ce4+在合成海水中, 随着浸泡时间的延长浸出浓度逐渐上升, 70 °C下的浸出浓度高于40 °C下的浸出浓度. 在42 d时, 固化体中Gd3+的最大浸出浓度在0.032 μg·ml-1以下, Zr4+的最大浸出浓度在0.003 μg·ml-1以下; Ce4+的最大浸出浓度在0.032 μg·ml-1以下.
2012, 61 (15): 152501.
doi: 10.7498/aps.61.152501
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本文系统分析了粒子与不同的靶核熔合时, 势垒高度和位置与相互作用核的电荷数和均方根半径的关系. 通过基于密度依赖的核子-核子相互作用(CDM3Y6)的双折叠模型来计算核势. 得到了当弹核为时垒高度和位置的参数化公式. 通过分析质量数从16到238的原子核表明, 参数化公式可以精确地再现弹核为的熔合反应的垒高度和位置, 其精确度在1%以内. 此外, 其结果还能很好地和实验值, 经验值, Royer, KNS, AW和亲近势的结果相符合.
原子和分子物理学
2012, 61 (15): 153101.
doi: 10.7498/aps.61.153101
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为研究外电场对环境毒物氯酚类化合物的分子结构、化学键和电子光谱产生的影响, 本文采用密度泛函(DFT)B3LYP方法在6-311++G(d,p)基组水平上优化并计算了不同外电场(0—0.025 a.u.) 作用下五氯酚分子的基态几何结构、电偶极矩和分子总能量, 在此基础上利用含时密度泛函(TDDFT)在同一基组下研究了五氯酚(pentachlorophenol, PCP)的紫外吸收光谱, 并与文献中给出的苯酚的紫外吸收峰的波长进行了比较, 最后对PCP分子的前10个激发态的波长和振子强度受外电场作用的的影响规律进行了研究. 结果表明, 分子几何构型与电场大小呈现强烈的依赖关系, 分子偶极矩随着外电场的增强先减小后增加, 而分子总能量随着外电场的增强先增加后减小; PCP的紫外吸收峰相对苯酚出现了红移, 其激发态的振子强度随着电场的增强而减小、紫外吸收峰也出现红移.
2012, 61 (15): 153102.
doi: 10.7498/aps.61.153102
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利用第一性原理方法, 本文计算了B/N单掺杂SiNWs, 以及含有表面悬挂键的B/N单掺杂硅纳米线的总能和电子结构, 计算结果表明, 悬挂键的出现会导致单原子掺杂失效. 能带结构分析表明, B/N掺杂的H钝化的SiNWs表现出正常的p/n特性, 而表面悬挂键(dangling binding, DB)的存在会导致p型(B原子)或者n型(N原子)掺杂失效; 其失效的原因主要是因为表面悬挂键所引入的缺陷能级俘获了n型杂质(p型杂质)所带来的电子(空穴); 利用小分子(SO2)吸附饱和悬挂键可以起到激活杂质的作用, 进而实现Si纳米线的有效掺杂.
2012, 61 (15): 153103.
doi: 10.7498/aps.61.153103
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对多元ZnO压敏陶瓷电阻片进行了多达14000次的大电流冲击老化试验, 通过显微结构、电气性能及介电特性的测量对其缺陷结构进行了表征, 并研究了缺陷结构与大电流冲击老化之间的关系. 试验表明多次大电流冲击老化导致试样的电气性能明显下降, 发现ZnO压敏陶瓷的几何效应不仅受控于晶粒还与晶界密切相关. 另外, 通过介电谱分析观察到ZnO压敏陶瓷存在四种缺陷弛豫过程, 低温-60 ℃下的两个缺陷弛豫峰激活能约为0.24 eV和0.35 eV, 认为它们分别对应着本征的锌填隙缺陷L(Zni··)和氧空位缺陷L(VO·)并且不受冲击老化的影响. 高温80℃以上两个松弛峰的活化能约为0.71 eV和0.84 eV, 认为它们分别对应着非本征的晶间相电子陷阱L(ingr)和晶界处界面态陷阱L(gb). 发现大电流冲击后, 仅界面态陷阱激活能从0.84 eV降低到0.76 eV, 认为界面态陷阱主要控制着ZnO压敏陶瓷的电气性能和稳定性.
2012, 61 (15): 153104.
doi: 10.7498/aps.61.153104
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在相对论的框架下采用多体微扰理论(MBPT)方法计算了纳原子 np(n=39)态的能级精细结构分裂值. 为避免多体微扰计算中需要计算大量连续态的困扰, 通过引入外势的方法可以构建离散、有限和近似完备的数值基函数. 经求解相对论Hartree-Fock (RHF)方程及外势作用下的RHF方程可获得零级近似波函数和能级值. 为了使微扰展开能够收敛, 计算中用到了轨道角量子数l 6的在一定能量分布范围内的中间态, 其中以在外势作用下的收缩态为主. 依此方法计算了纳原子主线系系列能级二阶微扰修正值, 同时还考虑了Breit效应的一级微扰修正对精细结构的影响. 通过与其他理论计算结果比较可看出, 本文计算结果在较大程度上更接近于实验值.
2012, 61 (15): 153105.
doi: 10.7498/aps.61.153105
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采用包含Davidson修正多参考组态相互作用(MRCI)方法结合价态范围内的最大相关一致基As/aug-cc-pV5Z和O/aug-cc-pV6Z, 计算了AsO+ (X2+)和AsO+(A2)的势能曲线. 利用AsO+离子的势能曲线在同位素质量修正的基础上, 拟合出了同位素离子75As16O+和75As18O+的两个电子态光谱常数. 对于X2+态的主要同位素离子75As16O+, 其光谱常数Re, e, exe, Be和e分别为 0.15770 nm, 1091.07 cm-1, 5.02017 cm-1, 0.514826 cm-1和0.003123 cm-1; 对于A2态的主要同位素离子75As16O+, 其Te, Re, e, exe, Be和e分别为5.248 eV, 0.16982 nm, 776.848 cm-1, 6.71941 cm-1, 0.443385 cm-1和0.003948 cm-1. 这些数据与已有的实验结果均符合很好. 通过求解核运动的径向薛定谔方程, 找到了J=0时AsO+(X2+)和AsO+(A2)的前20个振动态. 对于每一振动态, 还分别计算了它的振动能级、转动惯量及离心畸变常数, 并进行了同位素质量修正, 得到各同位素离子的分子常数. 这些结果与已有的实验值非常一致. 本文对于同位素离子75As16O+(X1+), 75As18O+(X1+), 75As16O+(A1)和75As16O+(A1)的光谱常数和分子常数属首次报导.
2012, 61 (15): 153301.
doi: 10.7498/aps.61.153301
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类胡萝卜素是含有9个CC共轭双键的短链多烯类生物分子. 特殊的分子结构, 使其不仅在光采集, 光防护, 防癌, 抗癌等生物学领域有重要应用, 而且在分子导线, 光开关, 滤光器等光电器件研制中也有重要的非生物学应用. 本文对它的分子光谱进行研究和总结, 结果表明, 类胡萝卜素具有宽带荧光, 将其用于荧光增强受激拉曼散射可以获得宽带受激拉曼散射; 电子能隙随温度降低而收缩, 电子吸收光谱红移, 这特性使它能研制优质半导体元件; 极大的拉曼活性和三阶非线性系数, CC键基频拉曼散射截面可以比普通分子大10个数量级, 和频、倍频拉曼散射强度也很高, 低温下与基频强度比可达0.5. 类胡萝卜素分子的这些光谱特性对多烯类分子结构、性能研究及其在非生物学中的应用有重要参数价值.
2012, 61 (15): 153401.
doi: 10.7498/aps.61.153401
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基于Peterson得到的ab initio势能面,运用准经典轨线的方法研究了转动激发对 O+HBrOH +Br反应动力学的矢量性质的影响.讨论了当碰撞能为0.3~eV时不同转动量子数情况下的极化微分散射截面以及描述k-j两矢量相关和k-k-j三矢量相关的分布函数p(r)和p(r). 计算结果表明: 随着转动量子数的增加,产物的转动极化减弱, 而且产物的前向散射占主导地位.
2012, 61 (15): 153601.
doi: 10.7498/aps.61.153601
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本文采用基于自旋极化的密度泛函理论系统研究了ConCm (n=15; m=1,2)团簇的几何结构和电子结构特性. 将ConC (n=25)团簇中的一个Co替换为C原子, 个体的基态几何结构发生明显变化; 在ConC2 (n=15)团簇的生长序列中, 发现从n=3开始团簇中的两个C原子有彼此分离分布的趋势, 我们分析, 这是Co金属能够维持单壁碳纳米管(SCNTs)保持开口生长, 成为非常有效的一种催化剂的重要原因. 同时, 将ConC (n=25)团簇中添加一个Co原子后系统的总磁矩出现大幅下降的趋势, 但仍保持奇偶交替的规律. 通过比较中性及带电的ConC以及ConC2 (n=15)团簇的碎裂能, 本工作发现: 由实验获取的SCNTs应均为带正电的体系, 这一结论与已有的实验模型拟合得很好.
2012, 61 (15): 153701.
doi: 10.7498/aps.61.153701
摘要 +
液晶空间光调制器能够方便地用于制作各种衍射型光学元件, 但液晶空间光调制器存在分辨率有限的缺点, 本文提出了用液晶空间光调制器制作相位型光栅, 产生一维和二维光阱阵列的新方案, 用迭代傅里叶级数算法优化设计光栅的相位分布, 在不改变空间光调制器硬件参数设置的情况下, 充分利用和发掘了空间光调制器的优点, 同时又能较好地回避其所存在的缺陷. 根据现有的空间光调制器的技术参数, 模拟仿真设计光栅, 计算光强分布, 结果表明: 用大失谐、小功率激光照明, 能够产生具有很高峰值光强和光强梯度的光阱阵列, 囚禁冷原子的光学偶极势达到mK量级, 对原子的作用力远大于原子的重力.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.61.154101
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基于两段相同金属分裂环谐振器构成的单层结构, 从理论及实验方面研究了平面超材料的可调谐Fano谐振. 实验测量了平面超材料对TE和TM入射波的电磁响应, 利用电磁波的入射角度控制Fano谐振的强度, 实现了谐振的开关特性, 谐振频率红移可达到21%. 基于有限元法给出了平面超材料的场分布, 强的正常色散表明平面超材料的电磁响应可类比经典电磁诱导透明现象, 仿真与实验结果相符合. 对称结构超材料Fano谐振的开/关特性为超材料性能的可调谐控制提供了有效途径.
2012, 61 (15): 154102.
doi: 10.7498/aps.61.154102
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本文将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合, 提出了一种基于斜三角开口对环结构的新型宽频带低耗左手材料结构. 该结构能产生两个磁谐振, 实现两个双负频段. 研究表明, 调节单元尺寸可使两个双负频段移动重合形成一个宽频带. 理论分析、仿真和测试结果均表明, 本文提出的新形结构在9.313.2 GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数, 相对带宽34.7%, 损耗性能系数347.9, 实现了宽带低耗左手材料. 其研究结果对多频段、宽带低耗左手材料的设计具有重要的指导意义.
2012, 61 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.61.154201
摘要 +
引入复自相干度来度量同一脉冲产生的超连续谱的相干性, 并对其进行了实验研究. 采用Mach-Zehnder干涉仪, 测量700 ps脉冲抽运光子晶体光纤产生的超连续谱的相干性. 实验测得超连续谱不同波长成分的相干长度均大于40 m, 在长波区可达225 m. 超连续谱的整个光谱区域各谱成分的相干度有差异, 但复自相干度的模平均值为0.461, 相干性较好, 可以满足如光测量、光学传感等很多应用.
2012, 61 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.61.154202
摘要 +
本文通过提出电势影响因子的概念描述了尘埃粒子与背景等离子体之间的电势差对等离子体电导率的影响. 电势影响因子与尘埃粒子的电荷数、数密度、半径以及背景等离子体电子数密度成正比, 而与背景等离子体电子温度成反比. 在考虑尘埃粒子电势影响下, 推导和完善了尘埃等离子体的复电导率模型. 选取火箭喷焰为典型实例, 分析比较了微波和近红外波段范围内, 考虑和不考虑电势差影响两种情况下的复电导率. 结果表明, 在给定的尘埃等离子体参数条件下, 随着入射电磁波频率的增大, 电势差对复电导率的影响在减小, 当入射频率增加至给定的近红外区域时, 电势差对复电导率虚部的影响可以忽略.
编辑推荐
2012, 61 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.61.154203
摘要 +
介绍了单级衍射光栅的发展趋势, 从理论上论证了单级衍射光栅的可行性, 引入了一种新型衍射光学元件准正弦反射式单级衍射光栅(QSRG). 它能有效抑制高级衍射, 可用于提高光谱系统的信噪比和精度. 而通过QSRG的实验结果也验证了此新型色散元件确实具有良好的单级衍射特性, 二级及以上的高级衍射被有效地抑制, 与理论预测几乎一致. 本文的结果可望在反射式光谱测量系统中得到广泛应用.
2012, 61 (15): 154204.
doi: 10.7498/aps.61.154204
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一种颗粒与其他种类的颗粒混合后, 会使其散射特性发生变化, 本文研究了水云中混有黑炭气溶胶后的散射特性变化. 根据Mie理论计算了水云和黑炭气溶胶散射相函数、单次散射反照率和不对称因子. 给出了混合颗粒系的蒙特卡罗模拟方法, 给出了颗粒碰撞类型抽样、自由程抽样和根据Mie相函数进行散射方向抽样的方法. 计算了光垂直入射时, 水云和黑炭气溶胶混合颗粒系的反射光强随观测角的变化, 并计算了平面反照率随入射角的变化, 讨论了黑炭气溶胶的有效半径、混合比例对整个混合颗粒系散射特性的影响. 计算结果表明, 水云中混合黑炭会加强其吸收, 且黑炭的比例和尺寸不同其散射特性差异较大.
2012, 61 (15): 154205.
doi: 10.7498/aps.61.154205
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提出利用部分相干光通过透镜列阵系统实现靶而的均匀辐照, 透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑, 透镜列阵的适当同心度偏差又使各子束的斑纹相互稍微错开, 使干涉斑纹变密, 而入射的激光是空间相干性减少了的部分相干光, 可进一步抑制了透镜列阵系统焦斑的小尺度不均匀性. 使用广义衍射积分理论, 对高斯-谢尔光束通过透镜列阵光学系统的焦斑光强分布进行了详细的二维模拟研究, 比较了完全相干光与部分相干光经过透镜列阵的匀滑效果. 数值模拟表明, 应用同心度偏差和适当离焦时, 可实现焦斑均匀性和能量利用率同时达到最佳的效果.
2012, 61 (15): 154206.
doi: 10.7498/aps.61.154206
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基于量子远程通信的原理, 本文借助双模压缩真空态和相干态, 提出一种连续变量量子确定性密钥分配协议. 在利用零差探测法的情况下协议的传输效率达到了100%. 从信息论的角度分析了协议的安全性, 结果表明该协议可以安全传送预先确定的密钥. 在密钥管理中, 量子确定性密钥分配协议具有量子随机性密钥分配协议不可替代的重要地位和作用. 与离散变量量子确定性密钥分配协议相比, 该协议分发密钥的速率和效率更高, 又协议中用到的连续变量量子态易于产生和操控、适于远距离传输, 因此该协议更具有实际意义.
2012, 61 (15): 154207.
doi: 10.7498/aps.61.154207
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提出了一种新型的双芯光子晶体光纤, 应用全矢量有限元方法分析了光纤各种结构参数对光纤宽带特性和偏振无关特性的影响. 在此基础上优化设计了一种50:50的双芯光子晶体光纤耦合器, 在1.2251.675 m波长范围内实现分光比小于1%、两偏振态之间的分光比差小于0.5%的优良特性. 由于引入了仅对偏振特性影响明显的相对独立的中心调制区, 不仅降低了光纤的优化设计难度, 而且实现了与普通单模光纤相匹配的模场特性, 能有效地降低耦合器的接续损耗与制作难度. 研究成果为研制接续损耗低、超宽工作带宽、偏振不敏感等特性的新型光定向耦合器提供了理论基础.
2012, 61 (15): 154208.
doi: 10.7498/aps.61.154208
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提出了一种新型的慢波结构V形曲折矩形槽慢波结构, 该结构是由矩形槽波导沿其E面法向周期性呈V形折叠而成, 其两金属板之间的间隙形成天然的带状电子注通道. 相比传统的U形曲折矩形槽波导, 它能在保持良好高频特性的情况下增加互作用面积, 从而可以采用面积更大的带状电子注以获得更大的输出功率. 分析了该结构的高频特性, 在V波段完成了对行波管互作用电路的设计, 并利用三维粒子模拟的方法估计了其工作性能. 研究结果表明, 当工作电压和电流分别为12.8 kV和600 mA 时, 在5864 GHz的频率范围内饱和平均输出功率大于1000 W, 相应的饱和增益和电子效率分别大于33 dB和13.2%.
2012, 61 (15): 154209.
doi: 10.7498/aps.61.154209
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基于扫描滤波原理, 提出了一种新的用以提升啁啾脉冲激光信噪比(signal-to-noise, SNR)的光学扫描滤波方法. 针对内置电光晶体的Fabry-Perot标准具的扫描滤波方案, 定量分析了其扫描滤波谱特性, 详细讨论了Fabry-Perot标准具平行平板的镜面反射率和内置电光晶体类型对输出脉冲信噪比的影响, 并进一步探讨了控制电压变化对信噪比提升效果的影响. 结果表明, 扫描滤波器的透射窗口带宽越窄, 信噪比的提升效果越好; 为了保证输出效果, Fabry-Perot标准具平行平板反射率应大于0.9; 对于内置二次电光晶体钽铌酸钾晶体的Fabry-Perot标准具扫描滤波方案, 其外加电压较内置普通线性电光晶体的方案更低, 且更易于控制; 钽铌酸钾晶体构成组分的不同对滤波器效果的影响并不大, 而控制电压和信号光啁啾率的变化则会对滤波效果产生较大影响.
2012, 61 (15): 154210.
doi: 10.7498/aps.61.154210
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以芯径为30 m的掺Yb3+双包层光纤为增益介质, 利用非线性偏振旋转技术以及光栅-小孔结构组成的光谱滤波器提供有效的振幅调制, 实现了稳定的全正色散耗散孤子锁模运转. 激光器直接输出重复频率为76.6 MHz、平均功率达6.3 W的超短脉冲, 单脉冲能量可达82 nJ. 直接输出脉冲宽度为1.33 ps, 经腔外压缩后的宽度为377 fs. 通过调节光栅角度还实现了输出脉冲中心波长在10251078 nm范围内的调谐.
2012, 61 (15): 154211.
doi: 10.7498/aps.61.154211
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本文主要对非局域非线性介质中存在的多极表面亮孤子进行了研究. 理论研究表明多极表面孤子也可以被看做是具有反对称振幅分布的体孤子的一半, 由此我们可以给出多极表面孤子的解析解. 其次, 用数值计算的方法给出了它的数值解, 比较结果表明数值解与解析解基本符合. 最后, 研究了本模型下的多极表面孤子的稳定性, 发现二极表面孤子的不稳定区间比四极体孤子的不稳定区间小, 另外, 二极以上的表面孤子皆不稳定.
2012, 61 (15): 154212.
doi: 10.7498/aps.61.154212
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硫系玻璃晶化过程中析出晶相的控制是硫系玻璃陶瓷制备中的一个重要环节. 在制得的65GeS225Ga2S310CsI(GGC25)和70GeS220Ga2S310CsI(GGC20)玻璃和玻璃陶瓷基础上, 利用可见近红外透过光谱, SEM, XRD, Raman光谱等测试技术表征了其透过性能、晶粒尺寸、晶相类型等信息. 研究发现在这两组玻璃样品中少量的组分差别就能导致其显著的析晶行为改变: GGC20玻璃在热处理过程中析出的是GeS2晶体; GGC25样品则拥有两步析晶过程, 其率先析出Ga2S3, 而后才有GeS2晶体出现. 此外, 研究讨论了这种析晶行为与组成的依赖关系及其与玻璃网络结构之间联系, 可为今后硫系玻璃的可控晶化研究提供实验依据和理论指导.
2012, 61 (15): 154213.
doi: 10.7498/aps.61.154213
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本文利用光子晶体的光栅衍射原理, 在发光二极管(light emitting diode, LED)上制作了光子晶体结构以提高出光效率. 在红光LED器件中引入了SiO2层的介质光子晶体结构, 并进行了相应的理论分析和实验验证. 结果表明: 介质光子晶体结构对于提高红光LED器件的光提取效率有显著效果, 引入介质光子晶体后, 红光LED的光通量比普通LED增加了26%.
2012, 61 (15): 154301.
doi: 10.7498/aps.61.154301
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采用扫描测量方式得到的不相干声场需分解成完全相干的部分场后才能用于近场声全息重建. 现有的方法都是将声压作为参考进行部分场分解. 本文提出以声压梯度作为参考, 并建立一种基于声压梯度参考的部分场分解方法. 由于声压梯度比声压的衰减速度更快, 受到其他声源和环境噪声的影响比声压小, 所以以声压梯度为参考在分解完全相干的部分场过程中比以声压为参考更具有优势. 通过数值仿真和实验分析, 一方面验证了基于声压梯度参考的部分场分解方法的正确性和可行性; 同时通过与基于声压参考的部分场分解结果比较, 说明了基于声压梯度参考的部分场分解方法分解更稳健、结果更精确.
2012, 61 (15): 154302.
doi: 10.7498/aps.61.154302
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基于质量-弹簧微结构通过光学振动模式对机械波进行选择性吸收的原理, 本文设计了一个由集中质量与弹性薄膜构成的二维声学超材料等效平板结构. 利用有限元法对等效平板代表性胞元的振动特性模拟结果表明, 二维超材料平板结构表现出与质量-弹簧微结构相同的振动模式. 基于模拟结果, 制作加工了一个正方形超材料平板, 并通过Polytec扫描式激光测振仪(PSV)对其振动特性进行了试验测试, 结果表明, 本文设计制作的超材料平板可以对频率157.5 Hz的机械波进行选择吸收.
2012, 61 (15): 154401.
doi: 10.7498/aps.61.154401
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考虑在纳米流体中纳米颗粒做布朗运动引起的对流换热, 基于纳米颗粒在纳米流体中遵循分形分布, 本文得到纳米流体对流换热的机理模型. 本解析模型没有增加新的经验常数, 从该模型发现纳米流体池沸腾热流密度是温度、纳米颗粒的平均直径、 纳米颗粒的浓度、纳米颗粒的分形维数、沸腾表面活化穴的分形维数、基本液体的物理特性的函数. 对不同的纳米颗粒浓度和不同的纳米颗粒平均直径与不同的实验数据进行了比较, 模型预测的结果与实验结果相吻合. 所得的解析模型可以更深刻地揭示纳米流体对流换热的物理机理.
2012, 61 (15): 154402.
doi: 10.7498/aps.61.154402
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本文首先制备并表征了介孔二氧化硅SBA-15、 填充导电聚合物的复合材料PANI/SBA-15和复合材料PPy/SBA-15, 并建立双流计实验台开展了材料压片情况下的热导率研究. 在测量得到复合材料热导率的基础上, 引入当量孔径, 结合测量孔径对 PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料热导率随填充量的变化进行了定性分析. 分析表明: PANI/SBA-15和PPy/SBA-15复合材料的热导率比基材SBA-15的热导率大得多; 在相同的测量孔径和当量孔径情况下, PANI/SBA-15复合材料的热导率比PPy/SBA-15复合材料的热导率大; 导电聚合物填充到复合材料孔道内和孔道外都有助于热导率的提高, 填充到孔道内比填充到孔道外对热导率提高的贡献更大.
前沿领域综述
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2012, 61 (15): 154214.
doi: 10.7498/aps.61.154214
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超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (15): 155201.
doi: 10.7498/aps.61.155201
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本文提出一种半径和周期双重扰动的非均匀圆波导TE0n模式变换器. 通过耦合波理论(CWT)和数值优化方法对该模式变换器进行研究, 计算结果与电磁仿真软件基本一致. 与传统的均匀结构半径微扰模式变换器比较, 非均匀扰动结构TE0n模式变换器可以在更少的波纹周期内实现高于均匀结构的模式转换效率, 95%功率转换绝对带宽增加150%, 器件长度减小接近一半. 本文的研究工作为设计轴向尺寸短、工作带宽大、 转换效率高的高功率回旋管外接模式变换器提供了重要参考.
2012, 61 (15): 155202.
doi: 10.7498/aps.61.155202
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采用了一个简单而有效的技巧, 研究了一类扰动发展方程. 首先引入求解一个相应典型方程的行波孤波解. 然后利用渐近方法得到了原扰动发展方程的近似解. 利用泛函分析的不动点定理, 指出了近似解级数的收敛性, 并讨论了近似解的精度.
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2012, 61 (15): 155203.
doi: 10.7498/aps.61.155203
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本文对35 GHz和96 GHz电磁波在等离子体中的传输特性进行了理论与实验研究, 得到了电磁波衰减随等离子体密度、碰撞频率和电磁波频率的变化规律. 等离子体密度增加一个数量级时, 电磁波衰减增加一个数量级; 随着等离子体碰撞频率的增加, 电磁波衰减先增加后减小; 随着电磁波频率的增加, 衰减下降. 以激波管为实验平台进行了电磁波在等离子体中传输特性的实验研究, 实验结果和理论结果吻合较好. 理论和实验结果均表明, 提高电磁波频率是解决黑障问题的有效途径.
2012, 61 (15): 155204.
doi: 10.7498/aps.61.155204
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采用流体模型研究了外加斜磁场作用下的碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据, 讨论了负离子和磁场对鞘层玻姆判据的影响. 研究结果表明: 在电负性鞘层中, 正离子更容易进入鞘层, 负离子的存在只能影响离子马赫数取值的下限; 而外加磁场可以使离子马赫数的取值范围整体发生移动.
2012, 61 (15): 155205.
doi: 10.7498/aps.61.155205
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本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞, 采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子, 开发了全三维PIC-MCC模拟算法, 并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程, 分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响, 结果显示: 电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B× ▽B漂移.
2012, 61 (15): 155206.
doi: 10.7498/aps.61.155206
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本文建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的动力学Particle-in-cell(PIC)模型, 将二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了非导电聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数对表面偏压电位的影响规律以及栅网诱导效应. 研究结果表明: 非导电聚合物较厚时, 表面自偏压难以实现全方位离子注入, 栅网诱导可以间接为非导电聚合物提供偏压, 并抑制二次电子发射, 为厚大非导电聚合物表面等离子体浸没离子注入提供了有效途径.
2012, 61 (15): 155207.
doi: 10.7498/aps.61.155207
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采用蒙特-卡罗(Monte Carlo)方法, 模拟了激光烧蚀粒子输运动力学过程, 在环境气体压强为100 Pa的情况下, 研究了环境气体种类(He, Ne, Ar和假想气体等)对烧蚀粒子速度劈裂的影响. 研究结果表明, 在四种环境气体中传输的烧蚀粒子均出现了速度劈裂现象, 形成速度劈裂所需时间按He, Ne, 假想气体和Ar的次序减小. 还研究了环境气体分子的质量和半径对烧蚀粒子速度劈裂的影响, 形成速度劈裂所需时间随环境气体分子半径(或质量)增大而减小. 在假想气体中, 两速度峰强度相等时的强度最小. 结合欠阻尼振荡模型和惯性流体模型, 对劈裂的形成时间进行了解释. 所得结论可为进一步定量研究纳米晶粒生长机理提供基础.
2012, 61 (15): 155208.
doi: 10.7498/aps.61.155208
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内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.
2012, 61 (15): 155209.
doi: 10.7498/aps.61.155209
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本文利用北京同步辐射光源(BSRF), 提出了对条纹相机Au和CsI透射阴极谱响应灵敏度进行绝对标定的方案, 给出了在605500 eV能区的绝对谱响应灵敏度, 标定不确定度好于10%. 同时, 基于Henke等人的计算模型, 给出了透射阴极的相对谱响应灵敏度, 并且进行了CH支撑衬底X射线透过率的修正. 结果表明标定值与理论值符合较好.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (15): 156101.
doi: 10.7498/aps.61.156101
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本文根据密度泛函理论(density functional theory , DFT), 采用MS分子动力学仿真软件对羟基修饰的单壁碳纳米管(SWNT-OH) 吸附SF6局部放电分解的四种主要组分SOF2, SO2F2, SO2和CF4进行了详细的理论计算, 通过分析气体分子和SWNT-OH的前线轨道, 吸附过程中吸附能、电荷转移量和电子态密度的情况, 以及吸附前后SWNT-OH能隙的变化, 评判了SWNT-OH对气体分子的敏感性和选择性, 给出了SWNT-OH是否可以制备气体传感器检测SF6局部放电分解组分的理论依据.
2012, 61 (15): 156102.
doi: 10.7498/aps.61.156102
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以修正后的Rapini-Papoular锚定能公式为基础, 用理论分析和数值计算相结合的方法, 详细研究表面极化对液晶盒饱和特性的影响. 得出了求解指向矢分布的数学方程, 推导出了计算正常二级转变饱和电压的解析式, 同时结合最新报道, 给出了异常一级转变饱和电压的数值计算方法. 此外, 本文引入了反映指向矢分布特征的参量, 讨论了表面极化对此参量的影响. 结果表明, 指向矢最大倾角的位置随表面极化的增大将远离中央平面向基板移动. 一级转变饱和电压随弱锚定基板表面极化的增大而减小, 随强锚定基板表面极化的增大而增大. 而对二级转变, 饱和电压随表面极化的变化与一级转变恰恰相反. 本文所得结论对液晶表面物理的理解及液晶实际应用都具有重要的指导意义.
2012, 61 (15): 156103.
doi: 10.7498/aps.61.156103
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采用改进的Hummers 法, 以石墨粉为原料制备氧化石墨, 然后使用微波还原法制备石墨烯, 最后以石墨烯作为负极材料组装锂离子电池. 系统的研究了高温氧化阶段中温度对氧化石墨的氧化程度、石墨烯的还原程度和比表面积以及锂离子电池性能的影响. 利用场发射扫描电镜(FESEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、BET测量仪对氧化石墨和石墨烯的微观结构及比表面积等进行测试和表征. XRD, XPS及电化学测试的结果显示当高温阶段氧化温度为90℃时, 氧化石墨的氧化程度最高, 相应的石墨烯也具有最高的还原程度和最大的比表面积423.2 m2/g, 同时石墨烯锂离子电池也具有更好的性能: 首次放电比容量为1555.5 mAh/g, 充电容量为1024.6 mAh/g, 其循环放电比容量达到600 mAh/g.
2012, 61 (15): 156201.
doi: 10.7498/aps.61.156201
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利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察研究了[4 18 41]单滑移取向铜单晶体在不同塑性应变幅下的疲劳饱和位错结构及其在不同温度等时退火条件下的热稳定性. 结果表明, 在退火温度为300℃时, 疲劳位错结构(如脉络结构、驻留滑移带PSB楼梯结构、PSB胞结构和迷宫结构等)均发生了明显回复. 当退火温度高于500℃, 上述这些疲劳位错结构基本消失, 均发生了明显的再结晶现象, 并大都伴随有退火孪晶的形成. 分析认为, 再结晶的发生和退火孪晶的出现不仅与退火温度和外加塑性应变幅有关, 还与累积循环塑性应变量有着密切的关系.
2012, 61 (15): 156202.
doi: 10.7498/aps.61.156202
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利用平板撞击和激光干涉测试技术对100 LiF在40 GPa内的冲击力学和光学特性进行了精密实验测量和理论分析. 获得了该压力范围内LiF的冲击雨贡纽关系和1550 nm波长下的窗口速度修正, 为相关加窗激光干涉测速实验的数据分析提供了直接依据. LiF在20.3 GPa内均表现出弹性-塑性双波特性, 预计其单波响应冲击压力下限约为2223 GPa; 低于此压力时, 以LiF为窗口的精密剖面测量实验需考虑其强度影响.
2012, 61 (15): 156601.
doi: 10.7498/aps.61.156601
摘要 +
为了认识储氚高压容器壁材料的力学性能变化及其导致的容器承载能力变化, 必须研究储氚期间, 容器壁中氚和氦-3浓度的空间分布和随时间的变化. 针对容器外表面为一般传质边界条件和容器内部氚为范德瓦尔斯气体的情况, 同时考虑容器腔内和容器壁中氚的衰变和扩散, 建立求解储氚高压容器壁中氚和氦-3浓度的解析理论模型, 导出了氚和氦-3浓度的理论公式. 通过解析计算给出了器壁中氚和氦-3浓度随外表面传质系数的变化曲线和浓度的时空变化曲线, 提出了氦-3浓度的2 1 + 2 / 2倍定律, 即处于开放空间的储氚球形高压容器, 器壁中氦-3的浓度呈内高外低的分布, 时间越长, 浓度沿径向的梯度越大, 在时间足够长时, 各处浓度逼近时间无限长时的最终值, 也就是各处的最大值, 内表面处的最大值是该处氚初始时刻浓度的2 1 + 2 / 2倍, 这里 1 和 2 为与氚的范德瓦尔斯常数相关的参数. 研究结果为储氚高压容器的强度安全性评估提供了前提.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (15): 157201.
doi: 10.7498/aps.61.157201
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利用非平衡格林函数方法, 研究了与单个量子点耦合的量子点双链中电子自旋极化输运性质. 由于系统中Rashba自旋轨道耦合产生的自旋相关的相位, 电子通过上下两种路径时, 自旋不同的电子干涉情况不同, 从而导致了电极中的自旋极化流. 左右两电极间的偏压使单个量子点中的自旋积聚在很大能量区域内能够保持较大的值. 由于系统结构的左右不对称, 正负偏压下自旋积聚情况完全不同. 这些计算结果将有助于实验上设计新型的自旋电子学器件.
2012, 61 (15): 157301.
doi: 10.7498/aps.61.157301
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利用第一性原理的方法研究了在ZnO非极性表面和极性表面的不同原子层中, 分别用Li原子去替位Zn原子(记为LiZn)后的相对稳定性和热离化能. 计算结果表明LiZn处于ZnO表面区域时的稳定性优于在ZnO体中时的稳定性, 并且LiZn在表面区域的热离化能要比它在体结构中的热离化能大很多, 于是, ZnO表面效应的存在会使Li掺杂的ZnO薄膜材料的p型导电能力大幅度降低. 这个结果对低维ZnO体系p型掺杂有着重要的指导意义. 我们进一步发现, 在不同的ZnO表面区域里LiZn的热离化能会表现出很大的差异是源于不同的表面具有不同的静电势分布.
2012, 61 (15): 157401.
doi: 10.7498/aps.61.157401
摘要 +
本文运用了唯象的Ginzburg-Landau 理论研究了介观薄圆环的间隙性超导, 给出了在外磁场作用下超导圆环出现间隙性超导现象的尺寸相图. 这种间隙性超导现象只出现在尺寸小圆环中, 而且是超导圆环区别于超导圆盘的一个特征.
2012, 61 (15): 157501.
doi: 10.7498/aps.61.157501
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基于传递矩阵方法和光局域化原理, 本文研究了一维反铁磁光子晶体共振频率附近光学双稳态效应随电磁波入射角、 外磁场强度及电介质层数的变化.研究发现, 当外磁场为1.0 kG(1 G=10-4 T)、电磁波小角度入射时, 反铁磁材料高低共振频率附近均可探测到光学双稳态效应; 当电磁波大角度入射时, 仅在高共振频率附近探测到光学双稳态效应. 然而, 当外磁场强度增加到2.0 kG时, 由于反铁磁材料的高低共振频率向两侧移动, 低共振频率附近缺失的光学双稳态频率窗口又被有效激发. 此外, 电磁波小角度入射时, 电介质层数在低共振频率附近对双稳态效应影响较明显.
2012, 61 (15): 157502.
doi: 10.7498/aps.61.157502
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本文通过铜模吸铸法和单辊甩带法分别制备出一系列楔形试样和非晶条带试样, 系统研究了稀土金属Y对Fe78Si9B13合金非晶形成能力及其软磁性能的影响. 结果表明, 少量Y取代 Fe-Si-B 非晶合金中的Fe 可大大提高该合金的非晶形成能力并促进过冷液相区的产生. 当Y含量为3 at.%时, 合金具有最大的非晶形成能力, 其临界厚度为313 μm, 相应的非晶过冷液相区宽度达到65 K. 该系列非晶合金具有优良的软磁性能, 其矫顽力(Hc)均低于200 A/m, Y含量为1 at.%时, 饱和磁感应强度(Bs) 达到最大值1.67 T.
2012, 61 (15): 157503.
doi: 10.7498/aps.61.157503
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采用固相反应烧结法制备了Co掺杂ZnO的粉末和压片样品. XRD衍射表明样品中Co2+离子取代Zn2+离子进入了ZnO晶格中. 在室温下样品均表现为顺磁性, 利用密度泛函理论(DFT+U)方法计算得到的Co2Zn14O16体系反铁磁基态更稳定, 并通过Co, O原子电子迁移变化, 表明了CoZnO体系中磁性机理更倾向于Co2+O2-Co2+成键的间接交换作用模型. 改进了安德森模型中的直接交换积分Jpd公式. 提出两个可能的途径来实现具有本征铁磁性氧化物半导体.
2012, 61 (15): 157701.
doi: 10.7498/aps.61.157701
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为进一步揭示硫系玻璃基掺Er3+微结构光纤对于中红外波段信号的放大特性, 采用熔融淬火法研制了Er3+离子掺杂的Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃, 测试了玻璃样品的吸收光谱和2.7 m波段荧光光谱, 利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg理论分别计算得到了Er3+离子的辐射跃迁概率、辐射寿命以及2.7 m波段受激发射截面. 在此基础上, 建立了一个980 nm抽运下该玻璃基掺Er3+微结构光纤2.7 m波段中红外信号的放大模型, 理论上研究了其作为2.7 m波段中红外信号增益介质时的光放大特性. 结果显示, 硫系玻璃基掺Er3+微结构光纤具有优异的高增益和宽带放大品性. 在200 mW抽运功率激励下的100 cm光纤长度上, 最大小信号增益超过了40 dB, 高于30 dB信号增益的放大带宽达到了120 nm (26962816 nm). 研究表明, Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃基掺Er3+微结构光纤是一种理想的可应用于2.7 m波段中红外宽带放大器的增益介质.
2012, 61 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.61.157801
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本文采用热蒸发法制备得到纳米Ag颗粒作为增强拉曼衬底, 利用入射光子与纳米颗粒表面价电子的相互作用机理, 激发出高能表面等离子激元, 其表面等离子形成的高能"热点"起到表面增强拉曼散射效果. 通过比较不同入射光强下的拉曼峰强, 指出纳米Ag颗粒的增强拉曼散射效果可以实现低探测光强下的高散射强度, 即纳米Ag颗粒的表面等离子激元具有非线性的表面增强拉曼散射效果, 可降低对样品的光、热损伤, 以利于拓展拉曼散射光谱的应用范围. 同时比较不同纳米Ag颗粒衬底的表面增强拉曼散射效果表明, 采用的热蒸发工艺具有较大的工艺域度, 具有较强的工艺兼容性.
2012, 61 (15): 157802.
doi: 10.7498/aps.61.157802
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本文探讨了 -Al2O3:C晶态粉体的辐照剂量效应, 使用RisTL/OSL-DA-15 型热释光和光释光仪研究其热释光和光释光特性, 结果发现, 相同粒径的-Al2O3:C晶态粉体具有单一热释光峰, 且随着辐照剂量的增加热释光强度不断增加, 但热释光峰位置保持不变, 符合一级动力学模型; 而在相同的辐照剂量和测试条件下, 随着 -Al2O3:C晶态粉体粒径的减小, 其热释光强度先增强后减弱, 热释光峰却逐渐增加至趋于稳定, 表明粒度为4060 m的 -Al2O3:C晶态粉体具有最佳的热释光效应. 同时 -Al2O3:C晶态粉体的光释光特性的研究发现, 其光释光曲线具有典型的指数衰减特征, 粒径对其光释光强度和衰减速率的影响符合浅电子陷阱能级理论.
2012, 61 (15): 157803.
doi: 10.7498/aps.61.157803
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本文采用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-PECVD)技术在单晶硅衬底上沉积了两个系列的硅薄膜. 通过对样品进行固定角度椭圆偏振测试, 结果表明第一个系列硅薄膜为非晶硅, 形成了突变的a-Si:H/c-Si异质结构, 此结构在HIT电池中有利于形成好的界面特性, 对于非晶硅薄膜采用通常的Tauc-Lorentz摇摆模型(Genosc)拟合结果很好; 第二个系列硅薄膜为外延硅, 对于外延硅薄膜, 随着膜厚增加晶化率降低, 当外延硅薄膜厚度为46 nm时开始非晶硅生长. 对于外延硅通常采用EMA模型(即将硅薄膜体层看成由非晶硅和c-Si构成的混合层)拟合结果较好, 当硅薄膜中出现非晶硅生长时, 将体层分成混合层和非晶硅两层, 采用三层模型拟合结果很好. 本文证实了椭偏光谱分析采用不同的模型可对单晶硅衬底上不同结构的硅薄膜进行有效表征.
2012, 61 (15): 157804.
doi: 10.7498/aps.61.157804
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采用磁控溅射法制备了富硅氧化硅薄膜, 然后分别经过一步热处理、两步热处理和快速热处理制备了镶嵌有硅纳米晶的氧化硅薄膜. 实验结果表明, 在硅含量为～ 42.63 at.%的富硅氧化硅薄膜中, 三种热处理均能形成1012/cm2量级的硅纳米晶. 其中在两步热处理中, 硅纳米晶的密度最高, 达到2.2× 1012/cm2, 并且尺寸均匀、结晶完整性好; 一步热处理后的样品中, 硅纳米晶密度较低, 并且部分纳米晶结晶不充分; 快速热处理后的样品中, 硅纳米晶密度最低、尺寸分布不均匀, 并且存在孪晶结构. 分析认为, 热处理初始阶段的形核过程对纳米晶的密度及微观结构有着重要的影响, 两步热处理中的低温段促进了纳米晶的成核, 有助于形成高密度高质量硅纳米晶.
2012, 61 (15): 157805.
doi: 10.7498/aps.61.157805
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通过对二维正方晶格光子晶体线缺陷模色散曲线慢光特性的研究, 利用外电场对液晶分子取向的调控作用, 在填充液晶的正方晶格波导的马赫-曾德尔干涉仪结构中实现了开关和强度调制等功能. 利用平面波展开法计算了光子晶体波导的线缺陷模, 分析了液晶折射率的变化对缺陷模的影响. 计算表明, 液晶折射率仅改变了0.1, 线缺陷模有效折射率改变达0.168, 该特性可以更为有效地实现对相位的控制, 进而实现高消光比开关和强度调制功能, 这种高效的相位调节器件在集成光系统中将有很好的应用前景.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (15): 158201.
doi: 10.7498/aps.61.158201
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为抑制环氧树脂绝缘的表面电荷积累、研究处理时间对表面电荷积累的影响, 使用氟/氮混合气在实验室反应釜中对环氧试样进行了不同时间(10 min, 30 min和60 min)的表面氟化处理. 衰减全反射红外分析与SEM断面和表面观察表明随氟化时间的增加, 氟化层的氟化度和厚度增大, 表面微观粗糙度降低、表面组织变得致密. 与开路热刺激放电电流测量所表明的、未氟化(原)试样有深的表面电荷陷阱和稳定的表面电荷相比, 这些氟化试样的表面不能存储电荷. 沉积在它们表面上的电晕电荷于室温下分别约在2 min, 10 min和15 min内快速衰减为零, 展现随氟化时间的延长而减慢的电荷释放速率. 表面电导率和接触角测量及表面能计算表明氟化引起表面电导率和表面润湿性与极性的显著增加, 但它们随氟化时间的延长而减小. 氟化试样表面电导率的显著增大归因于表面电荷陷阱的非常可能的实质变浅和表面吸附的水分. 表面充电电流测量进一步地表明, 与原试样几乎为零的稳态表面电流相比, 这些氟化试样在连续充电期间显现大的稳态表面电流. 这意味着这些氟化试样在充电期间比原试样有少得多的表面电荷积累.
2012, 61 (15): 158202.
doi: 10.7498/aps.61.158202
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本文首先研究了时空调制对可激发介质中周期螺旋波波头动力学行为的影响. 随着时空调制的增大, 螺旋波经历了周期螺旋波、外滚螺旋波、旅行螺旋波和内滚螺旋波的显著变化. 通过定义序参量来定量的描述由时空调制引起的螺旋波在不同态之间非平衡跃迁的临界条件, 及漫游螺旋波波头圆滚圆半径随调制参数的变化情况. 当时空调制增大到某个临界值时, 螺旋波发生了破碎; 再增加时空调制, 螺旋波则发生了衰减, 系统最终演化为空间均匀静息态. 在文中给出了螺旋波发生破碎和衰减的机理和原因. 最后将时空调制方法运用于漫游螺旋波, 实现了将漫游螺旋波控制成周期螺旋波, 或将其控制为空间均匀静息态.
2012, 61 (15): 158203.
doi: 10.7498/aps.61.158203
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利用改进的描述单个心肌细胞内钙信号的离散的fire-diffuse-fire模型和相分析方法, 模拟研究了钙火花随机释放特性对钙离子螺旋波的诱导激发作用, 研究结果表明, 适当频率的钙火花可以在静息心肌细胞中诱导产生钙离子螺旋波; 时序和空间不同的钙火花引起的相奇点的出现, 是产生螺旋波的关键; 系统相奇点的个数与钙火花频率相关, 并且对于固定系统有极限值.
2012, 61 (15): 158301.
doi: 10.7498/aps.61.158301
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沙尘暴和尘卷风等风沙运动的静电场是空气流场中沙粒间的碰撞摩擦带电及沙粒粒径的分层效应引起的, 本文耦合沙粒摩擦荷电模型和风沙运动气固两相流模型, 提出了离散单元法与计算流体动力学结合的数值方法. 数值模拟计算表明电荷呈中性的沙粒临界直径为300 μm; 在充分发展的水平风沙流中, 细小的沙粒带负电, 较大直径的沙粒带正电, 所模拟的沙粒带电的荷质比及水平风洞试验段的电场强度与实验测量值一致, 验证了风沙运动的电场-流场耦合模型及数值计算方法的合理性. 本文基于沙粒摩擦荷电机理的风沙运动气固两相流模型提供了理解风沙运动静电场产生的一种物理机理.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (15): 159201.
doi: 10.7498/aps.61.159201
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地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题. 本文利用黄土高原陆面过程试验(LOPEX)资料, 在将垂直感热平流项引入地表能量平衡方程的基础上, 估算了空气热储存和光合作用储存的大小, 并分别用水分守恒关系和两层土壤温度方法计算了浅层土壤水分垂直通量, 考察了空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对地表能量平衡的影响.结果表明: 黄土高原区自然植被下垫面的空气热储存、光合作用储存和土壤水分垂直运动热量输送平均日变化峰值分别达到1.5, 2.0和7.9 Wm-2; 在能量平衡方程中引入这三项后, 地表能量闭合度由88.1%提高到89.6%. 空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对于改善黄土高原地表能量不平衡状况有一定作用, 研究区域的半干旱气候背景和植被状况是导致各热储存量与其他试验区存在差异的根本原因.
2012, 61 (15): 159202.
doi: 10.7498/aps.61.159202
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西藏羊八井宇宙射线观测站的中子监测器主要探测宇宙射线次级粒子中能量在500 MeV20 GeV的核子成分和少量的负子成分. 本文分析了20082010年观测站附近发生的62次雷暴期间中子监测器和大气平均电场仪的同步观测资料, 发现27次雷暴期间中子监测器计数率发生明显变化, 显著性S5, 其中13次变化显著, 显著性S10 . 显著性S10的13次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间存在大体一致的变化趋势, 而显著性在5 S10之间的14次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间不存在相似的变化趋势. 较强雷暴当顶时中子监测器计数率变化一般不明显, 而中子监测器计数率变化明显的个例则多发生于雷暴云不当顶, 但探测器仍处于雷暴云下部正电荷层的控制范围之内时, 或者当顶雷暴处于形成或消散阶段. Dorman等把雷暴期间中子监测器计数率的变化归因于雷暴云内电场对宇宙射线次级粒子子的作用, 并建立了雷暴期间中子监测器计数率变化与雷暴地面电场相关联的理论. 本文分析发现雷暴期间羊八井中子监测器计数率变化与地面电场场强之间相关性较小或者没有相关性, 不支持Dorman的理论.
2012, 61 (15): 159203.
doi: 10.7498/aps.61.159203
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采用文氏谱模型描述近海海洋动力环境海面的粗糙特征, 并运用海浪谱理论得到风速和均方根高度偏差的关系. 进而应用修正的离散混合傅里叶变换方法和改进的雷达散射系数模型分别计算了电磁波传输损耗和雷达散射系数. 在此基础上, 通过数值计算分析了风浪因素对海洋波导环境雷达回波功率值的影响. 结果表明, 风浪因素对不同观测高度处的传输损耗的影响均不大; 风浪因素对雷达回波功率有显著影响, 并且相对于传输损耗, 雷达散射系数项受风浪因素影响较大因而导致较大的雷达回波功率的变化.
