Vol. 61, No. 18 (2012)
2012年09月20日
总论
2012, 61 (18): 180101.
doi: 10.7498/aps.61.180101
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针对极化分集多输入多输出系统的传统统计模型存 在着对不同极化方向上的功率变化设置不合理的问题, 提出一种功率矩阵对其进行纠正; 对采用不同分集方式的多输入多输出系统信道建模的原理进行分析, 提出对功率矩阵和相关矩阵进行复合计算的方法, 建立了一种适用于任意分集方式多输入多输出系统的统计信道模型, 该模型能够确切反映出同时受到距离分集和极化分集影响的多输入多输出系统之统计特征.
2012, 61 (18): 180201.
doi: 10.7498/aps.61.180201
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针对薄板弯曲大变形问题, 运用变分原理, 建立了薄板弯曲大变形问题的高阶非线性偏微分方程. 运用有限差分法和动态设计变量优化算法原理, 以离散坐标点的上未知挠度为设计变量, 以离散坐标点的差分方程组构建目标函数, 提出了薄板弯曲大变形挠度求解的动态设计变量优化算法, 编制了相应的优化求解程序. 分析了具有固定边界、均布载荷下的矩形薄板挠度的典型算例. 通过与有限元的结果对比, 表明了本文求解算法的有效性和精确性, 提供了直接求解实际工程问题的基础.
2012, 61 (18): 180202.
doi: 10.7498/aps.61.180202
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在高次模回旋管中, 模式竞争是亟待解决的问题. 本文基于广义传输线理论, 得到能准确描述缓变结构谐振腔模式耦合的一阶传输线方程组; 通过分析耦合系数, 优化得到了一种新型光滑渐变(缓变)谐振腔. 与直线连接的(折变)谐振腔相比, 该腔体有更强的模式抑制能力, 腔中非工作模式归一化幅值可达-100 dB, 输出行波段非工作模式归一化幅值可达-88.6 dB.
2012, 61 (18): 180301.
doi: 10.7498/aps.61.180301
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研究由耦合腔和四个全同的二能级原子构成的系统中三体纠缠态纠缠量的演化. 四个原子分别囚禁在单模耦合腔A和B中, 并且原子通过单光子跃迁与腔场发生共振相互作用. 采用纠缠张量方法, 通过数值计算研究了每个腔中三体纠缠的演化. 讨论了原子与腔场间的耦合强度对三体纠缠演化的影响. 研究结果表明: 原子与腔场间的两体纠缠强于原子间的两体纠缠, 每个腔中的三体纠缠是两体纠缠相干叠加的结果.
2012, 61 (18): 180302.
doi: 10.7498/aps.61.180302
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基于超导传输线和超导量子比特相互耦合的电路量子电动力学(quantum Electrodynamics, QED)系统, 是目前固态量子信息领域的一个倍受关注的物理系统, 也是研究量子测量和量子控制的理想实验平台. 由于其中涉及的驱动场和超导传输线谐振腔支持的光子频率都在微波区, 在量子测量和量子控制研究中往往遇到 大量光子数引起的状态空间维数过大带来的数值模拟方面的困难. 为了避免这个困难, 往往采取"消除"光子自由度的办法, 建立一个只保留量子比特状态自由度的有效描述方案. 本文通过对单比特的量子测量动力学的数值模拟, 检验了 "绝热消除"和"极化子变换"两种方案的适用条件. 结果表明, 在量子非破坏(quantum non-demolition, QND) 测量情况下, 极化子变换精确适用于 任意驱动强度和任意(光子)泄漏速率微腔; 但在非QND测量情况下, 极化子变换相对通常的绝热消除方案, 并无优势. 在强泄漏微腔和弱耦合情况下, 两种消除光子自由度的方法都可以较好地描述 测量动力学; 但如果微腔光子泄漏速率不是很大或量子比特与微腔耦合较强, 则需要纳入光子自由度做完整模拟, 此时的量子测量属性是一个尚待研究的课题.
2012, 61 (18): 180303.
doi: 10.7498/aps.61.180303
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运用双势阱模型通过调节费米-费米散射长度研究了超流费米气体在幺正极限区域的隧穿现象. 研究发现费米-费米散射长度对量子隧穿效应有显著的影响. 在确定的区域, 可以得到在双势阱中完全的量子隧穿现象, 而在另一些区域, 这种隧穿就完全消失. 由于在实验室中超流费米气体的散射长度是可以调节的, 所以在实验上可以实现通过调节散射长度来控制超流费米气体的宏观隧穿现象.
2012, 61 (18): 180501.
doi: 10.7498/aps.61.180501
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推导了分数阶线性振子系统响应的一阶稳态矩的频率不变性和相移特性, 并通过理论分析得出, 在随机共振机制下, 分数阶线性振子对系统响应一阶稳态矩的幅值具有放大作用. 构造Duffing混沌振子检测器, 利用混沌系统对参数摄动的敏感性以及对噪声的免疫能力实现弱信号检测. 数值模拟证实, 该方法可以有效地从噪声背景中将微弱正弦信号检测出来, 并且相对传统的混沌检测方法能显著降低信噪比检测门限.
2012, 61 (18): 180502.
doi: 10.7498/aps.61.180502
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微弱谐波信号的灵敏检测具有重要的实际应用意义, 本文利用受控Chen系统来实现强噪声背景下的这种检测. 因动力系统可分解为慢变系统与快变系统的叠加, 这里用平均法对检测系统进行处理得到慢变系统, 并获取使系统由周期轨道突变为稳定平衡点的检测参数临界值. 通过调节检测参数, 观测系统状态变量的变化可判断待测信号是否存在. 仿真结果表明, 此方法可以准确检测出强噪声背景下的微弱谐波信号. 与目前其他基于混沌振子的检测方法相比, 该方案对噪声具有更强的免疫性, 而且可通过理论分析得出检测参数阈值的准确范围, 有利于在相关领域推广应用.
2012, 61 (18): 180503.
doi: 10.7498/aps.61.180503
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研究了带有未知外部扰动的不同多涡卷混沌系统修正函数时滞投影同步问题. 基于Lyapunov稳定性理论, 采用模糊自适应控制的方法设计自适应同步控制器及参数的更新规则. 该控制器在实现混沌系统修正函数时滞投影同步的同时对外界扰动的变化能保持较好的稳定性. 数值仿真的结果进一步验证了该方法的有效性.
2012, 61 (18): 180504.
doi: 10.7498/aps.61.180504
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手机的普及使得个人信息安全问题受到广泛关注, 其中手机短信息的安全性尤为重要. 本文致力于设计实现手机短信息加密与安全传输的硬件系统, 采用混沌A5/1混合算法, 提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的手机短信息加密系统设计方案. 使用由Logistic混沌序列做初始密钥而改进的A5/1混合算法作为加密算法, 分析其伪随机性并证明圆周相关与线性相关的关系; 采用SIM300模块设计实现手机功能, 仿真普通手机短信息和加密短信息的传输; 开发一套软件测试平台, 可以在计算机上呈现硬件系统的测试结果. 经测试表明, 本文提出并实现的硬件系统可以加密手机短信息并保证其正常传输, 从而提高了手机短信息的安全性.
2012, 61 (18): 180505.
doi: 10.7498/aps.61.180505
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利用改进的 Riccati方程映射法和变量分离法, 得到了扩展的(2+1)维浅水波方程的变量分离解(包括孤波解, 周期波解和有理函数解). 根据得到的孤波解, 构造出了方程的几种不同形状的尖峰孤子结构, 研究了孤子的相互作用.
2012, 61 (18): 180506.
doi: 10.7498/aps.61.180506
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以受迫Holmes-Duffing系统为研究对象, 对系统施加时滞速度反馈控制, 研究周期激励引起的系统安全域的分形侵蚀及时滞速度反馈对分形侵蚀安全盆的控制作用. 利用Melnikov函数法给出时滞受控系统的安全盆的边界分形条件. 再以时滞量为变参数, 运用四阶Runge-Kutta方法和点映射方法数值研究了时滞对受控系统安全盆的影响规律. 结果表明在弱反馈下, 时滞量的增大能够提高安全盆边界分形的阈值, 从而抑制安全盆的分形侵蚀. 说明时滞速度反馈能够有效抑制系统的安全盆侵蚀.
2012, 61 (18): 180601.
doi: 10.7498/aps.61.180601
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利用光纤飞秒光频梳和外腔可调谐半导体激光器, 建立了一套双频He-Ne激光器频率测量系统. 选用铷钟作为系统的频率基准, 通过将外腔半导体激光锁定至光频梳使得其频率溯源至铷钟, 再利用外腔可调谐半导体激光与双频He-Ne激光器输出的正交偏振激光拍频, 同时测量两路正交偏振激光频率. 将可调谐半导体激光器锁定至光频梳第1894449个梳齿, 其绝对频率为473612190000.0±2.7 kHz, 相对不确定度为5.7×10-12. 对商品双频He-Ne激光器进行频率测量实验, 双频He-Ne激光器水平方向偏振激光频率均值为473612229934 kHz, 竖直方向偏振激光频率均值为473612232111 kHz, 平均时间为1024 s的相对Allan标准差为5.2×10-11, 频差均值为2.177 MHz, 标准偏差为2 kHz.
2012, 61 (18): 180701.
doi: 10.7498/aps.61.180701
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为在能量天平动圈位移测量中实现大范围纳米精度法-珀干涉绝对距离测量, 提出了声光移频器双通道配置, 实现了调谐范围为200 MHz的可调谐频差. 通过分析声光移频器调制带宽与衍射效率的平衡与入射光束聚焦透镜的关系, 确定透镜的最佳焦距范围; 利用零级光斑分布特点准确定位入射光束, 保证一级衍射光束质量. 声光移频器在调制带宽内的实验单通道和双通道峰值衍射效率分别为79.54%, 61.41%; 声光移频器双通道配置输出的一级衍射光束与入射本征光束的拍频范围为440-640 MHz, 是单通道调制带宽输出220-320 MHz的两倍, 信噪比好. 理论分析表明, 声光移频器双通道配置方法实现的可调谐频差可测量腔长变化范围约为53 mm的折叠法-珀腔.
核物理学
2012, 61 (18): 182101.
doi: 10.7498/aps.61.182101
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纳秒激光与团簇相互作用产生高价离子逐渐成为分子物理界的热点之一, 为了深入研究团簇电离的本质, 本文以分子结构相似、元素组成相同的苯、环己烯和环己烷的分子团簇为对象, 利用飞行时间质谱研究了其与5 ns的532 nm激光相互作用时电离产物的价态和强度分布. 结果表明: 这三种化合物多光子电离效率苯>环己烯>环己烷, 但其高价离子的价态和比值苯是最低的, 环己烷的碳离子最高价态为4价, C3+和C2+的比值为1.1; 环己烯电离产物C3+和C2+ 的比值降低为0.6; 苯团簇的最高价态只有3价, C3+和C2+的比值约为0.4. 引起这种现象的原因可以归结于高的多光子电离效率会导致团簇多位点的电离, 引起团簇在电子加热到发生碰撞电离之前发生解离, 减小了团簇的尺寸, 进而减少了离子发生碰撞电离产生高价离子的反应时间, 最终阻碍了高价态离子的产生.
原子和分子物理学
2012, 61 (18): 183101.
doi: 10.7498/aps.61.183101
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利用第一性原理方法系统研究了不同应 变模式对LiMnO2和Li2MnO3输出电压的影响, 建立了输出电压与弹性常数及应变之间的关系. 发现所有应变对输出电压都是降低的, 且应变效应是各向异性的. 大部分的单轴应变5%时对输出电压的降低都小于0.1 V. 由于层状的电极材料层间的键合作用较弱, 且受脱锂后形成的锂空位影响较大, 当从锂层脱出锂时, 垂直于层方向的应变对输出电压影响较大; 而对Li2MnO3系统从过渡金属层中脱锂时, 平行于层的应变对输出电压影响更大. Li2MnO3骨架支撑的层状固溶体系中, 应变使高电压充电阶段的电压维持在截断电压之下, 并打开过渡金属层中锂的迁移通道, 产生较为持久的充电而可能获得较大的充电容量.
2012, 61 (18): 183201.
doi: 10.7498/aps.61.183201
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为了研究基片边缘对激光汇聚原子光学势阱的影响, 基于标量光学理论, 采用数值计算对基片衍射与否两种情况下, 高斯激光驻波场光学势阱进行了仿真, 通过三维和截面仿真图充分显示了两种情况下高斯激光光学势阱的异同. 详细研究了激光中轴线与基片表面距离、 激光束腰和反射镜之间的距离对光学势阱的影响.
2012, 61 (18): 183301.
doi: 10.7498/aps.61.183301
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利用飞行时间质谱探测了由磁光阱中的俘获光和 再泵浦光光缔合作用形成的超冷基态铯分子, 研究了微通道板工作电压、加速电场强度和加速电场持续时间对铯分子离子信号强度的影响. 实验结果与理论模型的拟合一致; 获得了适合实验条件的最优化实验参数, 为进一步研究超冷分子的光缔合光谱和光电离光谱奠定了实验基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (18): 184101.
doi: 10.7498/aps.61.184101
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设计了一种基于超材料电磁特性的吸波体, 并将其应用于波导缝隙天线. 该吸波体是由两层金属及其中间的有耗介质组成, 上层金属是由刻蚀交叉缝隙的贴片形成的电谐振器, 下层金属不刻蚀, 作为整个金属地板. 通过优化结构参数, 得到了一种极化不敏感、宽入射角的超薄吸波体, 吸波率达到99.1%, 厚度只有约0.01λ. 将该吸波体应用与波导缝隙天线, 在5.48-5.7 GHz工作频段内, 天线雷达散射截面减缩都在3 dB以上, 在鼻锥方向的-25°-+25°范围的角度上, 天线雷达散射截面减缩均在5 dB以上, 雷达散射截面减缩最大超过12 dB, 而天线前向增益仅降低了0.53 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好, 证实了该吸波体具有好的天线雷达散射截面减缩效果, 可以应用于天线目标的隐身.
2012, 61 (18): 184201.
doi: 10.7498/aps.61.184201
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光学频率梳的高精度光谱整形在微波光子学、光谱学及通信光学等学科领域具有广泛应用. 为了描述和评价光学频率梳光谱整形系统的光谱分辨精度, 使用光线追迹的方法对单光栅、平行光栅对、单光栅透镜变换和反平行光栅 对透镜变换四种结构的空间色散能力进行了理论建模和分析, 得到了输出面上不同波长的光斑间距和光斑大小, 设立判据得到系统的光谱空间分离能力. 计算结果表明, 使用后面两种色散结构更容易实现高精度光谱分离和整形; 波长较长、纵模间距较大、光斑尺寸较大的光学频率梳更适合作为光谱整形系统的光源; 光栅刻线密度高、入射角小、多次通过色散系统有利于得到更高的光谱分辨精度. 本文的分析和计算过程具有普遍适用性, 对基于光学频率梳的高精度光谱整形系统的实验和评价具有指导意义.
2012, 61 (18): 184202.
doi: 10.7498/aps.61.184202
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基于Delta-P1近似漫反射光学模型, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射解对于Henyey-Greenstein散射相函数的二阶参量的灵敏度表达式, 研究了参量对漫反射分布的影响. 研究表明, 与漫射近似模型相比, Delta-P1近似漫反射光学模型不仅含有散射相函数的二阶参量, 而且在弱吸收或强吸收的情况下, 参量对于光源附近(1.0 mm)的空间分辨漫反射都存在较大的影响(极值大于30%). 因此利用研究漫反射光分布对于获取组织光学信息具有重要的意义.
2012, 61 (18): 184203.
doi: 10.7498/aps.61.184203
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首先建立大尺度分层介质粗糙面散射的物理模型, 基于Stratton-Chu积分方程和Kirchhoff近似导出了粗糙面散射场的计算公式. 采用高斯随机粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面, 通过数值计算得到了正下视单站雷达接收到的后向散射回波. 理论推导了散射场强度与表面粗糙度之间的定量关系, 并从数值仿真的角度分析了表面和次表面的粗糙度对散射回波的影响, 给出了散射场随粗糙度变化的曲线. 最后考察了分层介质的电特性参数(介电常数和电导率)对分层粗糙面散射场的影响, 并对计算结果做出了分析.
2012, 61 (18): 184204.
doi: 10.7498/aps.61.184204
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通过采用减低转速的办法测得的锁区值推算出的随机游走比用Allan方 差方法拟合的随机游走要大很多. 为了解释这一问题, 建立了动态刻蚀光栅模型, 与以往的研究不同, 本文认为刻蚀光栅效应不只在驻波状态下发生, 在行波状态下也会存在, 而且与拍频频率呈现动态响应的关系. 这种模型得出了锁区随着转速的降低而不断增大的结论, 解释了长期以来困扰激光陀螺研究者的一些问题.
2012, 61 (18): 184205.
doi: 10.7498/aps.61.184205
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以双中心模型为基础, 理论研究了LiNbO3:Cu:Ce晶体在稳态情况下的非挥发双光双步全息存储性能. 研究中考虑了在晶体深能级中心Cu+/Cu2+ 与浅能级中心Ce3+/Ce4+ 之间由隧穿效应引起的电荷直接交换过程. 结果表明, 总的空间电荷场大小主要由深能级上的空间电荷场所决定, 并且非挥发全息存储性能主要由隧穿效应引起的深能级中心Cu+/Cu2+ 与浅能级中心Ce3+/Ce4+ 之间的电荷直接交换过程所决定. 与隧穿效应相关的材料参数对于非挥发双光双步全息存储的性能起到了至关重要的作用.
2012, 61 (18): 184206.
doi: 10.7498/aps.61.184206
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通过考察耗散光学腔中少光子数叠加态的Wigner函数随时间 的变化行为, 揭示其非经典特性的动力学演化. 结果表明, 初始时Wigner函数为负的少光子数叠加态, 在耗散过程中其负性逐渐减小 直至消失, 并最后达到一个稳定的正值. 但这并不意味着耗散量子态非经典特性的完全消失. 实际上, 作为非经典特性的另一个重要参量, 光子的二阶关联函数g(2)(0) (g(2)(0)g(2A)(0)却是一个随着耗散而改变的物理参量, 从而可以用于描述光学微腔中光量子态的耗散动力学行为. 最后, 我们给出一个在实验上如何制备少光子数叠加态并对其Wigner函数进行探测的方案.
2012, 61 (18): 184207.
doi: 10.7498/aps.61.184207
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利用数值计算结果, 研究了具有自发辐射诱导相干的开放V 型三能级原子系统中的传播效应. 研究表明: 改变探测场和驱动场之间的相对位相对无反转激光(LWI)增益和 强度随传播距离的变化即空间演化具有重要的影响; 而原子的注入速率比(S)和退出速率(r0)的改变将对位相相关的LWI增益和强度的空间演化产生明显的调制作用. 在S(r0)的一定取值范围内, S(r0)的值越大, LWI增益和强度越大且强度达到极大值需要的传播距离越长; 相应封闭系统中LWI增益和强度的最大值及能产生增益的传播距离都小于开放系统. Doppler效应对LWI增益和强度的空间演化也具有明显的影响, 存在Doppler效应时得到的LWI增益和强度明显小于无Doppler效应时的值.
2012, 61 (18): 184208.
doi: 10.7498/aps.61.184208
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基于微光学技术设计得到了偏振稳定垂直腔面发射激光器结构, 将亚波长光栅结构集成在上分布布拉格反射镜表面, 光栅周期小于材料中光波长, 透射波和反射波中仅包含零级衍射, 避免了高级次衍射造成 的损耗. 集成光栅后不同偏振方向光阈值增益不同, 从而实现偏振控制. 实验结 果显示, 集成亚波长光栅结构后, 整个激射过程中偏振方向被固定在平行于光栅槽方向上, 获得偏振稳定激光输出, 正交偏振抑制比大于12 dB, 且阈值电流仅增大7.14%.
2012, 61 (18): 184209.
doi: 10.7498/aps.61.184209
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在飞秒宽带激光脉冲成丝过程中, 由于双光束干涉效应而形成的空间等离子体光栅, 研究了空气中飞秒宽带激光脉冲成丝所产生的超连续谱增强效应, 并进一步观测到泵浦光脉冲成丝产生的超连续谱能量向较弱的未成丝的探测光脉冲转移, 有效拓展探测光脉冲带宽的新现象. 通过基于布拉格衍射特性的理论计算较好地解释了实验结果.
2012, 61 (18): 184210.
doi: 10.7498/aps.61.184210
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以远程干涉型光纤传感系统为背景, 研究了系统非线性相位噪声构成, 对各构成要素的具体影响进行了详细分析和综合评价, 简要讨论了噪声抑制方案. 研究表明, 系统相位噪声主要包括强度噪声转化而来的相位噪声、非线性效应引起激光 线宽展宽导致的相位噪声以及自相位调制和交叉相位调制引入的相位噪声. 受激布里渊散射和四波混频可引入强度噪声并转化为相位噪声, 对于探测带宽较窄的光纤传感系统, 四波混频引入的该部分噪声往往可以忽略. 受激布里渊散射、四波混频和调制不稳定性都可引起激光线宽展宽从而造成相位噪声的增大. 当系统信道数目较多时, 交叉相位调制对相位噪声的贡献不可忽略. 所得结论对远程干涉型光纤传感系统的实际应用具有重要的指导意义.
2012, 61 (18): 184211.
doi: 10.7498/aps.61.184211
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讨论了是光束在(1+1)维的热致非局域介质中的传输, 此介质在中心处被分为两部分, 两部分的线性折射率是不同的. 发现在中心处的界面附近存在多阶稳定的界面孤子. 本文研究的是五阶和六阶界面孤子, 它们都存在三种不同的孤子解. 三种孤子解的波形、束宽、光束重心、存在和稳定区间都是不相同的. 五阶孤子的三种解都存在稳定区间, 并且其中两个解存在共同稳定区域. 然而六阶孤子只有其中一种解存在稳定区间.
2012, 61 (18): 184212.
doi: 10.7498/aps.61.184212
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在卫星遥感中, 利用单次散射近似获得双向反射比与光学厚度之间的关系为卫 星反演气溶胶光学厚度奠定基础. 本文利用渐近积分理论, 在不需要人为垂直分层的情况下, 基于单次散射近似, 提出了一种计算非均质大气的双向反射比的新方法. 结果表明: 新方法得到的解析表达式有非常高的精度, 且该解析解也有助于我们分析辐射传输过程的一些重要特征.
2012, 61 (18): 184213.
doi: 10.7498/aps.61.184213
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应用溶胶-凝胶技术, 成功地把5,10,15,20-四(4-磺酸苯基)卟啉铜掺杂到SiO2/TiO2无机凝胶中, 制备成有机-无机复合材料. 采用开孔Z-扫描技术, 使用波长532 nm、脉宽7ns的YAG脉冲激光为光源, 测定了不同浓度卟啉铜掺杂的SiO2/TiO2凝胶Z-扫描曲线. 应用Z扫描理论对获得的曲线进行分析与理论拟合, 得到复合材料的非线性吸收系数. 这些非线性吸收是由材料中卟啉铜的单聚体与二聚体的反饱和吸收所引起. 研究表明, 随着掺杂浓度的增大, 复合材料的非线性吸收明显增强. 掺杂浓度为1.11×10-4 (A2), 1.48×10-4 (A3)与3.01×10-4 mol/L (A4)凝胶的非线性吸收系数分别为1.705×10-11, 1.892×10-11和4.854×10-11 m/W. 讨论了单聚体与二聚体的浓度变化对非线性吸收的影响. 随着掺杂浓度的增加, 凝胶中二聚体与多聚体含量的增加, 导致非线性吸收系数的增大. 同时测定了无机材料对该光源的抗激光损伤阈值为～5 J/cm2.
2012, 61 (18): 184214.
doi: 10.7498/aps.61.184214
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根据空间分辨漫反射的双点源混合漫射近似模型, 推导了空间分辨漫反射率对生物组织吸收系数μa和有效散射系数μ's灵敏度的解析表示, 系统研究了在强吸收条件近光源区域吸收系数μa和有效散射系数μ's对漫反射光子分布的影响. 研究表明: 吸收系数的灵敏度随光源与探测器间距ρ的增加呈线性增长, 其斜率正比于(μ's/μa)1/4, 比例系数约为1.4, 同时获得一个优化的探测距离ρopt, 距离光源约3.4个输运平均自由程, 在这个距离处有效散射系数的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义.
2012, 61 (18): 184215.
doi: 10.7498/aps.61.184215
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针对"即插即用"双向量子密钥分发系统传输效率低的实际问题, 详细分析了系统低效的原因和当前的解决方案, 提出了一种单光源多波长双向量子密钥分发方案. 该方案采用波分复用器件作为滤波器来产生量子密钥分发所需的多波长信号. 与其他多波长方案相比, 该方案的优点是在实现高速多波长量子密钥分发时, 不再受外界控制源调制速率和精度等性能的影响, 不再带来多激光器引入的边信道攻击的缺陷, 且整体系统易于集成. 该方案为"即插即用"量子密钥分发系统的高效研究提供了一个新的参考方案.
2012, 61 (18): 184216.
doi: 10.7498/aps.61.184216
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在传统聚光条件下的太阳能光伏发电系统中, 由于太阳光中存在所有波段的光子, 而其中只有一部分能够被太阳电池用来发电, 其余的部分进入太阳电池之后非但不会被用于发电, 反而会变成热量使太阳电池升温, 从而使电池光电转换效率下降. 本文设计了一种聚光且具有分频功能的太阳能电热联产系统, 利用线聚焦菲涅尔透镜和光谱选择性透过涂层改善太阳电池表面的入射光环境, 在聚光的同时将不利于光伏发电的太阳光波段反射并加以收集利用. 分析结果表明, 与相同条件下传统的只进行聚光的光伏系统相比, 两级透射-反射聚光分频电热联产系统具有更高的太阳能利用效率.
2012, 61 (18): 184217.
doi: 10.7498/aps.61.184217
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提出了一种基于单准直透镜和光纤阵列的阵列准直器, 深入研究了此种方案的光路无胶和光路有胶的两种实现方式; 并基于高斯光束传输矩阵和q参数相关理论, 从理论上详细地计算、推导了各变量之间的关系, 并进行了模拟仿真及实验验证, 得到了理论和实验一致的结果. 对两种实现方式的结构及封装设计也进行了初步的摸索和实验, 并制作出了性能良好的阵列准直器. 理论和实验表明, 该方案具有易加工、低成本、易封装、性能优等特点, 也易于扩展成多维阵列准直器, 可为可重构光分插复用器系统和光交叉连接系统的发展提供强有力的器件支撑.
2012, 61 (18): 184218.
doi: 10.7498/aps.61.184218
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多注相对论速调管相对于常规相对论速调管, 每注电子束具有更低的导流系数和更低的空间电荷力, 却具有更高的束波转换效率. 本文基于这方面的需求, 通过三维软件模拟与实验研究了扇形多注强流相对论电子束的产生与传输. 通过建立电子枪的三维模型, 分析了阴极端面静电场的分布及其对电子束产生的影响; 通过粒子模拟获得了发射束流, 然后通过粒子跟踪仿真, 得到了电子束在空心漂移管和多扇形孔漂移管中传输的束斑图, 并对其进行了理论分析与解释. 模拟和实验结果表明, 电子束在空心漂移管传输过程中不仅绕束自身中心旋转, 还绕系统的中心旋转, 通过旋转多扇形孔漂移管实现对中的方法可提高传输效率.
2012, 61 (18): 184301.
doi: 10.7498/aps.61.184301
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基于等效介质理论, 提出了具有共焦层状结构的椭圆柱形声隐身衣设计方法. 理论分析与有限元数值模拟表明, 所设计隐身衣依然具有完美隐身衣典型特征, 可使刚性圆柱体散射场明显减小, 并且在隐身衣区域表现出波阵面弯曲的特性, 同时在隐身衣外部波阵面保持不变. 增加隐身衣离散层数可以拓宽其有效工作频带, 改善隐身效果. 由于是一种线变换隐身衣, 隐身效果受到了入射波方向的影响, 只有当入射波方向与椭圆长轴平行时效果最佳. 另外当椭圆柱焦距非常小的时候, 可近似认为是圆柱形隐身衣. 仿真实验结果证明了方法的正确性. 该研究为实现复杂形状声隐身衣提供了一种有效途径.
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2012, 61 (18): 184302.
doi: 10.7498/aps.61.184302
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首先利用高速摄影和压力传感器测量的方法, 对曲面反射式水下强声波脉冲的传播和聚焦过程进行了实验研究.实验研究发现, 椭球面反射罩在起到汇聚声能的作用的同时也将使得强声波脉冲在传播过程中形成负压区, 并由此而引发近场声传播通道上空化气泡群的产生. 在实验结果的基础上, 进一步利用基于Kirchhoff衍射定理的声传播模型和大振幅条件下的QX气泡运动方程, 对强声波脉冲负压区的形成原因及空化气泡的运动过程进行了数值计算和分析. 研究结果表明, 在焦前区, 源于反射罩内表面的"尾波"和出口处的"边缘波"在传播过程中将形成反射波中的负压区; 在焦后区, 源于反射罩顶点的"中心波"在传播过程中将形成反射波中的负压区. 在反射波作用下, 空化气泡体现出了"正压区受压缩并振荡, 负压区膨胀"的运动特点. 在反射波之后, 空化气泡将出现成长、坍缩和回弹等典型的物理过程. 研究结果对曲面反射式水下强声波传播物理规律的认识具有实际意义.
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2012, 61 (18): 184401.
doi: 10.7498/aps.61.184401
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对高超声速流场和结构温度场进行了耦合计算分析, 同时基于准静态假设对结构应力进行了分析. 流场部分采用基于非定常Navier-Stokes (N-S)方程的有限体积法, 湍流模型采用SST k-ω 模型, 固体部分采用基于非稳态热传导方程的有限元法, 同时基于准静态假设对固体结构的应力应变进行了分析. 在流固交界面处, 高速流体从固体结构得到温度边界条件, 固体结构从高速流体得到热流边界条件, 从而实现了流场和固体温度场的紧耦合计算.通过与超声速无限长圆管绕流试验结果进行对比, 验证了该方法的可靠性. 同时对二维圆管结构在气动加热过程中的温度、应力等的变化进行了比较详细的分析. 研究结果表明: 随着气动加热时间的推进, 由于圆管结构的高温区在不断扩大, 导致了结构的热变形在不断地增大; 圆管最小变形区出现在θ为60°处; 同时研究发现在计算时间内圆管热变形对外部流场的影响可以忽略不计.
2012, 61 (18): 184701.
doi: 10.7498/aps.61.184701
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采用嵌入原子势分子动力学模拟方法, 研究了金属铝表面沟槽在冲击下形成微射流的微观过程和动力学性质. 通过对模拟结果的统计分析, 获得了较宽冲击压力范围内微射流形态的变化规律, 以及相应的质量-空间分布和质量-速度分布变化. 基于原子中心对称参数, 分析了样品近表面非晶态转变和卸载熔化过程, 获得了卸载熔化对微射流质量及其分布的影响规律. 研究还发现: 样品熔化之前, 微射流质量与波后粒子速度呈线性增加关系; 卸载熔化出现后, 微射流质量开始迅速增加; 当卸载熔化速度足够快时, 金属强度效应可忽略, 此时微射流质量与波后粒子速度再次表现出线性增加关系.
2012, 61 (18): 184702.
doi: 10.7498/aps.61.184702
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利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.
2012, 61 (18): 184703.
doi: 10.7498/aps.61.184703
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颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系. 颗粒间的摩擦和黏滞作用可使冲击荷载引起的能量有效衰减, 颗粒间的力链结构又可将瞬时局部冲击荷载进行空间扩展和时间延长, 达到良好的缓冲效果. 为研究颗粒物质对冲击荷载的缓冲性能, 本文采用重力作用下球体冲击筒内颗粒物质的试验系统, 研究了筒体底部作用力在颗粒材料、颗粒厚度等因素影响下的变化规律. 试验结果表明: 非规则颗粒具有更加良好的缓冲性能, 粗颗粒的缓冲性能略高于细颗粒. 颗粒厚度H是影响缓冲性能的重要因素, 并存在一个临界厚度Hc. 当HHc时, 缓冲性能随H的增加而增强; 当H>Hc时, H对缓冲效果的影响不再显著. 以上研究是在同一冲击能量下进行的, 而对于不同冲击能量下的Hc还需要深入开展. 通过颗粒物质对冲击荷载缓冲性能的试验研究, 可揭示颗粒材料的基本物理力学行为, 为其在缓冲减振领域中的应用提供依据.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (18): 185201.
doi: 10.7498/aps.61.185201
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首次发现了托卡马克中存在迥异于通行粒子和香蕉粒子的第三种粒子, 这种粒子会由于漂移运动而摆脱磁场的约束. 研究了该类粒子在其速度空间上的类磁镜损失锥, 给出了这一损失锥的数学表达式, 分析了存在这一类粒子的物理成因, 模拟与数学分析的结果基本一致. 研究还发现, 回旋半径在二阶条件下带电粒子的轨道损失高于零阶情况, 且与装置参数密切相关.
2012, 61 (18): 185202.
doi: 10.7498/aps.61.185202
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早期的研究表明, 束匀滑技术能够有效地抑制高功率激光与等离子体相互作用中产生的各种参量不稳定性, 大大减少受激布里渊散射和受激拉曼散射. 但在NIF最近的实验研究中发现, 受激布里渊散射和受激拉曼散射份额远远高于预期, 原因可能与驱动激光束间的相干性有关. 本文利用神光II装置两路倍频纳秒激光辐照金平面靶, 研究了小口径取样情况下两者背向散射的能量和光谱在不同驱动激光相干条件下的变化情况. 初步结果表明, 激光束间存在着较强的相干性, 并且随着束间相干程度的增加, 背向散射也逐渐增强.
2012, 61 (18): 185203.
doi: 10.7498/aps.61.185203
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研究了介质阻挡放电等离子体针对肺癌A549细胞的灭活机制, 探讨从不锈钢管注入到氦等离子体尾流区域的氧气含量对杀灭肺癌细胞A549的影响. 利用中性红吸收测试法定性观察了等离子体处理后死亡的细胞和活着的细胞的形态区别, 并且定量测定了不同条件下的细胞存活率. 在固定功率24 W的处理过程中, 氦-氧等离子体的灭活效率主要取决于等离子体曝光时间以及氦气中添加氧气的百分含量. 实验结果显示最好的处理参数为: 处理时间150 s, 800 mL/min的氦气添加3%氧气, 保持针距样品的距离为3 mm. 根据氦-氧等离子体发射光谱, 可以推断在细胞灭活过程中, 氦-氧等离子体中的活性粒子(如羟基和氧自由基)起主要作用.
2012, 61 (18): 185204.
doi: 10.7498/aps.61.185204
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深入阐述了拥有自主知识产权的粒子模拟-蒙特卡罗算法, 并采用该算法数值研究了J-PARC多峰离子源放电特性, 分析了J-PARC离子源的放电机理, 并在单、双校正磁体下讨论了该离子源体积产生效率. 结果显示: 在单校正磁体下, 校正磁体中心与离子源顶端相距50 mm时, 体积产生效率最大; 在双校正磁体且固定顶端磁体下, 两磁体相距越大体积产生效率越低.
2012, 61 (18): 185205.
doi: 10.7498/aps.61.185205
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阐述了拥有自主知识产权的粒子模拟-蒙特卡罗算法, 采用该算法数值研究了JAERI 10 A多峰离子源放电特性, 并分析主要放电参数(气压、放电电极位置、过滤磁场大小、放电电压等)对体积产生率的影响. 模拟结果显示: 为了得到高体积负氢离子产量, 过滤磁场不宜太大, 放电电压不宜太小, 而应该适当选取过滤磁场和放电电压, 主要通过同时调节气压和放电位置来实现离子源优化.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (18): 186102.
doi: 10.7498/aps.61.186102
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撤稿声明
何敏华等发表在《物理学报》的文章：镓填充二氧化硅纳米管的电子束诱导的反常膨胀（2012年，第61卷，第18期：186102），因作者认为该文一些参数尚不成熟，提出将该论文从《物理学报》撤销，特此声明。
《物理学报》编辑部
2013年1月15日
注：本声明刊登在《物理学报》2013年第2期中文目录补白。
2012, 61 (18): 186103.
doi: 10.7498/aps.61.186103
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利用MOCVD技术在斜切角度为0.3的c面蓝宝石衬底上生长了非故意掺杂 GaN 薄膜, 并采用透射电子显微镜对材料的质量和材料内部缺陷进行了分析. 研究发现斜切蓝宝石衬底上外延的GaN材料中,位错在距离衬底0.8 m附近大量湮灭, 同时位错扎堆出现.基于上述现象, 提出了斜切衬底上GaN材料中位错的湮灭机制, 解释了斜切衬底能够提高GaN晶体质量的原因.
2012, 61 (18): 186104.
doi: 10.7498/aps.61.186104
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用累积轧制法成功制备了平均晶粒尺寸为200-300 nm的超细等轴晶Ti/Al多层复合材料. 研究了Ti/Al多层复合材料的微结构变化和力学性能.
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2012, 61 (18): 186105.
doi: 10.7498/aps.61.186105
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金属与Ge材料接触由于存在强烈的费米钉扎效应, 导致金属电极与n型Ge接触引入较大的接触电阻, 限制了Si基Ge探测器响应带宽. 本文报道了在SOI衬底上外延Ge单晶薄膜并制备了不同台面尺度的Ge PIN光电探测器. 对比了电极分别为金属Al和Al/TaN叠层的具有相同器件结构的SOI基Ge PIN光电探测器的暗电流、响应度以及响应带宽等参数. 发现在Al与Ge之间增加一薄层TaN可有效减小n型Ge的接触电阻, 将台面直径为24 μ的探测器在1.55 μ的波 长和-1 V偏压下的3 dB响应带宽提高了4倍. 同时, 器件暗电流减小一个数量级, 而响应度提高了2倍. 结果表明, 采用TaN薄层制作金属与Ge接触电极, 可有效钝化金属与Ge界面, 减轻费米钉扎效应, 降低金属与n-Ge接触的势垒高度, 因而减小接触电阻和界面复合电流, 提高探测器的光电性能.
2012, 61 (18): 186106.
doi: 10.7498/aps.61.186106
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利用剩余键的思想, 通过数学推导, 建立定量描述金属熔体结构与黏度关系的物理模型, 提出黏度的微观结构变化特性为熔体剩余键结构尺寸d的演变; 应用建立的模型理论计算液相线以上一定温区镁熔体和铝熔体的运动黏度, 得到函数关系式分别为vMg=3.1710-7+3.0410-7 d和vAl=1.6510-7+1.0510-7d, 这与采用坩埚扭摆振动法的实验测量结果相符合. 该模型从化学结合键角度揭 示了金属熔体的结构微观不均匀性及其黏度的微观物理本质, 为金属熔体黏度的理论计算提供了一种新的途径. 这对于深入认识液态金属的微观结构及其与宏观物性之间的关系具有重要意义.
2012, 61 (18): 186201.
doi: 10.7498/aps.61.186201
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借助无序熵的概念, 直接推导出了液相金属的物态方程. 再利用固/液混合相区的熔化分数与其中固相、液相比体积之间的一般性关系, 替代了传统Grover模型中采用的熔化分数与温度成正比的近似条件, 得出更准确的固/液混合相区状态方程的表述形式. 修正后的物态方程解决了传统Grover模型中的固线、液线以及熔化线在P-T图上不一致的问题, 得到了更为符合物理事实的结果.
2012, 61 (18): 186202.
doi: 10.7498/aps.61.186202
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在温度1273 K、压强9 GPa条件下对固相烧结Nd0.7Sr0.3MnO3陶瓷样品进行热压处理. 结果发现, 处理后样品的晶体结构和空间群没有改变, 但晶胞参数和结构参数, 特别是样品的显微结构发生了很大变化. 这些变化对样品的磁电输运产生显著影响: 在磁性上, 热压样品的低温饱和磁矩减小并出现磁矩排列弥散特点; 在电输运方面, 当负载电流小于1.5 mA时, 与烧结样品一样, 热压样品不产生电致电阻 (ER) 效应, 并在金属-绝缘体转变点出现最大磁电阻 (MR). 但在低温下, 热压样品仍有较大MR值. 当负载电流超过1.5 mA时, 热压样品原R-T曲线中的电阻峰替变为一电阻平台, 且随负载电流增大, 平台逐渐宽化, 阻值减小, 出现ER行为. 有趣的是, 在外磁场作用下, 电阻平台随外场增大逐渐变窄、消失并又演变为一电阻峰. 这些奇特的输运行为除与热压处理导致样品晶粒绝缘化有关外, 可能还与热压导致粒间相的形成有关.
2012, 61 (18): 186301.
doi: 10.7498/aps.61.186301
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采用求解能量本征方程、LLP幺正变换、变分相结合的方法研究 球壳量子点中极化子和量子比特的声子效应. 数值计算表明: 声子效应使极化子的基态(或激发态)能量小于电子的基态(或激发态)能量, 使量子比特的振荡周期减小, 且内径给定时, 随着外径的增大声子效应对极化子和量子比特振荡周期的影响越大; 声子效应不改变量子比特内电子概率密度分布的幅值, 量子比特内中心球面处概率密度幅值最大, 界面处概率密度为零, 其它处的概率密度幅值介于最大和最小之间, 且各个空间点的概率密度随半径和方位角的变化而变化, 随时间做周期性振荡.
2012, 61 (18): 186401.
doi: 10.7498/aps.61.186401
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以相场方法模拟模型合金时效过程中沉淀颗粒的劈裂现象. 模拟计算表明, 模型合金溶质原子浓度为c=0.1溶质原子分数、初始晶核尺寸在80l到90l(l=12.18 Å)之间单一颗粒会发生劈裂, 颗粒劈裂是系统弹性能和系统界面能通过扩散交互作用的结果. 在时效初期, 初始球形颗粒在弹性能占绝对优势作用下, 界面沿方向尖锐化, 导致溶质浓度在沉淀的四角富集而在心部贫化, 为颗粒劈裂创造了成分条件, 此为颗粒劈裂的孕育期, 表现为系统总界面能在此期间为一水平台阶. 经过成分孕育的沉淀颗粒在300τ (τ=4.65 s)时开始劈裂, 时效1000τ劈裂结束时系统总界面能达到极大值点而总弹性能达到极小值点. 计算发现, 颗粒劈裂孕育期系统总界面能的水平台阶和劈裂结束时的能量极值点是颗粒劈裂为4块的典型特征. 初始晶核尺寸大于90l的颗粒时效期间只有界面能孕育期水平台阶而没有能量的极值点, 而初始晶核尺寸小于80l的颗粒界面能能单调递增.
2012, 61 (18): 186501.
doi: 10.7498/aps.61.186501
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利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法 并结合准谐徳拜模型研究了NaCl结构的TiC在高压下的弹性性质、电子结构和热力学性质. 计算所得零温零压下的晶格常数、体弹模量及弹性常数与实验值符合得很好. 零温下弹性常数和弹性模量随压强增大而增大. 通过态密度和电荷密度的分析, Ti-C键随压强增大而增强. 运用准谐德拜模型, 成功计算了TiC在高温高压下的体弹模量、熵、热膨胀系数、徳拜温度、 Grüneisen参数和比热容. 结果表明压强对体弹模量、热膨胀系数和徳拜温度的影响大于温度对其的影响. 热容随着压强升高而减小, 在高温高压下, 热容接近Dulong-Petit极限.
2012, 61 (18): 186801.
doi: 10.7498/aps.61.186801
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基于C60受体和有机分子给体的太阳能电池是目前非常重要的一个研究热点, 利用同步辐射真空紫外光电子能谱(SRUPS) 技术研究了酞菁铁(FePc)与TiO2(110)及C60的界面电子结构, 以及FePc与C60分子混合薄膜的电子结构. SRUPS价带谱显示, FePc沉积在化学计量比与还原态两种不同的TiO2(110)表面时, FePc分子的HOMO能级均随FePc厚度的变化发生了移动, 而在化学计量比的TiO2(110)表面位移较大, 同时发生界面能带弯曲, 说明存在从有机层向衬底的电子转移. 在FePc/C60和C60/FePc界面形成过程中, FePc与C60分子的最高占据分子轨道(HOMO)位移大小基本相同. 由界面能级排列发现, 在FePc与C60的混合薄膜中, FePc分子的HOMO与C60分子的最高占据分子轨道能级差较大, 这有利于提高器件开路电压, 改善器件性能.
2012, 61 (18): 186802.
doi: 10.7498/aps.61.186802
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利用分子动力学模拟统计了几种不同温度下三种不同二聚物(Cu2, Ag2和Pd2)在铜衬底(100), (111)表面上的扩散和解离行为, 探讨同质和异质二聚物在Cu表面上扩散和解离的特点; 采用分子动力学中的静态计算方法计算了这三种二聚物在扩散和解离过程中的能量势垒, 并与动力学模拟、二聚物与衬底的结合能等结果进行了比较, 探讨二聚物扩散和解离过程与扩散势垒、结合能、表面性质和温度等的关系. 原子间相互作用采用半经验EAM势. 结果表明: 同质和异质二聚物在各个不同表面上的扩散势垒、解离势垒有一定的规律, 并和二聚物与衬底的结合性质有关; 二聚物是否易解离与衬底表面的结构以及二聚物与衬底的结合性质关系密切; 二聚物解离前协同扩散的快慢与二聚物和衬底的结合性质以及二聚物在表面的扩散和解离势垒密切相关.
2012, 61 (18): 186803.
doi: 10.7498/aps.61.186803
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采用双靶共溅射方法制备了微量B掺杂的Ti薄膜样品, 利用X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对样品的掺杂原子浓度、 表面形貌、晶型结构、晶粒尺寸和应力进行了分析表征. 研究表明: 掺杂后的Ti薄膜晶粒得到明显细化, 并随着掺杂浓度的增大, 薄膜的晶粒尺寸呈减小趋势, 当掺杂浓度为5.50 at%时, Ti薄膜晶粒尺寸减小为1.3 nm, 呈现出致密的柱状结构. B掺杂后的Ti薄膜应力由压应力转变为张应力.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (18): 187201.
doi: 10.7498/aps.61.187201
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采用玻尓兹曼输运方程与密度泛函计算相结合的方法, 理论研究了限域效应与界面效应对SrTiO3纳米陶瓷热电性能的影响. 理论计算的结果表明, 室温下纳米陶瓷的热电优值较单晶有了大幅度提高, 可达到0.8. 热电优值的提高主要来源于晶粒内的声子限域效应与电子在晶界处的界面能量过滤效应, 电子的限域效应与声子的界面散射效应起到了辅助作用. 本文结论也可推广至其他材料, 因此对高性能热电纳米陶瓷的设计将起到积极的作用.
2012, 61 (18): 187301.
doi: 10.7498/aps.61.187301
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设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.
2012, 61 (18): 187302.
doi: 10.7498/aps.61.187302
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在-160℃-200℃温度范围内、0.1 Hz-0.1 MHz频率范围内测量了 ZnO压敏陶瓷的介电频谱, 发现可以采用电导率谱低频端的类直流特性来表征晶界Schottky势垒的电子输运过程, 获得的Schottky势垒高度为0.77 eV. 基于背靠背双Schottky势垒模型, 提出当存在直流偏压时, 势垒高度将随直流偏压线性增大. 基于此势垒模型计算了ZnO压敏陶瓷单晶界的直流偏压大小, 进而计算出晶粒平均尺寸为6.8 μm, 该理论值与通过扫描电子显微镜断面照片获得的测量值的偏差在5%以内. 可见采用介电谱不但可以获得势垒高度实现电气性能的表征, 还能获得晶粒尺寸实现显微结构的表征.
2012, 61 (18): 187303.
doi: 10.7498/aps.61.187303
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介绍了Al2O3的材料性质及其原子层沉积制备方法, 详细阐述了该材料的钝化机制(化学钝化和场效应钝化), 并从薄膜厚度、热稳定性及叠层钝化等角度阐释其优化方案. 概述了Al2O3钝化在晶体硅太阳电池中的应用, 主要包括钝化发射极及背面局部扩散电池和钝化发射极及背表面电池. 最后, 对Al2O3钝化工艺的未来研究方向和大规模的工业应用进行了展望.
2012, 61 (18): 187304.
doi: 10.7498/aps.61.187304
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具有高光吸收系数的半导体Cu2ZnSnS4 (CZTS)薄膜是一种新型太阳能电池材料. 本文对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS结构的CZTS薄膜太阳能电池进行分析, 讨论CZTS薄膜的掺杂浓度、厚度、缺陷态和CdS薄膜的掺杂浓度、 厚度对太阳能电池转换效率的影响以及太阳能电池的温度特性. 分析表明, CZTS薄膜作为太阳能电池的主要光吸收层, CZTS薄膜的掺杂浓度和厚度的取值对太阳能电池的转换效率有显著影响, CZTS薄膜结构缺陷态的存在会导致太阳能电池性能的下降. CdS缓冲层的掺杂浓度、厚度对太阳能电池光伏特性的影响较小. 经结构参数优化得到的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS薄膜太阳能电池的最佳光 伏特性为开路电压1.127 V、短路电流密度27.39 mA/cm2、填充因子87.5%、 转换效率27.02%,转换效率温度系数为-0.14%/K.
2012, 61 (18): 187305.
doi: 10.7498/aps.61.187305
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制备了结构为ITO/CuPc/NPB/Alq3/LiF/Al的常规有机发光二极管, 之后对器件采用波长为442 nm和325 nm的激光线进行照射产生激子, 并在小偏压下(保证器件没有开启)对激子的演化过程进行控制, 同时测量器件的光致磁电导(photo-induced magneto-conductance, PIMC). 实验发现, 不同于电注入产生激子的磁电导效应, PIMC在正、反小偏压下表现出明显不同的磁响应结果. 当给器件加上正向小偏压时, 器件的PIMC在0-40 mT范围内迅速上升; 随着磁场的进一步增大, 该PIMC增加缓慢, 并逐渐趋于饱和. 反向小偏压时, 器件的PIMC随着磁场也是先迅速增大(0-40 mT), 但达到最大值后却又逐渐减小. 通过分析外加磁场对器件光生载流子微观过程的影响, 采用'电子-空穴对'模型和超精细相互作用理论对正向偏压下的PIMC进行了解释; 反向偏压下因各有机层的能级关系, 为激子与电荷相互作用提供了必要条件, 运用三重态激子与电荷的反应机制可以解释PIMC出现高场下降的实验现象.
2012, 61 (18): 187306.
doi: 10.7498/aps.61.187306
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)和GGA+U方法下对尖晶石型LiMn2O4及其Al掺杂 的尖晶石型LiAl0.125Mn1.875O4晶体的结构和电子性质进行了计算. 结果表明: 采用GGA方法得到尖晶石型LiMn2O4是立方晶系结构, 其中的Mn离子为+3.5价, 无法解释它的Jahn-Teller 畸变. 给出的LiMn2O4能带结构特征也与实验结果不符. 而采用GGA+U方法得到在低温下的LiMn2O4和其掺杂 体系LiAl0.125Mn1.875O4的晶体都是正交结构, 与实验一致. 也能明确地确定Mn的两种价态Mn3+/Mn4+的分布并且能够说明Mn3+O6的z方向有明显的Jahn-Teller 畸变, 而Mn4+O6则没有畸变. LiMn2O4的能带结构与实验比较也能够符合. 采用GGA+U方法对Al掺杂体系的LiAl0.125Mn1.875O4的研究表明, 用Al替换一个Mn不会明显地改变晶体的电子性质, 但可以有效地消除Al3+O6 八面体的Jahn-Teller畸变, 从而改善正极材料LiMn2O4的性能, 这与电化学实验的观察结果相一致.
2012, 61 (18): 187501.
doi: 10.7498/aps.61.187501
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利用非线性传递矩阵方法研究了Voigt位型下电介质/反铁磁/电介质 结构二次谐波生成的非倒易性. 研究发现外加静磁场反向和电介质层排序翻转均对二次谐波输出产生影响, 出现了二次谐波生成的非倒易性. 二次谐波生成非倒易性频率区域在反铁磁共振区, 此区间正处于THz频段. 随着入射角度的增加, 非倒易性的效果越来越明显. 研究二次谐波生成的非倒易性, 可为反铁磁器件的设计加工提供理论支持.
2012, 61 (18): 187502.
doi: 10.7498/aps.61.187502
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利用不变本征算符法, 计算低温下自旋为1/2的XY模型一维亚铁磁棱型链系统的元激发谱, 讨论在此系统中不同的特殊情形下的元激发能量, 从而给出体系的三个临界磁场强度的解析解HC1, HC2, Hpeak. 分析不同外磁场下 体系的磁化强度随温度的变化规律, 发现三个临界磁场强度的解析解HC1, HC2, Hpeak是正确的, 并从三个元激发对磁化强度的贡献进行了说明. 低温下磁化强度随外磁场的变化呈现1/3磁化平台. 体系的磁化率随温度或者外磁场的变化都出现了双峰现象. 这说明双峰源于二聚体分子内电子自旋平行排列的铁磁交换作 用能和二聚体与单基体分子间电子自旋反平行排列的反铁磁交换作用能, 热无序能, 外磁场强度相关的自旋磁矩势能之间的竞争.
2012, 61 (18): 187503.
doi: 10.7498/aps.61.187503
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对Sm(CobalFe0.1Cu0.1Zr0.033)6.9合金, 经810℃等温时效后以0.5℃/min逐渐冷却, 在600℃-400℃温度区间淬火, 研究了不同淬火温度下的磁滞回线、磁畴和矫顽力温度系数β. 发现时效600℃淬火后磁滞回线出现台阶状, 说明畴壁中应存在两处钉扎. 随淬火温度的降低, 合金的室温矫顽力显著增加, 磁滞回线的台阶消失. 通过磁畴形貌发现时效600℃淬火后的磁畴接近条形畴, 1:5相中Cu分布相对均匀, 形成的畴壁钉扎较弱, 从而使磁滞回线出现台阶, 决定矫顽力的畴壁钉扎位于两相界面处; 随时效淬火温度的降低, 磁畴逐渐细化, 畴壁1:5相中的畴壁能降低, 形成了较强的内禀钉扎, 并决定材料的矫顽力, 两相界面处的畴壁钉扎被掩盖. 对不同温度淬火合金的高温矫顽力研究表明, 最强的畴壁钉扎位于两相界面处时, 矫顽力随温度升高逐渐增加, 矫顽力出现温度反常现象; 最强的畴壁钉扎位于1:5相中心时, 矫顽力随温度升高逐渐衰减. 当测试温度达到500℃后不同淬火温度样品的矫顽力几乎相同, 此时最强畴壁钉扎均在两相界面处.
2012, 61 (18): 187504.
doi: 10.7498/aps.61.187504
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比较了铁磁单层膜与铁磁/反铁磁双层膜结构中的磁畴演化行为, 发现由于反铁磁层膜对铁磁层膜的耦合作用使得系统的磁畴壁厚度、 磁畴壁等效质量、磁畴壁移动速度等发生了改变, 系统的矫顽场增强, 并出现了交换偏置场. 文章具体研究了反铁磁层耦合作用下其磁畴壁厚度、 等效质量以及磁畴壁移动速度等与反铁磁层的净磁化、 磁各向异性、界面耦合强度以及温度等的关系; 并研究了其对铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置场、矫顽场的影响. 进而 从磁畴结构的形成及其演化上揭示了铁磁/反铁磁双 层膜中出现交换偏置以及矫顽场增加的物理机制.
2012, 61 (18): 187701.
doi: 10.7498/aps.61.187701
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迄今为止,并没有被普遍接受的液体静态介电常数的微观理论模型, 主要原因是对属于强关联系统的液体中分子之间的取向关联特征仍不十分清楚. 本文基于Weiss分子场理论(WMFT), 对水(water, H2O)、甲醇(methanol, CH4O)、乙醇(ethanol, C2H6O)和正丙醇(1-propanol, C3H8O)等4种极性液体中静态介电常数, 具体为Curie-Weiss常数、Curie温度和Weiss分子场因子随温度变化规律进行分析研究, 得出上述液体中: 1)铁电关联(ferroelectric correlation, FC)和反铁电关联(anti-ferroelectric correlation, AFC)共存, 且FC比AFC强得多, 以及随温度降低FC减弱和/或AFC增强; 2)结构均匀的WMFT不能定量描述上述液体中足够低的温度下反常大的静态介电常数. 可以想象FC和较弱AFC的共存必然导致极性液体中关联序的空间不均匀, 由此作者提出了空间不均匀关联序的粗粒近似的Weiss分子场理论, 并用此理论对上述液体中静态介电常数随温度快速变化的行为进行了解释. 上述结果对深入认知液体物理学, 包括玻璃化转变机制的探索, 无疑是有价值的.
2012, 61 (18): 187901.
doi: 10.7498/aps.61.187901
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讨论了一种具有超快时间响应特性的新光电阴极, 即大梯度指数掺杂透射式GaAs 负电子亲和势 (NEA) 光电阴极, 模拟了它的量子效率、时间分辨和空间分辨能力等特性. 理论分析结果表明, 由于大梯度指数掺杂设计方式, 在吸收层内形成较大的内建电场, 因此光生电子在GaAsNEA阴极内的渡越时间大大缩短, 当GaAs吸收层厚度～0.9 m时, 其响应时间达到～ 10 ps, 说明这种新NEA阴极具有远优于传统均匀掺杂NEA阴极的超快响应特性. 同时在整个光谱响应范围内, 量子效率达到约10%-20%, 空间分辨力显著高于以往的计算结果. 分析结果表明,在保证较高的量子效率条件下, 这种新阴极能够突破常规GaAsNEA阴极的时间分辨率极限, 提高GaAsNEA阴极本身的分辨力, 有望用于超快摄影、电子加速器和自由电子激光器的电子源等领域, 进一步扩展NEA光电阴极的应用范围.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.61.188101
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采用直流对靶磁控溅射在Si100基底上沉积金属V薄膜, 然后分别在纯氧气环境和纯氮气环境下进行快速热处理制备具有 金属-半导体相变特性的氧化钒(VOX)薄膜, 热处理条件分别为纯氧气环境下430℃/40 s, 450℃/40 s, 470℃/40 s, 450℃/30 s, 450℃/50 s, 纯氮气环境下500℃/15 s. 用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、原子力显微镜 和扫描电子显微镜对薄膜的结晶结构、钒的价态和组分以及微观形貌进行分析. 利用四探针薄膜电阻测量方法和THz时域频谱技术分析薄膜的电学特性和光学特性. 结果表明: 金属V薄膜经过纯氧气环境450℃/40 s快速热处理 后形成了具有低相变特性的VOX薄膜, 升温前后薄膜方块电阻变化幅度达到两个数量级, THz透射强度变化幅度较小. 为了提高薄膜的相变特性, 对制备的VOX薄膜采用纯氮气环境500℃/15 s快速热处理, 薄膜的相变特性有了明显提升, 相变前后方块电阻变化达到3个数量级, THz透射强度变化达到56.33%.
2012, 61 (18): 188701.
doi: 10.7498/aps.61.188701
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像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (18): 189201.
doi: 10.7498/aps.61.189201
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重力波是大气中最基本的动力过程, 估算大气重力波参数是大气动力学理论研究的重要内容之一. 针对常用曲线拟合方法获取大气垂直扰动廓线存在的固有缺陷, 本文提出了估算大气重力波参数时垂直扰动廓线获取新方法. 基于小波变换中的影响锥曲线性质, 以影响锥曲线最大值作为区分背景场和扰动场的临界值, 利用10阶ButterWorth高通滤波器对小于临界值的信号进行滤波得到扰动场. 对实际大气过程高时空分辨率模拟纬向风和经向风垂直廓 线的Morlet小波和Fourier功率谱分析表明, 本文方法获得的扰动廓线中不再包含强背景场信息, 且不会引入虚假波信号, 克服了常用多阶曲线拟合方法的缺陷, 利用该方法可以估算出合理的大气重力波参数.
2012, 61 (18): 189202.
doi: 10.7498/aps.61.189202
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对物理学中的非线性方程——Logistic方程解的稳定性进行分析, 发现当初值和参数取值一定时, 解具有从一种稳定状态突变到另一种稳定状态的特性. 突变的程度和速度与方程的控制参数有关, 可以用定义的突变强度指数来进行描述. 利用方程解的这一特性, 构造满足动力学结构突变的理想时间序列, 模拟气候系统中的均值突变, 考察物理量回复速率和回复力在系统趋近临界阈值时的临界行为, 研究其对系统突变的早期预警能力. 本文还讨论了当系统受到噪声信号干扰时, 回复速率和回复力仍然对系统突变有较好的预警. 最后, 对太平洋年代际振荡(PDO)指数序列进行检测, 检测结果表明早期预警信号出现在1973年前后, 而公认的PDO指数序列的突变发生在1976/1977年, 表明回复速率和回复力在一定程度上可以作为均值突变的早期预警信号.
2012, 61 (18): 189501.
doi: 10.7498/aps.61.189501
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双边滤波能够有效光滑合成孔径雷达图像, 同时保持边缘信息. 最优配置双边滤波参数一直非常困难. 本文作者曾提出了一种迭代参数配置方法, 具有高精度、高效率的特点, 但是该方法会出现迭代错误终止的情况. 本文提出了一种改进的参数配置方法, 能够确保获得最优折衷配置的参数, 并且给出了该方法收敛性的证明. 对真实合成孔径雷达图像的实验结果显示, 在迭代精度相同的情况下, 改进方法不仅能够获得与迭代方法相当的可视效果, 而且灰度值近似方差参数具有更高的精度; 随着迭代精度的提高, 改进方法比迭代方法有更快的收敛速度.
