Vol. 61, No. 24 (2012)
2012年12月20日
总论
2012, 61 (24): 240201.
doi: 10.7498/aps.61.240201
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本文从拉曼峰强出发, 求得了反-2, 3-环氧丁烷分子的拉曼键极化率, 明确了拉曼激发下电荷的分布的信息. 还从旋光拉曼(Raman optical activity, ROA)谱的峰强, 求取了该分子的旋光拉曼键极化率. 由分子手性中心的C-H产生的偶极矩与拉曼激发过程中, 电荷流动产生的跃迁磁偶极矩的耦合, 来理解旋光拉曼活性产生的机理. 分析表明, 旋光拉曼活性分子手性中心的C-H键两侧的旋光拉曼极化率符号相反, 显示着手性分子局域的不对称性. 还得到了对称和反对称坐标的键极化率和旋光拉曼极化率, 并且从对称性的角度, 即C2群的不可约表示, 讨论了这些极化率的内涵.
2012, 61 (24): 240202.
doi: 10.7498/aps.61.240202
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本文探讨在大气环境下具有温度和密度梯度的非均匀量子等离子体系统, 研究了该系统在离子与中子碰撞频率较低情况下的二维非线性流体动力学扰动方程. 求得了在致密天体物理环境中静电势的近似解.
2012, 61 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.61.240301
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提出一个包含非有心电耦极矩势的环状谐振子模型, 在能够负载波动算子三对角化矩阵表示的完全平方可积L2空间讨论了这一势场的赝自旋对称性. 利用三对角化矩阵方案, 给出了波函数角向分量和径向分量展开系数满足的三项递推关系式. 角向波函数和径向波函数分别以Jacobi 多项式和Laguerre多项式表示, 由径向分量展开系数递推关系式的对角化条件得到束缚态的能量谱. 并以Descartes多项式的符号法则讨论了能量方程的代数结构.
2012, 61 (24): 240302.
doi: 10.7498/aps.61.240302
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研究了无限深势阱内两个粒子的耦合导致的量子退相干和量子行为趋近于经典混沌运动的过程. 当一个粒子的质量减小时,它对另外一个粒子经典混沌扩散的影响逐渐减小. 强混沌机理使得轻粒子的作用类似于噪声, 从而有效得抑制另外一个粒子的量子相干性. 轻粒子的退相干效应随着有效普朗克常数的减小逐渐增强. 在这个过程中, 另外一个粒子的量子扩散从动力学局域化行为逐渐过渡到经典极限. 当有效普朗克常数足够小时, 它的量子扩散与经典混沌扩散相符合. 该粒子的线性墒随时间演化迅速趋近于饱和值, 并且饱和值随着有效普朗克常数减小以指数函数形式从零趋近于1.
2012, 61 (24): 240303.
doi: 10.7498/aps.61.240303
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本文利用处于热平衡态的两个相同超导电荷量子比特纠缠态作为量子隐形传态的信道, 给出标准量子隐形传态协议下传递单量子比特态和两量子比特态的纠缠以及非标准协议下传递单量子比特态时平均保真度的解析表达式, 研究其随温度、约瑟夫森能等系统参数的变化情况. 计算结果表明, 在标准量子隐形传态协议下传递两量子比特之间的纠缠以及非标准量子隐形传态协议下传递单量子比特态时可以实现接近理想的量子隐形传态.
2012, 61 (24): 240304.
doi: 10.7498/aps.61.240304
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本文研究了两格点、三格点以及四格点混合自旋 (1/2, 1) XY系统的热纠缠, 通过数值计算, 探讨了纠缠随温度和外磁场的变化关系. 发现在外磁场不存在或比较弱的情况下,纠缠随着温度的升高单调减小. 对于两格点和四格点系统,不论是铁磁还是反铁磁情况, 纠缠都在同一临界温度下消失, 并且这一临界值不受外磁场变化的影响. 对于三格点系统,临界温度也不受外磁场的影响, 但是铁磁情况下系统的临界温度高于反铁磁情况. 在温度极低的环境中, 纠缠在一定的磁场范围内形成稳定的平台, 但是当磁场强度超过某一临界值时, 纠缠完全消失. 本文还对混合自旋和单一自旋系统的热纠缠进行了对比分析, 发现在混合自旋系统中存在多层次的能级交错现象.
2012, 61 (24): 240305.
doi: 10.7498/aps.61.240305
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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, 是研究固态量子信息和量子测量与控制的理想实验平台. 本文在已有工作(单比特电路QED)基础上, 进一步研究多比特电路QED系统. 具体通过对两比特系统的量子测量和量子控制动力学的模拟, 检验了"绝热消除"和"极化子变换"两种消除微腔光子自由度方法的适用条件. 和单比特情况不同, 我们特别检验了两比特系统Bell纠缠态的"确定性"制备问题. 在量子路径水平上模拟发现, 由于反馈操作引起量子比特状态翻转, 使得极化子变换方法失效,它所导出的"有效测量算符" (其中含有非平庸的"宇称项")此时也将变得没有意义.
2012, 61 (24): 240306.
doi: 10.7498/aps.61.240306
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提出了一种采用相位合成偏振态编码的副载波复用量子密钥分发方案, 该方案在不增加系统设备的前提下允许多路量子密钥通过并行的边带信道同时进行分发. 每一个边带的偏振态可通过控制副载波的相位随机且独立地合成. 该方案允许量子密钥系统的成钥率成倍的增加. 仿真实验证明, 通过调整每个副载波相位能够理想地调整和控制边带的偏振态.
2012, 61 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.61.240501
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基于李亚普诺夫稳定性理论, 构造了指数型的李亚普诺夫函数, 以四变量的Chen超混沌系统为例, 解析地证明了线性耦合实现同步的可靠性. 进一步研究了非线性耦合对线性耦合同步的调制作用. 基于无量纲化的动力学方程定义一个统计函数来估算控制器的消耗功率, 确定了线性耦合与非线性耦合实现同步对应的参数范围, 数值计算结果验证了理论结果的可靠性.
2012, 61 (24): 240502.
doi: 10.7498/aps.61.240502
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一个在振动台面上蹦跳的小球具有复杂的运动形式, 如倍周期分岔和混沌. 如果球与台面间的碰撞是完全非弹性的, 则球的运动是倍周期的, 不存在混沌. 在分岔相图中, 鞍-结不稳定性引入平台结构, 同时存在倍周期轨道的密集区. 这里将研究空气的黏滞阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响. 分析表明, 空气阻力很弱时, 分岔序列不受影响, 但分岔点的数值变大, 平台和密集区加宽. 空气阻力较大时, 平台与密集区重叠. 重叠区内原有产生倍周期运动的机理被破坏, 球的运动是混沌的.
2012, 61 (24): 240503.
doi: 10.7498/aps.61.240503
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该文提出了一种新的基于第二代电流传输器(CCII)的网格多涡卷混沌吸引子产生器, 用于物理混沌加密和高级加密标准(AES)加密的混合图像加密算法. 因CCII比普通运放有更好的频率特性和更大的动态范围, 能产生频率更高, 动力学特性更复杂的多涡卷物理混沌信号. 基于CCII的多涡卷物理混沌加密和AES加密的混合加密系统, 不存在确定的明文密文映射关系, 密文统计特性也应优于其他加密系统. 基于该算法研究了混合加密和单级加密的抗统计分析能力, 以及涡卷数目不同的混沌信号在该算法中应用时密文统计特性的不同. 完成了基于CCII的混沌电路设计与硬件实现, 对加密系统进行了数值仿真, 仿真结果与理论分析一致, 同时表明涡卷数目越多的混沌系统其加密产生的密文相关性越弱.
2012, 61 (24): 240504.
doi: 10.7498/aps.61.240504
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基于复杂非线性系统相空间重构理论, 提出了一种混沌背景中微弱信号检测的选择性支持向量机集成的方法, 为了提高支持向量机集成的泛化能力, 采用K均值聚类算法选择每簇中精度最高的子支持向量机进行集成, 建立了混沌背景噪声的一步预测模型, 从预测误差中检测湮没在混沌背景噪声中的微弱目标信号(包括周期信号和瞬态信号), 最后分别以Lorenz系统和实测的IPIX雷达数据作为混沌背景噪声进行实验研究, 结果表明该方法能够有效地将混沌背景噪声中极其微弱的信号检测出来, 抑制噪声对混沌背景信号的影响, 与神经网络和传统支持向量机方法相比, 预测精度和检测门限方面的性能有显著提高.
2012, 61 (24): 240505.
doi: 10.7498/aps.61.240505
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通过生物学实验研究了两个异质心肌细胞由独立到形成网络过程中的搏动节律随耦合强度的增加的动力学行为的变化. 没有耦合时, 两个细胞的搏动节律是独立的, 没有同步的搏动. 随着耦合强度的增加, 网络内的两个细胞搏动节律的相位差的绝对值的平均值和最大值急剧降低, 从非相位同步达到了相位同步, 但没有达到完全同步. 逐次对比两个细胞的搏动,非相位同步状态下只有部分搏动是同步的而其他搏动是不同步的, 而相位同步状态下所有的搏动都是同步的. 随着耦合强度的增加, 非相位同步状态下的同步搏动次数增加, 相位同步状态下的两细胞每次同步搏动的时间间隔降低但不为零 .研究结果不仅给出了异质生物网络节律同步的实验例证, 还获得了网络的节律从不同步到同步过程的动力学规律.
2012, 61 (24): 240506.
doi: 10.7498/aps.61.240506
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建立了不同类型Jerk电路之间存在开关的切换电路系统. 基于平衡态分析, 指出随参数的变化, 两子系统分别存在着稳定的焦点以及由Hopf分岔导致其失稳而产生的周期振荡. 考察了开关周期切换引起的各种复杂行为, 分别给出了点/环和环/环切换周期振荡现象及其相应的产生机理. 在不同的切换振荡过程中,切换点的数目随参数的变化会产生倍化序列, 导致系统由倍周期分岔进入混沌, 同时, 由于参数的变化影响着子系统周期振荡的幅值, 进而引起整个切换系统吸引子结构的变化.
2012, 61 (24): 240601.
doi: 10.7498/aps.61.240601
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大尺度、高精度的绝对距离测量在卫星编队飞行、 自由空间通信、大尺寸工件检测等前沿应用中具有举足轻重的作用. 本文利用飞秒激光脉冲的飞行时间方法对一段52 m的大气传输路径进行了绝对距离测量. 通过平衡光学互相关技术探测目标反射脉冲与参考脉冲之间的时间误差, 并利用得到的平衡互相关电压信号反馈控制谐振腔长, 将脉冲间隔的整数倍精确锁定至往返距离, 最后由飞秒激光的重复频率确定目标反射脉冲的飞行时间. 这一测量方案有效地避免了直接光电探测造成的飞行时间分辨率的损失. 实验中, 采用工作在1.04 μm波段的高重复频率掺Yb锁模光纤激光器作为飞秒激光源, 在1 s的平均时间下获得了12 nm的测量精度.
2012, 61 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.61.240701
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经配料、熔炼、制粉、成型和烧结后制备了 (PrNd)xAl0.6Nb0.5Cu0.15B1.05Fe97.7-x (质量百分比)合金, 将该合金分别采用1.5 GPa和3.0 GPa的压强进行压制, 研究了此高压对其显微结构和磁性能的影响. 分析发现, 该块状合金承受的压强越高, 其外观和微观结构破坏越严重, 抗弯强度也会降低, 但高温抗氧化性能却有一定程度的提高. 与没有经过高压处理的磁体相比, 经过1.5 GPa和3.0 GPa高压的样品最大磁能积分别提高了7.69 kJ·m-3和0.94 kJ·m-3, 剩余磁通密度分别提高了0.02 T和0.01 T, 内禀矫顽力分别提高了20.06 kA·m-1和30.33 kA·m-1. 结果表明, 高压对块状NdFeB烧结磁体的显微结构和力学性能及磁性能均有一定的影响.
2012, 61 (24): 240702.
doi: 10.7498/aps.61.240702
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基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法(ART)实现燃烧场温度和浓度二维分布重建. 采用时分复用技术, 在1 kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线, 7205.25和7416.05 cm-1, 对温度分布在300—1100 K范围内的气体温度场进行了重建. 研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响, 并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较, 结果表明, 采用四个投影方向时, 温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合. 当光线数目减少时, 通过在两条光线间增加虚拟光线, 代入到迭代算法中, 增加光线数目, 提高了温度场和浓度场的重建效果. 但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响, 即在两条光线之间气体温度梯度较大, 增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显.
2012, 61 (24): 240703.
doi: 10.7498/aps.61.240703
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本文对PD SOI NMOS器件进行了60Coγ射线总剂量辐照的实验测试, 分析了不同的栅长对器件辐射效应的影响及其物理机理. 研究结果表明, 短沟道器件辐照后感生的界面态密度更大, 使器件跨导出现退化. PD SOI器件的局部浮体效应是造成不同栅长器件辐照后输出特性变化不一致的主要原因. 短沟道器件输出特性的击穿电压更低. 在关态偏置条件下, 由于背栅晶体管更严重的辐射效应, 短沟道SOI器件的电离辐射效应比同样偏置条件下长沟道器件严重.
基本粒子物理学与场
2012, 61 (24): 241301.
doi: 10.7498/aps.61.241301
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基于LHCb、Tevatron以及D0实验组关于中性Bs介子混合的最新实验结果, 12s中有可能存在大的新物理贡献, 我们在代非普适Z'模型下对Bs-Bs混合进行了研究. 假定Z'玻色子不仅对非对角矩阵元M12s有贡献, 还考虑了由树图交换Z'玻色子所导致的b scc算符对非对角矩阵元12s的贡献. 结果表明: 在Ms, s和Bd J/ KS衰变的间接CP不对称这些物理可观测量的联合限制下, 实验值afss不到解释. 因此, 在对代非普适Z'模型假定下, 不能同时对所有中性Bs介子混合观测量给出解释. 伴随着LHCb以及未来的超级B工厂的运行,尤其是对CP不对称afss的测量, 期望这一问题将得到解答.
2012, 61 (24): 241401.
doi: 10.7498/aps.61.241401
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二次电子的发射在生产实践中有着广泛的应用, 但其相关测量结果受实验环境和实验仪器的影响很大, 在实验中难以精确测量. 所以本文建立了一个包含二次电子激发、在固体内部传输和最后逸出固体表面的二次电子系统模型. 采用Monte-Carlo的模拟方法仿真二次电子运动轨迹, 定量分析二次电子的发射系数和能谱分布. 并探讨它们与一次电子的入射角度和入射能量的关系. 仿真结果表明: 本文建立的二次电子系统模型能较好地反映实际情况. 通过该模型仿真, 可以定量得到二次电子发射系数和能谱分布与一次电子的入射能量和入射角度的关系.
核物理学
2012, 61 (24): 242801.
doi: 10.7498/aps.61.242801
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利用数值模拟程序模拟了高空核爆炸辐射的X射线对不同高度大气的电离及演化过程, 给出了电子的时空分布曲线. 结果表明: 在80 km爆高1 kt小当量高空核爆炸情况下, 电子数密度随高度只出现一个极大值, 而在80 km以上爆高情况下, 电子数密度出现两个极大值, 一个位于爆点附近, 另一个位于90 km高度附近, 在这个高度电离的影响范围最大; 高空核爆炸辐射的X射线在70 km高度附近截止, 对70 km以下高度没有电离影响; 随着辐射角度的增加, 电子数密度出现第二个极大值的高度有所上升, X射线截止高度也有所上升.
2012, 61 (24): 242901.
doi: 10.7498/aps.61.242901
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高度离化的中、高Z元素激光等离子体辐射的细致结构能谱对惯性约束聚变等离子体诊断和原子结构理论计算等方面非常有用. 在神光II激光装置上, 聚焦0.35 m激光束于真空室内的钼(Mo)元素固体靶上, 产生Mo激光等离子体, 用高分辨椭圆弯晶谱仪测量Mo激光等离子体辐射在0.320.58 nm范围内的X射线细致结构能谱, 并对实测能谱进行辨识和归类. 辨识出了n=42, 32系列离子共振跃迁和内壳层跃迁的能谱线, 还有类氢、类氦离子共振线及伴线. 另外, 对谱线的半高全宽度(FWHM)值做了分析. 在整个测量范围内, 谱线精确波长值的绝对误差小于0.0005 nm, 与HFR方法得到的理论计算结果值比较, 两者符合较好. 此工作的结果对积累Mo元素离子谱线数据具有重要的意义.
2012, 61 (24): 242902.
doi: 10.7498/aps.61.242902
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介绍了四象限倾斜跟踪传感器的原理后, 分析了存在光子噪声和串扰条件下的四象限探测器的质心探测误差和光斑位移灵敏度, 并推导了存在光子噪声和串扰条件下四象限倾斜跟踪传感器跟踪误差的理论公式, 最后通过实验证明了理论分析的正确性. 理论分析和实验的结果都表明: 当单帧光-电子数一定时, 串扰越大, 四象限倾斜跟踪传感器的跟踪误差越大; 而当串扰一定时, 单帧光-电子数越多, 四象限倾斜跟踪传感器的跟踪误差越小.
原子和分子物理学
2012, 61 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.61.243101
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利用第一性原理研究InAs双壁管状团簇及其双壁纳米管的几何结构、 稳定性和电子特性. 几何结构分析表明, In(3pk+4p)/2As(3pk+4p)/2 (p=6,8,10, k=3,4,···,11) 双壁管状团簇的几何构型符合欧拉公式,并得到In(3pk+4p)/2As(3pk+4p)/2双壁管状团簇及(m,n)@(2m,2n) (m=n=3,4,5) 型InAs纳米管的管径公式. 电子特性的计算结果表明: [6,k]@[12,k+2]型管状团簇和(3,3)@(6,6)型纳米管稳定性最高; 利用前线轨道随尺寸的变化规律, 得到InAs双壁管状团簇的生长机理, 阐明实验合成InAs纳米管的微观机理; 态密度和能带研究结果表明, InAs双壁管状团簇及双壁纳米管都具有半导体特性.
2012, 61 (24): 243102.
doi: 10.7498/aps.61.243102
摘要 +
采用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法和相关一致基aug-cc-pV5Z, 在0.103—1.083 nm的核间距内计算了SO+ 离子b4∑-态的势能曲线. 采用态相互作用方法和非收缩全电子aug-cc-pCVTZ基组、 利用完全Breit-Pauli算符计算了旋轨耦合效应对光谱常数的影响. 为提高势能曲线和旋轨耦合常数的计算精度, 考虑了核价相关效应和相对论效应对势能曲线的影响. 核价相关效应是使用cc-pCVTZ基组计算的; 相对论效应是在cc-pV5Z基组水平上使用三级Douglas-Kroll-Hess哈密顿算符计算的. 利用得到的势能曲线, 计算了各种情况下的光谱常数, 并进行了详尽的分析和讨论. 结果表明: 在MRCI+Q/aug-cc-pV5Z+CV+DK理论水平获得的光谱常数总体上最接近实验值. 在MRCI+Q/aug-cc-pV5Z+CV+DK理论水平, 用全电子aug-cc-pCVTZ基组计算旋轨耦合修正时得到的旋轨耦合常数为1 cm-1. 利用MRCI+Q/aug-cc-pV5Z+CV+DK理论水平得到的势能曲线, 通过求解核运动的振转Schrödinger方程, 计算了无转动SO+离子b4∑-态前20个振动态的G(ν), Bν和Dν等分子常数. 其值与已有的实验结果一致. 本文得到的光谱常数和分子常数达到了很高精度, 能为进一步的光谱实验和理论研究提供可靠参考. 文中的大部分光谱常数和分子常数均属首次报道.
2012, 61 (24): 243401.
doi: 10.7498/aps.61.243401
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本文采用初态程函近似-连续扭曲波方法研究了质子和Be原子的碰撞电离过程: 计算了入射离子能量从50 keV/u到10000 keV/u时一阶和二阶微分散射截面随电离电子能量和角度的变化规律, 并对各种碰撞电离机理进行了详细讨论; 计算所得总截面随入射离子能量的变化规律也与已有数据一致; 另外采用FAC代码研究了Be原子的内壳层电子(1s)被电离后的俄歇过程.
2012, 61 (24): 243701.
doi: 10.7498/aps.61.243701
摘要 +
本文从理论上研究了复合静电场和非共振激光场对基态(X1∑+) CO分子的取向, 分别讨论了激光场与分子的绝热作用和非绝热作用. 计算结果表明, 对于永久偶极矩较小的基态CO(X1∑+)分子, 静电场与激光场产生的隧道对的能级耦合作用可以增强基态CO分子在复合场下的取向. 在绝热情况下, 即使较弱的静电场也可以获得较好的取向效果, 而非绝热情况下, 分子取向在激光场关闭后会周期性再现. 本文还进一步研究了激光强度、电场强度和温度对取向度的影响.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (24): 244101.
doi: 10.7498/aps.61.244101
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在唯一性原理的基础上, 提出采用二次等效的方法, 求解三层平行媒质模型下, 位于中间层的静态水平电偶极子在其他层媒质中产生的电场分布的解析表达式. 也就是先经过一次等效求出场源同层时的场分布, 然后利用二次等效将三层模型等效为两层模型, 进而利用镜像法求出场分布. 所得标量电位分布的表达式被证明是满足边界条件的, 由此说明推导结果的有效性. 并在实验室中模拟空气-海水-海床三层模型, 对位于海水中的静态水平电偶极子在海水和海床中的标量电位进行了实测, 并利用实验参数进行了仿真分析. 实测结果和仿真分析相符合, 表明推导结果的正确性. 研究所得场分布表达式为以静态电偶极子为基本模拟体的电场分布的数学模拟、 场分布特征分析等应用奠定了理论基础.
2012, 61 (24): 244102.
doi: 10.7498/aps.61.244102
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本文运用场匹配法对具有任意位错的双排矩形栅慢波结构的场分布、 色散特性及耦合阻抗进行了研究. 研究结果表明, 场匹配法推导的色散特性与仿真软件CST和HFSS计算的结果完全一致, 耦合阻抗介于CST和HFSS之间. 在此基础上, 详细研究了上下两排系统之间位错对色散特性及耦合阻抗的影响. 当位错严格为半个周期时, 第一阻带消失, 第一个模式最高截止频率与第二个模式最低截止频率重叠, 发生简并; 当位错为0.45倍周期时, 在保证耦合阻抗不变的情况下, 基模的通带虽降低了2.8 GHz, 但阻带却增大了7.9 GHz, 从而可以有效避免简并及模式竞争的发生.
2012, 61 (24): 244103.
doi: 10.7498/aps.61.244103
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基于射频识别技术原理及射线跟踪理论, 导出了实际环境中射频识别系统完整传播链路模型. 提出基于目标区域识别率的系统性能评估方法, 并讨论了其主要影响因素. 结合电磁波传播理论及相干干扰抵消原理, 提出标签集及相位开关目标区域识别率优化方法.在室内多径环境下, 测试了采用标签集及相位开关优化方法的目标区域识别率. 测试结果表明, 两种方法下的系统目标区域识别率分别提高10%和7.6%.
2012, 61 (24): 244104.
doi: 10.7498/aps.61.244104
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本文分析了由两束贝塞尔(Bessel)光相干产生的周期性局域空心光束(Bottle beam)遇到障碍物后的自重建特性. 由汉克尔波理论分析了自重建的原理, 利用衍射积分理论数值模拟了轴上圆形障碍物对光束传输的影响. 结果表明, 周期性Bottle beam遇到障碍物遮挡时具有自重建特性, 重建后的光束依然保持着障碍物前的光强分布特性. 研究结果对于利用周期性Bottle beam实现微粒的多层面操控具有特殊意义.
2012, 61 (24): 244105.
doi: 10.7498/aps.61.244105
摘要 +
根据高频区目标及粗糙面局部表面的散射波束较窄的特征, 结合射线追踪及电磁流迭代方法, 给出了一种快速计算超低空目标与粗糙面复合多次散射的波束追踪算法, 并利用该算法仿真计算了金属平板、球等目标与粗糙面近场复合散射多普勒回波, 其结果与多层快速多极子(MLFMM)结果十分符合; 同时在造波水池内对金属平板与水面的复合散射开展了测试验证, 计算结果与测试数据趋于一致, 说明了该算法的有效性.
2012, 61 (24): 244106.
doi: 10.7498/aps.61.244106
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基于速度调制原理, 发展得到了一种适用于折叠波导行波管的大信号理论. 这个大信号理论将相位进行离散, 将电子束根据相位离散为具有不同初始相位的宏粒子, 计算每一电子束通道和电磁波通道相重合处电磁波对宏粒子的调制作用和能量交换, 从而得到线路波的增长. 与粒子模拟结果相比, 该大信号程序所预言的输出功率误差在10%以内, 饱和长度误差在15%以内. 该方法可用于折叠波导行波管的设计计算和分析.
2012, 61 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.61.244201
摘要 +
提出了脉冲激光被动相干偏振合成方案. 利用光反馈环形腔结构实现多路激光的自组织被动锁相, 利用级联偏振合束的结构实现多路激光偏振合成, 实现多路相干光束同轴输出. 开展了4路脉冲激光相干偏振合成实验研究, 获得了91.9%的合成效率, 可获得时域、空域特性均十分稳定的合成脉冲激光. 该方案为获得高功率脉冲光纤激光提供了一条可行的技术途径.
2012, 61 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.61.244202
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从部分相干光的传输理论出发, 采用傅里叶变换法, 推导出聚焦部分空间相干部分光谱相干厄米-高斯脉冲光束的光谱和光谱相干度的解析表达式, 并用以研究了聚焦场的相干特性. 研究结果表明, 聚焦光束的光谱相干度与空间相关长度、 时间相干长度和光束阶数有关．时间相干长度的减小将引起光谱相干度的减小, 但光谱相干度的空间分布特性不受影响. 随着光束阶数的增大, 光谱相干度会出现振荡, 且光束阶数越大, 空间相关长度越小, 振荡越明显.
2012, 61 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.61.244203
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相干衍射成像是一种新型的无透镜成像技术, 在光学测量、显微成像和自适应光学等领域有重要应用. 本文提出一种基于单幅菲涅耳衍射强度图样的无透镜相干衍射成像方法; 该方法采用特殊设计的卷积可解阵列抽样屏, 通过对抽样物波的菲涅耳衍射强度图样进行非迭代的逆菲涅耳变换和滤波等数字处理实现被测物波复振幅信息的恢复, 最后通过数字衍射得到物体的数字再现像. 文中对抽样孔径、衍射距离、图像传感器尺寸等参数对再现像的影响进行了理论分析和模拟实验研究. 发现在针孔大小和记录孔径大小一定的条件下,存在一个最佳的衍射距离; 衍射距离过大会给重建图样带来噪声, 衍射距离过小则会使再现象的分辨率降低. 文中还对抽样针孔大小对系统成像分辨率的影响进行了分析, 为进一步开展相关实验研究和应用提供了理论依据.
2012, 61 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.61.244204
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结合双随机相位编码技术与相移干涉术, 提出了一种信息隐藏系统, 待隐藏信息被加密到多幅干涉图数据中后, 通过选取合适的权重因子, 它们可以被嵌入到宿主图像中; 利用特定的相移再现公式和逆菲涅耳衍射变换, 可以实现隐藏信息的提取及解密. 通过基于Matcom的Visual C++与Matlab混合编程, 设计和开发了一款信息隐藏系统软件, 经过界面测试, 该软件可以实现图像读取及显示、 基本几何参数输入、信息加密及嵌入、信息提取及解密、鲁棒性测试等主要功能.
2012, 61 (24): 244205.
doi: 10.7498/aps.61.244205
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报道了一种简单而又实用对双包层大芯径光纤光栅反射率和纤芯折射率调制的估算方法. 通过监测和记录光栅刻写过程中光纤激光器输出功率随时间的变化, 将实验数据和掺铥光纤激光器的速率方程理论相结合, 对刻写光栅反射率和纤芯折射率变化进行估算. 光纤光栅的最大反射率大约为96.4%, 纤芯折射率调制达到1.2×10-3. 利用显微镜对光栅进行观测,纤芯的折射率调制变化均匀, 且周期与模板周期一致. 将光纤光栅应用在全光纤化掺铥光纤激光器中, 在抽运功率为51.6 W时, 获得15.5 W的1950.6 nm 激光输出, 斜率效率为37.9%, 并在输出功率为15 W时, 利用刀口法测得光束质量M2≈ 1.4.
2012, 61 (24): 244206.
doi: 10.7498/aps.61.244206
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本文报道导了对长脉冲工作模式下中心波长为1274 cm-1量子级联激光器光谱特性的研究结果. 通过采用高带宽的中红外HgCdTe探测器及高速数据采集装置得以记录时域下的光谱, 结合高分辨率的标准具, 可以获得有关光谱在频域下的信息. 通过对测量的光谱数据的分析, 获得了光谱的外形、调谐特性、分辨率随时间变化的特性与规律, 以及电压、温度对光谱的影响方式, 得到了提高光谱分辨率、优化光谱质量的方法, 从而可以提高下一步光谱定量分析的准确性.
2012, 61 (24): 244207.
doi: 10.7498/aps.61.244207
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本文研究了纤芯结构对空芯光子晶体光纤光子带隙和传输损耗的影响, 得到了适合光纤制备工艺的纤芯结构. 首先利用平面波展开法计算了一定占空比三角形结构的空芯光子晶体光纤的带隙结构, 给出了在传输波长λ=1.55 μm时光纤的结构参数值, 并模拟了纤芯直径对带隙位置和大小的影响, 得出纤芯直径的取值范围, 通过分析泄露损耗特性得出纤芯壁厚的取值. 然后根据分析结果设计出了光纤端面图, 运用全矢量有限元法模拟出在不同纤芯直径的情况下的模场分布, 通过对比分析得出光纤的最佳纤芯半径R为1.6Λ—1.75Λ. 研究结果表明, 选择合适的纤芯结构既能满足空芯光子晶体光纤的光子带隙和损耗特征, 又可以适当降低光纤制备工艺的难度.
2012, 61 (24): 244208.
doi: 10.7498/aps.61.244208
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本文利用数值计算的方法, 研究比较了目前常用的四种解析解设计的短程透镜凹坑深度方向加工误差对其聚焦效果的影响, 得到了该方向加工误差与其焦距改变量之间的定量关系. 结果表明: 这四种解析解设计的短程透镜凹坑深度相对加工误差Δ Zo/Zo与焦距的相对改变量Δ b/b的比值为一常数. 根据这一关系给出了几种典型集成光学器件中短程透镜的加工容限误差. 上述研究可为高分辨率光学器件的设计、制作提供理论支持和指导.
2012, 61 (24): 244209.
doi: 10.7498/aps.61.244209
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考虑到GaAs具有受热分解的特性, 采用热传导理论和半解析法研究了波长532 nm的毫秒量级长脉冲激光致GaAs 的表面热分解损伤. 首先, 建立了激光辐照GaAs的二维轴对称瞬态温度场及表面热分解损伤阈值的计算模型, 模拟了吸收率不同时, GaAs的瞬态温度场分布及热分解损伤阈值. 计算结果表明: 较高的吸收率引起GaAs表面的温升较高, 但所需的热分解损伤阈值较低; 增加作用激光能量密度, GaAs表面发生热分解损伤随之提前. 本文研究结果对激光与GaAs相互作用及其损伤机理的研究具有指导意义和实用价值.
2012, 61 (24): 244210.
doi: 10.7498/aps.61.244210
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采用下降法生长技术, 沿a向[1120]生长的掺碳钛宝石晶体, 在切割等加工过程中掺碳钛宝石晶体经常发生定向开裂的现象. 本文对掺碳钛宝石晶体的定向开裂特征和机理进行了分析与研究, 发现定向裂纹是在基质氧化铝晶格的(1100)面上发源, 并且沿着[0001]晶向即c轴方向扩展. 采用晶体结构可视化软件(Crystalmaker)模拟得出, 基质氧化铝晶格原子在(1100)面上的原子排列最为稀疏, 并且在(1100)晶面上, 垂直 [0001]晶向相邻原子间距最大, 在应力作用下晶格 (1100) [0001]系统的开裂强度最低. 采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和电子探针等仪器和手段, 发现在开裂的掺碳钛宝石晶体中沉积了不规则的碳包裹物, 降温过程中包裹物的热膨胀失配引起巨大的内应力, 使得裂纹在晶体最薄弱的系统(1100) [0001]面上发源并扩展, 导致晶体的宏观定向开裂. 该研究对优质钛宝石晶体的生长具有重要的理论和现实意义.
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2012, 61 (24): 244301.
doi: 10.7498/aps.61.244301
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以水为工作介质, 考虑了液体的轻微可压缩性, 研究了声场中气泡群的动力学特性, 对单一型和混合型气泡群内微泡的初始半径、 气泡的数目及声频率和声压对气泡动力学特性进行了数值研究. 分析了各参数对气泡运动特性和气泡崩溃时所产生压力脉冲的影响. 研究了单一型气泡群内气泡动力学的混沌特性, 分析了气泡处于混沌特性下两次崩溃压力脉冲特征, 结果表明: 适合的参数有利于提高声空化处理效果.
2012, 61 (24): 244501.
doi: 10.7498/aps.61.244501
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研究力学系统Birkhoff函数(组)的构造方法. 基于自伴随条件和线性偏微分方程组的可积性条件给出构造Birkhoff函数(组)的待定张量法. 举例说明结果的应用.
2012, 61 (24): 244502.
doi: 10.7498/aps.61.244502
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结合跟车行为中车辆相对运动的影响和安全驾驶条件, 引入换道规则, 提出了基于跟车行为的双车道元胞自动机模型. 模型可以描述系统在临界密度附近的亚稳态性质, 其仿真结果与实测数据符合很好. 在对车辆换道仿真数据采集处理的基础上, 研究满足换道条件的车辆数和车辆密度间的关系, 定义了换道函数描述标准驾驶行为下的车辆换道过程, 求得函数的解析解并使用函数预测经换道达到稳定的车辆密度值, 为量化和深入研究车辆的换道行为提供参考.
2012, 61 (24): 244503.
doi: 10.7498/aps.61.244503
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在STNS模型的基础上, 建立了可利用智能交通系统实时信息的高速公路可变速度限制区段元胞自动机模型, 对动态速度控制区段的交通流特性进行模拟, 分析了不同有效限速值、区段长度与交通状况下的限速对交通流和道路通行能力的影响, 以及限速有效性条件. 模拟结果表明可变速度限制作为交通管理控制的辅助手段, 具有一定的使用条件, 针对不同交通状况采用不同的最优限速值和区段长度的动态速度控制方法, 可在保证交通安全的前提下达到抑制交通拥堵、 减少车辆总通行时间从而提高道路实际通行能力的目的.
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2012, 61 (24): 244504.
doi: 10.7498/aps.61.244504
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本文通过改变直剪盒内高精度球形玻璃珠粒径、 直剪盒厚度和长度的比例关系来观察体系剪切应力同试样边界条件的关系. 发现随着玻璃珠粒径的减小样品所能承受的剪切应力会略微减小, 而直剪盒长度的减小也会导致剪切应力的下降. 实验结果表明直剪盒长度不足35倍颗粒粒径或者其厚度小于0.5倍直剪盒长度的时候, 直剪实验具有明显的尺寸效应, 现行的直剪实验指导标准应当予以修正.
2012, 61 (24): 244701.
doi: 10.7498/aps.61.244701
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本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进. 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的耦合边界条件, 添加了表面张力和人工应力的计算程序. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴冲击液膜问题进行了数值模拟. 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 精细地捕捉了不同时刻的自由面, 从机理上分析了液滴产生飞溅的条件, 探讨了韦伯数, 表面张力对液滴冲击液膜问题的影响. 计算结果表明, 改进光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴冲击液膜的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.
2012, 61 (24): 244702.
doi: 10.7498/aps.61.244702
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涡旋轴对称化是影响热带气旋预报的重要动力学过程. 截止目前的研究, 均用等值线图形主观识别涡旋轴对称化. 本文用一个准地转无幅散的正压涡度方程模式, 数值积分48 h, 模拟了初始非轴对称涡旋演变为轴对称涡旋的轴对称化过程. 根据模式输出数据, 计算了逐时涡旋外缘线的分形维数DB, 用分形维数DB的逐时变化客观表征涡旋轴对称化. 在此基础上, 计算了分形维数DB与热带气旋尺度参数Rm和热带气旋强度参数Vmax的相关系数. 结果显示, DB与Rm的相关系数为-0.70, DB与Vmax的相关系数为-0.75, 相关均显著. 用此途径, 客观表征了涡旋轴对称化与热带气旋参数的联系. 结果在热带气旋预报中有应用前景.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (24): 245201.
doi: 10.7498/aps.61.245201
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本文提出了流体-化学动理学二维正电晕放电混合模型, 该模型包含12种粒子间的27种化学反应, 并且考虑光电离的影响. 此外, 在实验室内对该模型开展试验验证, 单次脉冲波形及伏安特性曲线符合较好. 基于上述模型, 本文研究了在外施电压3 kV时棒-板电极正电晕放电过程中的电场分布、电子温度分布、 空间电荷分布的发展规律, 并对电晕放电过程中粒子的成分进行了详细分析, 讨论了电子、正负离子、中性粒子在放电过程中的生成规律及对电晕放电的影响. 结果表明: 在整个电晕放电过程中, 电子温度分布和电场强度分布曲线相似, 电子密度维持在1019 m-3左右, 只发现带正电的等离子体特征. O4+密度是放电过程中数量最多的正离子, O2+和N2+在二次电子发射过程中具有重要作用, O2- 离子和O分别是负离子和中性粒子中数量最多的粒子, 由于负离子和中性粒子在电晕放电过程中数量较小, 因而起的作用相对较小.
2012, 61 (24): 245202.
doi: 10.7498/aps.61.245202
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本文对太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性进行了理论和实验研究, 得到了非磁化等离子体中太赫兹波传输特性随太赫兹波频率、等离子体密度、 碰撞频率和厚度的变化规律. 发现了一些新的现象: 随着太赫兹波频率增加, 反射率曲线出现周期性振荡, 振荡周期为0.03 THz. 随着太赫兹波频率增加, 振荡幅度增加; 随着等离子体密度增加, 振荡幅度减小; 随着等离子体碰撞频率增加,振荡幅度增加. 反射率曲线出现振荡的原因是电磁波在z=0和z=-d界面处的多次反射所致. 以激波管为实验平台进行了0.22 THz太赫兹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符合较好. 理论和实验结果均表明, 采用太赫兹来实现地面与飞行器之间的通信互联是解决黑障问题的可选途径之一.
2012, 61 (24): 245203.
doi: 10.7498/aps.61.245203
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在磁绝缘传输线层流模型基础上, 基于极限电流近似, 推导获得了同轴圆柱形磁绝缘传输线在自磁限制绝缘时, 前沿损失电子电流、功率的解析解. 通过粒子模拟, 获得了磁绝缘传输线在源阻抗不变的条件下, 不同电压条件下的损失电子电流、损失功率. 对比分析了模拟结果与极限电流近似下和最小电流近似下的理论结果. 结果表明: 损失电子电流与损失功率比例随电压增大而减小; 电压高于4 MV时, 极限电流近似更符合模拟结果, 电压大于10 MV时, 极限电流近似与模拟结果的相对误差从最小电流近似的50%以上减小到10%以下. 对于建立磁绝缘传输线系统中, 高压电脉冲从真空传输、磁绝缘传输线上传输到工作负载的全电路模拟具有一定的指导意义.
2012, 61 (24): 245204.
doi: 10.7498/aps.61.245204
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采用时滞反馈的方法实现了对气体放电半唯象模型中时空斑图的控制. 在Turing-Hopf切空间附近分析了时滞反馈对Turing模与Hopf模的影响, 确定了反馈参数与系统振荡频率及临界波长的关系. 结果表明, 在保持外加电压不变的情况下, 时滞反馈可有效控制斑图的转换. 增加反馈强度或延迟时间等效于增加外加电压. 进一步利用二维数值模拟进行了验证. 研究结果对气体放电系统中实现斑图的控制提供了一种新思路.
2012, 61 (24): 245205.
doi: 10.7498/aps.61.245205
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为了研究大气压下氩气(Ar)中掺杂氨气(NH3)的Ar/NH3介质阻挡辉光放电的放电机理, 通过建立一个多粒子的自洽耦合流体模型, 采用有限元方法进行数值计算, 得到了气体间隙压降、介质表面电荷密度、放电电流密度随时间的周期变化波形, 以及带电粒子、中性粒子与空间电场强度的时空分布. 仿真计算结果表明: 气体间隙的周期击穿过程主要由气隙电压控制, 并受气隙两侧介质极板上积聚的表面电荷的影响. 气隙间带电粒子密度和电场强度的时空分布表明本文的放电过程存在阴极位降区、 负辉区、法拉第暗区、等离子体正柱区等辉光放电的典型区域, 放电模式为大气压辉光放电. 在Ar/NH3 等离子体中, 主要的正离子为NH3+, 其次为Ar2+, 主要的负离子为NH2-; NH3分解产生的主要的激发态分子为NH, NH2和N2H3, 而最终的稳态产物主要是N2和H2.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (24): 246101.
doi: 10.7498/aps.61.246101
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本文通过实验分析了0.8 μm工艺H形栅SOI MOS器件在低剂量率下的γ射线总剂量效应. 实验结果表明, 总剂量相同时,低剂量率的辐照效应更严重, 关态偏置条件下的阈值电压漂移大于开态, 辐照引起NMOS器件发生kink效应时的漏极电压VD升高. 研究结果表明: 界面态对PMOS器件亚阈值斜率和跨导退化的影响作用不同, 主要原因是栅极偏置不同使起作用的界面态数量不同.
2012, 61 (24): 246102.
doi: 10.7498/aps.61.246102
摘要 +
采用分子动力学方法对六种不同冷速对原子尺寸相差较大的液态合金Ca50Zn50凝固过程中微观结构演变的影响进行了模拟研究, 并采用双体分布函数﹑Honeycutt-Andersen (HA)键型指数法、原子团类型指数法(CTIM-2)﹑可视化等方法进行了深入分析, 结果表明: 系统存在一个临界冷速, 介于和5 1011 K/s与11011 K/s之间, 在临界冷速以上(如11014 K/s, 11013 K/s, 11012 K/s 和51011 K/s)时,系统形成以1551, 1541, 1431键型或二十面体基本原子团(12 0 12 0 0 0)等为主体的非晶态结构; 在临界冷速以下时, 系统形成以1441和1661键型或bcc基本原子团(14 6 0 8 0 0)为主体(含有少量的hcp(12 0 0 0 6 6)和fcc(12 0 0 0 12 0)基本原子团)的部分晶态结构. 在非晶形成的冷速范围内, 其总双体分布函数的第一峰明显分裂成与近邻分别为Zn-Zn, Ca-Zn, Ca-Ca相对应的三个次峰; 且随着冷速的下降, 同类原子近邻的次峰峰值升高、异类原子近邻的次峰峰值下降; Zn原子容易偏聚, 随着冷速降低, 二十面体的数量增多, 非晶态结构也越稳定. 在晶态形成的冷速范围内, Zn原子已大量偏聚形成大块bcc晶态结构, Ca原子也部分形成hcp和fcc晶态结构.
2012, 61 (24): 246201.
doi: 10.7498/aps.61.246201
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运用基于密度泛函理论第一性原理方法研究了MnPd从立方顺磁到四方反铁磁的相变以及其弹性性质和热力学性质等. 结果表明: MnPd合金顺磁立方B2结构在施加了四方应变后, 结构不稳定, 会发生结构相变形成四方顺磁结构. 四方顺磁相弹性稳定, 然而在考虑了磁性后, 反铁磁四方相比四方顺磁相能量更低, 而且弹性和动力学都稳定, 说明反铁磁四方相是MnPd的低温结构. 从而得出MnPd合金的相变路径为两步: 先发生结构相变从顺磁B2立方结构转变为顺磁四方相, 再由磁性诱发相变形成反铁磁四方结构. 通过准谐近似得到了摩尔比热容, 徳拜温度等热力学性质.
2012, 61 (24): 246501.
doi: 10.7498/aps.61.246501
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HMX (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) 晶体不同晶型对温度的响应对于深入认识含能材料在外加载荷下的感度、稳定性、 相变等具有重要意义. 采用ReaxFF-lg势函数和等温等压分子动力学 (NPT-MD) 方法, 研究了-, -和-HMX三种固态晶型在T=303503 K内的晶体结构和分子结构. 结果表明, ReaxFF-lg势函数能够合理地描述HMX晶体的热膨胀行为, 计算得到的晶体结构和热膨胀系数与实验数据比较符合. 三种晶型的线膨胀系数表明, -HMX晶体具有明显的热膨胀各向异性; -HMX晶体c轴的热膨胀特性与a, b轴略有不同; -HMX晶体三个方向的热膨胀特性基本相同. 三种晶型的体膨胀系数为-HMX -HMX HMX, 表明-HMX晶体对温度最敏感, 这可能是-HMX晶体具有更高感度的原因. 在T=443 K时, HMX晶体的晶胞参数突变, 且部分分子构型由椅式转变为船式-椅式. 采用两相热力学模型 (2PT) 得到的亥姆赫兹自由能表明, HMX晶体在 T=423443 K时发生相变. , -和-HMX晶体分别在T=303423 K, T=443503 K和T=363423 K内稳定存在.
2012, 61 (24): 246801.
doi: 10.7498/aps.61.246801
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采用密度泛函计算方法, 研究了二维单层硅Si6H4Ph2的稳定性及其电子结构. 通过对纯硅纳米片Si6、加氢钝化的硅纳米片Si6H6以及添加苯基钝化的硅纳米片Si6H4Ph2对比研究, 揭示了Si6H4Ph2的稳定性机理. 通过电子结构研究, 发现Si6H4Ph2与Si6H6类似, 显示间接带隙半导体性质.
前沿领域综述
2012, 61 (24): 246202.
doi: 10.7498/aps.61.246202
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上世纪中期, 人们通过扭摆试验测量内耗, 发现晶界滞弹性弛豫峰. 后来尽管很多学者提出了各种理论模型, 但晶界滞弹性弛豫的微观机理仍然是不清楚的. 最近, Xu根据弹性应力引起晶界溶质偏聚或贫化实验结果, 提出了晶界滞弹性弛豫的微观机理是晶界吸收或发射空位, 建立了晶界滞弹性弛豫的平衡方程和动力学方程, 解析地表述了晶界滞弹性弛豫过程, 并成功地阐明了普遍存在于金属中的中温脆性峰温度移动现象. 本文将综述晶界滞弹性弛豫理论的这一现代发展.
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2012, 61 (24): 248502.
doi: 10.7498/aps.61.248502
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石墨烯自从被发现以来, 由于其零带隙、低电导率、常温下的高电子迁移率及量子霍尔效应和独特的光吸收等优良特性, 引发了世界各国科研人员的重视,研究人员对其物理性质及应用的研究越来越多并且进展迅速. 本文以光纤通信用光电器件中的探测器、调制器为主, 综述了石墨烯在光电探测器、调制器以及超快锁模激光器和用于发光二级管、 触摸屏透明导电薄膜等方面的应用.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (24): 247101.
doi: 10.7498/aps.61.247101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锂离子电池负极材料黑磷在嵌锂过程中的产物LiP5, Li3P7以及LiP的晶体结构与电子结构进行了研究与分析. 通过计算这几种材料的电子结构, 发现黑磷嵌锂后的这几种相均为半导体能带结构, 其带隙均比黑磷嵌锂前的带隙大, 表明黑磷嵌锂后的电子电导性能降低了. 利用弹性能带方法模拟了Li离子在LiP5, Li3P7和LiP材料中的扩散, 从理论上得到了Li离子的扩散势垒,并与其他电极材料进行了比较, 发现Li离子在各种嵌锂态的材料中都能够比较快速的扩散. 计算结果表明, Li在LiP5中的扩散系数大约为10-4 cm2/s, 扩散通道是一维的; Li在Li3P7中的扩散系数为10-7—10-6 cm2/s, 扩散通道是三维的; Li在LiP中的扩散系数为10-8—10-5 cm2/s, 扩散通道是三维的.
2012, 61 (24): 247102.
doi: 10.7498/aps.61.247102
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基于密度泛函理论, 从头计算了C间隙和替位氧掺杂立方结构BaTiO3的电子结构和磁学性质. 结果表明C掺杂BaTiO3在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小, 说明C掺杂BaTiO3的基态具有铁磁性. 从态密度和自旋电子密度分布可知, C位于BaTiO3间隙的磁性机理和过渡金属掺杂半导体产生磁性的机理类似; C替位掺杂BaTiO3体系磁性源于未配对的C2p电子.
2012, 61 (24): 247301.
doi: 10.7498/aps.61.247301
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在可见光波段(λ=750 nm), 实验研究了在端面辅助情况下, 细纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性. 实验发现在细纳米银线中, 不同偏振态的入射光对应的表面等离极化激元的激发和传输效率有明显不同, 但对应的出射光始终为方向恒定的线偏振光. 对于化学合成的纳米银线, 端面的轴对称性普遍比较好, 对此类纳米银线进行激发时, 如果入射光偏振态与纳米线近似平行, 则激发和传输表面等离极化激元的效率最高; 如果正交,激发和传输效率则最低. 对于某些端面轴对称性较差的纳米银线, 如端面为尖端或类斜面, 当入射光偏振态与纳米线有一定夹角时, 激发和传输表面等离极化激元的效率最高. 在入射光偏振改变的过程中出射光的偏振方向始终与纳米银线平行. 最后结合有限元差分方法理论解释了纳米银线中这种偏振特性的物理机理. 利用纳米银线中表面等离极化激元激发和辐射的偏振特性, 可以在亚波长尺寸上实现对光强和偏振态的调控.
2012, 61 (24): 247302.
doi: 10.7498/aps.61.247302
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为了优化传统AlGaN/GaN high electron mobility transistors结构表面电场分布, 提高器件击穿电压和可靠性, 本文利用不影响AlGaN/GaN异质结极化效应的Si3N4钝化层电荷分布, 提出了一种Si3N4钝化层部分固定正电荷AlGaN/GaN high electron mobility transistors新结构. Si3N4钝化层中部分固定正电荷通过电场调制效应使表面电场分布中产生新的电场峰而趋于均匀. 新电场峰使得新结构栅边缘和漏端高电场有效降低, 器件击穿电压从传统结构的296 V提高到新结构的650 V, 而且可靠性改善. 通过Si3N4与AlGaN界面横、纵向电场分布, 说明了产生表面电场峰的电场调制效应, 为设计Si3N4层部分固定正电荷新结构提供了科学依据. Si3N4钝化层部分固定正电荷的补偿作用, 使沟道二维电子气浓度增加, 导通电阻减小, 输出电流提高.
2012, 61 (24): 247303.
doi: 10.7498/aps.61.247303
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本文主要研究考虑量子效应的高k栅介质SOI MOSFET器件特性. 通过数值方法自洽求解薛定谔方程和泊松方程, 得到了垂直于SiO2/Si界面方向上载流子波函数及能级的分布情况, 结合Young模型, 在考虑短沟道效应和高k栅介质的情况下, 对SOI MOSFET的阈值电压进行模拟分析. 结果表明: 随着纵向电场的增加, 量子化效应致使反型层载流子分布偏离表面越来越严重, 造成了有效栅氧化层厚度的增加和阈值电压波动. 采用高k栅介质材料, 可以减小阈值电压, 抑制DIBL效应. 较快的运算速度保证了模拟分析的效率, 计算结果和ISE仿真结果的符合说明了本文的模型精度高.
2012, 61 (24): 247304.
doi: 10.7498/aps.61.247304
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采用对靶磁控溅射方法在p型晶体硅(c-Si)衬底上沉积n型富硅氮化硅(SiNx)薄膜, 形成了富硅SiNx/c-Si异质结. 异质结器件呈现出较高的整流比,在室温下当V=2 V时为1.3103. 在正向偏压下温度依赖的J-V特性曲线可以分为三个明显不同的区域. 在低偏压区载流子的输运满足欧姆传输机理, 在中间偏压区的电流是由载流子的隧穿过程和复合过程共同决定的, 在较高偏压区的电输运以具有指数陷阱分布的空间电荷限制电流(SCLC)传输机理为主.
2012, 61 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.61.247501
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采用射频共溅射方法制备了FexZn1-xO (x=0.80, 0.86, 0.93)非晶薄膜, 该薄膜具有较强的室温铁磁性, 制备态的Fe0.93Zn0.07O 的饱和磁化强度Ms可达333.29 emu/cm3, 磁性能是各向同性的. 与多晶的FexZn1-xO (x≤ 20%)不同的是样品出现了明显的异常霍尔效应(AHE), 样品均为n型半导体, 载流子浓度约为1019—1020 cm-3. 退火后的样品在低温222 K 下存在着电阻极小值现象. 薄膜的低温电阻导电机理属于自旋依赖的电子变程跃迁机理, 上述实验结果表明高Fe含量的非晶FeZnO体系有作为新型自旋电子学器件材料的可能.
2012, 61 (24): 247701.
doi: 10.7498/aps.61.247701
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利用射频磁控溅射法(MS-RF)在玻璃基片上制备了不同掺杂浓度的ZnO:Sb薄膜. 借助X射线衍射仪(XRD)、透射光谱、光致发光谱(PL)和拉曼散射光谱(Raman)等手段研究了Sb掺杂浓度对ZnO薄膜的微结构、光致发光和拉曼特性的影响. 结果表明: 所有样品均呈现ZnO六角纤锌矿结构且具有高度c轴择优取向; 在Sb 掺杂ZnO薄膜的拉曼光谱中观察到位于532 cm-1的振动模式, 结合XRD分析认为此峰归因于Sb替代Zn位且与O 成键的局域振动模式(LVMSb-O); 光致发光谱测试发现, 仅在ZnO:Sb薄膜中观察到位于3.11 eV附近的紫光发射峰, 结合拉曼光谱分析认为此峰与SbZn-O复合体缺陷相关.
2012, 61 (24): 247801.
doi: 10.7498/aps.61.247801
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二元FeSi2是一种非常有潜力的环境友好型半导体, 但由于是线性化合物, 所以很难制备较高质量的单相. 本文从FeSi2相的基本团簇出发, 利用团簇+连接原子结构模型, 设计制备了Fe3Si8M (M=B, Cr, Ni, Co) 系三元薄膜. 研究了Fe3Si8M系三元薄膜的结构、成分和光电特性. 结果表明, 溅射态薄膜都为非晶态, 经850 ℃/4h退火后可全部转换为晶态, 引入的第三组元M不同会影响退火后的相转变和结晶质量, Cr和B为第三组元时可实现单一相, Co作为第三组元时, 薄膜以相为主表现为金属特性. B, Cr和Ni作为第三组元的样品中半导体性质都有不同程度的体现, 但相比较而言, Fe2.7Si8.4B0.9薄膜的半导体性能最为明显, 其电阻率为0.17 cm、载流子浓度为2.81020 cm-3、 迁移率为0.13 cm2/Vs,带隙宽度约为0.65 eV. 所以引入合适的第三组元可以扩展相相区, 并实现晶态三元型硅化物薄膜与二元FeSi2薄膜的半导体性能相近.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (24): 248101.
doi: 10.7498/aps.61.248101
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利用温度梯度法,在5.05.7 GPa, 12501600 ℃条件下, 研究了FeNiMnCo触媒合成宝石级金刚石的温度和压力区间, 给出了P-T相图. 基于有限元法的温度场模拟及碳素浓度梯度拟合结果表明, I型温度场只适合生长大尺寸优质板状及小尺寸塔状金刚石单晶; II型温度场可以合成出大尺寸优质板状或塔状金刚石单晶. 该结论被Ib型及掺硼宝石级金刚石晶体生长实验所证实. 提出碳素浓度梯度是决定晶体生长速度及合成晶体品质的关键因素. 研究得到了只有触媒中温度场分布与晶体尺寸、形貌相匹配时, 才能合成出优质宝石级金刚石单晶的晶体生长规律. 揭示了{110}和{113}高指数晶面在Ib型金刚石V形区内的分布规律. 通过傅里叶红外光谱检测发现, FeNiMnCo触媒合成金刚石的氮含量较低, 较低的氮含量是由铁会降低金刚石氮含量所致. 氮含量低有利于金刚石的光谱透过性.
2012, 61 (24): 248102.
doi: 10.7498/aps.61.248102
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原子层沉积氧化铝已经成为应用于钝化发射极和背面点接触(PERC) 型晶硅太阳能电池优异的钝化材料. 对于基于丝网印刷技术的太阳能电池, 钝化材料的钝化效果及其热稳定性是非常重要的. 本文在太阳能级硅片上用热原子层沉积设备制备了20 nm和30 nm的氧化铝, 少子寿命测试结果显示初始沉积的氧化铝薄膜具有一定的钝化效果, 在退火后可达到100 μs以上, 相当于硅表面复合速度小于100 cm/s. 经过制备传统晶硅太阳能电池的烧结炉后, 少子寿命能够保持在烧结前的一半以上, 可应用于工业PERC型电池的制备. 通过电子显微镜观察到了较厚的氧化铝薄膜有气泡, 解释了30 nm氧化铝比20 nm氧化铝钝化性能和稳定性更差的异常表现.
2012, 61 (24): 248401.
doi: 10.7498/aps.61.248401
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多注速调管采用多个低导流系数的电子束并行工作, 相对于常规单注结构速调管具有工作电压低、效率和增益高等特点, 但多电子束特性会带来新的影响. 本文基于这方面需求, 对强流多注电子束在多注器件结构中的传输特性进行了理论分析、计算机模拟和初步实验研究, 研究结果表明多注电子束各束之间的空间电荷力作用会使得电子束绕系统中心旋转, 而各束自身的空间电荷力作用, 会使得电子束绕束自身中心旋转, 并发生扩散, 两种作用都可能会使得电子束在传输过程中发生损失.
2012, 61 (24): 248402.
doi: 10.7498/aps.61.248402
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为了改进工程用电池建模精度低(5%以内), 五参量模型参数多且难获取的缺点, 提出一种新的太阳能电池组件参数确定方法. 首先通过Lambert W函数求解出太阳能电池组件参数解析式, 其次采用多项式拟合法, 获取太阳能电池组件电压电流关系式, 最后结合分段积分法求得了太阳能电池组件的参数值. 实验表明, 该方法的精度在0.5%以内; 与主流电导简化法和模式优化算法相比, 该方法不仅具有直观性, 利于掌握和计算, 同时求出的电池组件参数具有更小的误差值(0.1%以内).
2012, 61 (24): 248501.
doi: 10.7498/aps.61.248501
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基于铜互连电迁移失效微观机理分析建立一种Cu/SiCN互连电迁移失效阻变模型, 并提出一种由互连阻变曲线特征参数即跳变台阶高度与斜率来获取失效物理参数的提取方法. 研究结果表明, 铜互连电迁移失效时间由一定电应力条件下互连阴极末端晶粒耗尽时间决定. 铜互连电迁移失效一般分为沟槽型和狭缝型两种失效模式. 沟槽型空洞失效模式对应的阻变曲线一般包括跳变台阶区和线性区两个特征区域. 晶粒尺寸分布与临界空洞长度均符合正态对数分布且分布参数基本一致. 阻变曲线线性区斜率与温度呈指数函数关系. 利用阻变模型提取获得的电迁移扩散激活能约为0.9 eV, 与Black 方法基本一致.
2012, 61 (24): 248701.
doi: 10.7498/aps.61.248701
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虽然脉冲多普勒系统测量血流速度时, 能够确定距离, 但可测速度范围受频率混淆限制, 同时多普勒信号的信噪比差. 连续波多普勒系统提供了较高的多普勒信号的信噪比, 并没有可测速度限制, 但无法提供距离信息. 线性调频及正弦调频连续波测量系统, 能够提供拥有距离信息的高信噪比多普勒信号, 同时杂波功率低, 但由于多普勒信号频谱具有周期性, 存在一定的距离模糊. 针对存在的问题, 提出基于混沌调频连续波的超声多普勒血流速度测量方法, 它不仅具有较高的信噪比, 而且由于多普勒信号频谱无周期性, 因此不存在距离模糊. 经过原理分析及仿真实验, 验证了混沌调频连续波的有效性.
2012, 61 (24): 248801.
doi: 10.7498/aps.61.248801
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微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能并可同时降解废水的一种装置. 本文针对目前MFC输出功率密度小、 工作效率低等缺点, 提出了利用半导体光催化和微生物催化协同作用构建新型MFC体系的设想, 即将半导体太阳能电池串入MFC体系, 组成"光电池-微生物电池"新型电池体系. 实验结果表明, 在光照的作用下, 新型MFC 体系的开路电压、短路电流和最大输出功率密度, 与普通MFC体系相比, 均有了明显的提高. 光电催化作用的引入, 有效地改善了MFC体系阴极的接受电子的能力, 使阳极提供电子的能力得到最大限度的发挥, 既给MFC体系的运转提供了一部分动力, 也为MFC体系提高污染物的降解速率提供了基础. 此项研究对解决能源危机和环境污染具有重要意义.
2012, 61 (24): 248901.
doi: 10.7498/aps.61.248901
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利用引力场理论对网络传输过程中节点激发的引力场进行了描述, 建立了节点的引力场方程, 引入α 和γ 两个参数, 用于调节数据传输对节点畅通程度、节点传输能力和路径长度的依赖程度. 基于节点的引力场, 提出了一种高效的路由选择算法, 该算法下数据包将沿着所受路径引力最大的方向进行传递. 为检验算法的有效性, 引入有序状态参数η, 利用其由自由流到拥塞态的指标流量相变值度量网络的吞吐量, 并通过节点的介中心值B分析网络的传输性能和拥塞分布. 针对算法在不同 α, γ取值条件下的路由情况进行了仿真. 仿真结果显示, 与传统最短路由算法相比, 本文算法将网络传输能力提高了数倍, 有效地均衡了节点的介中心值分布, 传输路径平均长度Lavg> 随负载量R的增加表现出先增后减的变化趋势, 而参数α与γ 值的变化对网络传输能力几乎没有影响, 说明本文路由算法的性能不依赖于α与γ, 对于可行域内任意的α 与γ, 算法都能保证网络传输能力近似相等.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (24): 249201.
doi: 10.7498/aps.61.0249201
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利用热层-电离层-中间层能量和动力学卫星(TIMED)上搭载的多普勒干涉仪(TIDI)获取的为期9年的纬向风数据, 考察了东经120 °E子午圈中间层和低热层(MLT)平均纬向风的典型结构和变化特征. 结果表明, 在热带外尤其是中高纬度地区, TIDI观测结果与当前通用的中层大气经验模式有较好的一致性. 但是在热带地区, 观测与模式显著不同. 在TIDI测量覆盖的所有高度(80—105 km)上, 热带地区纬向风持续地表现为东风, 形成一个以赤道为中心的东风带. 为期9年的观测数据显示, 该东风带的宽度平均为37.5°, 平均变化幅度约为14°.
2012, 61 (24): 249202.
doi: 10.7498/aps.61.249202
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四维变分资料同化仍将是未来相当长时间内业务数值天气预报中所使用的主流同化方法. 针对全球数值天气预报业务系统对气象资料同化技术的需求, 在WRFDA软件框架结构的基础上, 发展了一个与全球谱模式配套使用的四维变分资料同化系统YH4DVAR. 系统将背景场、观测处理、重力波控制和偏差订正进行综合考虑, 设计了一体化目标函数, 引入了小波背景场误差协方差模型, 实现了增量方法以及卫星遥感资料的直接同化. 单点试验表明YH4DVAR的背景场误差模型具有各向异性、垂直相关和水平相关不可分离性、 以及与位置的相关等特性. 从2009年7月到2010年6月的分析预报试验结果表明, 由YH4DVAR和全球谱模式组成的分析预报系统在北半球和亚洲地区的可用预报时效可以达到8天以上.
