Vol. 61, No. 3 (2012)
2012年02月05日
总论
2012, 61 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.61.030201
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研究Chetaev型非完整系统Mei对称性的共形不变性与守恒量. 引入无限小单参数变换群及其生成元向量,给出与Chetaev型非完整系统相应的完整系统的Mei对称性共形 不变性定义和确定方程,讨论系统共形不变性与Mei对称性的关系．利用限制方程和附加限制方程得到非完整 系统弱Mei对称性和强Mei对称性的共形不变性．借助规范函数满足的结构方程导出系统相应的守恒量, 并举例说明结果的应用．
2012, 61 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.61.030202
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研究了一类广义鸭轨迹系统. 首先讨论了一类广义Lienard系统的解, 其次利用微分方程自治系统的定性理论构造了有头鸭轨迹, 并且列举了具体的构造鸭轨迹的例子. 利用本文的构造方法, 还可构造更广泛的鸭轨迹.
2012, 61 (3): 030203.
doi: 10.7498/aps.61.030203
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研究了一个描述厄尔尼诺和南方涛动振荡物理机理的海-气耦合动力系统.利用改进变分迭代方法 (MVIM)简捷地得到了该非线性模型近似解的展开式.通过与特殊情形下模型精确解的比较,说明获得的MVIM 近似解具有非常好的准确度.
2012, 61 (3): 030204.
doi: 10.7498/aps.61.030204
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提出和分析了一种新的开关DC-DC变换器控制方法,基于电流基准的脉冲序列(current referenced pulse train,CR-PT)控制方法.CR-PT控制方法通过在每个开关周期检测和比较变换器的输出电压和负载电流,在多个等级不同的预设脉冲中选取其一作为该周期的有效控制信号.以Buck变换器为例对CR-PT控制方法的工作原理、实现方式、控制规律、稳态和瞬态特性进行了详细研究.研究结果表明:CR-PT控制在具有瞬态响应速度快、设计和实现简单易行稳定性好等优点的同时,其稳态性能远优于已有的脉冲序列控制.
2012, 61 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.61.030301
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采用Negativity熵来度量两个子系统间的纠缠,利用数值计算方法研究了简并Λ型三能级原子和简并V型三能级原子与耦合腔共振相互作用系统中原子之间、腔场之间和原子与腔场间的纠缠特性.给出了系统初始激发数为1时系统态矢的演化公式;讨论了腔场间的耦合系数变化对纠缠特性的影响.研究结果表明:随腔场间的耦合系数增大,原子间的纠缠增强,腔场间的纠缠减弱.
2012, 61 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.61.030302
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利用热纠缠态的性质,对具有代表性的相位扩散主方程进行求解,得到关于密度算符的算符和表示形式,分析不同初始态下的密度算符的时间演化结果,发现在相位扩散通道下当初始态为粒子数态或热态时密度算符保持恒定,而当初始态为相干态时系统在发生相扩散的同时始终保持相干态特性不变.
2012, 61 (3): 030303.
doi: 10.7498/aps.61.030303
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量子计算如何在实验上实现一直受到广泛关注. 包括超导Josephson结的小量子器件(如超导量子干涉仪, SQUID)是实现量子计算的一种非常具有发展前景的物理系统. 本文通过对SQUID和介观LC共振器耦合电路系统的Cooper对数-相量子化机制的讨论, 合理地调制参数, 由此导出了该耦合电路在两能级近似下的J-C模型形式, 并提出了一种基于此模型的可实现量子信息传递的方案. 根据此方案可以利用介观LC共振器为数据总线来执行两SQUID间电荷量子比特的传递.
2012, 61 (3): 030304.
doi: 10.7498/aps.61.030304
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由Iachello提出的核类似铜酸盐超导模型具有su(3)代数结构,其平均场近似下的Hamilton量可以写成su(3)生成元的线性组合.通过代数生成元的实现,该模型约化的Hamilton量具有sus(1,1)⊕sud(1,1)代数结构,利用相干算子U(θ,φ)的幺正变换,可得到系统约化Hamilton量的能隙方程及本征值,发现应用不同代数结构求解会得到不同侧重点的分析结果.
2012, 61 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.61.030501
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研究了周期矩形信号对时滞非对称单稳系统随机共振的影响,系统中加入的噪声均为Gauss白噪声.得到了信噪比的解析表达式,通过分析信噪比曲线发现系统存在随机共振现象.数值结果还表明乘性与加性噪声强度对信噪比的影响是不同的,在SNR-D参数平面上共振与抑制共存.在信噪比随着时滞量变化的曲线图上发现,当系统的非对称性|r|取值很大或者乘性与加性噪声强度比D/小于1时,参数平面上的随机共振现象会消失.
2012, 61 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.61.030502
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针对无线传感器网络(WSNS)中节点配备的能源少、节点计算能力低、存储资源 有限以及传统的加密方法不适用于WSNS中等问题, 提出了一种新的基于动态迭代的混合混沌方程及其整型数值化方法, 并结合Feistel网络结构设计了一种快速、安全且资源消耗低的适用于WSNS节点的分组加密算法. 通过对混合混沌分组加密算法进行了大量的实验测试之后, 发现该算法具有密钥空间大、严格的雪崩效应、扩散及扰乱性高以及均等的统计平衡性等优点, 同时该算法还成功地通过了SP800-22的严格测试; 算法经过仿真器平台上运行的速度、时间及所占存储空间的测试分析, 结果表明设计的混合混沌分组加密算法是完全能够适用于WSNS节点的数据加密.
2012, 61 (3): 030503.
doi: 10.7498/aps.61.030503
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设计了一种具有自适应性和鲁棒性的反演控制律, 实现了对含有系统不确定性的类Rossler系统的控制. 首先通过小波神经网络辨识系统的非线性部分, 将系统转化为含有结构不确定性和参数不确定性的参数化模型; 然后, 对于系统中的参数不确定性, 设计自适应控制律, 在线估计未知参数; 对于系统中的结构不确定性, 设计鲁棒控制律, 使得系统具有鲁棒性. 最后, 通过仿真实现, 验证了以上控制方法的有效性.
2012, 61 (3): 030504.
doi: 10.7498/aps.61.030504
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提出了一个新的三维自治混沌系统,并对系统的基本动力学特性进行了深入研究, 得到系统的Lyapunov指数和维数,给出了系统数值仿真图、Poincaré 映射图、Lyapunov指数谱和分岔图, 重点分析了不同参数变化对系统动力学行为的影响.最后,设计了该混沌系统的硬件电路并运用Multisim软件 对该电路进行仿真实现,数值仿真和电路仿真证实了该混沌系统与以往发现的混沌系统并不拓朴等价, 是一个新的混沌系统.
2012, 61 (3): 030505.
doi: 10.7498/aps.61.030505
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首先利用无源性理论,构造自适应反馈控制器使具有v/f控制输入的混沌永磁同步电动机(PMSM)等效为闭环无源系统,然后证明该无源系统可以实现在平衡点的稳定,从而达到镇定PMSM混沌运动的目的.数值仿真结果表明,该控制策略不仅行之有效,对参数的不确定性具有较强的鲁棒性.研究结果对保证具有v/f控制输入的PMSM的稳定运行有较好的参考价值.
2012, 61 (3): 030506.
doi: 10.7498/aps.61.030506
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提出了一种改进的时间序列有限穿越可视图建网方法,并对三种可视图(可视图、水平可视图、有限穿越可视图)网络度分布进行了评价.结果表明:水平可视图网络均无法有效识别各类时间序列信号(周期、分形、混沌);对分形信号,可视图及有限穿越可视图网络均具有无标度幂律形式,但抗噪能力较差;对周期信号及混沌信号,有限穿越可视图网络比可视图具有更强的抗噪性.在此基础上,采用有限穿越可视图网络从油气水三相流电导波动信号中提取了度分布特征参数,通过其特征参数组合实现了对三种典型三相流流型(水包油泡状流、水包油泡状-段塞过渡流型及水包油段塞流)较好的辨识效果.
2012, 61 (3): 030507.
doi: 10.7498/aps.61.030507
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熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.
2012, 61 (3): 030508.
doi: 10.7498/aps.61.030508
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研究了几种典型气液两相流流型的稳定图特征,并应用随机子空间方法对47种流动条件下的流型信号进行了识别.研究结果表明:稳定图特征能够反映出复杂时间序列的内部特征,利用其提取的直线度特征值可以对时间序列的特征进行量化分析,三种典型流型的稳定图特征差异较明显,泡状流的稳定图特征最为混乱,雾状流次之,段塞流最为规整.应用随机子空间方法对气液两相流图像灰度波动序列进行特征向量提取和辨识,通过幅值以及相角的分布特征能够对不同工况下的流型样本进行准确分类,为多相流的分类提供了一条新路径.同时基于稳定图的分析方法为进一步揭示多相流的流动机理提供有益的探索.
2012, 61 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.61.030701
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探索等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术中含氢碳膜的生长机理, 制备出常态超润滑含氢碳膜是表面工程技术领域的目标之一. 基于REBO势函数, 采用分子动力学模拟方法, 通过对比研究CH基团在清洁金刚石和吸氢金刚石表面的沉积行为, 发现低能量CH基团在清洁金刚石(111)面上的吸附效率大于98%, 而在吸氢金刚石(111)面上的吸附效率低于1%. 结果表明PECVD法制备含氢碳膜时, 低能量CH基团对薄膜生长的贡献主要来自于其在表面非饱和C位置的选择性吸附.
2012, 61 (3): 030702.
doi: 10.7498/aps.61.030702
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在Rayleigh散射Doppler激光雷达的风场反演过程中,除了温度、压强等因素之外,风速反演结果的准确性还受到Mie散射信号的影响．当Mie散射信号较强时,尤其是遇到高层云或火山灰等情况,如果仍不考虑气溶胶信号,由于温度不确定度和气溶胶信号的综合影响,风速反演结果将与真值偏差很大．本文提出了利用激光雷达在垂直方向的测量信号同时反演后向散射比和大气温度的非线性迭代算法,并优化给出了最佳的初始发射激光工作点．仿真试验结果表明:该方法可以准确有效地反演后向散射比;将该方法结合非线性迭代风速反演方法,可以有效消除气溶胶后向散射信号的影响,进一步提高大气风速和温度的反演精度．
2012, 61 (3): 030703.
doi: 10.7498/aps.61.030703
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用超声水解方法制备MgO纳米颗粒,用化学沉淀法制备-Fe2O3纳米颗粒,将MgO/-Fe2O3混合体常温下超声活化2h,400℃固相合成制备出MgFe2O4纳米颗粒.通过X射线衍射和透射电子显微镜测试产品的化学成分、晶体结构和形貌尺寸,分析声化学反应机理及其影响因素.研究结果表明:所制备的MgFe2O4为尖晶石铁氧体,颗粒尺寸分布在2030nm之间,粒度分布均匀;超声空化效应提高了化学反应活性、增加反应物的比表面积和反应物之间的接触面积,促进固相合成反应速度,降低反应温度,实现了一般条件下难以完成的化学反应.
原子和分子物理学
2012, 61 (3): 033101.
doi: 10.7498/aps.61.033101
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运用含Davidson修正的多参考组态相互作用方法,在aug-cc-pVTZ基组水平上,对BeCl分子基态和相同多重度的几个低电子激发态进行了势能扫描计算.通过群论原理确定各电子态对称性及离解极限.将其中基态(X2+)和第一激发态(A2})对应的势能曲线拟合到Murrell-Sorbie解析势能函数形式,得到基态(X2+)的离解能及主要光谱常数(括号中为文献[6]提供的实验值)为De=3.74eV,Re=0.18173nm(0.17970),we=857.4cm1(847.2),wexe=5.03cm-1(5.14),Be=0.7103cm-1(0.7285),e=0.0059cm-1(0.0069),第一激发态(A2)的De=3.02eV,Re=0.18369nm(0.18211),we=832.7cm-1(822.1),wexe=5.93cm-1(5.24),Be=0.6953cm-1(0.7094),e=0.0065cm-1(0.0068),计算结果与实验值符合得较好.另外,通过Level程序求解双原子径向核运动的Schrdinger方程得到J=0时BeCl分子这两个电子态的全部振动能级.
2012, 61 (3): 033201.
doi: 10.7498/aps.61.033201
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采用双色三步激发和光电离过程,对Sm原子的偶宇称高激发态的光谱进行了研究.先采用两条激发路线分别将Sm原子两步共振激发至待测的高激发态,然后利用光电离技术对其进行探测.分别将第一束激光的波长固定在627.50nm和624.41nm上,以便将Sm原子从亚稳态共振激发到由4f66s6p电子组态所构成的两个原子状态上.第二束激光在440700nm的波段范围内扫描,不仅使Sm原子在3004038065cm-1能域内的偶宇称高激发态上布居,将其进一步光电离,测量了其光谱.通过光谱定标和选择定则等分析手段,本工作不仅精确获得了136个态的能级位置,而且也唯一确定了其总角动量,并且给出了相关跃迁的相对谱线强度.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
编辑推荐
2012, 61 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.61.034201
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荧光集光太阳能光伏器件可以减少太阳能电池的用量,有效降低光伏发电的成本.相对于单层荧光 集光太阳能光伏器件,叠层荧光集光太阳能光伏器件能分波段充分利用太阳光谱,提高荧光集光太阳能光伏 器件的效率,进一步降低光伏发电的成本.但是,叠层荧光集光太阳能光伏器件涉及较多的参量,难以通过实验 优化.本文分析了从单层到叠层荧光集光太阳能光伏器件的全部物理过程,建立了数学模型,并相应编制了 计算机模拟软件.运用上述软件,系统研究了器件尺寸、太阳能电池的带隙对光电转换效率的影响.
2012, 61 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.61.034202
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根据P3近似对半无限生物组织的空间分辨漫反射理论,研究了强吸收条件下光源附近 光辐射分布的简化表达式SP3函数.研究表明:组织吸收越强, SP3函数越能准确描述光源附近空间 分辨漫反射;应用SP3函数反演强吸收组织光学参数时,由不同起始距离的漫反射数据拟合得到的反演 结果曲线存在极值,极值附近对应的反演结果最接近实际组织光学参数.
2012, 61 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.61.034203
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基于周期性极化铌酸锂晶体的线性电光效应耦合波理论,数值研究了电光调制对外部光反馈垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出矢量混沌偏振模的操控.研究结果表明,VCSEL输出的偏振度随着电光晶体的长度或施加于电光晶体的外电场强度成周期性转换,控制一定的施加外电场强度和晶体的长度,激光器的不同参数下引起初始混沌偏振态都可以转换为其他任意混沌偏振态.特别是合理选择一定的施加外电场强度或晶体长度,VCSEL输出的任意混沌偏振模可以转换为完全一致的两线性混沌偏振模(x和ŷ偏振),即两线性混沌偏振模的能量能够达到稳定和完全均衡.
2012, 61 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.61.034204
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实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.
2012, 61 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.61.034205
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本文提出利用相位调制的新方法, 在光路中插入螺旋相位板, 使句域空心光束(Bottle beam)中心变为相位奇点, 在使用轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束(Bottle beam)时, 消除了衍射等因素导致Bottle beam内部的轴上光强, 这利于用Bottle beam构建空心光镊系统. 理论分析及数值模拟与实验结果很好地吻合.
2012, 61 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.61.034206
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采用量子理论,考虑边界振动的微腔与腔内的三模辐射场构成的系统,给出了系统的时间演化算符及其变换,得到了系统的态函数随时间的演化关系.结果表明,当振动边界回到初态时,三模腔场处于纠缠相干态,并且可以调控不同纠缠相干态的产生.给出了九个不同的三模纠缠相干态,这些态中含有不同的相位因子,这些相位因子充分体现了场和振动边界的相互作用和相互影响.这些结果为可控纠缠相干态的实验制备提供了重要的理论依据.
2012, 61 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.61.034207
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半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB)激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐激光在线测量系统.
2012, 61 (3): 034208.
doi: 10.7498/aps.61.034208
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本文结合1/f噪声信号功率谱随频率成反比变化的关系, 以及稀疏分解可以根据信号灵活构造原子库的特点, 提出一种基于稀疏分解估计大功率半导体激光器1/f噪声的新方法, 构造了具备1/f噪声特点的过完备库. 在该过完备库中通过Matching Pursuit(MP)算法完成了白噪声与1/f噪声混叠信号的稀疏分解. 实验结果显示:该方法估计出淹没在白噪声环境中1/f噪声的参数, 与频谱分析仪的测量结果有较好的一致性, 通过对比不同的过完备库证明了所构造的过完备库的优越性.
2012, 61 (3): 034209.
doi: 10.7498/aps.61.034209
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针对单光子源对高性能纳米腔的需要, 采用柔性束缚光子限制结构和时域有限差分法, 通过把时域和频域的光电场分布与理想高斯函数进行比较, 设计出一种高品质因子的光子晶体缺三腔(L3), 其Q值达2.8105, 有效模式体积为Veff=0.1813(/n)3, 相应的Purcell因子超过F=1.2105. 此外, 提出一种定量描述腔性能优劣程度的能量系数分析法, 通过定量对比二维高斯分布下的场分布能量与总能量, 提高了腔的优化速度与准确性. 计算结果表明, 随着腔性能的优化, Q值正比于能量系数值直至饱和.
2012, 61 (3): 034210.
doi: 10.7498/aps.61.034210
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报道了利用脉宽可调的光子晶体光纤飞秒激光放大器抽运矩形波导结构的GaP晶体太赫兹(THz)发射器产生频率可调谐的超快THz脉冲.非线性晶体中光整流过程产生的THz辐射频率随抽运光脉冲宽度而变化. GaP波导THz发射器可通过波导的几何尺寸来控制色散,以达到增加有效作用长度和提高输出功率的目的. 不同横截面尺寸的波导型发射器的THz辐射峰值频率随相位匹配条件的改变而改变,加以脉宽调节技术, 可以在大频谱范围获得频谱精细可调的THz脉冲.实验中在1 mm0.7 mm的波导型THz发射器中获得了频率可调谐的THz脉冲.提出实现THz辐射频率大范围调谐的GaP波导型阵列发射器的实施方案.
2012, 61 (3): 034211.
doi: 10.7498/aps.61.034211
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光反馈半导体激光器产生的高维宽带混沌载波,应用于光混沌通信系统中.主器的外腔长度用作混沌保密通信的附加密钥.本文实验研究了光反馈混沌半导体激光器外腔长度密钥的识别.通过对长腔光反馈产生的混沌频谱进行局部放大,分析其精细结构,结果表明:无论是单反馈半导体激光器还是有不同外腔长度比的双反馈半导体激光器,都可以利用频谱仪直接提取出激光器的外腔长度信息.
2012, 61 (3): 034212.
doi: 10.7498/aps.61.034212
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首次用二氧化钛(TiO2)纳米材料修饰的547孔微结构聚合物光纤(MPOF)二次预制棒作为阵列化微管式光催化反应器对亚甲基兰的光催化分解进行研究.将高光催化活性的P25型二氧化钛纳米粒子均匀分散在TiO2溶胶中,对547孔微结构聚合物光纤孔洞内壁进行铺膜,得到了负载光催化剂的阵列化微管材料.该TiO2MPOF有序复合的阵列化微管不仅对二氧化钛纳米粒子起到负载作用,还可以作为光波导介质(rolling-up薄膜波导,聚光、导光进入二氧化钛薄膜层)、污染物反应流体通道.以有机染料亚甲基兰为模拟污染物,研究了TiO2负载量、亚甲基兰的初始浓度及溶液pH值等因素对光降解效果的影响.该反应器547个孔道的内表面用于负载光催化剂,不仅增加了固-液接触面积,也提高了光的吸收效率,从而提高了光催化效率.迄今为止,这种兼具导光、聚光、传质、负载功能于一体的光催化反应器还未见报道.
2012, 61 (3): 034213.
doi: 10.7498/aps.61.034213
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航天器在空间环境中运行时,会受到质子的辐照,光纤环作为航天器上光纤陀螺的重要组成部件受辐照影响 最为严重.为了研究国产一字型保偏光纤因质子辐照导致辐照诱导损耗的变化规律及其辐照损伤机理, 选择质子能量为5 MeV和10 MeV,光源波长为1310 nm,原位测量了光纤传输功率变化情况,计算出辐照诱导损耗. 利用SRIM软件,模拟能量分别为5 MeV和10 MeV质子辐照在光纤中的电离和位移损伤分布.借助X 射线光电子能谱仪分析辐照前后O 1s和Si 2p解析谱,借助傅里叶变换红外光谱仪观察光纤辐照前后光谱变化情况研究发现,在波长为1310 nm处, 光纤的辐照诱导损耗随着质子注量的增加而增长,主要原因是由于光纤纤芯中SiOH的浓度增加所导致. 而且能量为5 MeV质子辐照造成光纤的辐照诱导损耗比10 MeV严重,这是因为5 MeV质子在光纤纤芯处造成的 位移和电离损伤均比10 MeV严重,即产生的SiOH数量多.
2012, 61 (3): 034214.
doi: 10.7498/aps.61.034214
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以激光Doppler效应为原理,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术的窄线宽、可调谐优势, 可实现高速气流流速的实时在线检测.介绍了流速测量的基本原理和方法,搭建了双光路流速测量系统, 利用DFB激光器对位于1398 nm处的水汽吸收线进行10 kHz快速扫描,获得高速气流的实时光谱信息, 并根据两路吸光度曲线之间的Doppler频移来反演气流流速.介绍了频率标定和Doppler频移测量的方法. 在风洞上进行了流速测量验证性实验,将流速测量结果与理论计算结果进行了对比,二者之间符合得较好, 初步证明了该方法的可行性.分析了系统的性能及可能引起流速测量误差的因素,以便系统进一步优化.
2012, 61 (3): 034215.
doi: 10.7498/aps.61.034215
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根据Vernier效应可大幅度提高滤波器自由光谱范围和调谐范围,设计了一种热光可调谐级联微环滤波器. 利用传输矩阵方法和有限元方法从理论上计算了对于第一级微环半径为48 m,第二级半径为50 m的级联微环滤波器的自由光谱范围和调谐范围可以达到75.6 nm,而功耗仅为103.1 mW,这是目前为止我们 所知的基于微环谐振腔的硅基热光可调谐滤波器中最大的自由光谱范围和在如此低功耗下最大的调谐范围. 利用有限元方法,还计算了半径为50 m微环的热光调谐响应时间,上升沿时间为3.5 s,下降沿时间仅为0.8 s.
2012, 61 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.61.034301
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从梁的弯曲振动方程出发,利用传递矩阵法,给出了无限周期结构的一维多振子声子晶体梁的弯曲振动能带结构,并利用有限元方法计算了有限周期结构梁的弯曲振动频率响应.建立了多振子声子晶体梁的简化模型,推导出带隙起始截止频率公式.结果表明:一维多振子声子晶体梁具有比单振子声子晶体梁更宽更丰富的振动带隙,可应用于呈倍频关系的减振降噪中;振动在带隙频率范围内频率响应具有明显的衰减;所建立的简化模型与理论模型结果符合较好.研究工作为梁类结构的减振提供一种新的思路.
2012, 61 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.61.034701
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运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了接触角-awf/af变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.
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2012, 61 (3): 034702.
doi: 10.7498/aps.61.034702
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对于三维空间等深水中,无旋性自由表面周期性规则前进重力波传递在均匀流中的波流场,依质量守恒取一波长的流体质点的运动位移的波长平均高程,所得其标注参数恰为其在原静止水中的位置下,完全以Lagrange方式的参数控制式,解出此波流场至第三阶的全Lagrange形式解且得到检核验证;其中波流交互作用效应存在于Lagrange流速势中,使得波流场中的压力不受均匀流的影响.而Euler形式解所无法描述的流场特性,包括大于前进波周期的流体质点的运动周期,与其受前进波引起的质量传输速度、它们间的关系、及流体质点对其运动周期平均的高程与成因等,都说明是随流体质点所在的高程向下做指数函数样递减;而流体质点的三维空间螺旋曲线式的运动轨迹与烟线,其随均匀流的流向流速而变化的情况,例如其在均匀流于前进波波向有同向的流速分量时,是受流体质点恰在波谷断面处时的流速大小而变的形式,与其在均匀流于前进波波向有反向的流速分量时,则受流体质点恰在波峰断面处时的流速大小而变的形式,有很大不同的倒反形式甚至以封闭曲线形式呈现.最后,说明波流场变成稳定性运动流场时的特性,并证实其在无流时退化成纯前进波的情况.
2012, 61 (3): 034703.
doi: 10.7498/aps.61.034703
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针对文献[1]中的无旋性自由表面周期性规则前进重力波传递在均匀流中,本文以与前进波波向同向与反向的均匀流两种特例情况,进行试验测量,所得的波形曲线、流速分布、流体质点的运动轨迹与运动周期及其质量传输速率与Lagrange平均高程等特性,均与文献[1]中全以Lagrange方式所得的三阶解结果符合得很好.这证实本研究取定的标注流体质点的参数,正好为其在原静止水中的位置坐标值.同时亦证实波流场中由流体质点所构成的波形曲线,其波长皆同于(纯)前进波,而其传播速度为(纯)前进波波速与均匀流流速之和是具Doppler效应的;而流体质点的运动周期与其运动周期平均高程、及其质量传输速率扣掉均匀流流速等,都与(纯)前进波的相符.另外,亦揭示出流体质点的运动轨迹,在前进波波向与均匀流同向中,当流体质点在波谷断面处时沿前进波波向的流速分量为反向、零与正向时,则其形状分别为朝波向前进的扁长辐状余摆线、在波谷断面处成尖点朝下的滚轮状线与短辐形余摆线;而在前进波波向与均匀流反向中,当流体质点的质量传输速率为沿前进波波向为正向与零时,则其形状分别为朝波向前进的缩短的扁长辐形余摆线与长轴在前进波波向上椭圆形封闭曲线;而当流体质点的质量传输速率为反前进波波向,但质点在波峰断面处时沿前进波波向的流速分量分别为正向、零与反向时,则其形状分别为反波向前进的倒扁长辐形余摆线、在波峰断面处成尖点朝上的倒滚轮状线与倒短辐形余摆线.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.61.035201
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采用流体模型研究了电负性等离子体磁鞘的玻姆判据,讨论了负离子以及磁场对鞘层玻姆判据的影响.研究结果表明:负离子的存在促进离子进入鞘层;而磁场强度、角度以及离子进入鞘层的状态将共同决定 离子马赫数的取值.
2012, 61 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.61.035202
摘要 +
文章通过碘化钠晶体和光电倍增管构成的X射线探测系统,研究了上升沿15ns,脉宽3040ns量级,电压90kV的大气压重频纳秒脉冲气体放电中X射线的辐射特性,X射线有效探测能量范围为10-130keV.结果表明放电产生的X射线主要集中在2090keV能量范围,而能量在十几keV的软X射线和超过90keV的高能X射线数量很少.X射线辐射计数随脉冲重复频率的增加而增加,随着气隙距离的改变存在峰值,且峰值出现在弥散放电模式.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.61.036101
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与以往试验及模拟计算方法不同,文章利用从头计算分子动力学研究了液态Ga, In及Ga-In合金的偏结构. 发现合金偏双体相关函数gGaGa(r), gInIn(r)的第一峰的位置分别与液态纯Ga和纯In的第一峰 位置接近, gGaIn(r)第一峰位置大于纯Ga和纯In第一峰位置的平均值,说明液态Ga-In合金中异类原子 呈现排斥倾向, Ga-Ga, In-In团簇更容易出现.在纯Ga, 纯In中占据最高含量的1311键对在液态合金中占主导 地位,说明Ga-Ga, In-In团簇共存于液态Ga-In合金中. Voronoi多面体分析发现,随着In含量的增加, 在Ga100-xInx(30 ≤x≤qslant 50 at.% ) 区域内, Ga原子周围主配位数出现突变,由12降为10,证明Ga-Ga和In-In团簇倾向于分离.该研究结果不同于 通常的微观不均匀模型,揭示了液态Ga-In合金中团簇分离的机制.
2012, 61 (3): 036102.
doi: 10.7498/aps.61.036102
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利用纳米球刻蚀法制备了二维六角密排三角形银纳米阵列, 通过加入铬过渡层并改变其位置和改变金属沉积角度, 研究它们对点阵结构的影响. 实验发现, 加入铬过渡层所形成的银纳米点阵结构较无铬层有很大改善, 三角形角部更加尖锐, 更能满足传感器对信号检测的要求. 同时, 该过渡层应蒸镀在模板球排列之后, 才能获取更大面积的二维银纳米点阵结构. 在沉积角度对制备二维银纳米点阵的实验中, 基片没有旋转, 采用垂直镀膜方式更容易得到结构完整、结合较牢固、且面积较大、角部尖锐的二维银纳米点阵. 吸收光谱测量进一步验证了铬过渡层对二维银纳米点阵形貌结构的改善作用. 这些为下一步的生物修饰以及生物化学传感器的制备提供了先决条件.
2012, 61 (3): 036103.
doi: 10.7498/aps.61.036103
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采用数值分析方法对在InGaN/GaN混合多量子阱活性层和n-GaN之间引入n-AlGaN层的GaN基双蓝光波长发光二极管进行模拟分析.结果发现,与传统的具有p-AlGaN电子阻挡层的双蓝光波长发光二极管相比,这种反对称n-AlGaN层能有效改善电子和空穴在混合多量子阱活性层中的分布均匀性及减少电子溢出,实现电子空穴在各个量子阱中的平衡辐射,从而减弱了双蓝光波长发光二极管的效率衰减.此外,通过改变Al组分可以提高双蓝光波长发光二极管发射光谱的稳定性:当Al组分为0.16时,双蓝光波长发光二极管的光谱在小电流下比较稳定,而Al组分为0.12时,光谱在大电流下比较稳定.
2012, 61 (3): 036104.
doi: 10.7498/aps.61.036104
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文章采用直流脉冲磁控反应溅射(DCPsputtering)技术,在不同氧氩比(GFR)条件下玻璃衬底上制备了一系列掺铝氧化锌(AZO)薄膜,并利用X射线衍射、扫描电子显微镜和分光光度计从宏观应力和微观晶格畸变的角度研究了GFR对薄膜结构、表面形貌和光学特性的影响.制备的多晶AZO薄膜呈现了明显的ZnO-(103)择优取向,这归结于3小时薄膜沉积过程中伴随的退火引起的薄膜晶面能转变.随着GFR的增大,AZO薄膜内宏观拉应力先增大到最大值,随后宏观压应力随着GFR的继续增大而增大.薄膜中的宏观应力明显随着GFR从拉应力向压应力转变.这与晶格微观畸变诱导的微观应力的研究结果趋势恰恰相反.随着GFR的增加,薄膜在可见光区的平均透射率先增加后减小,薄膜晶粒尺寸诱导的晶界散射是影响薄膜透射率的主导机制.
2012, 61 (3): 036105.
doi: 10.7498/aps.61.036105
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基于第一性原理赝势平面波方法对伽马晶体CuCl, CuBr, CuI的体模量、体模量对压强的一阶偏导 数、电子结构、折射率等光学性质进行了计算.计算结果表明,广义梯度近似(GGA)下CuX(X = Cl, Br, I) 晶体的晶格常数与体模量的计算值与实验相差较小.与局域密度近似(LDA)相比, GGA更适合于 CuX(X = Cl, Br, I)晶体 的计算.这三者的价带都来源于Cu的3d态,导带部分主要来自Cu和卤素的s电子贡献,很少部分来自卤素的p电子 贡献.计算得到CuCl, CuBr, CuI的折射率分别为1.887, 2.015, 2.199,与应用Gladstone-Dale半经验关系得到 的结果符合得很好.
2012, 61 (3): 036201.
doi: 10.7498/aps.61.036201
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通过引入静水应力对自由体积演化的影响, 研究了金属玻璃在不同温度下的拉压屈服行为. 结果表明, 在拉伸和压缩载荷下, 屈服强度均满足(T/Tg)1/2的温度依赖关系; 同时, 在不同温度下, 材料的压力敏感系数保持为常值0.1. 随着温度的升高, 压力对自由体积的影响逐渐降低, 从而导致材料的拉压屈服不对称性逐渐趋于不显著. 在高温下, 显著的结构弛豫减缓了自由体积增长速率从而抑制材料迅速屈服. 这些结果将有助于更深入的认识金属玻璃屈服及其拉压不对称性的内在机理.
2012, 61 (3): 036202.
doi: 10.7498/aps.61.036202
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应变锗材料具有准直接带特性,而且与标准硅工艺兼容,成为实现硅基发光器件重要的候选材料之一.本文基于vandeWalle形变势理论,计算了应变情况下半导体Ge材料的能带结构以及载流子在导带中的分布;通过分析载流子直接带和间接带间的辐射复合以及俄歇复合、位错等引起的非辐射复合的竞争,计算了N型掺杂张应变Ge材料直接带跃迁的内量子效率和光增益等发光性质.结果表明,张应变可有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光.在1.5%张应变条件下,N型掺杂Ge的最大内量子效率可以达到74.6%,光增益可以与III-V族材料相比拟.
2012, 61 (3): 036203.
doi: 10.7498/aps.61.036203
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为了得到一种轻质、高强度、耐烧灼的新型碳泡沫材料,以无定形AlN为添加剂,在空心微球/网络复合型碳泡沫的基础上,采用退火热处理工艺成功地制备出了AlN/C复合泡沫材料.通过扫描电镜、透射电镜对样品进行表征,测试结果表明无定形AlN在碳微球的表面重结晶为AlN晶须,其直径大约为50nm左右,长度10m以上,具有较大的长径比.X-射线衍射峰证明样品石墨化程度高,且AlN晶须为六方结构.X-射线光电子能谱测试发现在287.5eV处有较明显的CN峰出现,这表明AlN和碳泡沫在界面处通过CN键结合.同时,对其力学性能进行测试,通过分析应力-应变测试结果,AlN/C复合泡沫材料的压缩强度为40.27MPa,相对碳泡沫材料而言提高了近一个数量级.测试结果表明,AlN晶须显著增强了碳泡沫的压缩强度,这种新型复合泡沫材料有望应用于各种抗压减震航空材料.
2012, 61 (3): 036401.
doi: 10.7498/aps.61.036401
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利用透射电镜在室温下对不同形态的单壁碳纳米管进行了原位电子束辐照研究.研究发现:在相同的辐照条件下随着辐照时间(或辐照剂量)的增加,两端固定的单壁碳纳米管径向收缩,且收缩速率越来越快;相同直径的轴向弯曲的单壁碳纳米管比平直的单壁碳纳米管更加不稳定;一端固定另端自由的单壁碳纳米管轴向收缩,但其直径基本不变.利用单壁碳纳米管纳米曲率效应和能量束诱导非热激活效应,对上述单壁碳纳米管不稳定性现象进行了新的、合理的解释.
2012, 61 (3): 036402.
doi: 10.7498/aps.61.036402
摘要 +
理想金属玻璃是指完全满足电子结构稳定性的金属玻璃. 在我们前期工作中提出的团簇加连接原子及理想金属玻璃的团簇-共振结构模型的 基础上, 本文指出理想金属玻璃应该满足电子化学势均衡判据, 可定量给出团簇与连接原子的比例, 最终确定了理想金属玻璃成分式[团簇](连接原子)x. 运用此判据, 解析了Cu-Zr基和Co-B基块体金属玻璃, 实验确定的最佳形成能力成分满足电子化学势均衡.
2012, 61 (3): 036701.
doi: 10.7498/aps.61.036701
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非极性方向生长的ZnO基多量子阱消除了量子限域Stark效应, 可以提高光电器件的发光效率. 据此我们采用脉冲激光沉积方法(PLD)在r面蓝宝石衬底上生长了高质量的a面(1120)单一取向非极性Zn(Mn,Na)O薄膜. X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、Hall测试、X射线光电子能谱(XPS)等测试结果表明: 衬底温度和生长气压对Zn(Mn,Na)O薄膜的非极性生长影响很大, 在600℃和0.02 Pa条件下实现了Mn-Na共掺, 得到了高结晶质量并具有良好光电性能的非极性Zn(Mn,Na)O薄膜. 此外, 我们还利用超导量子干涉仪(SQUID)研究了Zn(Mn,Na)O薄膜的生长取向对其室温铁磁性能的影响规律, 并对引起磁性变化的机理进行了讨论.
2012, 61 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.61.036801
摘要 +
采用对靶磁控溅射方法在单晶Si(100)基片上制备了反钙钛矿结构的Mn3CuNx薄膜.通过控制制备过程中的反应气体氮气(N2) 流量(N2/Ar+N2), 研究了氮含量对Mn3CuNx薄膜结构及物理性能的影响.分别利用X射线衍射仪、俄歇电子能谱、原子力显微镜、X射线光电子能谱、物理性能测试系统和超导量子干涉仪, 对所制备薄膜的晶体结构、成分、表面形貌和电、磁输运性质进行了测试.结果表明:制备的薄膜均为反钙钛矿立方结构,且沿 (200) 晶面择优生长.随着氮含量的增大,薄膜表面粗糙度和颗粒度尺寸逐渐增大, 导致电阻率增加.氮含量对薄膜的电输运性质没有影响,所有薄膜电阻率均随着温度的降低逐渐增大, 呈现半导体型导电行为,这与对应的块体材料结果相反.Mn3CuNx薄膜随着测试温度的增大发生了亚铁磁到顺磁的磁转变,且N含量的增大降低了磁有序转变温度,主要是由于N缺陷对Mn6N八面体结构中 磁交换作用的影响所致.
2012, 61 (3): 036802.
doi: 10.7498/aps.61.036802
摘要 +
采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术高速沉积了有无籽晶层两个系列微晶硅薄膜,通过椭圆偏振光谱、拉曼光谱和XRD对薄膜进行了分析,发现采用籽晶层后,在薄膜沉积初期有促进晶化的作用;由于籽晶层减少了薄膜的诱导成核时间,提高了薄膜的沉积速率,对比了实时在线和离线椭圆偏振光谱两种测量状态对分析微晶硅薄膜的影响,研究发现,当薄膜较薄时,实时在线测量得到的薄膜厚度小于离线下的数值;当薄膜较厚时,两种测量条件下得到的薄膜厚度差异较小;实时在线条件下得到的表面粗糙度要大于离线条件下得到的数值，这是由于薄膜暴露在大气中后表面有硅氧化物生成,对表面有平滑作用.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.61.037101
摘要 +
通过基于密度泛函理论的广义梯度近似GGA+U方法对铁磁相SrCoO3的电子结构和磁学性质进行了系统研究.结果表明:随着U值的增大,对于Co离子,主自旋方向的t2g和eg态向低能级移动,而次自旋方向的t2g和eg态向高能级移动;O 2p电子态的分布基本不随U变化.能带结构表明,U大约在78eV之间时,SrCoO3由金属性转变为半金属性.U值小于7eV时,Co离子的磁矩随着U值的增大几乎成线性增大,而当U大于7eV后基本保持不变.结合实验结果,本文认为U取8eV时得到的计算结果更为合理,Co离子的磁矩为3.19в,且SrCoO3表现出半金属特性.
2012, 61 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.61.037102
摘要 +
强关联体系中的轨道有序及其成因一直是凝聚态物理研究的热点问题.轨道有序对于巨磁阻和超导材料的研究有非常重要的地位.利用第一性原理计算研究了KCrF3的四方相和立方相中的轨道有序及其成因.在四方相中, GGA和GGA+U两种方法计算结果都表明其基态是A型反铁磁和G型轨道有序. 对于立方结构, GGA方法得出铁磁半金属态是基态,而GGA+U(Ueff = 3.0 eV)得到的基态是A型反铁磁绝缘体. 光电导测量是少数能从实验上观察到轨道有序的方法之一,因此计算了其光电导,并结合投影态密度讨论了KCrF3中的轨道有序.最后找到了其轨道有序的成因:电子强关联效应,而非电-声子相互作用是其轨道有序的物理根源.
2012, 61 (3): 037103.
doi: 10.7498/aps.61.037103
摘要 +
采用第一性原理的计算方法, 分别研究了金红石相和锐钛矿相TiO2各种缺陷态形成的类型, 以及几何结构、生长气氛和Fermi能级位置对缺陷形成能的影响, 从理论上预测产生点缺陷的实验条件. 重点是讨论带电点缺陷的形成能, 并对结果进行适当修正. 研究发现, 本征缺陷的类型和浓度对 TiO2的性能有一定的影响: 在富O条件下, TiO2容易形成VTi(Ti空位)缺陷; 在富Ti条件下, TiO2的Tii4+和VO(O空位)缺陷将大量出现, 形成Schottky缺陷.
2012, 61 (3): 037301.
doi: 10.7498/aps.61.037301
摘要 +
相对于单一金属纳米材料,二金属复合纳米材料具有更大的潜在应用价值.基于时域有限差分方法,研究了SiO2-Ag-Au和SiO2-Au-Ag二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性进行了分析.研究发现,内核尺寸变大将导致上述两种金属纳米管LSPR峰红移;内层金属及外层金属壳层厚度增大均会导致其LSPR峰蓝移.银壳厚度变化对纳米管LSPR的调制作用大于金壳厚度变化造成的影响.上述现象可以利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子变化的竞争机制进行分析.
2012, 61 (3): 037302.
doi: 10.7498/aps.61.037302
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在分子束外延(MBE)设备中,利用直接沉积C原子的方法在覆盖有SiO2的Si衬底(SiO2/Si)上生长石墨烯,并通过Raman光谱和近边X射线吸收精细结构谱等实验技术对不同衬底温度(500℃,600℃,700℃,900℃,1100℃,1200℃)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在衬底温度较低时生长的薄膜是无定形碳,在衬底温度高于700℃时薄膜具有石墨烯的特征,而且石墨烯的结晶质量随着衬底温度的升高而改善,但过高的衬底温度会使石墨烯质量降低.衬底温度为1100℃时结晶质量最好.衬底温度较低时C原子活性较低,难以形成有序的C-sp2六方环.而衬底温度过高时(1200℃),衬底表面部分SiO2分解,C原子与表面的Si原子或者O原子结合而阻止石墨烯的形成,并产生表面缺陷导致石墨烯结晶变差.
2012, 61 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.61.037801
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在GaAs吸收带边附近, 利用磁光Kerr效应测量了(Ga,Mn)As和p-GaAs样品的电流诱导Kerr旋转谱和反射谱, 两者都呈现出Lorentz曲线形状. 电流诱导Kerr旋转角和反射率随着电流的增大而增大, Kerr角与电流的大小成正比关系, 反射率与电流的平方成正比关系. (Ga,Mn)As的Kerr旋转角比p-GaAs的大了一个数量级, 这说明Mn原子的掺杂使得电流诱导的自旋极化增强. 另外, 还测量了温度和入射光偏振方向对电流诱导Kerr旋转谱和反射谱的影响. 发现随着温度的升高, Kerr谱和反射谱均向长波方向移动, 这与GaAs带边随温度的变化是一致的.
2012, 61 (3): 037802.
doi: 10.7498/aps.61.037802
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Fermi共振现象在光谱分析中的谱线认证、归属有重要应用,然而,它蕴含的丰富物理规律、内容及研究方法亟待开发和研究.本文提出了一种改变溶液折射率研究Fermi共振的方法,该方法以Onsager电介质极化理论为依据,利用分子在溶液中的Raman散射强度(散射系数)随溶液折射率的变化来研究Fermi共振规律.该方法不仅能给出Fermi共振各参数间及与溶液折射率之间的关系,而且发现了Fermi共振双峰的非对称移动、倍频的基频也受Fermi共振调谐等现象.为全面认识Fermi共振规律提供了一种研究方法.
2012, 61 (3): 037803.
doi: 10.7498/aps.61.037803
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用金属有机物化学气相沉积法外延制备了一个透射式蓝延伸GaAs光电阴极,积分灵敏度达到1980 A/lm,同时与美国ITT公司的一条蓝延伸阴极光谱响应曲线对比,分别对两者进行了光学结构拟合. 结果表明,国内阴极在Ga1-xAlxAs层厚度、Al组分、电子扩散长度和后界面复合速率上与国外存在差距,这导致国内阴极的蓝延伸性能不及国外.国内蓝延伸阴极的表面电子逸出几率、发射层厚度与国外阴极拟合结果一致,这使得两者长波响应性能差别远小于短波部分的差别.另外响应波段全谱的吸收率小于国外阴极,导致国内透射式蓝延伸GaAs光电阴极光谱响应、积分灵敏度尚不及国外.
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2012, 61 (3): 037804.
doi: 10.7498/aps.61.037804
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研究了Er1.0P5O14铒非晶玻璃的红外量子剪裁现象. 从吸收谱和激发光谱的计算比较中肯定了Er1.0P5O14非晶 玻璃的1537.0 nm红外荧光为多光子量子剪裁荧光. 从Er1.0P5O14非晶玻璃的可见和红外荧光发射光谱中发现激发2H11/2, 4G11/2和4G9/2能级所导致的4I13/2→4I15/2量子剪裁红外荧光很强;基于自发辐射速率、无辐射弛豫速率和能量传递速率等参数的计算,对其量子剪裁机理进行了分析.发现起源于基态的强下转换能量传递{2H11/2→4I9/2,4I15/2→4I13/2},{4G11/2→4I13/2, 4I15/2→2H11/2},{4G9/2→4F7/2,4I15/2→4I13/2}和{4G9/2→4I13/2, 4I15/2→2H11/2}是导致Er1.0P5O14非晶玻璃具有强的三光子和四光子量子剪裁红外荧光的原因.研究结果对改善太阳能电池效率有一定意义.
2012, 61 (3): 037805.
doi: 10.7498/aps.61.037805
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文章报道了吸附在银纳米颗粒表面的四苯基卟啉(TPP)的Q带荧光寿命的变化.实验发现将银纳米颗粒的表面等离激元共振吸收峰调至与TPP的Q吸收带共振时,会使TPP的Q带荧光寿命得到延长.这是由于银纳米颗粒对表面的光电场有较大的表面等离激元共振增强效应,而处于激发态的TPP分子有较高的极性,这种增强的光电场会对有较高极性的TPP分子有稳定作用,所以延长了其Q带寿命.这对于以卟啉为光敏剂的光动力治疗有重要的意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.61.038101
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持续光电导现象是影响多晶金刚石紫外探测器时间响应性能的一个不利因素,它的存在会大大延长探测器的响应时间.本文在微米晶金刚石薄膜上制备了叉指电极间距分别为20μm和30μm的紫外探测器(分别称为器件A和器件B),讨论了晶界对多晶金刚石紫外探测器时间响应性能的影响.结果表明,器件A和器件B均表现出持续光电导和光电导增益现象,并且器件B比器件A更显著.分析得出,晶界缺陷可能在金刚石带隙中引入一个浅能级并起少数载流子陷阱中心的作用,导致了探测器的持续光电导现象和高增益.相比器件A,器件B电极间具有更多的晶界数量,因此器件B表现出更为显著的持续光电导和更高的光电导增益.
2012, 61 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.61.038102
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采用传统提拉法单晶生长技术成功生长出了Cr,Mg:GSGG晶体, 并对生长出的晶体样品进行了氧化气氛和还原气氛退火处理. 通过对比分析退火处理前后样品吸收光谱的变化, 推断出晶体中四面体配位Cr4+离子的形成机理为: 晶体生长和高温氧化气氛退火的过程中, 四价Cr4+离子首先在八面体格位上形成, 然后在热激发作用下与邻近四面体格位上的Ga3+离子发生置换反应, 从而形成一定浓度的四面体配位Cr4+离子. 实验结果还表明, 随着电荷补偿离子Mg2+离子浓度的增大, 更有利于提高四面体配位Cr4+离子的浓度.
2012, 61 (3): 038210.
doi: 10.7498/aps.61.038210
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采用第一性原理超软赝势平面波方法计算了Sn3InSb4的嵌Li性能,得到各种嵌Li相的嵌Li形成能、理论质量比容量、体积膨胀率、能带结构、态密度和差分电荷密度等.从能量角度分析,Li在嵌入时,优先占据晶胞的四面体间隙位置,然后逐步挤出处于节点位置的Sn原子和In原子.在嵌Li过程中,材料表现出较大的体积膨胀率(11.74%43.40%),这是导致Sn3InSb4作为Li离子电极材料循环性能差的重要原因.态密度计算表明,体系的导电性能首先随嵌Li量的增加而增加,当所有的间隙位置被Li填满,发生Sn的替换反应时,富Li态合金相的导电性反而下降.
2012, 61 (3): 038401.
doi: 10.7498/aps.61.038401
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同轴辐射相对论磁控管,又称具有衍射输出的相对论磁控管,是目前相对论磁控管在小型化和紧凑化方向发展的重要分支,也是有望成为最紧凑的窄带高功率微波源器件之一.根据同轴辐射相对论磁控管直接轴向辐射准TE11模式的方式和特点,开展了两路同轴辐射相对论磁控管共用一个喇叭的功率合成研究.通过对平行排列结果的分析讨论,提出了一种改善辐射方向性的方法和结构.最终的研究结果表明:当两路同轴辐射相对论磁控管并排靠近放置且夹角为7,共用喇叭的参数为h=600mm,r=340mm时,模反射系数为0.31,最大增益21.5dB,辐射模式为TE11模.
2012, 61 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.61.038701
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实验发现大脑皮层内出现螺旋波且螺旋波对神经元电信号传递有积极作用.利用细胞网络方法从对大脑皮层观察到的螺旋波进行数值模拟.以包含温度因子的热敏神经元模型在二维空间构造规则网络,研究了神经元膜片温度参数对神经元网络中螺旋波演化影响;定义了一类统计同步因子来刻画温度因子引起螺旋波相变(破裂和死亡)的临界条件.发现在规则网络下,当温度超过一定值后螺旋波会死亡和消失而导致整个网络达到均匀同步;在考虑了弱通道噪声情况下,螺旋波温度超越一定临界值则引起螺旋波的破裂.进一步分析了暂时性发烧昏迷的可能机制在于神经系统某些功能区螺旋波传播电信号的中断.
2012, 61 (3): 038702.
doi: 10.7498/aps.61.038702
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石墨烯因其奇特的能带结构和优异的物理性能而成为近年来大家研究的热点, 但是目前单层石墨烯的质量与尺寸制约了其实际应用的发展. 本文采用常压化学气相沉积(CVD)方法, 基于铜箔衬底, 利用甲烷作为碳源制备了高质量大面积的单层与多层石墨烯. 研究发现: 高温度、稀薄的甲烷浓度、较短的生长时间以及合适的气体流速是制备高质量、大面积石墨烯的关键. Raman光谱, 扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征结果表明: 制备的石墨烯主要为单层, 仅铜箔晶界处有少量多层石墨烯. 电学测试表明CVD制备的石墨烯在低温时呈现出较明显的类半导体特性; 薄膜电阻随外界磁场的增大而减小.
2012, 61 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.61.038801
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利用严格耦合波理论分析了纳米孔阵列薄膜的光学特性,提出将纳米孔阵列薄膜作为光伏器件 增透膜来提高器件的光吸收和转换效率.理论分析表明:纳米孔阵列薄膜比单层增透膜有更好的增透效果, 能够更好地提高光伏器件的转换效率,在400 nm600 nm波段尤为显著.纳米孔阵列薄膜的最优结构参数: 周期为500 nm,填充率为0.2,厚度为110 nm.采用微纳加工技术,在 200 m Si 探测器的增透膜上制作了不同周期的纳米孔阵列,并搭建了相应的测试系统.实验结果表明: 周期为500 nm时器件的性能提高最为明显,短路电流在400 nm1100 nm波段提高约为6%, 在400 nm600 nm波段提高约为15%;开路电压提高约为2%.纳米孔阵列薄膜能够很好地提高光伏器件的转换效率.
2012, 61 (3): 038802.
doi: 10.7498/aps.61.038802
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相对于单层电极结构,优化的前表面双层电极能够明显减小功率损失,改善晶体硅太阳电池的电学特性．本文对晶体硅太阳电池的双层电极进行了优化分析和实验研究.通过扫描电子显微镜观测将双层电极的截面抽象为更接近于实际的半椭圆型,建立了太阳电池前表面的双层电极模型,理论分析了双层电极的电学损失和光学损失.结合丝网印刷后光诱导电镀太阳电池的实验,得到了理论和实验上的最优化光诱导电镀增厚电极厚度与丝网印刷电极宽度的关系.所得到的理论和实验结果符合良好.由于并不涉及电极制备的具体技术,双层电极理论模型普遍适用于多种类型的双层电极结构.
2012, 61 (3): 038901.
doi: 10.7498/aps.61.038901
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虽已对复杂网络牵制同步需要牵制结点数量及牵制结点数量与耦合强度的关系进行了研究,然而快速计算牵制结点数量仍是大规模复杂网络面临的一个重要问题.研究发现了复杂网络耦合矩阵主子阵最大值递减规律,由此提出了快速计算复杂网络牵制结点数量的方法,揭示了不同的牵制策略与牵制结点数量之间的关系.数值仿真显示了在无标度网络和小世界网络上三种不同的牵制策略下,牵制结点数与主子阵最大特征值的变化规律;最后给出了一个在无标度网络上采用随机选择结点策略的牵制同步实例.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (3): 039201.
doi: 10.7498/aps.61.039201
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对于一个稳定的动力系统而言,系统变量的概率密度具有较为稳定的分布型,而当系统的动力学结构发生变化后可能会导致系统变量的分布型发生不同程度的变化.鉴于此,本文从识别系统变量的概率密度分布的微小变化角度出发,将描述时间序列概率分布特征的偏度系数和峰度系数应用于时间序列的突变检测中.数值试验结果表明,偏度系数和峰度系数对突变信号具有很好的识别能力,进而揭示了一条检测突变的新途径.进一步的研究表明,新方法的检测结果对于子序列长度的选择具有较小的依赖性.
2012, 61 (3): 039202.
doi: 10.7498/aps.61.039202
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海表淡水通量对于了解和模拟海洋大气过程具有重要作用,然而不同淡水通量的定量估计差别较大.基于混合层盐度平衡模式,利用Argo资料和OSCAR(海洋表面流实时分析场)流场相结合重构了20022008年逐周海表淡水通量产品.通过将重构产品与其他卫星产品和TAO(热带大气海洋观测网)观测进行对比分析表明,重构的淡水通量产品不仅能抓住其季节性信号,而且能够体现淡水通量的高频特征.该逐周淡水通量产品对海洋气候变化研究具有重要作用.
2012, 61 (3): 039203.
doi: 10.7498/aps.61.039203
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利用山东一次人工触发闪电的高速摄像和30 m, 60 m和480 m的同步电场测量, 清晰显示了人工触发闪电上行正先导的传输特征.上行正先导头部光强相对较强, 二维发展速度变化波动较大并呈现明显不规则性,表明上行正先导发展具有明显的梯级特征. 在先导开始阶段从340 m到705 m高度之间上行正先导平均发展速度为9.8×104 m/s,起始速度是 3.8×104 m/s,局部速度总体上随高度呈现增加趋势.电场变化在近距离产生有规律的梯级状 变化,记录到的28个梯级相邻梯级间隔变化从14 μs 到 39 μs,几何平均值为25.1 μs. 估计的先导梯级长度分布在0.9 m到3.7 m,几何平均值为1.7 m.先导电场变化由慢的正向梯级状变化和 脉冲变化组成,结合光学和电场变化测量结果,得出正先导头部通道发生弯曲可使其电场变化的梯级特征减弱 或消失;正负先导梯级形成机制可能类似,均由其先导头部前端的双向流光发展而来.
2012, 61 (3): 039204.
doi: 10.7498/aps.61.039204
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质量守恒是平流扩散差分方程所必须满足的基本性质,但是由于差分格式不具有正定性(positive-definite),因此在积分过程中负质量的产生会导致总质量不守恒.针对这一问题,本文从负质量产生的物理意义出发,提出了一个简单有效的新正定性重整化方案,通过点源平流扩散试验表明,该方案不但解决了平流扩散差分方程的正定性问题,同时保证了总质量守恒性.与WRF模式中采用的"重整化方案"相比,具有物理含义清楚、并且简单易行的优点.
2012, 61 (3): 039501.
doi: 10.7498/aps.61.039501
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稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.
2012, 61 (3): 039601.
doi: 10.7498/aps.61.039601
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空间微小碎片与航天器表面超高速撞击, 能够抛射出等离子体, 在高充电的航天器表面诱发静电放电, 是可能引发航天器异常的一个重要因素. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器对充电材料进行超高速(3 km/s)撞击模拟实验, 通过观测放电脉冲信号来研究因撞击产生的等离子体诱发的放电, 得到较好的实验现象, 初步确认了超高速碎片撞击充电材料诱发放电的机理.
