Vol. 62, No. 12 (2013)
2013年06月20日
总论
2013, 62 (12): 120101.
doi: 10.7498/aps.62.120101
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对于硅薄膜太阳电池来说, 无论是PIN型还是NIP型太阳电池, 采用绒面陷光结构来提高入射光的有效利用率是提高太阳电池效率的重要方法之一.本文采用标度相干理论对PIN和NIP型电池的绒面结构的陷光性能进行了数值模拟. 结果表明: PIN电池中前电极和NIP电池中背电极衬底粗糙度分别为160和40 nm时可获得理想的陷光效果; 在不同粗糙度背电极衬底上制备a-SiGe:H电池发现, 使用40和61.5 nm 背电极可获得相当的短路电流密度, 理论分析和实验得到了一致的结果.
2013, 62 (12): 120201.
doi: 10.7498/aps.62.120201
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研究奇异Chetaev型非完整系统Nielsen方程的Lie-Mei对称性, 建立系统Nielsen方程的Lie-Mei对称性方程, 给出系统Nielsen方程强Lie-Mei对称性和弱Lie-Mei对称性的定义, 得到对称性导致的Hojman守恒量和Mei守恒量, 最后给出说明性算例.
2013, 62 (12): 120202.
doi: 10.7498/aps.62.120202
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基于一类新的Lie超代数, 介绍了构造超孤子族非线性可积耦合的一般方法. 由相应圈超代数上的超迹恒等式, 可以得到超孤子族非线性可积偶的超哈密顿结构. 作为应用, 给出了超 Kaup-Newell 族的非线性可积耦合及其超哈密顿结构, 这种方法还可以推广到其他的超孤子族.
2013, 62 (12): 120203.
doi: 10.7498/aps.62.120203
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采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R2 t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R4 t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度.
2013, 62 (12): 120301.
doi: 10.7498/aps.62.120301
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研究了一般形式类GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态的共生纠缠度及非定域性, 给出了类GHZ纠缠态的共生纠缠、Mermin不等式和Svetlichny不等式的解析表达式, 并通过数值计算讨论纠缠与非定域性之间的关系. 结果表明, 类GHZ纠缠态的共生纠缠和两个Bell型不等式描述的非定域性是一致的, Bell算符及其参量, 能够明显展示量子态的非定域特性.
2013, 62 (12): 120501.
doi: 10.7498/aps.62.120501
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构造了一类与帐篷映射拓扑同构的混沌系统, 并根据拓扑共轭变换关系给出了此类混沌系统产生独立、均匀分布密钥流序列的采样规则. 理论证明和数值模拟, 均验证了结论的有效性. 本文为产生独立同分布密钥流提供了更多的非线性系统选择. 实验结果证明利用本文定理产生的密钥流能够通过美国信息技术管理改革法案的随机数检测标准(FIPS PUB 140-2)和美国国家标准与技术研究院安全检测标准(NIST SP800-22), 符合密钥流的选取标准.
2013, 62 (12): 120502.
doi: 10.7498/aps.62.120502
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建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好.
2013, 62 (12): 120503.
doi: 10.7498/aps.62.120503
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基于分数阶朗之万方程和随机行走理论, 建立了一种用于研究非马尔可夫系统中随机变量随时间演化的数值模拟算法, 称之为分数阶随机行走模拟法. 进一步运用此算法分别数值研究了无阻尼有涨落、 有阻尼无涨落和阻尼与涨落兼备三种情况下, 受欠扩散分数阶朗之万方程约束的随机变量随时间的演化行为. 结果显示阻尼和涨落存在竞争关系: 高斯型涨落的影响会随着时间的增长被"抹平", 从而凸显阻尼使系统趋于平衡的作用; 而长尾型涨落则由于包含"小概率大贡献"事件, 使得长时间演化之后系统变量仍以一定概率出现突然变化.
2013, 62 (12): 120504.
doi: 10.7498/aps.62.120504
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Brown运动中,环境分子的吸附能力使Brown粒子的质量存在涨落. 本文将这一质量涨落建模为对称双态噪声, 以考察其对系统共振行为的影响. 首先,利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并根据相应数值结果, 研究系统的共振行为; 然后, 通过仿真实验对理论与实际的符合情况进行对比分析, 验证理论结果的可靠性及其对实际应用的指导意义. 理论结果和仿真实验均表明: 1) 系统稳态响应为频率与外部驱动相同的简谐振动; 2) 稳态响应振幅随外部驱动频率、振子质量、噪声强度及相关率的变化分别相应出现真实共振、参数诱导共振、随机共振现象; 3) 质量涨落噪声导致系统共振形式出现多样化现象, 包括单峰共振、单峰单谷共振、双峰共振等.
2013, 62 (12): 120505.
doi: 10.7498/aps.62.120505
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讨论了一类单自由度非线性传送带系统. 首先通过分段光滑动力系统理论得出系统滑动区域的解析分析和平衡点存在性条件; 其次利用数值方法, 对系统几种类型的周期轨道进行单参数和双参数延拓, 得到系统的余维一滑动分岔曲线和若干余维二滑动分岔点, 以及系统在参数空间中的全局分岔图. 通过对系统分岔行为的研究, 反映出传送带速度和摩擦力振幅对系统动力学行为有较大影响, 揭示了非线性传送带系统的复杂动力学现象.
2013, 62 (12): 120506.
doi: 10.7498/aps.62.120506
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运用广义胞映射图方法研究两个周期激励作用下Duffing-van der Pol系统的全局特性.发现了系统的混沌瞬态以及两种不同形式的瞬态边界激变, 揭示了吸引域和边界不连续变化的原因. 瞬态边界激变是由吸引域内部或边界上的混沌鞍和分形边界上周期鞍的稳定流形碰撞产生.第一种瞬态边界激变导致吸引域突然变小, 吸引域边界突然变大; 第二种瞬态边界激变使两个不同的吸引域边界合并成一体.此外, 在瞬态合并激变中两个混沌鞍发生合并, 最后系统的混沌瞬态在内部激变中消失. 这些广义激变现象对混沌瞬态的研究具有重要意义.
2013, 62 (12): 120507.
doi: 10.7498/aps.62.120507
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尽管Lorenz系统具有混沌和非周期性质, 但其分支变换是可预报的.本文以强迫Lorenz系统为数学模型, 基于Lorenz映射, 研究了混沌系统分支变换的预报规律, 将原有关于分支开始变换条件和新分支持续时间的两条一般规律扩展到了3条, 并首次分析了系统当前状态达到变换条件所需时间的预报规律, 从而为预报混沌系统非周期演变提供了另一途径.结果表明: 映射尖点位置为分支变换的临界值, 当变量z超过相应临界值时, 系统在当前分支的运动即将结束, 下一循环将跳跃到另一分支运动; 系统在同一分支循环的次数随极值zmax单调减小, zmax 越小, 达到变换条件需循环的次数越多; 系统在新分支持续的时间是先前分支最大极值zM 的单调增加函数, zM越大, 持续时间增加的幅度也越大.此外, 外强迫影响着混沌系统分支变换的预报规律, 其不但使正负分支的变换条件出现差异, 且与新分支持续时间的增加速率和达到变换条件所需时间的递减速率密切相关.
2013, 62 (12): 120508.
doi: 10.7498/aps.62.120508
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研究了两种周期脉冲作用下Logistic映射的复杂动力学行为. 随着参数的变化, 该系统产生平衡解、周期解、混沌等现象, 且该系统可经级联倍周期分岔到达混沌. 通过构造Poincaré 映射, 对周期脉冲作用下Logistic映射进行了分岔分析. 最后基于Floquet理论揭示了该系统周期解的分岔机理.
2013, 62 (12): 120509.
doi: 10.7498/aps.62.120509
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针对一类连续时间异结构混沌系统, 利用自抗扰控制很强的鲁棒性, 提出了一种异结构混沌系统反同步的自抗扰控制策略.针对所设计的自抗扰控制器参数较多, 难以整定的问题, 提出了应用混沌粒子群优化算法对控制器进行参数寻优设计. 以Lorenz系统和Chua系统两个异结构混沌系统为例进行仿真验证, 由仿真结果可知, 该方法可以实现异结构混沌系统较快的反同步控制, 且具有很强的抗干扰能力.
2013, 62 (12): 120510.
doi: 10.7498/aps.62.120510
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针对多元混沌时间序列的预测问题, 考虑到单纯改进储备池算法无法明显地提高预测精度, 提出一种基于误差补偿的时间序列混合预测模型. 实际观测的数据既包含线性特征又包含非线性特征. 首先利用自回归移动平均模型预测线性特征, 使得残差数据仅含非线性特征; 然后, 建立正则化回声状态网络模型预测; 最后, 将非线性部分的预测值与线性部分的预测值相加, 以实现高精度的多元混沌时间序列预测. 基于Lorenz和太阳黑子-黄河径流量时间序列的仿真实验验证了本文所提模型的有效性.
2013, 62 (12): 120511.
doi: 10.7498/aps.62.120511
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传统的滑动窗策略只是简单且机械地将最远的数据移出窗口, 而将最近的数据移进窗口. 针对这种遗忘策略存在的缺陷, 提出了过滤窗策略. 过滤窗采用"优胜劣汰"的选择机制, 将对模型贡献比较大的数据留在窗口当中. 将过滤窗和最小二乘支持向量回归机相结合, 提出了过滤窗最小二乘支持向量回归机. 与滑动窗最小二乘支持向量回归机相比较, 过滤窗最小二乘支持向量回归机具有较小的计算量, 需要较短的窗口长度就能达到和滑动窗最小二乘支持向量回归机几乎相同的预测精度, 而较短的窗口长度又预示着较少的计算量和较好的实时性. 混沌时间序列在线建模和预测的实例表明了过滤窗最小二乘支持向量回归机的有效性和可行性.
2013, 62 (12): 120512.
doi: 10.7498/aps.62.120512
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多尺度多变量样本熵评价同步多通道数据的多变量复杂度, 是非线性动态相互关系的一种反映, 但其统计稳定性差, 且不适用于非线性非平稳信号. 研究利用模糊隶属度函数代替模式相似判断的硬阈值准则, 并分析模糊隶属度函数形式的影响; 研究利用多变量经验模态分解算法进行多尺度化, 并对比其处理效果. 仿真试验表明, 模糊隶属度函数的引入可以有效提高算法的统计稳定性, 所构造的物理模糊隶属度函数的性能最为显著; 基于多变量经验模态分解算法的多尺度化过程可更有效地捕获信号的不同尺度成分, 从而更敏感地区分具有不同复杂度的信号. 对临床试验数据的分析支持以上结论, 且结果提示随着年龄增加或心脏疾病的发生, 心率变异性和心脏舒张间期变异性的多变量复杂度以不同的方式降低: 年龄增加会使低尺度熵值降低, 表示近程相关性的丢失; 而心脏疾病会同时影响各个尺度的熵值, 即同时丢失了近程和长时相关性. 该结论可用于指导心血管疾病的无创预警研究.
2013, 62 (12): 120513.
doi: 10.7498/aps.62.120513
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针对一类混沌系统, 当不满足观测器匹配条件时, 讨论了基于观测器的混沌同步及保密通讯问题.通过设计辅助驱动信号, 使得观测器匹配条件得以满足.为了处理辅助驱动信号中的未知变量, 使用高增益观测器作为近似微分器, 不仅给出了辅助驱动信号的估计值, 还给出了辅助驱动信号的微分估计值.基于辅助驱动信号的估计值, 提出了一种能与非线性项和干扰影响解耦的降维观测器作为响应系统, 达到了与驱动系统的同步.在同步的基础上, 再基于辅助驱动信号及其微分的估计值, 提出了一种保密信息还原的方法.最后, 针对Rössler系统进行仿真, 仿真结果表明所提出的方法是有效的.
2013, 62 (12): 120701.
doi: 10.7498/aps.62.120701
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提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测.
2013, 62 (12): 120702.
doi: 10.7498/aps.62.120702
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明确了辐射的非成像测量和成像测量之间的差异并给出数学表述, 才能够把已经成熟的非成像辐射测量方法推广至成像测量. 本文从辐射测量的基本公式以及成像下目标微元与传感阵列像素的对应关系出发, 分别建立了关于辐射的非成像和成像测量式.根据成像面的存在不会改变辐射传输的事实, 比较非成像测量式和成像测量式后, 可得到成像效应的数学表述. 把成像效应与针孔和透镜两种成像技术结合后的分析指出: 成像效应的主因是成像光轴角, 辅因是测量天顶角; 辅因作用的大小取决于测量天顶角与发射天顶角的差异度.
2013, 62 (12): 120703.
doi: 10.7498/aps.62.120703
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为研制大功率太赫兹源, 提出以切连科夫表面波振荡器为基础, 采用过模结构来研究0.34 THz信号的产生. 重点研究了慢波结构的各参数对器件输出性能的影响, 对慢波结构进行了优化设计, 并采用数值模拟方法, 对慢波结构实际参数的选取和实验中所允许的加工精度提了具体要求; 最后采用粒子模拟对该结构进行了"热腔"模拟计算. 结果表明该结构能够产生频率为0.34 THz, 输出功率约为7.8 MW的太赫兹信号, 并且稳定工作于表面波振荡器状态. 该结果为下一步0.34 THz太赫兹源的研制奠定了基础.
2013, 62 (12): 120704.
doi: 10.7498/aps.62.120704
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在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致.
核物理学
2013, 62 (12): 122801.
doi: 10.7498/aps.62.122801
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编码中子源成像可以在对中子注量率影响不大的情况下大大提高成像的准直比, 从而提高成像质量.北京大学开展了基于小型加速器的编码中子源成像技术研究工作. 不同于已有的基于反应堆的小面积编码板的研究工作, 北京大学建立了基于小型加速器的大面积编码板的编码中子源成像实验平台, 并对加速器中子源上的实验方法和数据处理进行了探索, 对比了重建算法, 获得了初步的重建照片.研究工作表明, 编码中子源成像技术可用于加速器中子源, 但重建图像质量仍须提高.
2013, 62 (12): 122901.
doi: 10.7498/aps.62.122901
摘要 +
随着微结构气体探测器的不断发展, 不同的探测需求相继提出.为了实现气体探测器在高增益和低打火率的条件下长时间稳定工作, 结合气体电子倍增器(GEM)与微网结构气体探测器(MicroMegas)的探测优势, 成功研制出一种基于GEM作为预放大的MicroMegas探测器, 详细介绍了探测器结构和工作原理, 并利用55Fe放射源对探测器增益、打火率、能量分辨和工作稳定性等性能进行了实验测量. 分析结果显示GEM-MicroMegas探测器可以连续工作30 h 以上, 探测器增益可以超过106, 相对于无GEM膜的MicroMegas探测器, 相同增益下打火率可以降低近100倍.
原子和分子物理学
2013, 62 (12): 123101.
doi: 10.7498/aps.62.123101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 分别研究了N掺杂和N-M(Cd, Mg)共掺(9, 0)型闭口氧化锌纳米管(ZnONT)的几何结构和场发射性能.结果表明: N原子能够提高体系帽端结构的稳定性; 随外加电场增强, 体系的态密度向低能方向移动, 最高占据分子轨道(HOMO)-最低未占据分子轨道(LUMO)能隙及有效功函数变小, 电荷向帽端聚集程度愈高. 体系态密度/局域态密度, HOMO/LUMO, 能隙及Mulliken电荷分析一致表明, N-Cd共掺可提高ZnONT的场发射性能, N-Mg共掺反而抑制其电子发射.
2013, 62 (12): 123201.
doi: 10.7498/aps.62.123201
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利用半经典开轨道理论, 研究了磁场和金属面附近氢负离子的剥离电子通量分布, 并揭示了电子通量分布中的振荡结构与经典轨道之间的关系.固定离子到金属面的距离, 研究了不同的磁场强度对电子通量分布的影响. 结果表明, 由于与电子通量分布相联系的剥离电子的经典轨迹增加, 随着磁场强度的增加, 通量分布变得复杂. 此外发现剥离电子的能量变化也会影响电子通量分布. 因此可以通过改变磁场强度大小和剥离电子的能量来调控剥离电子通量分布和干涉图样. 研究结果对于理解负离子在外场、表面附近的电子流通量和剥离电子干涉图样问题以及将来实验研究负离子的光剥离显微问题都可以提供一定的参考.
2013, 62 (12): 123202.
doi: 10.7498/aps.62.123202
摘要 +
多组态含时Hartree Fock 理论方法作为一种研究强激光场中多电子原子分子体系动力学行为的一种有效手段, 近几年来备受关注. 本文介绍了该方法的发展历史, 重点介绍了本研究组近几年来对该理论方法的发展, 以及多组态含时Hartree Fock理论方法在原子基函数表象、 格点表象、 二次量子化表象不同的实现方案, 并就典型体系做了大量详细的计算. 同时也详细介绍了该方法在实际应用中存在的挑战, 展望了多组态含时Hartree Fock理论方法的发展应用前景.
2013, 62 (12): 123301.
doi: 10.7498/aps.62.123301
摘要 +
研究了多普勒和洛伦兹线型函数卷积形式的Voigt线型函数, 给出了它的最大值.结果表明, Voigt线型函数是关于中心频率的对称函数, Voigt线型函数的最大值由多普勒和洛伦兹线型函数的半宽度决定, 与中心频率无关, 且比洛伦兹和多普勒线型函数的最大值都小.提出了利用Voigt线型函数最大值和半宽度获得多普勒线型函数和洛伦兹线型函数的方法, 并利用Monte Carlo方法进行了验证.
2013, 62 (12): 123302.
doi: 10.7498/aps.62.123302
摘要 +
运用含时密度泛函理论和分子动力学相结合的方法, 研究了C5分子线在强激光场中的电离激发.研究发现, 当考虑激光强度对C5分子线激发的影响时, 激光强度越强, 分子吸收的能量越多, 电离也越早, 最终电离的电子也越多, 而且沿激光极化方向的偶极矩的变化及峰值也越大. 关于激光极化方向对C5分子线激发的影响的研究表明, 当激光极化方向沿着C5分子线轴向时, 分子的电离大大增强, x方向的激光脉冲仅能激发起x方向的偶极振荡, 而y方向的激光脉冲仅能激发起y方向的偶极振荡, 而且x方向的激光脉冲激发的偶极振荡强. 研究还表明, 当激光极化方向沿着C5分子线轴向时, 尽管由于电离增强而导致C5分子线CC键振动的同步性变差, 但在两种激光极化方向情况下, C5分子线的振动模式与中性C5分子线的振动模式相同.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (12): 124101.
doi: 10.7498/aps.62.124101
摘要 +
为了缩减天线带内雷达散射截面(radar cross section, RCS), 在双频带完美吸波材料的基础上, 通过缩小两吸波率峰值之间的距离, 设计出了一种频带较宽的超薄完美吸波体.该吸波体由两层金属及其中间的有耗介质组成, 底面金属不刻蚀, 顶面由方形贴片和绕其四周的开口方环组成, 该结构具有低频点LC谐振和高频点偶极子谐振的特征.仿真和实验结果表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角的特征, 其在厚度小于0.01λ的条件下, 具有8.2%的半波功率相对带宽, 最大吸波率的峰值为91.6%和96.5%. 将吸波体用于圆极化的倾斜波束 (tilted beam, TB)天线, 仿真和测试结果表明: 该天线在保持增益不变的条件下, 不仅轴比得到改善, 有效带宽得到拓展, 且在5.5–6.5 GHz范围内TB天线的RCS缩减至少在3 dBsm以上, 在谐振频点处最大缩减幅度分别为11 dBsm和8 dBsm; 在两谐振点处鼻锥方向-36°–+36°范围内, TB天线的RCS缩减均有明显效果.
2013, 62 (12): 124102.
doi: 10.7498/aps.62.124102
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利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究.
编辑推荐
2013, 62 (12): 124201.
doi: 10.7498/aps.62.124201
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双螺旋点扩展函数具有随离焦连续旋转变化的特性, 结合单分子定位方法可用于厚样品三维超分辨成像及分子定位追踪研究. 但双螺旋点扩展函数不足之处是光能利用率低, 对于光子数受限的荧光显微成像而言其应用受限. 本文通过对双螺旋点扩展函数在空域、频域和拉盖尔-高斯模式面等三个不同域中进行约束优化. 模拟结果表明, 优化后的双螺旋点扩展函数的光能效率提高了30多倍. 同时, 基于最优设计方案制备了相位片, 并实验验证了该设计的正确性. 与文献报道相比较, 本文结果在成像深度和光能利用率方面都有所改善.
编辑推荐
2013, 62 (12): 124202.
doi: 10.7498/aps.62.124202
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衍射增强相位衬度成像中的信息分离研究一直以来都是相关研究人员重点关注的方向之一. 本文在利用余弦函数拟合衍射增强成像中的摇摆曲线的基础上, 推导出了峰位像、左腰像和右腰像的余弦函数表达式以及吸收像、折射角像和散射角方差像的解析表达式, 形成了一种基于衍射增强成像的简便信息分离方法. 该方法只需利用摇摆曲线左腰、右腰和峰位三幅图像, 就能提取出样品的吸收、折射和散射信息, 具有方法简便、样品所受辐射剂量低等优点. 对模型样品和真实样品的实验结果表明, 本文所提方法可成功对样品进行信息分离, 并且所获得的信息分离结果可以和目前常用的多图统计方法(至少需要7张图像)获得的实验结果相比较.
2013, 62 (12): 124203.
doi: 10.7498/aps.62.124203
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数字全息研究领域目前存在两种不同的数字全息图取样模型.按照这两种模型进行研究时, 不但涉及较复杂的数学运算, 在许多情况下还会导致不同的研究结果, 不便于理论分析及实际应用.基于对数字全息图记录的物理过程分析及电荷藕合器件(charge coupled device, CCD)几何结构的研究, 本文将这两种取样模型简化为相同的数学表达式. 利用数字全息图的余弦级数展开及取样定理对简化模型的研究表明, 简化模型不但具有清晰的物理意义, 而且可以方便地为应用研究服务. 基于简化模型对物光波通过光学系统到达CCD的数字全息记录系统进行了研究, 导出得到实验证实的波前重建表达式.
2013, 62 (12): 124204.
doi: 10.7498/aps.62.124204
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针对薄片激光介质抽运和温度分布不均匀的问题, 设计了分区域主动冷却控制薄片激光器. 根据热传导方程, 对端面抽运方形薄片激光介质在均匀冷却和分区域主动冷却两种冷却方式下的温度和应力分布进行了模拟计算. 结果显示: 分区域主动冷却能使薄片介质横向温度分布趋于均匀, 相对于均匀冷却时最大温差的改善率达到了约86%, 介质边缘的张应力转变为低值压应力,有效地抑制了热应力炸裂. 搭建了分区域主动冷却控制实验装置, 并进行了验证实验, 实验结果与模拟结果相符. 为薄片激光器的热管理方式提供了新的思路.
2013, 62 (12): 124205.
doi: 10.7498/aps.62.124205
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基于模式分解方法, 分析了输入面纵向偏移诱导的强非局域非线性光传输特性变化的普适性规律. 结果表明光束输入面移动后导致的影响包括: 光斑在每个周期内出现的位置和顺序的变化、 相同形状的光斑在输入面移动前后大小的差异以及波面曲率因子的演化. 这些性质可用一个简单的数学公式进行归纳; 利用这一公式可方便地由输入面移动前的任意光束解得到输入面纵向移动后的光束解.
2013, 62 (12): 124206.
doi: 10.7498/aps.62.124206
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大气中二氧化碳浓度持续增高导致环境和气候变化等问题成为人们关注的焦点. 为了实时遥测二氧化碳气体柱浓度, 研究了一种地基低分辨遥测系统和实时光谱数据反演分析方法. 利用该系统在合肥地区进行了连续观测, 从太阳吸收光谱中实时获取了整层大气透过率. 采用逐线积分非线性最小二乘光谱反演算法, 从整层大气透过率中反演了二氧化碳柱浓度和氧气柱浓度, 并以氧气柱浓度为内标函数获得了二氧化碳干空气柱体积混合比, 精密度优于3%. 将2012年9月25日12时到15时本系统测量的二氧化碳干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星观测结果进行了比较, 两者偏差小于1%.可见, 该系统和方法具有很高的精密度和准确度, 是一种有效的温室气体观测手段.
2013, 62 (12): 124207.
doi: 10.7498/aps.62.124207
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提出了一种契形端面结构的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器激励模型. 采用时域有限差分法对契形SPR波导的共振模型进行数值模拟, 通过在光纤出射端抛磨契形角度并进行敏感膜修饰, 制出具有契形端面结构的类Kretschmann微棱镜式光纤SPR传感器, 实现激发SPR的光波调制.结果表明, 在1.3330–1.4215折射率范围内, 制备的契形光纤SPR传感器相对于常规光纤SPR传感器, 其平均灵敏度提高了近1–6倍, 1倍和6倍分别出现在小角度结构(15° 契形) 传感器和大角度结构(60°契形) 传感器, 且仍保持 10-5 等级的分辨率. 该类型结构的传感器具有契形端面激励模式, 设计灵活性高、制备工艺简单、可微量检测样本等优点, 能够很好地适应于不同环境和测量条件的实际生化检测、环境监测需求.
2013, 62 (12): 124208.
doi: 10.7498/aps.62.124208
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从理论和实验上研究了85Rb 原子蒸气D1线系统中的受激Raman现象. 在Λ-型能级系统中, 抽运光对弱探测光的影响有两部分: 受激Raman激发和光泵效应. 在一定的抽运光强度和失谐量条件下, 受激Raman谱表现为增益谱或损耗谱; 以光泵效应导致的吸收谱为背景时, 便分别形成了窄线宽透明窗口或线宽差异很大的吸收双线. 理论模拟和实验结果基本符合. 基于这些研究, 从新的角度阐述了在Λ-型系统中的电磁感应透明和Autler-Townes分裂这两个重要现象与受激Raman谱之间的关系.
2013, 62 (12): 124301.
doi: 10.7498/aps.62.124301
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基于平面声源的三层有源隔声结构系统易于实现且具有良好的低频隔声性能,实现该系统需解决的关键问题是误差信号的检测.本文将压电传感薄膜聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)阵列检测简支梁辐射模态的理论拓展到二维结构, 并应用到三层隔声结构实现误差传感的优化设计.根据三层结构中特殊的能量传输规律, 对误差传感方案中目标函数的选取、PVDF数目确定以及传感系统优化等问题进行深入分析.研究表明, 由于辐射板能量主要集中在有限个振动模态上, 只需将少数经固定系数加权的PVDF薄膜输出电流求和即可获得前三阶辐射模态幅值.辐射模态幅值的检测值与理论值符合良好, 保证传感精度的同时有效简化了系统.
2013, 62 (12): 124302.
doi: 10.7498/aps.62.124302
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提出了一种基于对播放时长短时化处理的声音样本剂量值度量方法, 确定了十一种剂量值指标用于衡量具有固定播放时长声音样本的剂量值, 并分析了可能影响声音样本剂量值的主要因素; 随后, 对大量声音样本以各种指标度量的剂量值矩阵进行了聚类分析, 获得了三种类型的声音样本剂量值度量指标, 并确定了不同指标类型中的代表性指标; 最后, 分析了声音样本采用不同类型指标度量的剂量值与评价者对声音样本主观烦恼度等级之间的关系. 为利用主观评价实验进行固定播放时长声音样本作用下的主观烦恼度研究奠定了基础.
2013, 62 (12): 124401.
doi: 10.7498/aps.62.124401
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利用水热法生成了形状规则、粒径均匀的球形ZnO纳米颗粒, 并超声分散于水中, 制备得到稳定的水基ZnO纳米流体. 实验测量水基ZnO纳米流体在体积分数和温度变化时的电导率, 并测试室温下水基ZnO纳米流体在不同体积分数下的热导率. 实验结果表明, ZnO纳米颗粒的添加较大地提高了基液(纯水)的热导率和电导率, 水基ZnO纳米流体的电导率随纳米颗粒体积分数增加呈非线性增加关系, 而电导率随温度变化呈现出拟线性关系; 纳米流体的热导率与纳米颗粒体积分数增加呈近似线性增加关系. 本文在经典Maxwell热导模型和布朗动力学理论的基础上, 同时考虑了吸附层、团聚体和布朗运动等因素对热导率的影响, 提出了热导率修正模型.将修正模型预测值与实验值对比, 结果表明修正模型可以较为准确地计算出纳米流体的热导率.
2013, 62 (12): 124701.
doi: 10.7498/aps.62.124701
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利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法模拟了微通道中高分子溶液的Poiseuille流动.研究表明, 微通道中的高分子溶液呈现非牛顿流体特性, 可以用幂律流体来描述流动行为, 高分子浓度越大, 幂律指数n 越小. 高分子链与壁面的流体动力学相互作用以及布朗扩散率梯度控制着高分子链的横向迁移. 由于传统的DPD方法中壁面诱导的流体动力学作用部分被屏蔽, 高分子链将向壁面方向迁移, 并且随着流场增强, 高分子链向壁面方向迁移越明显. 未被屏蔽的流体动力学相互作用和布朗扩散率梯度相互竞争, 使高分子链在微通道内的质心分布呈双峰状, 通道中心处高分子浓度出现局部最小值. 当通道宽度减小、强受限时, 壁面与高分子链间的流体动力学相互作用可能全部被屏蔽, 而布朗扩散运动弱, 高分子向壁面方向有微弱的迁移.
2013, 62 (12): 124702.
doi: 10.7498/aps.62.124702
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应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果.
2013, 62 (12): 124703.
doi: 10.7498/aps.62.124703
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建立了二维轴对称流体模型, 仿真研究了正极性纳秒脉冲电压下变压器油中针-板电极流注放电的起始与发展过程, 得到了不同的外施电压幅值、脉冲上升沿时间与电极间隙距离下油中流注放电的形貌、 电场强度与空间电荷密度分布等. 仿真结果表明: 空间电荷加强了流注头部前方电场, 使流注通道更易于向前推进, 形成"电离波"; 随着外施电压幅值升高, 流注发展的平均速度显著变大; 较陡的脉冲上升沿形成的放电半径较大, 对应的最大电场强度值变小; 随着电极间隙距离的增加, 流注发展平均速度变快. 仿真显示纳秒脉冲下放电中油温无明显升高, 表明此类放电过程没有明显的油气化现象. 我们认为, 场致电离是油中带电粒子产生的主导机制; 空间电荷效应增强流注前方电场使得电离进一步发展, 最终导致击穿. 本研究有助于加深对变压器油中放电起始、发展直至击穿过程的认识以及对液体电介质中电离机制的理解.
2013, 62 (12): 124704.
doi: 10.7498/aps.62.124704
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在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响.
2013, 62 (12): 124705.
doi: 10.7498/aps.62.124705
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微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度εLL, 流体原子间平衡距离σLL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σLS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为Rigid-atom壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用Verlet算法. 模拟结果表明, 随εLL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σLL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σLL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σLL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σLS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (12): 125201.
doi: 10.7498/aps.62.125201
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建立了适用于激光诱导击穿光谱探测的多元线性回归、神经网络回归和支持向量机回归三种定量反演算法模型, 以水体重金属Ni为例进行了回归实验测试和对比分析. 多元线性回归、神经网络回归和支持向量机回归的平均相对标准偏差分别为7.60%, 4.86%, 2.35%; 最大相对标准偏差分别为23.35%, 15.20%, 8.29%; 平均相对误差分别为25.98%, 10.58%, 2.72%, 最大相对误差分别为116.47%, 47.38%, 9.89%. 研究为进一步实现水中痕量金属元素的快速定量分析提供了方法和数据参考.
2013, 62 (12): 125202.
doi: 10.7498/aps.62.125202
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基于稠密物质辐射不透明度的理论计算目前有相当大的难度, 而稠密物质高精度不透明度数据又对聚变研究中的理论设计和模拟以及状态诊断等方面非常有用. 在神光II激光装置上建立一发次中能同时测量背光谱、 样品自发谱和吸收谱的大谱窗高分辨椭圆弯晶测谱系统, 并利用一维辐射流体力学程序MULTI仿真冲击波碰撞压缩样品的过程.在测量中, 用点投影背光法、激光烧蚀冲击波碰撞压缩产生稠密铝(Al)样品, 激光镱等离子体3d4f 跃迁辐射为短脉冲背光提供样品吸收谱时空分辨诊断, 在一发次打靶中得到了背光谱、样品自发谱和X射线吸收精细结构谱, 以及稠密Al辐射吸收谱向长波偏移.实验结果给出了诊断能谱区稠密Al相对透射率分布和吸收谱偏移量. 这些工作都有益于丰富不透明度这一基础研究领域和进一步开拓许多重要应用.
2013, 62 (12): 125203.
doi: 10.7498/aps.62.125203
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针对常规内爆背光照相中存在的光源均匀性差、 靶丸图像烧蚀层与气体层界面不清晰、 瞄准精度差等关键问题设计了新型的背光照相靶. 在神光II大型激光装置上采用阵列点光源结合相衬成像的方式获取了清晰的靶丸烧蚀层与气体层界面信息, 同时具备光源均匀性好, 成像视场大的优点; 采用诊断狭缝限光的方式大大提高了瞄准精度使得整体图像质量优于常规靶设计. 实验结果表明, 激光驱动等离子体产生的点光源结合相衬成像方法在精密物理诊断中具有重要的作用, 可以广泛应用于惯性约束聚变以及高能量密度物理研究.
2013, 62 (12): 125204.
doi: 10.7498/aps.62.125204
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模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程, 研究了在不同气压条件下, 等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响. 模拟结果表明, 等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短, 并出现新的频率分量; 适当地注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间, 提高器件的输出功率.
2013, 62 (12): 125205.
doi: 10.7498/aps.62.125205
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用粒子模拟研究了在激光尾波场电子弓形波注入过程中激光脉冲的横向波形对尾波场俘获电子数目的影响, 发现与高斯激光相比, 超高斯形激光更有利于拉动空泡闭合前侧边的电子团向空泡尾部汇聚形成高能量局域化的弓形波, 从而导致更多的电子注入到空泡的加速相, 使得被俘获的电子数目提高近5倍, 且电子束品质得到改善.该研究对于进一步理解尾波场加速中电子注入等有参考价值.
2013, 62 (12): 125206.
doi: 10.7498/aps.62.125206
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用一维粒子模拟程序对功率密度在1022 W/cm2以上的超强激光驱动薄膜靶产生的相对论电子层及其经过汤姆孙散射产生的阿秒X射线进行了研究. 结果表明, 在超相对论强度范围下增大驱动激光强度, 相应减小等离子体密度及厚度可使电子层获得更高纵向动量, 使汤姆孙散射光明显向更短波长移动. 优化相关参数得到了波长为 1.168 nm的阿秒脉冲. 经过对倍频探测光方案与驱动光以及薄膜靶参数进行综合考虑和优化, 得到的X射线相干辐射波长有效减小到0.4 nm以下, 产生的光子能量达到2 keV以上.
2013, 62 (12): 125207.
doi: 10.7498/aps.62.125207
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基于等离子体激励器工作过程中气体放电的焦耳加热作用, 并结合局部热力学平衡等离子体物理假设, 开展了等离子体合成射流三维唯象数值研究, 获得了完整工作周期内等离子体合成射流流场发展演变过程. 研究结果表明, 单次能量沉积建立的自维持周期性射流中存在有实现激励器腔体"充分" 回填的最大脉冲工作频率––饱和频率. 大的能量沉积、小的激励器出口直径和相同腔体体积下大的径高比都可以产生速度更高的射流, 而射流速度的提高会伴随有饱和频率的降低. 一个饱和周期内, 最多约有16%的初始腔内气体喷出, 吸气复原仅能实现初始腔体质量90%左右的回填.一个大气压条件下, 容性电源供能的等离子体合成射流激励器电能向气体热能和射流动能的转化效率分别约为5%和1.6%.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.62.126101
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采用分子动力学方法结合嵌入原子势, 对Pt-Au核-壳纳米粒子的热稳定性进行了研究. 计算结果表明: Pt-Au纳米粒子的熔点明显高于Au纳米粒子而低于Pt纳米粒子. 通过计算Lindemann指数发现: 壳层中的Au首先熔化, 然后逐渐向内部扩展, 最终导致核中的Pt完全熔化; 熔化所经历的温度区间明显宽于单质纳米粒子, 而且该熔化过程呈现典型的两阶段熔化特征; 在两次熔化之间, 存在着固(核)液(壳)共存的结构.
2013, 62 (12): 126801.
doi: 10.7498/aps.62.126801
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采用等离子体增强化学气相沉积法, 以NH3与SiH4为反应气体, n型单晶硅为衬底, 低温(220 ℃)沉积了富硅氮化硅(SiNx)薄膜. 在N2氛围中, 于500–1100 ℃ 范围内对样品进行了热退火处理. 采用Raman 光谱技术分析了薄膜内硅量子点的结晶情况, 结果表明, 当退火温度低于950 ℃时, 样品的晶化率低于18%, 而当退火温度升为1100 ℃, 晶化率增加至53%, 说明大部分硅量子点都由非晶态转变为晶态. 实验通过Fourier 变换红外吸收(FTIR)光谱检测了样品中各键的键合结构演变, 发现Si–N键和Si–H键随退火温度升高向高波数方向移动, 说明了薄膜内近化学计量比的氮化硅逐渐形成. 实验还通过光致发光(PL)光谱分析了各样品的发光特性, 发现各样品中均有5个发光峰, 讨论了它们的发光来源, 结合Raman光谱与FTIR光谱表明波长位于500–560 nm的绿光来源于硅量子点, 其他峰则来源于薄膜内的缺陷态. 研究了硅量子点的分布和尺寸对发光带移动的影响, 并根据PL峰位计算了硅量子点的尺寸, 其大小为1.6–3 nm, 具有良好的限域效应. 这些结果有助于制备尺寸不同的硅量子点和基于硅量子点光电器件的实现.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (12): 127101.
doi: 10.7498/aps.62.127101
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基于密度泛函理论, 采用第一性原理平面波超软赝势法, 对六方纤锌矿结构的ZnO晶体和Yb2+, Yb3+分别掺杂ZnO晶体进行几何优化, 并在此基础上计算得到了未掺杂ZnO晶体及不同价态Yb元素掺杂ZnO体系的空间结构、 能带、电子态密度及光学性质.结果表明: 掺杂后体系形成能减少, 稳定性增加, 并引入了Yb-4f杂质能级. 掺杂不同价态的Yb元素对能带结构产生了不同的影响, 并且都使体系的光学性质发生了明显变化.与纯ZnO相比, Yb2+, Yb3+ 分别掺杂ZnO体系的介电函数虚部在0.46 eV处均出现新峰, 静态介电函数明显增大, 吸收带边均红移, 并在0.91 eV处出现较强吸收峰, 对产生这一现象的原因给出了定性的讨论.
2013, 62 (12): 127102.
doi: 10.7498/aps.62.127102
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由于台阶的出现, 应变SiGe p型金属氧化物半导体场效应管 (pMOSFET) 的栅电容特性与体Si器件的相比呈现出很大的不同, 且受沟道掺杂的影响严重. 本文在研究应变SiGe pMOSFET器件的工作机理及其栅电容C-V 特性中台阶形成机理的基础上, 通过求解器件不同工作状态下的电荷分布, 建立了应变SiGe pMOSFET栅电容模型, 探讨了沟道掺杂浓度对台阶的影响. 与实验数据的对比结果表明, 所建立模型能准确反映应变SiGe pMOSFET器件的栅电容特性, 验证了模型的正确性. 该理论为Si基应变金属氧化物半导体(MOS)器件的设计制造提供了重要的指导作用, 并已成功应用于Si基应变器件模型参数提取软件中, 为Si基应变MOS的仿真奠定了理论基础.
2013, 62 (12): 127301.
doi: 10.7498/aps.62.127301
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了BiOCl{001}的三种不同终端面({001}-1Cl, {001}-BiO 和{001}-2Cl)的表面弛豫、能带结构、电子态密度和表面能. 计算结果表明: {001}-1Cl, {001}-BiO和{001}-2Cl表面均发生明显弛豫, 而在双Cl原子层处的层间距变化较大, 但未出现振荡弛豫现象, 其中{001}-1Cl表面弛豫较小. 与体相BiOCl电子结构相比, BiOCl{001}面具有较窄的带隙宽度, 并呈现较强局域性:对于{001}-BiO表面, 其导带与价带均往低能方向发生较大移动, 并且在导带底部出现表面态; 而{001}-2Cl表面的表面态主要出现在价带顶; {001}-1Cl表面的带隙中则无表面态产生; 表面态的出现导致{001}-BiO面和{001}-2Cl面带隙明显减小. BiOCl{001}三种终端表面的表面能分析结果表明, {001}-1Cl表面的表面能最小(0.09206 J·m-2), 结构最稳定, 而{001}-BiO表面和{001}-2Cl表面的表面能分别为2.392和2.461 J·m-2. 理论预测{001}-BiO表面和{001}-2Cl表面具有较高的活性, 但在BiOCl晶体生长过程中不易暴露. 本文计算结果为实验获得BiOCl高活性面{001}给予了基础理论解释, 进一步为BiOCl新型光催化材料的应用研究提供理论指导.
2013, 62 (12): 127302.
doi: 10.7498/aps.62.127302
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金属薄膜上亚波长金属狭缝的非共振光增强透射对宽频带光子器件的设计具有重要意义. 为增强金属狭缝的光透射, 设计了内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列, 并用有限元方法研究了该结构的透射特性. 结果表明, 内嵌矩形腔的楔形金属狭缝阵列比无矩形腔的楔形金属狭缝阵列透射率高. 此外, 还研究了矩形腔的结构参数和位置对内嵌矩形腔楔形金属狭缝阵列透射特性的影响. 这些结果将对设计具有更高透射能力的金属狭缝具有一定的指导意义.
编辑推荐
2013, 62 (12): 127401.
doi: 10.7498/aps.62.127401
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利用混合物理化学气相沉积法(HPCVD)在MgO(111)衬底上制备了干净的MgB2超导超薄膜. 在背景气体压强, 载气氢气流量以及沉积时间一定的情况下, 改变B2H6的流量, 制备得到不同厚度系列的MgB2超导薄膜样品, 并测量了其超导转变温度 Tc, 临界电流密度Jc等临界参量. 该系列超导薄膜沿c轴外延生长, 表面具有良好的连接性, 且有很高的超导转变温度Tc(0) ≈ 35-38 K和很小的剩余电阻率ρ(42 K) ≈ 1.8-20.3 μΩ·cm-1. 随着膜厚的减小而减小, 临界温度变低, 而剩余电阻率变大. 其中20 nm的样品在零磁场, 5K时的临界电流密度Jc ≈ 2.3×107 A/cm2. 表明了利用HPCVD在MgO(111)衬底上制备的MgB2超薄膜有很好的性能, 预示了其在超导电子器件中广阔的应用前景.
2013, 62 (12): 127501.
doi: 10.7498/aps.62.127501
摘要 +
利用磁性液体与聚苯乙烯小球溶液混合得到的复合磁性液体, 研究了聚苯乙烯小球和磁性纳米颗粒在外加磁场作用下的动力学过程. 实验结果表明, 当外加磁场的方向平行于样品平面时, 聚苯乙烯小球在沿着磁场的方向上表现出相互吸引而形成链状结构, 其动力学过程可分为聚苯乙烯小球被反磁化产生相互吸引而形成短链的快过程以及短链间相互吸引形成长链的慢过程; 当外加磁场的方向垂直于样品平面时, 相邻聚苯乙烯小球表现出排斥的相互作用而形成短程有序的二维结构, 当磁场强度增加到一定的阈值时, 聚苯乙烯小球和磁性纳米颗粒形成的团簇会产生相互吸引而组装成复合式的花瓣结构.
2013, 62 (12): 127502.
doi: 10.7498/aps.62.127502
摘要 +
六角钙钛矿结构锰氧化物HoMnO3磁电效应的研究近年来已成为多铁性材料研究中极其重要的一个方面. 本文基于广义梯度近似下的密度泛函理论, 考虑电子自旋的非共线磁性结构, 计算研究了 d电子在位库仑作用和自旋-轨道耦合作用对HoMnO3的电子结构、 轨道杂化和能态密度分布的影响. 结果显示, 当考虑在位库仑排斥势U作用时, 强烈的Ho 5d与O(3, 4) 2p以及Mn 3d与O(1, 2) 2p间的轨道杂化是驱动HoMnO3发生铁电畸变的根源, 此时能隙和能带的分布为解释实验中发现的强烈的光学吸收峰提供了理论依据, 而自旋-轨道耦合使得Mn 3d-O(3, 4) 2p在 ab平面内的轨道交迭略有增强, 平面内部分能带简并消除, HoMnO3材料呈现典型的间接性能隙绝缘体特征.
2013, 62 (12): 127701.
doi: 10.7498/aps.62.127701
摘要 +
基于随机场Ising模型描述的有序无序相变中偶极子在电场作用下的反转运动, 研究了有序无序相变过程中电场与极化强度的关系. 认为tanh(x) 的函数关系与位移型二阶铁电相变极化强度随电场变化的实验结果完全相同. 由此得出基本结论: 偶极子的集体转向造成了极化强度的增大并等同于内电场的增加. 通过区分光学模和偶极子对介电隔离率的贡献, 考虑偶极子极化对介电常数复数形式的频率色散关系, 发现从高斯分布的居里温度可以导出二阶铁电相变过程中介电常数与温度和频率的色散关系.
2013, 62 (12): 127801.
doi: 10.7498/aps.62.127801
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采用聚碳酸酯模板和电化学沉积法制备基于金纳米棒的Raman场增强衬底, 制备的金纳米棒直径大约36 nm, 长约1 μm, 测试结果显示其共振吸收峰的位置约为540 nm. 比较了谐振和非谐振条件下的场增强情况, 并确定了场增益系数, 结果显示谐振激光激发下的增益比非谐振情况下提高了7.36倍. 本研究相对于前人的工作取得了如下进展: 一是讨论了谐振模式与非谐振模式下的金纳米棒的场增益系数, 利用谐振波长的激光激发金纳米棒, 进一步提高了场增益; 二是消除了聚碳酸酯模板分子的荧光背底, 使其在表面增强 Raman 散射方面的应用进一步变得可行.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (12): 128101.
doi: 10.7498/aps.62.128101
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基于类似于Tersoff-Brenner模型的键级势架构, 从Sn的5种几何构型的基本物性第一性原理计算结果和实验结果出发, 通过Levenberg-Marquardt方法建立了Sn的分析型键级势.利用得到的相互作用势和分子动力学方法, 计算了Sn的β 相和体心四方晶体相的晶体结构、结合能、键距、键能以及体变模量, 并进而计算了Sn的α 和β 相的自由能、内能和熵随温度的变化.结果表明, β 相和体心四方晶体相的基本物性以及α↔β 相变温度计算结果与实验值符合良好, 建立的分析型键级势可用于Sn基钎料合金性质的大尺度分子动力学模拟.
2013, 62 (12): 128201.
doi: 10.7498/aps.62.128201
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采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论.
2013, 62 (12): 128501.
doi: 10.7498/aps.62.128501
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结合Si基n+-p-n-n+ 外延平面双极晶体管, 通过分析器件内部的温度分布变化以及电流密度和烧毁时间随信号幅值的变化关系, 研究了其在三角波信号、正弦波信号和方波脉冲信号等三种样式的高功率微波信号作用下的损伤效应和机理. 研究表明, 三种高功率微波信号注入下器件的损伤部位都是发射结, 在频率和信号幅值相同的情况下方波脉冲信号更容易使器件损伤; 位移电流密度和烧毁时间随信号幅值的增大而增大, 而位移电流在总电流所占的比例随信号幅值的增大而减小; 相比于因信号变化率而引起的位移电流, 信号注入功率在高幅值信号注入损伤过程中占主要作用. 利用数据分析软件, 分别得到了三种信号作用下器件烧毁时间和信号频率的变化关系式. 结果表明, 器件烧毁时间随信号频率的增加而增加, 烧毁时间和频率都符合t= afb的关系式.
2013, 62 (12): 128801.
doi: 10.7498/aps.62.128801
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基于碳纳米管的良好导电性、激子传输性能和量子点聚合物复合材料高的光电转换性能, 采用原位缩合法制备了聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔(MOPPV)功能化碳纳米管(SWNT)-PbSe量子点复合材料, 通过对复合材料的X射线衍射、透射电子显微镜和紫外可见吸收光谱研究, 发现MOPPV, SWNT与PbSe量子点可以有效地复合, 且SWNT与MOPPV形成网状结构; PbSe量子点尺寸为5.75 nm, 其可均匀地分散在MOPPV-SWNT基体中形成包覆或镶嵌结构, 并发生了光诱导电荷转移.通过对复合材料的光电性能研究发现, 当MOPPV, SWNT, PbSe三者的质量比为1: 0.3 : 1 时其光电性能最好, 开路电压为0.556 V, 短路电流为2.133 mA, 填充因子为34.48%, 转换效率为0.452%, 与聚合物MOPPV-PbSe量子点复合材料材料相比, 光电性能提高了2–3倍.
2013, 62 (12): 128802.
doi: 10.7498/aps.62.128802
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针对多用户正交频分多址系统自适应资源分配问题, 提出了一种新的子载波和基于鱼群算法的功率自适应分配算法. 该算法首先对总功率在子载波间均等分布的条件下进行子载波分配,然后引入鱼群算法并根据给出的兼顾用户公平性与系统容量的适应度函数,通过全局搜索实现用户间的功率分配. 仿真结果表明,新算法在保证用户公平性的同时, 还实现了系统总的传输速率最大化.
2013, 62 (12): 128803.
doi: 10.7498/aps.62.128803
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采用Cs2CO3, 石墨烯(graphene):Cs2CO3混合材料和 ZnO 纳米颗粒作为阴极修饰材料, 研究了不同阴极界面修饰层对基于SubPc/C60的倒置结构的有机太阳能电池性能的影响. 结果表明: 引入适当厚度的阴极修饰层, 可以提高器件的性能和稳定性; 尤其是基于Cs2CO3以及graphene:Cs2CO3混合阴极修饰层的光伏器件, 能量转换效率(PCE)提高了2倍; 同时, 采用ZnO纳米颗粒作为阴极修饰层的器件, 开路电压(VOC)达到0.89 V, 并且器件的PCE 提高了4倍多. 此外, 不同电极修饰材料和倒置结构的引入可以有效防止器件串连电阻的升高, 从而提高器件的稳定性.
2013, 62 (12): 128901.
doi: 10.7498/aps.62.128901
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网络中节点重要性度量对于研究网络的鲁棒性具有十分重要的意义. 研究者们普遍运用度或集聚系数来度量节点的重要程度, 然而度指标只考虑节点自身邻居个数而忽略了其邻居之间的信息, 集聚系数只考虑节点邻居之间的紧密程度而忽略了其邻居的规模. 本文综合考虑节点的邻居个数, 以及其邻居之间的连接紧密程度, 提出了一种基于邻居信息与集聚系数的节点重要性评价方法. 对美国航空网络和美国西部电力网进行的选择性攻击实验表明, 采用该方法的效果较k-shell指标可以分别提高24%和112%. 本文的节点重要性度量方法只需要考虑网络局部信息, 因此非常适合于对大规模网络的节点重要性进行有效分析.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (12): 129201.
doi: 10.7498/aps.62.129201
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用小波多尺度分析和回归等方法研究了近60年新疆降水记录的波动与趋势特征, 结果发现21世纪头十年降水亦然保持增加趋势, 但春、夏降水已呈弱的非线性下降趋势, 秋、冬季节降水增加趋势明显. 这可能与气候暖化的季节不均匀性有关. 年降水量的振荡与北大西洋涛动(NAO)关系密切, 二者约80%的方差都集中在年际尺度和多年代尺度成分两个带上, 年际变化之间呈显著负相关关系. NAO的多年代尺度成分位相超前降水10年左右, 而大西洋海温的多年代尺度涛动与之相差5年, 后者与降水的关联更为密切. "极差"分析表明, 对应于NAO的极端正或负位相事件, 下游的降水和水汽环境明显不同. 在NAO极端负位相年, 中亚和新疆降水都明显增加, 来自欧洲南部的水汽输送和中纬度瞬变涡动水汽输送均偏强, 中亚大气可降水量上升, 冷空气路径偏西, 瞬变天气系统易得到西南水汽输送带的配合, 水汽辐合增强, 有利于新疆和中亚的降水. 反之, 西风带水汽输送偏弱, 天气过程偏少, 降水量偏小, 易发生干旱. 因此, NAO的异常是新疆和中亚降水年际波动的主要原因之一.
2013, 62 (12): 129202.
doi: 10.7498/aps.62.129202
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为实现高度计风速与辐射计风速的融合, 采用Kriging插值方法将辐射计风速插值到高度计路径得到高度计风速观测算子, 建立高度计风速与辐射计风速融合的代价函数; 利用变分方法求解分析风速, 得出融合结果. 分别在仅高度计风速有误差、 仅辐射计风速有误差和两者都有误差的情况下开展了模拟试验, 结果表明变分融合结果更接近于理想风速, 尤其在高度计路径上更为明显. 选取Jason-1高度计第241周期风速资料和与其时空匹配的国防气象卫星计划 F17上所搭载的专用传感器微波成像仪辐射计风速资料开展了实例试验, 结果表明融合后的结果更加接近于浮标观测结果, 证实了变分融合方法的有效性. 经统计, 上述高度计和辐射计资料有60%时空匹配, 开展风速融合有重要的理论及应用价值. 该变分融合方法可应用于我国海洋二号卫星所载高度计与辐射计风速反演结果的融合.
2013, 62 (12): 129203.
doi: 10.7498/aps.62.129203
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基于传递熵方法, 分析Lorenz系统x, y, z三个分量之间的信息传输方向, 并应用温差与垂直速度的再分析资料对Walker环流进行分析. 研究结果表明: 1) 对于Lorenz系统而言, x与y分量之间, y是信息源, x是信息汇; y与z之间, y是信息源, z是信息汇; x与z分量之间的信息传递方向依赖于控制参数r; 且净信息传输的方向不随初值不同而改变; 2)在西太平洋地区, 温差对垂直速度的净信息输送占主导地位, 而赤道东太平洋地区则为垂直速度对温差的净信息输送占主导地位, 这与Walker环流物理机制是一致的, 且海陆热力差异对温差与垂直速度之间的信息输送影响较大; 3)冬季是温差与垂直速度之间的信息输送最强季节, 夏季和秋季次之, 春季最弱, 这可能是存在春季预报障碍的原因之一. 以上结果表明, 传递熵在气象领域有广阔的应用前景, 是测量动力学系统信息传递方向的一种有效方法和工具.
2013, 62 (12): 129204.
doi: 10.7498/aps.62.129204
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Lyapunov 指数是标志一个系统做规则运动还是混沌运动的一个重要物理量.鉴于此, 本文利用Lyapunov指数研究系统的混沌特性, 研究气候的突变.计算结果表明, 定义法求得的Lyapunov指数是一种可靠的突变检测方法, 无论是理想序列还是实际存在突变的序列, 利用该方法都能准确地找出突变位置; 而利用非线性局部Lyapunov指数的可预报期限从理论上佐证了基于临界慢化现象的气候突变前兆信号的可靠性, 通过计算各个时间段的最大Lyapunov指数能够反映系统的内在性质、研究其混沌特性. 研究结果为该方法在实际观测资料中的广泛应用提供了理论基础.
2013, 62 (12): 129701.
doi: 10.7498/aps.62.129701
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BL Lac 天体OJ 287 是一个重要的Blazar天体, 光变具有准周期特点. 本文从密歇根大学射电天文台数据库收集了OJ 287射电波段4.8, 8.0和 14.5 GHz超过30年时间的观测数据. 由于天文观测资料的复杂性, 一些传统寻找周期的方法不是太理想. 近几年迅速发展起来的聚合经验模态分解(EEMD) 特别适合于具有非线性和非平稳动态变化特性的Blazar天体光变规律的研究. 运用EEMD方法对OJ 287 的3个射电波段流量分别进行多时间尺度分解, 各获得6个代表不同时间尺度局部特征信息的本征模态函数分量和一个趋势项. 研究结果表明: 4.8 GHz射电流量变化的主要周期是18.9, 11.9, 5.7 和2.4年; 8.0 GHz 的主要周期是12.2, 5.2和2.4 年; 14.5 GHz的主要周期是21.8, 12.0, 4.3和 2.4 年. 尽管3个波段流量变化主要周期大小有一定的差别, 但是存在着近似相同的变化周期12.0 和2.4年, 说明这3个波段可能来源于相同的辐射机制, 也证实了OJ 287 射电波段和光学波段具有相同的长光变周期12.0 年. 这些结论表明: EEMD 作为一种全新的非线性、非平稳信号处理方法, 可以更精确地提取Blazar天体中不同光变周期的分量.
2013, 62 (12): 129702.
doi: 10.7498/aps.62.129702
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介绍了X射线脉冲星导航地面模拟光源研究的必要性及非伺服的机械调制方法所存在的问题和缺陷, 提出了基于栅控X射线球管的X射线脉冲星辐射脉冲模拟方法, 通过电子光学设计计算, 对栅控X射线管的电极结构进行设计优化, 研制了栅控X射线管和脉冲星模拟光源装置.实验测试了栅控球管的性能, 测试结果与理论计算结果基本相符, 实现了对X射线的调制; 通过基于FPGA的直接数字频率合成方法, 产生脉冲星的任意形状脉冲轮廓电压信号, 加载至球管控制栅极, 并对其出射脉冲轮廓进行测试, 结果表明产生的X射线脉冲轮廓逼真程度在95%以上, 模拟源频率稳定度约为2×10-11.
