Vol. 63, No. 4 (2014)
2014年02月20日
总论
2014, 63 (4): 040201.
doi: 10.7498/aps.63.040201
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研究了微分方程对称分类在非线性偏微分方程组边值问题中的应用. 首先，利用偏微分方程（组）完全对称分类微分特征列集算法确定了给定非线性偏微分方程组边值问题的完全对称分类；其次，利用一个扩充对称将非线性偏微分方程组边值问题约化为常微分方程组初值问题；最后，利用龙格-库塔法求解了常微分方程组初值问题的数值解.
2014, 63 (4): 040202.
doi: 10.7498/aps.63.040202
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近年来，随着应用的需要和技术的发展，多智能体系统的一致性逐渐成为研究热点. 在通信网络和工程应用中，由于信号传播的延迟效应，系统中智能体的状态可能表现为滞后一致. 本文提出多智能体系统的滞后一致性概念，研究了有向网络环境下一阶领导-跟随多智能体系统的滞后一致性问题. 通过设计合适的控制协议，利用矩阵理论和稳定性理论，获得该系统达到滞后一致的充分条件. 数值模拟验证了理论结果的正确性.
2014, 63 (4): 040501.
doi: 10.7498/aps.63.040501
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采用有效场理论研究了非相对论弱相互作用玻色-爱因斯坦凝聚量子气体的一般性质. 在分析了系统的不可重整化性质后，从有效拉氏量出发，计算了最低阶环路修正下拉氏量参量的运动耦合常数（running coupling constant）的形式，并且得到了相应的微分方程. 研究结果表明，不同于相对论玻色气体的有效理论，对非相对论弱相互作用的玻色气体，可以移除该有效理论中的内禀能量尺度，即可令该有效理论的内禀能量尺度取无穷大值. 所得的分析结果将有助于对玻色-爱因斯坦凝聚的临界性质和行为的深入研究.
2014, 63 (4): 040502.
doi: 10.7498/aps.63.040502
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在分段光滑模型的基础上，推导出基于比例积分（PI）控制的电压反馈型Buck变换器的光滑模型及离散迭代模型. 证明了功率系统的混沌吸引子在负载线上运动，并受到占空比的控制，模型的流形围绕吸引子运动并出现1 周期、2周期及混沌现象；推导出电压反馈型PI控制系统的输出电压与Buck变换器的输出电压成线性关系，在此基础上指出PI控制中的比例因子起主导作用；分析了系统的倍周期分岔、边界碰撞和混沌现象，并展示了变换器状态的转移过程. 实验结果表明了理论建模分析和仿真的正确性.
2014, 63 (4): 040503.
doi: 10.7498/aps.63.040503
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为了实现不同类型混沌吸引子之间的复合，采用理论分析、数值仿真和电路仿真方法，通过设计合适的切换控制器实现了不同两涡卷混沌系统之间的复合、不同多涡卷混沌系统之间的复合、 两涡卷混沌系统与两翅膀混沌系统之间的复合和多涡卷混沌系统与多翅膀混沌系统之间的复合. 通过观察吸引子相图、最大Lyapunov指数和Poincaré截面，分析了复合系统的动力学行为. 设计了复合多涡卷-多翅膀吸引子的模拟电路，并对其进行了电路仿真，得到的电路仿真结果与数值仿真结果相一致. 这表明利用切换控制器实现不同类型混沌系统之间复合方法的正确性.
2014, 63 (4): 040504.
doi: 10.7498/aps.63.040504
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心率变异性数据具有非平稳和瞬时波动的特点，本文提出了采用自回归条件异方差（ARCH）分析方法分析这种波动. 分析方法采用自回归移动平均模型消除序列的趋势和相关性，采用F 检验法判断残差序列中是否存在ARCH效应，同时给出接受ARCH效应的概率. 对充血性心衰竭病人和正常人的心率波动序列进行分析，两类人群ARCH特征接受概率及其变化率的统计值有较大差异，表明该方法可以区分不同的群体，为心电信息学研究提供了一种新的方法.
2014, 63 (4): 040505.
doi: 10.7498/aps.63.040505
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为揭示短时交通流的内在动态特性，利用非线性方法对交通流混沌特性进行识别，为短时交通流的预测提供基础. 基于混沌理论对交通流时间序列进行相空间重构，利用C-C算法计算时间延迟和嵌入维数，采用Grassberger-Procaccia算法计算吸引子关联维数，通过改进小数据量法计算最大Lyapunov指数来判别交通流时间序列的混沌特性. 针对局域自适应预测方法在交通流多步预测中预测器系数无法调节的问题，提出了交通流多步自适应预测方法. 通过实测数据计算，结果表明: 2，4和5min三种统计尺度的交通流时间序列均具有混沌特性；改进的小数据量法能够准确地计算出最大Lyapunov指数；构建的交通流多步自适应预测模型能够有效地预测交通流量的变化. 为智能交通系统诱导和控制提供了依据.
2014, 63 (4): 040506.
doi: 10.7498/aps.63.040506
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基于图论的脑功能网络分析是近年来的一个研究热点，而相同步分析已被证实为揭示多导联脑电信号之间功能连接的有效工具. 针对当脑电采集系统中导联数目较少而不适用于采用图论分析的情况，提出使用基于导联间相同步分析的网络连接度指标研究脑功能网络的关联特性和整体特性. 采用新的频带划分方法，将0.5–30Hz带宽内的脑电信号划分到5个子带上，计算了不同数据长度下各子带分量的网络连接度指标，并对比分析了各子带分量的相对功率. 结果表明: 在对脑梗死患者的脑电图和正常人的脑电图进行分析时，需要合理的数据长度量化不同动力学系统之间的差异；在合理的数据长度下，在网络连接度指标的区分效果方面，19–24Hz分量信号优于其他分量，而且仅在19–24Hz 频带上，脑梗死患者组的所有导联出现了与对照组的所有导联相同趋势的变化. 研究表明19–24Hz频带是脑梗死最佳的脑电图诊断频段，可将该频段下的网络连接度指标作为脑梗死辅助诊断的新指标.
2014, 63 (4): 040507.
doi: 10.7498/aps.63.040507
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由于环境的要求，深海走航抛弃式测量仪器信号传输大多使用有线信道，然而，信道的电阻抗随放线长度不断变化，严重影响了深海走航抛弃式测量仪器信道传输的稳定性. 本文以国家海洋技术中心自主研发的走航抛弃式温度、盐度、湿度（XCTD）剖面仪的传输信道为原型，提出了一种动态分析有线信道对传输信号幅值和相位影响的方法. 首先推导出各电路参数随信道长度变化的规律，建立简化的传输电路模型和该模型的传输函数. 通过定性分析得出传输频率、分布电容和缠绕电感对信号相位的影响. 利用MATLAB软件分析XCTD在动态放线过程中信道对信号幅值和相位的影响. 研究结果可进一步指导抛弃式走航测量系统的电路设计，提高测量数据的精度和信号传输的稳定性.
2014, 63 (4): 040508.
doi: 10.7498/aps.63.040508
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利用Riccati方程展开法和变量分离法，得到了（2+1）维色散长波方程的变量分离解. 根据得到的孤波解，构造出该方程新颖的复合波局域结构，研究了复合波随时间的演化.
2014, 63 (4): 040509.
doi: 10.7498/aps.63.040509
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由于无线传感器网络的节点能量受限，优化网络生命周期成为设计网络拓扑时首要考虑的问题. 通过分析节点的剩余能量和负载量对节点生命周期的影响，提出了一种可延长无线传感器网络生命期的容错拓扑演化模型，并得出了在节点满足网络生存时间的条件下负载调节系数的取值范围. 仿真实验结果表明，基于无标度网络的演化拓扑结构具有较好的容错性，并能够均衡网络节点能耗和延长网络生命周期.
原子和分子物理学
2014, 63 (4): 043101.
doi: 10.7498/aps.63.043101
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采用密度泛函理论的B3LYP方法在6-311++g（d.p）水平上优化得到了BN分子轴向加不同外电场时的基态结构参数，包括键长、电偶极矩、电荷分布、前线轨道、红外光谱. 计算结果表明，随着正向电场增加，分子结构参数与外电场强度有明显关联，并呈现不对称性. 另外，在同样的基组下利用合时密度泛函理论方法研究了外电场对BN分子激发能和振子强度的影响. 结果表明，电子跃迁光谱随正向电压的增加而呈现蓝移现象，但振子的强度与电场关联较为复杂，说明光谱强度易受外电场影响.
2014, 63 (4): 043102.
doi: 10.7498/aps.63.043102
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基于计算双原子分子完全振动能谱及离解能的代数方法（algebraic method，AM）和研究双原子分子解析势能函数的能量自洽法（energy consistent method，ECM），建立了计算双核分子体系精确解析势能函数的代数-能量自洽法（AM-ECM）. 应用AM-ECM方法研究了7Li2-23∑g+，KH-X1∑+，NaLi-X1∑+和NaLi-A1∑+ 电子态的解析势能表达形式，并与其他方法的研究结果进行了比较，获得了能正确描述这些电子态在渐近区和离解区的精确解析表达结果.
2014, 63 (4): 043201.
doi: 10.7498/aps.63.043201
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利用格子液体方法对二能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与双模光场相互作用系统的哈密顿量进行了改进，并且研究了系统中原子激光的压缩性质.结果表明: 原子激光的两个正交分量均可被周期性压缩，其最大压缩深度主要依赖于光场初始压缩因子，而崩塌-回复振荡频率和量子Rabi振荡频率主要分别由光场与原子间的相互作用强度和光场圆频率决定.
2014, 63 (4): 043202.
doi: 10.7498/aps.63.043202
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研究了Ξ型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体单模光场系统中双模原子激光的压缩性质. 结果表明: 双模原子激光能被周期性压缩，并且具有量子Rabi振荡和崩塌-回复现象两种形式的振荡. 最大压缩深度和崩塌-回复振荡频率主要依赖于光场与原子间相互作用强度，量子Rabi 振荡频率主要由光场圆频率决定.
2014, 63 (4): 043301.
doi: 10.7498/aps.63.043301
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采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究. 使用酒精分子在7180 cm-1附近的一个相对较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息. 为消除水汽对酒精分子检测的干扰，提出了建立多元线性回归方程拟合求解多分子吸收共存的问题. 实验表明，系统的检测限达到25 ppm·m.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (4): 044101.
doi: 10.7498/aps.63.044101
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对一种全金属慢波系统正弦波导的高频特性进行了理论分析. 在用一系列相连矩形阶梯逼近余弦槽的基础上，对慢波结构进行了合理的区域划分，获得了各区域的场表达式. 考虑槽区的高次驻波项，采用场匹配和导纳匹配相结合的方法，导出色散方程和耦合阻抗表达式. 以应用于220 GHz 行波管的正弦波导为例进行高频特性的数值求解，理论计算值与全三维电磁软件CST-MWS的仿真值符合良好. 在此基础上，详细分析了尺寸参数变化对正弦波导高频特性的影响.
2014, 63 (4): 044102.
doi: 10.7498/aps.63.044102
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针对基于圆柱金属腔体的微波断层成像系统，提出了一种利用非均一背景增强系统获取目标信息能力的方法. 该方法通过在腔体内放置已知物体构成非均一背景，这样不但能利用背景的先验信息，而且可以增加等效辐射源对目标进行探测. 首先，利用矩量法计算圆柱金属腔体内非均一背景的格林函数和离散积分算子，并对离散积分算子进行奇异值谱和条件数分析，在理论上证明该方法的可行性；然后，利用基于有限元的对比源逆成像法对均一背景、有耗非均一背景和无耗非均 一背景三种情况进行仿真研究；最后对仿真结果进行了误差分析和比较. 仿真结果表明，该方法可以提高反演收敛速度和结果准确度，有耗非均一背景略优于无耗非均一背景. 该方法可以在不改变硬件系统和算法的情况下得到更准确的反演结果，可应用于医学成像与工业无损探测.
2014, 63 (4): 044201.
doi: 10.7498/aps.63.044201
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建立了多层分层介质散射的物理模型，基于雷达方程和斯涅尔定律给出了多层分层介质散射场强度计算公式. 分析研究了分层介质的电特性参数（介电常数和损耗正切）对雷达系统的探测距离和散射场的影响. 以安装于探测车上的探地雷达系统为应用背景，利用时域有限差分方法对整个车载探地雷达系统进行了建模和仿真计算，对接收到的散射回波信号进行了研究. 最后将系统数值模拟结果和解析计算结果进行了对比，并对结果做出了分析.
2014, 63 (4): 044202.
doi: 10.7498/aps.63.044202
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针对红外图像分辨率低、视觉质量差等问题，提出基于局部约束群稀疏模型的红外图像超分辨率重建方法. 考虑到红外图像的纹理自相似性和原子系数的群结构稀疏性，首先建立了基于局部约束的群稀疏表示模型. 然后，在假定低分辨率图像空间和高分辨率图像空间具有相似流形的前提下，联合局部约束群稀疏表示模型和K-SVD（K奇异值分解）方法，训练得到高低分辨率图像对应的群结构字典对. 最后，通过高分辨字典和对应的红外图像群稀疏表示系数重建得到高分辨率的红外图像. 实验结果表明，本文方法具有更好的超分辨率效果，无论是在客观评价指标还是主观视觉效果方面都有明显的提高.
2014, 63 (4): 044203.
doi: 10.7498/aps.63.044203
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针对窄带光纤参量放大（FOPA），区别于以往增益谱的大增益斜率区域，研究了FOPA增益谱边带脉冲信号的快慢光特性. 首先从理论上推导出了小信号增益条件下信号延时量的解析表达式；其次，在低抽运功率条件下（<1 W），实验研究了10 Gb/s伪随机二进制序列脉冲信号在FOPA增益谱边带的延时特性，实验结果与理论计算基本符合；最后，通过分析研究抽运光功率、光纤色散及非线性系数等参数对信号延时量的影响规律，可以为FOPA增益谱边带的快慢光延迟线的设计提供参考.
编辑推荐
2014, 63 (4): 044204.
doi: 10.7498/aps.63.044204
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空间相位调制一直是设计新型自加速光束的重要方法. 参照类贝塞尔光束产生的思路，从理论上提出了一种新型的自加速无衍射类贝塞尔-厄米-高斯光束，并从数值模拟和实验两个方面研究此光束沿不同轨道的演化. 理论上通过对厄米-高斯光束进行相位调制，产生了不同模式的自加速类贝塞尔-厄米-高斯光束. 采用分步傅里叶算法模拟了（0，1），（1，0），（1，1）和（1，2）阶类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输过程. 采用计算全息和空间光调制技术在实验中观察了类贝塞尔-厄米-高斯光束沿预设轨道的传输，例如抛物、双曲、双曲正割和三维轨道. 实验观察与理论结果符合得很好. 实验验证了不同阶类贝塞尔-厄米-高斯光束的奇特光斑结构，验证了光束的非衍射特性及传输轨道的可控性，且理论模拟验证了光束的自修复特性. 作为此前研究的类贝塞尔光束的一般形式，本文所得到的光束可用于构造出更加新型实用的光束.
2014, 63 (4): 044301.
doi: 10.7498/aps.63.044301
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球形集声器可在亚波长焦域内形成高强度声压，在高强度聚焦超声治疗中具有潜在应用前景. 本文结合非线性声传播理论及生物传热学理论，研究球形集声器在生物组织中形成的组织损伤. 实验中采用430 kHz，内径为240 mm的球形集声器对肝组织作用，结果表明: 集声器表面声压为53 kPa时作用2 s，可以形成小于波长尺度的组织损伤. 理论计算结果与实验结果符合得较好，并且理论模型可优化球形集声器的开口孔径. 研究结果表明，球形集声器可应用于肿瘤的精细超声治疗.
2014, 63 (4): 044302.
doi: 10.7498/aps.63.044302
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针对传统正交频分复用系统在具有复杂多途和深度频率选择性衰落特点的水声信道中性能下降的问题，提出了啁啾扩频正交频分复用水声通信方案. 该方案对原信息码扩频，子载波变为相同调频斜率、不同中心频率、频带相互重叠的正交啁啾信号. 经过水声相干多途信道后在接收端解扩，使多个途径信号在频域上拓展，多径信号彼此分离. 结合虚拟时间反转镜技术，聚焦多途信道能量，完成信道多径分集接收，不仅可以抑制频率选择性衰落的影响，还充分利用信道多径分集增益提高系统性能. 通过仿真研究和湖试验证，表明该方案具有较好的有效性和可靠性.
2014, 63 (4): 044303.
doi: 10.7498/aps.63.044303
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针对水平变化浅海声波导中声源宽容性被动测距问题，理论分析了海底地形水平缓变浅海波导中卷绕变换基础上的低频声场特征频率. 推导了绝对硬海底时水平变化波导中声场模态时频到达结构以及模态瞬时相位的表达式，由该表达式给出了特征频率与收发距离的变化关系，进而提出了水平变化浅海波导中声源距离被动估计的修正方法，通过仿真和实验对理论与方法进行了验证.
2014, 63 (4): 044501.
doi: 10.7498/aps.63.044501
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为了对信号交叉口上游车辆换道行为进行分析，以元胞自动机交通流理论为基础，结合自由换道模型及强制换道模型提出了进口道附近路段的综合换道模型，并对原有强制换道模型进行改进. 通过对综合换道模型进行模拟，得出进口道附近交通流的时空关系及密度关系图. 模拟结果表明，车流密度在[0，0.2]及[0.4，0.6]范围时，进口道换道率变化率较高；同时在中低密度下，随着换道率的增加，平均车速逐渐降低，但在高密度下，车速随换道率变化并不显著.
2014, 63 (4): 044502.
doi: 10.7498/aps.63.044502
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本文采用数值方法分析了一维垂直振动床内颗粒动能/温度、能量耗散以及体积分数的分布规律. 离散元模拟结果表明: 当床底做低频、小振幅振动时，床层内颗粒整体随床底上下运动，沿床高方向颗粒动能逐渐增加；对于高频振动，床层内的颗粒做无规则的运动，沿床高方向颗粒动能逐渐降低.在不同振动频率（高频、低频）下体积分数、能量耗散也表现出不同的分布规律. 将离散元模拟结果与动力学理论计算值对比，当系统做高频振动时，两模型所得结果基本吻合；而对于低频、小振幅振动，所得结果存在较大差异. 由于低频、小振幅振动时床内颗粒并非做无规则运动，动力学理论的适用性需进一步完善.
2014, 63 (4): 044701.
doi: 10.7498/aps.63.044701
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在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下，采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法 对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升（阻）力特性进行了数值模拟和分析. 结果表明，电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能，延缓圆柱体湍流边界层的流动分离，减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度，减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值. 当电磁力作用参数大于某个临界值后，湍流边界层流动分离消失，在圆柱体尾部产生射流现象，从而电磁力对圆柱体产生净推力作用，出现负阻力现象，而且升力脉动幅值接近于零，出现圆柱体升力消失现象.
研究快讯
2014, 63 (4): 044205.
doi: 10.7498/aps.63.044205
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采用平均功率为141.6 W的皮秒光纤激光泵浦一段国产七芯光子晶体光纤，获得了平均功率为104.2 W、连续光谱覆盖范围从750至1700 nm以上的超连续谱输出. 详细研究了超连续光谱随泵浦功率增加的演变过程，并对基于该七芯光子晶体光纤的超连续谱光源的光谱拓展和功率提升潜力进行相关的分析和讨论. 该研究结果对高功率超连续谱光源的发展具有一定的参考价值.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (4): 046101.
doi: 10.7498/aps.63.046101
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用密度泛函B3LYP/3-21G（d）方法，并利用周期边界条件，研究了C原子在不同位置掺杂的（n，n）型BN纳米管的结构与性质. 揭示了几何结构特征、能量、稳定性和能带结构的变化规律. 研究了C 原子在B位或N 位置分别掺杂的BN 纳米管的模型（掺杂浓度x=1/（4n），n=3–9），部分B位掺杂管发生了变形，而所有N位掺杂管则几乎不变形，而且N 位比B位的掺杂能更低（管更稳定），B位掺杂管的能隙为1.054–2.411 eV，N掺杂管的能隙为0.252–1.207 eV，所有掺杂管都是半导体，所有掺杂管都具有直接带隙.
2014, 63 (4): 046102.
doi: 10.7498/aps.63.046102
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采用基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算，研究了在氟化石墨烯中少量C 原子被M原子（M=B，N，Si，P）替代后原子片的磁性和电子性质. 结果表明: 不同原子掺杂后的氟化石墨烯的电子结构会发生很大的变化，并有很大的不同. 掺杂B和P原子后，纳米原子片由半导体转变为金属，并且由非磁性转变为磁性；掺杂N原子后，材料则仍为半导体，但具有磁性；进一步讨论了掺杂原子浓度与磁性的关系. 对于Si原子掺杂的氟化石墨烯原子片，其半导体性质不变，但禁带宽度也会发生改变.
2014, 63 (4): 046103.
doi: 10.7498/aps.63.046103
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采用第一性原理计算方法系统研究了合金化元素铌（Nb）对钨（W）中氦（He）溶解和扩散行为的影响. 研究发现，Nb的存在显著降低了He在W中的溶解能，Nb可以作为W中He捕陷中心，在最稳定位置处Nb 对He的捕陷能达到0.37 eV. 通过电荷分析发现，这主要是因为Nb的存在引起了W中电荷密度的重新分布. 而He在W中的扩散能垒将随着He–Nb间距离的缩小逐渐降低，这从动力学上表明He被Nb 捕陷是可行的. 因此，Nb的存在将有利于W中He的聚集成泡.
2014, 63 (4): 046201.
doi: 10.7498/aps.63.046201
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采用分子动力学模拟方法，研究了在拉伸载荷下晶界对双晶镁变形机制的影响，对不同旋转角度的模型以及对称与非对称结构的模型进行了研究. 模拟结果表明: 应变加载方向与晶向所成角度对双晶镁塑形变形阶段的流动应力能够产生明显的影响；对称结构的双晶镁模型的塑性性质明显优于非对称结构模型. 研究结果还发现，由于晶界区域不同的位错成核及发射等运动，大角度双晶模型的塑性响应明显优于对应小角度模型的塑性响应.
2014, 63 (4): 046301.
doi: 10.7498/aps.63.046301
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采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法，计算了本征ZnO，Cu 1021 cm-3单掺杂ZnO，Co单掺杂ZnO，Cu-Co共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 结果表明，在本文掺杂浓度数量级下，Cu，Co单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度，从而改善ZnO的导电性，Cu-Co共掺杂时ZnO半导体进入简并状态，呈现金属性. 这三种掺杂ZnO均会在可见光和近紫外区域出现光吸收增强现象，其中由于Cu离子与Co离子之间的协同效应，Cu-Co共掺杂ZnO对太阳光的吸收大幅增加，因此Cu-Co共掺杂ZnO可以用于制备高效率的太阳电池.
2014, 63 (4): 046401.
doi: 10.7498/aps.63.46401
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基于镶嵌原子势，采用分子动力学模拟的方法探讨了Fe50Cu50合金熔体在1823 K下液-液相分离过程. 结果发现: 熔体中同类原子配位数随弛豫时间的延长逐渐增大，而异类原子配位数逐渐减少；由Bhatia-Thornton结构因子SCC（q）获得的相关长度随时间的变化也呈现出明显的递增趋势，表明该合金熔体在该温度下发生了液–液相分离. 原子轨迹的可视化显示结果发现，相分离的初期，体系呈明显的网络状组织，随时间的延长，异类原子逐渐分离，最终形成富Fe和富Cu的相分离组织，符合调幅分解特征. 与Fe75Cu25合金熔体的相分离过程对比发现，Fe与Cu原子数目相差越小，相分离行为越剧烈，形成稳定分层结构所需的时间越短. 以上研究从原子尺度上表征了金属熔体的相分离过程.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (4): 047101.
doi: 10.7498/aps.63.047101
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运用第一性原理赝势方法，对氮化硅新相(六方P6和P6'相)的电子结构、光学性质和相变过程进行分析，研究能带结构、介电函数谱、反射谱和能量损失函数的变化机理. 研究发现， P6 相变是可行的，在室温下P6和P6 相变的临界压强分别为42.9 和47.7 GPa; 相界的斜率为正值表明P6 相变过程伴随着晶胞体积的塌缩; P6和P6' 相分别属于直接带隙和间接带隙半导体，能隙宽度分别为4.98和4.01 eV；得到了两相的零频介电常数; 反射谱表明，两相的强反射峰均位于真空紫外线区域，因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料; 在可见光区域，两相表现为近似透明.
2014, 63 (4): 047102.
doi: 10.7498/aps.63.047102
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采用固相反应法制备了Y2O3施主掺杂的92 mol%BaTiO3-8 mol%（Bi1/2Na1/2）TiO3（BBNT8）高温无铅正温度系数电阻（positive temperature coefficient resistivity，PTCR）陶瓷. 利用透射电镜观察材料的显微结构，发现陶瓷的显微结构主要包括晶粒和晶界两部分，观察不到明显的壳层结构. 进一步利用交流阻抗谱研究了陶瓷的宏观电学性能，发现陶瓷的总电阻是晶粒和晶界两部分的贡献，而晶粒电阻很小，在居里温度以上变化不大，材料的PTCR效应主要是晶界部分的贡献. 当温度高于居里温度时，随着温度的升高，晶界介电常数逐渐减小，导致势垒增加，晶界电阻增大，从而产生正温度系数效应. 最后，通过测试材料的介电频谱特性，研究计算了陶瓷的室温电阻率.
2014, 63 (4): 047201.
doi: 10.7498/aps.63.047201
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传统制备Cu（In，Ga）Se2（CIGS）手段之一是共蒸发三步法，工艺中通过Cu，In，Ga，Se 4 种元素相互扩散、作用形成抛物线形的Ga梯度分布. 本文通过调整Ga源温度制备了Ga梯度分布不同的CIGS薄膜及电池. 利用多种测试方法，研究了Ga梯度分布不同对CIGS薄膜表面及背面结构性质及电性质的影响，计算分析了表面导带失调值及背面电场对电池性能的影响，从而获得了合适的Ga梯度分布，提高了电池光谱相应，获得了较好的电池性能参数.
2014, 63 (4): 047202.
doi: 10.7498/aps.63.047202
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本文采用能量为1 MeV 的中子对SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）器件进行了最高注量为1015 cm-2的辐照. 实验发现: 当注量小于1014 cm-2时，器件特性退化很小，其中栅电流有轻微变化（正向栅电流IF 增加，反向栅电流IR减小），随着中子注量上升，IR迅速降低. 而当注量达到1015 cm-2时，在膝点电压附近，器件跨导有所下降. 此外，中子辐照后，器件欧姆接触的方块电阻退化很小，而肖特基特性退化却相对明显. 通过分析发现辐照在SiN钝化层中引入的感生缺陷引起了膝点电压附近漏电流和反向栅泄漏电流的减小. 以上结果也表明，SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷，从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响. 这也证明SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT 器件很适合在太空等需要抗位移损伤的环境中应用.
2014, 63 (4): 047501.
doi: 10.7498/aps.63.047501
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通过Mn离子注入非故意掺杂GaN外延层制备了GaN：Mn薄膜，并研究了退火温度对GaN：Mn薄膜的微结构、光学及磁学特性的影响. 对不同退火温度处理后的GaN：Mn薄膜的拉曼谱测试显示，出现了由与离子注入相关的缺陷的局域振动（LV）和（Ga，Mn）N中Mn离子的LV引起的新的声子模. 在GaN：Mn薄膜的光致发光谱中观察到位于2.16，2.53和2.92 eV 处的三个新发光峰（带），其中位于2.16 eV处的新发光带不能排除来自Mn相关辐射复合的贡献. 对GaN：Mn薄膜的霍尔测试显示，退火处理后样品表现出n型体材料特征. 对GaN：Mn薄膜的振动样品磁强计测试显示，GaN：Mn薄膜具有室温铁磁性，其强弱受Mn相关杂质带中参与调节磁相互作用的空穴浓度的影响.
2014, 63 (4): 047502.
doi: 10.7498/aps.63.047502
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超导磁体体积小，能够获得强磁场，磁场稳定度、均匀度很高，因此，在磁学测量设备中应用很广泛. 美国Quantum Design公司的高精度磁学测量系统采用的就是超导磁体，最高磁场能够达到7 T. 由于超导磁体材料本身缺陷的钉扎作用，在磁体退磁后，磁体内部有剩余磁场，有时能够大于30 Oe. 由此产生的磁场误差将导致测试的矫顽力、剩磁等数据不准确，甚至导致反向的磁滞回线. 设置的磁场初始值不同，剩余磁场的大小也不同；初始磁场越大，剩余磁场越大. 这种剩余磁场效应在软磁材料测试过程中表现得尤为明显，产生的测试误差不可忽略，必须进行磁场误差修正才能得到正确的结果. 本文阐明了超导磁体产生剩余磁场的原因、影响因素和规律，详述了测试软磁材料可能遇到的问题，并给出解决方法.
2014, 63 (4): 047503.
doi: 10.7498/aps.63.047503
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实验发现，宏观晶体是非磁性的氧化镁时，其多晶样品有弱铁磁性. 本文用第一性原理电子结构方法研究了氧化镁表面、纳米颗粒和晶界的磁性. 计算结果表明: 绝缘的氧化镁表面可以是导电的，并且有与之相关的铁磁性；磁性表面的共同特征是在表面上有氧原子富集，包括（111）表面的纯氧原子层，（114）表面的氧原子链；其他高晶面指数表面也会有氧原子富集区域；氧化镁纳米颗粒的磁性出现在高晶面指数表面以及不同晶面交界的棱及其顶角等有氧原子富集的区域，这种由氧原子富集而形成的磁性有巡游特征. 氧化镁∑7[111]和∑ 5[001]晶界的计算结果表明: 在没有氧原子富集的情况下，多晶样品中晶界的磁性很弱，而在有氧原子富集的情况下，晶界磁性比较强. 因此可以推断多晶样品的磁性主要出现在多晶表面、晶粒包围孔隙、微裂纹界面、晶界和其他晶体缺陷等有氧原子富集的区域. 这种残余磁性可以通过热处理等结构优化过程而削弱甚至消除.
2014, 63 (4): 047701.
doi: 10.7498/aps.63.047701
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基于球形无规键无规场模型和电场作用下弛豫铁电体微畴-宏畴机理，利用模糊畴界观点以及电场对极化的分数维效应，分析了电场对畴的作用机理. 研究结果表明: 电场对畴的诱导偶极子增量的极化效应导致了电滞回线的不饱和及相关的大的电致伸缩效应；而畴的偶极子增量耦合时结合能的变化对低电场的电滞回线略有影响，但基本不会改变高电场时的极化状态. 初始微畴大小对电滞回线非常重要，细小的微畴会导致细长的电滞回线及电场与电致伸缩良好的线性关系.
2014, 63 (4): 047901.
doi: 10.7498/aps.63.047901
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研究了时间整形飞秒激光在熔融硅表面诱导纳米周期条纹结构的电子动力学过程. 通过引入非线性电离机制和表面等离子激元的瞬态作用机理，建立了关于时间整形飞秒激光诱导和调控熔融硅表面纳米周期条纹结构的电子动力学模型，并应用该模型研究获得了纳米条纹周期与时间整形脉冲时间间隔的定量关系. 理论研究结果表明，通过调节时间整形脉冲的时间间隔可以实现操控表面等离子激元与激光瞬态干涉过程中的波矢配对，最终可实现对诱导的纳米条纹周期的调控. 此模型预测得到的纳米条纹周期与实验结果符合得很好. 该研究对于深刻理解整形脉冲链诱导材料表面纳米周期结构的电子动力学操纵机制以及对条纹周期的调控都具有重要的理论价值.
2014, 63 (4): 047902.
doi: 10.7498/aps.63.047902
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为了计算微波器件的微放电阈值，提出了一种快速单粒子蒙特卡罗方法. 该方法对二次电子出射能量、出射角度和相位等参数进行随机处理，结合四阶龙格库塔法和Furman模型模拟了电子运动和二次电子发射系数，并以多次连续碰撞的二次电子发射系数的算数平均值作为微放电效应发生的判据. 以平板传输线横电磁模式为研究对象，分别采用快速单粒子蒙特卡罗方法、统计模型、传统蒙特卡罗方法以及粒子模拟方法计算其微放电阈值和敏感区域. 计算结果表明，该方法不仅具有与统计模型和粒子模拟方法相当的计算精度，而且比统计模型方法的适应性更强，比传统蒙特卡罗方法的稳定性更好，比粒子模拟方法的计算效率高几十倍以上.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2014, 63 (4): 048101.
doi: 10.7498/aps.63.048101
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所有天然Ia型金刚石红外光谱中都存在3107 cm-1特征峰，而在金属触媒直接合成的金刚石红外光谱中没有检测出3107 cm-1特征峰. 本文在6.3 GPa，1500 ℃条件下，通过Fe70Ni30触媒中添加P3N5直接合成出具有3107 cm-1特征峰的氮氢共掺杂的金刚石. 红外光谱分析表明，合成的金刚石中氢有两种存在形式: 一种对应着乙烯基团C＝CH2 中CH 键的伸缩振动（3107 cm-1）和弯曲振动（1450 cm-1）的吸收峰，另一种对应着sp3杂化CH键的对称伸缩振动（2850 cm-1）和反对称伸缩振动（2920 cm-1）的吸收峰. 通过分析发现，3107 cm-1吸收峰与金刚石中聚集态的氮原子有关，当金刚石中没有聚集态的氮元素时，即使氮含量高也不会出现3107 cm-1 峰；并且2850 和2920 cm-1附近的吸收峰比3107 cm-1附近的吸收峰更为普遍存在. 这说明sp3杂化CH键比乙烯基团的CH 键更广泛存在于金刚石中，从两者的峰值看，天然金刚石中的氢杂质主要以乙烯基团C＝CH2 存在. 3107 cm-1吸收峰与聚集态的氮原子的这种存在关系为天然金刚石形成机制的研究提供了一种新思路，同时较低的合成条件也可能为氢与其他元素共掺杂合成具有n型半导体特性的金刚石提供一个较理想的合成环境.
2014, 63 (4): 048102.
doi: 10.7498/aps.63.048102
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利用化学气相沉积法，采用不同组分的金属合金纳米粒子AuPd作为催化剂，在Si（111）基底上成功制备大面积、高密度的硼纳米线薄膜. 纳米线的平均长度约为10 μm，直径在50–130 nm之间. 结构分析表明，纳米线为单晶结构，硼纳米线的直径随着元素Pd在合金催化剂中比例的增加而减少. 场发射特性测试结果表明，通过调整催化剂组分可以实现对硼纳米线的尺寸和密度的调控.
2014, 63 (4): 048201.
doi: 10.7498/aps.63.048201
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随着微电子产业的不断发展，刻蚀特征尺度达到纳米级，等离子体刻蚀工艺过程机理研究越来越受到重视. 刻蚀表面仿真是研究离子刻蚀特性的重要方法. 在离子刻蚀表面仿真中，离子刻蚀产额模型是研究刻蚀机理的重要模型，也是元胞自动机等仿真方法的重要基础. 为了解决利用传统方法无法得到准确刻蚀产额模型参数的问题，本文提出一种基于刻蚀速率匹配的离子刻蚀产额优化建模方法，该方法以实际刻蚀速率与模拟刻蚀速率之间的均方差为优化目标，利用基于分解的多目标进化算法来优化离子的刻蚀产额模型参数，并将得到的刻蚀产额模型参数应用到采用元胞方法的刻蚀工艺的实际仿真过程中. 实验结果表明了该刻蚀产额优化建模方法的有效性.
2014, 63 (4): 048202.
doi: 10.7498/aps.63.048202
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采用实验或数值方法对多孔复合电极微结构进行重构和特征化不仅是锂离子电池介观尺度数值模型的重要组成部分，也是通过数值技术由底向上进行电极微结构虚拟设计与优化的基础. 本文以某商用LiCoO2电池正极的孔隙率、电极组成材料的组分体积分数、活性材料颗粒粒径分布、相关函数等重要结构与统计信息作为输入参数，采用模拟退火法对其微结构进行了数值重建，得到了明确区分活性材料、固体添加物以及孔相（电解液）的微结构，其重要特性参数与实际电极一致. 对重构电极的特征化分析，得到了电极内部各组分的连通性、孔径分布等特征信息. 同时，采用D3Q15 格子Boltzmann 模型计算了重构电极的有效热导率以及电解液（或固相）的有效传输系数. 与随机行走模拟或Bruggemann等经验公式相比，基于实际电极微结构细节信息的介观数值方法对多孔电极有效传输系数的预测更为准确可靠.
2014, 63 (4): 048401.
doi: 10.7498/aps.63.048401
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纳米钛氧化物忆阻器的导电过程因自身参数的改变及不同机理的共存而呈现复杂特性，但现有研究缺乏针对横截面积参数的改变对忆阻器导电特性影响的讨论. 基于杂质漂移及隧道势垒机理，本文分析了忆阻器导电过程，研究了横截面积参数与导电过程中各关键物理要素间的关联，并基于此，分别研究了钛氧化物横截面积及隧道势垒横截面积的改变对忆阻器导电特性的影响，分析了两者的区别与联系. 验证了两种机理共存情况下，相对于钛氧化物横截面积的改变，隧道势垒横截面积的改变是引发忆阻器导电特性变化的主要因素，且是导致忆阻器非理想导电特性的可能因素. 研究成果有助于进一步解释忆阻器导电过程的复杂性，并为优化忆阻器模型的构建提供依据.
2014, 63 (4): 048501.
doi: 10.7498/aps.63.048501
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提出一种超结硅锗碳异质结双极晶体管（SiGeC HBT）新结构. 详细分析了新结构中SiGeC 基区和超结结构的引入对器件性能的影响，并对其电流输运机制进行研究. 基于SiGeC/Si异质结技术，新结构器件的高频特性优良；同时超结结构的存在，在集电区内部水平方向和垂直方向都建立了电场，二维方向上的电场分布相互作用大大提高了新结构器件的耐压能力. 结果表明: 超结SiGeC HBT与普通结构SiGeC HBT相比，击穿电压提高了48.8%；更重要的是SiGeC HBT 器件中超结结构的引入，不会改变器件高电流增益、高频率特性的优点；新结构器件与相同结构参数的Si 双极晶体管相比，电流增益提高了10.7倍，截止频率和最高震荡频率也得到了大幅度改善，很好地实现了高电流增益、高频率特性和高击穿电压三者之间的折中. 对超结区域的柱区层数和宽度进行优化设计，随着柱区层数的增多，击穿电压显著增大，电流增益有所提高，截止频率和最高震荡频率减低，但幅度很小. 综合考虑认为超结区域采用pnpn四层结构是合理的.
2014, 63 (4): 048701.
doi: 10.7498/aps.63.048701
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为了进一步研究分析P53抑癌基因的性质，对P53基因的蛋白质编码区以及对应的mRNA 的三周期性进行比较分析. 通过同义密码子相对使用度和拟同义密码子相对使用度方法对其分别进行计算，分析了蛋白质编码区密码子的偏好性以及mRNA 密码子的偏好性. 结果表明: P53蛋白质编码区具有很强的三周期性，而对应的mRNA 不具有三周期性；P53蛋白质编码区的密码子偏好G 或C结尾的密码子程度强于对应的mRNA. 说明P53 基因密码子的偏好性与三周期性紧密相关，密码子的偏好程度影响着三周期性. 进一步从生物角度诠释了P53 蛋白质编码区和对应mRNA 三周期性的异同. 结合P53基因这一特性，有助于提高其基因识别的正确率，对P53 基因的深入研究具有重要的意义.
2014, 63 (4): 048702.
doi: 10.7498/aps.63.048702
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针对散射体均匀分布以及三维空间域（3 dimension，3D）移动通信环境，提出了3D空间统计信道模型. 对在指向性天线覆盖下的室内微小区移动通信环境，模型能够估计多径衰落信道的重要空时信道参数，如波达信号在水平面以及垂直面的信号到达角度（angle of arrival，AOA）以及多普勒效应（Doppler spectra，DS）等. 移动台（mobile station，MS）的移动特性会使接收信号产生多普勒效应，根据运动的相对性理论，基站（base station，BS）也会有相对运动，因此也会有多普勒效应产生. 本文引入控制变量法导出三维空间域在MS以及BS 端的多普勒效应，数值仿真结果与室外3D多径衰落信道对比表明，本模型的信道参数估计结果符合理论和经验，扩展了3D空间统计信道模型的研究和应用.
2014, 63 (4): 048703.
doi: 10.7498/aps.63.048703
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研究激光波长对纳米光纤俘获和输送聚苯乙烯微球能力的影响. 理论分析结果表明，当光纤直径和激光功率一定时，随着激光波长的增大，光纤外面倏逝波的分布范围和强度都变大，微球所受到的光梯度力和散射力也随之增大，这意味着纳米光纤俘获和输送微球的能力随着激光波长的增大而增强. 实验现象和理论预测完全符合. 将三种波长的激光分别导入直径为600 nm的光纤中，通过实验观察发现，随着激光波长的增大，俘获微球所需要的临界功率变小，意味着光纤俘获微球的能力增强；而当激光功率一定时，随着激光波长的增大，微球的运动速度也增大，说明光纤输送微球的能力增强.
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2014, 63 (4): 048704.
doi: 10.7498/aps.63.048704
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为了准确得到人体内水分子各向异性扩散信息，在核磁共振扩散张量成像及高角分辨率扩散成像实验中，需要在众多空间均匀分布的方向上依次施加扩散敏感梯度磁场，测量水分子在不同方向上的扩散系数. 目前方向分布方案的缺点有方向数目不连续、均匀性有待提高及部分方向数据的损坏会影响整个数据集等. 本文以广义Fibonacci数列为基础，提出新的可以产生连续方向数目的扩散敏感梯度磁场方向分布方案，整个方案的方向均匀性较好，数据集内的部分数据仍然具有很好的空间均匀性，而且本方案中相邻两个扩散敏感梯度磁场方向接近相反，可以减小快速变化的高强度梯度磁场产生的涡流对结果的影响.
2014, 63 (4): 048801.
doi: 10.7498/aps.63.048801
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以聚3-己氧基噻吩（P3HT）作为给体，富勒烯衍生物（ICBA）作为受体，制备了体异质结结构的聚合物太阳能电池，研究不同热退火条件对器件的光伏输出特性及稳定性的影响. 研究发现，采用多温度、阶梯退火比单一温度退火能使器件的光伏输出性能明显提高，与此同时器件的寿命显著延长，可以在未封装的环境下保持器件性能的稳定，减缓器件的衰退.
2014, 63 (4): 048901.
doi: 10.7498/aps.63.048901
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选取2003–2012年期间半年度中国基金公司持上市公司股票份额面板数据为样本数据，以基金公司为节点，以同一时刻共持同一家上市公司股票关系为边，以同一时刻共持的上市公司数量为权重，构建中国基金公司共持关系结构等价加权网络（简称共持网络）. 结合统计物理学等方法，分析了共持网络的拓扑结构稳定性及具有不同拓扑特征值的节点随时间演变过程中与共持网络中三类节点集合持股行为波动相关性. 三类节点集合分别为t-1时刻基于某一股票形成的共持关系完全连通子图节点集合（第一类节点集合）、t-1时刻共持网络中非完全连通子图的节点集合（第二类节点集合）、t 时刻新进入共持网络的节点集合（第三类节点集合）. 分析结果显示: 1）节点与第二类节点集合持股行为波动呈正相关，且相关系数随着节点集聚系数的增强而增大；2）只有当节点的度和点强度值较高时，节点与第一类和第二类节点集合的持股行为呈正相关；3）不同拓扑特征条件下的节点与第三类节点集合的持股行为均不存在波动相关性. 本文提供了一个研究持股行为相关性的新思路，并为进一步研究股票市场结构等价网络及节点重要性差异提供了基础.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (4): 049201.
doi: 10.7498/aps.63.049201
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基于大气遥相关指数和海表温度关键区，以各关键区高度场平均值和海表温度关键区平均值之间的相关系数作为连边条件，建立体现大气遥相关和海表温度关键区相互作用的关联网络，进而给出了大气和海洋关键区相互作用的空间图像. 同时基于网络的结构特征量，研究了该网络的基本性质，给出了关键区中的网络关键节点，并分析了关键节点对网络性质的影响. 研究结果表明: 大气遥相关和海温关键区关联网络具有一定的小世界性质，即网络具有小的平均路径长度和较大的集群系数；网络的平均路径长度在阈值为0.1–0.4时系统基本保持稳定，即网络的性质保持不变，进而证明了以信度为0.01下的相关系数0.19作为连边阈值的有效性. 对于网络中的单个节点网络特征分析发现，东亚-太平洋遥相关1区和2区以及太平洋-北美遥相关1区和 4 区在网络中具有较大的节点度，即大气中这 4个区域在大气遥相关和海表温度关键区中作用较强；北太平洋涛动区域1，东亚-太平洋遥相关区域 3的节点度则相对最小，即这个区域在大气遥相关和海表温度关键区相互作用中的影响较小. 通过依次去除网络中度大的节点进一步证明了网络具有一定的鲁棒性. 该研究对于重点把握遥相关和海温的一些重要区域具有一定指示意义，也从另一角度提供了研究海气相互作用新方法.
2014, 63 (4): 049701.
doi: 10.7498/aps.63.049701
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基于密歇根大学射电天文台数据库中从1965年到2012年收集的类星体3C 345，3C 273 和3C 279在射电8.0 GHz 的光变数据，利用集合经验模态分解方法将这些类星体的光变资料分解为周期项、 趋势项和高频项，并对分解后的高频项计算其饱和关联维数、最大Lyapunov指数和Kolmogorov熵，判断是否具有混沌性. 结果表明，这些类星体的光变不仅具有周期性，也具有明显的混沌特性，表明类星体光变应为产生周期性运动的物理机制和产生混沌现象的非线性机制的综合结果.
2014, 63 (4): 049801.
doi: 10.7498/aps.63.049801
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长期观测显示，耀变体S5 0716+714具有复杂的光变行为. 本文运用混沌理论，研究了S5 0716+714四个较大爆发阶段的射电、光学和X波段的光变曲线. 分别计算了它们的关联维和Lyapunov指数. 结果表明: 1）光变曲线的关联维和Lyapunov指数都介于纯混沌系统与随机噪声之间；2）相轨迹是一个与Rossler吸引子相似的混沌系统，由于受到各种内在或外在因素的影响产生噪声，导致关联维和Lyapunov指数均比Rossler吸引子大，相轨迹出现紊乱. 从这两个混沌判据上看，三个波段均表现出很强的混沌特性，因此推断S5 0714+716的光变是一个混沌现象.
