特邀综述
编辑推荐
2019, 68 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.68.20190751
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石墨烯以其独特的光电特性打开了二维纳米材料的大门, 随后拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料相继被报道, 这些材料由于具有良好的非线性光学特性, 可用作被动饱和吸收体来产生脉冲激光. 本文总结了近年来基于二维材料的光纤激光器和固体激光器的研究状况, 从激光器的中心波长、脉宽、重复频率、脉冲能量和输出功率等基本参数对发展现状进行了阐述, 最后进行了总结和展望.
总论
2019, 68 (18): 180401.
doi: 10.7498/aps.68.20190760
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磁星是指主要由磁场提供辐射能量的一类脉冲星. 部分宁静状态下的磁星X射线有热起源, 对应的温度kT为0.2—0.6 keV (1 eV = 1.602 × 10–19 J), 这比转动供能的脉冲星的典型温度值高很多, 并且可以用黑体谱来拟合. 对磁星的观测和理论研究是当前脉冲星领域一个重要的热点. 结合物态方程, 本文首先计算了在超强磁场下壳层的电导率; 从统计上研究了由于环向磁场衰变, 磁场能释放率与磁星软X射线光度之间的关系. 通过分类和数值拟合, 所得到的新的拟合公式能较好地反映磁星软X射线光度和旋转能损率之间的关系. 研究发现, 对于绝大多数高X射线光度的磁星, 环向磁场欧姆衰变足够提供其观测的软X射线辐射; 对于低X射线光度的暂变磁星, 其软X射线辐射可能来源于旋转能损率、磁层流或粒子星风. 随着对磁星理论和观测研究的深入, 本文模型也会得到进一步的改进, 理论结果将更好地符合磁星的软X射线观测.
2019, 68 (18): 180501.
doi: 10.7498/aps.68.20190155
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形状记忆合金在工程应用中的难点主要来自于系统在温度和外载荷作用下产生的复杂全局动力学行为. 本文以形状记忆合金薄板动力系统为研究对象, 分析在温度和激励振幅两个控制参数作用下系统的全局动力学. 通过全局分岔图, 可以观测到系统会发生复杂的激变现象, 然后利用复合胞坐标系方法, 获取系统的吸引子、吸引域、鞍和域边界等信息, 展现系统的全局演变过程. 研究发现, 系统随着振幅和温度变化会呈现复杂的全局结构, 并发生一系列的边界激变、合并激变现象, 同时多次发生分形-Wada, Wada-Wada, Wada-分形等域边界突变. 通过对指定区域细化, 可以清晰地显示域边界的分形特征. 研究结果对于如何通过调控温度与外载荷强度, 使形状记忆合金薄板在系统中发挥最佳性能具有理论指导意义.
2019, 68 (18): 180502.
doi: 10.7498/aps.68.20190197
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在众多实验和理论研究中已经发现自突触通过自反馈电流调节神经元电活动和网络时空行为来实现生理功能. 本文通过理论研究, 发现在一些合适的时滞下, 抑制性自反馈电流能引起放电频率增加, 这是不同于传统结果—抑制性作用引起频率降低的新发现. 进一步, 对于没有自反馈的神经元, 发现在作用相位合适的抑制性脉冲电流的作用下, 放电的相位会提前, 导致放电频率增加, 这就表现出对应Hopf分岔的II型相位响应曲线的特征. 引起放电频率增加的抑制性脉冲刺激的相位与自反馈的时滞相对应, 这也就给出了自反馈能够引起放电频率增强的原因. 最后, 发现抑制性自反馈的时滞较长或耦合强度较大时, 噪声诱发的神经元放电峰-峰间期的变异系数较小, 也就是放电精确性提高, 与实验发现的慢抑制性自突触诱发放电精确性增加的结果相一致. 研究结果揭示了负反馈能增强系统响应这一新现象和相应的非线性动力学机制, 提供了调控神经电活动的新手段, 有助于认识现实神经系统的自突触的潜在功能.
2019, 68 (18): 180503.
doi: 10.7498/aps.68.20190308
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本文讨论了星型网络中耦合Kuramoto振子的同步优化问题. 分别考察具有随机频率分布叶子节点的单星型结构和多星型结构耦合网络达到同步所需的临界耦合强度. 基于正弦函数的有界性导出的理论结果表明, 单星型结构网络中, 系统同步临界耦合强度与中心振子频率之间具有分段线性关系, 而多星型结构耦合网络中, 系统同步临界耦合强度与所有星型结构中心振子的频率之和保持分段线性关系. 两种结构的网络的同步临界耦合强度最小值均在分段线性的转折点处. 多星型结构耦合网络中, 最小同步临界耦合强度出现在耦合系统只有一个同步集团的情形, 而最大同步临界耦合强度出现在耦合系统有多个同步集团的情形.
2019, 68 (18): 180504.
doi: 10.7498/aps.68.20190397
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对于饱和蒸气壁面凝结过程, 蒸气分子在体相与过冷壁面间过渡区的微观演化机制尚不清晰, 分子团聚模型认为分子到达壁面凝结前首先在体相中形成一定团簇分布, 但由于观测近壁边界层微小空间中微观粒子的动态演化较为困难, 对该模型的实验验证并不充分. 基于团簇内部的氢键网络, 利用衰减全反射傅里叶红外光谱技术, 实时检测了近壁薄层内蒸气分子凝结过程中的动态行为, 直接验证了近壁区的团簇分布, 表明团簇是凝结和液滴生长的主要单元, 且平均团簇尺寸沿着靠近壁面方向逐渐增大. 利用团簇体的氢键特征, 又观测了乙醇蒸气的近壁面团聚行为, 进一步验证了壁面凝结过程团簇演化的合理性. 此外, 实验发现乙醇蒸气冷凝的团簇分布空间范围要小于同样条件下的水团簇分布范围, 这可能间接表明乙醇蒸气凝结的传热边界层范围小于水蒸气凝结的传热边界层范围, 而导致其传热性能较弱. 利用壁面结构调节近壁区团簇分布, 将为含有不凝气的蒸气冷凝传热或气相水汽捕获等过程的强化提供新方向.
2019, 68 (18): 180701.
doi: 10.7498/aps.68.20190414
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高斯混合模型被广泛应用于统计压缩感知中信号先验概率分布的建模. 利用高斯混合模型对图像的概率分布进行建模时, 通常需要先对图像分块, 再对图像块的概率分布进行建模. 本文提出卷积高斯混合模型对整幅图像的概率分布进行建模. 通过期望极大化算法求解极大边缘似然估计, 实现模型中未知参数的估计. 此外, 考虑到在整幅图像上计算的复杂度较高, 本文在卷积高斯混合模型和压缩测量模型中引入循环卷积, 所有的训练和恢复过程都可以利用二维快速傅里叶变换实现快速运算. 仿真实验表明, 本文所提的MMLE-convGMM算法的恢复性能要优于传统的压缩感知算法的恢复性能.
基本粒子物理学与场
2019, 68 (18): 181101.
doi: 10.7498/aps.68.20190798
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利用有限温度场论和平均场近似的方法, 在考虑夸克真空涨落的情况下, 研究了两个夸克味的夸克介子模型的量子色动力学相变的相图结构, 得到了当夸克化学势密度较小时, 量子色动力学相变是过渡相变, 而当夸克化学势密度较大的时候, 量子色动力学相变是一级相变. 对于一级相变的区域, 基于薄壁近似, 给出了当温度等于临界温度$ {T_{\rm{c}}}$ 时, 强子相表面张力随夸克化学势密度的变化关系. 本研究为相对论重离子对撞实验和中子星早期结构演化提供必要的参考.
2019, 68 (18): 181102.
doi: 10.7498/aps.68.20190477
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众多粒子物理超标准模型中都预言了自旋有关的新相互作用存在. 极化的核子间通过交换自旋为1的轴矢量玻色子可以产生额外的吸引力进而改变无穷大核物质状态方程性质. 本文在相对论平均场模型的框架下加入额外的轴矢量玻色子后计算发现, 当相互作用强度与玻色子质量之比达到$g_{\rm A}^2/m_{\rm Z'}^2 $ ～${\cal O}(10 \, {\rm GeV^{-2}})$ 时, 低密处无穷大核物质的稳定性和对应的相变行为将发生显著的改变; 而当$g_{\rm A}^2/m_{\rm Z'}^2 > 130 \, {\rm GeV^{-2}}$ 时核物质将在发生相变前率先到达零压点. 对中子星而言这意味着其内核物质将在保持稳定的状态下形成表面而不会发生相变形成壳层结构, 这与普遍存在于中子星天文观测中的星震现象矛盾, 因此反过来对新相互作用的强度提出了额外的限制. 通过与已有的地面实验结果对比, 本文发现对于力程为微米到厘米间的新相互作用, 中子星对其强度的约束最高可有8个量级的提升.
原子和分子物理学
2019, 68 (18): 183101.
doi: 10.7498/aps.68.20190471
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在杂化密度泛函水平上, 利用响应函数方法, 计算了一类四苯基乙烯衍生物的双光子吸收性质. 考虑了四苯基乙烯上给电子基团的位置和数目对双光子吸收性质的影响. 并且, 根据实验者采用的分子, 通过增加分子的平面性和共轭长度, 以及增强给体强度, 理论设计了三种分子结构, 并计算了它们的双光子吸收性质. 结果表明, 给体位置和数目对双光子吸收性质有重要影响. 位于分子末端的给体取代基能有效提高双光子吸收强度. 随着给体数目的增加, 双光子吸收波长发生红移. 在四苯基乙烯的不同侧位上添加给体取代基对双光子吸收性质的影响有明显差异. 与实验者采用的分子相比, 理论设计的分子结构双光子吸收截面均明显增大. 当三苯胺基代替四苯基乙烯基之后, 双光子吸收峰发生较大红移, 双光子吸收截面明显增大.
2019, 68 (18): 183301.
doi: 10.7498/aps.68.20190443
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振动极大地影响着许多精密仪器的灵敏度和稳定性, 对于冷原子干涉重力仪尤其如此. 针对可移动的原子干涉仪建立了一套易于搬运的三维主动减振系统用来有效隔除地面的振动, 从而提高可移动原子干涉仪的测量灵敏度, 并能做到迅速部署迅速恢复工作. 通过实施我们设计的综合反馈算法, 本装置在三个维度的宽频带范围上实现了非常好的振动压制效果. 本系统取得了对地面竖直方向振动3个数量级, 对地面水平方向振动1个数量级的振动隔除效果. 在原子干涉仪敏感的10 Hz以下频段, 竖直方向的振动噪声被压制到了4.8 × 10–9 m/s2/Hz1/2, 水平方向的振动噪声被压制到了2.3 × 10–7 m/s2/Hz1/2. 振动噪声对干涉仪灵敏度的影响降至2 μGal/Hz1/2以下, 比未放置减振系统的结果降低了2个数量级.
2019, 68 (18): 183601.
doi: 10.7498/aps.68.20190615
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采用液滴外延法在GaAs (001)衬底上制备同心量子双环(concentric quantum double rings, CQDRs), 利用原子力显微镜表征其表面形貌, 并研究Ga液滴沉积速率对CQDRs的影响. 研究结果发现, 随着Ga液滴沉积速率的增加, CQDRs的密度增加, 内外环半径均降低. 根据成核理论中最大团簇密度和Ga液滴沉积速率之间的关系拟合出临界成核原子数目为5, 表明在Ga液滴形成阶段时稳定的Ga原子晶核至少包含5个Ga原子; 根据成核理论和拟合结果绘制成核过程状态转化图以深入理解Ga液滴形成过程. 相关研究结果对液滴外延法制备密度可控的GaAs同心量子双环具有一定的指导意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2019, 68 (18): 184201.
doi: 10.7498/aps.68.20190392
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利用强场近似理论开展了具有较长脉宽的偏振控制脉冲与氦原子相互作用产生高次谐波和阿秒脉冲发射的理论研究. 研究发现, 当具有10 fs脉冲宽度的偏振控制脉冲被用作驱动脉冲时, 只要恰当地调整两束反向旋转圆偏振脉冲峰值之间的时间延迟和强度比, 即使不附加二次谐波脉冲, 仍然可以得到效率较高且规则分布的高次谐波平台结构, 傅里叶变换后得到了175 as的孤立短脉冲. 该方案一方面通过调整两束脉冲峰值之间时间延迟突破了传统偏振控制方案中要求偏振门宽度为半个光学周期的限制, 另一方面通过调整两束脉冲峰值之间的强度比避免了偏振门前端多个光学周期电场引起气体介质电离不利于谐波相位匹配的弊端.
2019, 68 (18): 184202.
doi: 10.7498/aps.68.20190290
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运用第一性原理LDA+U方法(考虑了交换关联项的Hubbard U修正的局域密度近似方法)研究了过渡族金属X (X = Fe, Co, Ni)掺杂GaSb的电子结构和光学性质. 研究结果表明: X掺杂均能提升GaSb半导体材料对红外光区光子的吸收幅度, 并能有效提高GaSb材料的光催化性能; 过渡金属X在GaSb材料中主要以X替代Ga缺陷(X@Ga)的形式存在, X的电荷布居和键布居表明, X的掺入容易引起体系的晶格畸变, 由此产生的电偶极矩有利于光生电子-空穴对的分离, 从而提高材料的光催化性能; X掺杂引入的杂质能级位于0点费米能级附近, 因而掺杂体系复介电函数虚部在光子能量为0时就会有响应, 同时掺杂体系的静介电常数也得到了很大的提升; X的掺杂对GaSb体系的光学性能都有很大的改善, 但Ni掺入对改善GaSb材料的光催化特性最有利; 最佳Ni原子的掺杂摩尔浓度为10.94%, 均匀掺杂可以避免光生电子-空穴复合中心的形成, 此时光学吸收范围和吸收峰值都达到最大, 对材料的光催化性能最有利.
2019, 68 (18): 184301.
doi: 10.7498/aps.68.20190599
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超声背散射法已逐渐应用于骨质的评价与诊断. 相比于人体软组织, 致密多孔的骨组织中超声衰减大, 导致接收到的超声信号微弱, 频散失真严重. 骨组织的超声频散衰减通常由超声透射法测量. 然而, 透射法测量的超声衰减为传播路径上组织介质衰减的平均值, 无法区分软组织、皮质骨及松质骨的衰减效应, 无法测量感兴趣区域内松质骨组织的超声衰减. 本文旨在研究松质骨超声频散衰减的背散射测量方法, 分析补偿超声背散射信号频散失真的可行性. 离体测量16块松质骨样本的超声背散射与透射信号(中心频率1 MHz). 采用四种背散射方法(谱移法、谱差法、谱对数差法和混合法)测量松质骨超声频散衰减系数, 与超声透射法测量的频散衰减标准值进行对比. 结果表明, 骨样本超声频散衰减范围为2.3—6.2 dB/mm/MHz, 透射法测量的超声频散衰减(均值 ± 方差)为(4.14 ± 1.14) dB/mm/MHz; 谱移法、谱差法、谱对数差法和混合法测量的频散衰减(均值 ± 方差)分别为(3.88 ± 1.15) dB/mm/MHz, (4.00 ± 0.98) dB/mm/MHz, (3.77 ± 0.84) dB/mm/MHz, (4.05 ± 0.85) dB/mm/MHz. 背散射法测量的频散衰减系数与标准值有较高的相关性(R = 0.78—0.92, p < 0.01), 其中, 谱差法(R = 0.91, p < 0.01)和混合法(R = 0.92, p < 0.01)测量结果更准确(相对误差小于20%). 以上结果说明背散射法测量松质骨超声频散衰减具有可行性, 基于傅里叶变换-逆变换原理可以补偿背散射信号频散衰减失真, 显著提高信号强度, 有利于后续超声背散射骨质评价及成像研究.
2019, 68 (18): 184302.
doi: 10.7498/aps.68.20190763
摘要 +
由于皮质骨和软组织间较大的声速差异, 采用固定声速的传统超声波束形成方法无法重建皮质骨图像, 同时皮质骨中较大的衰减也限制了信号信噪比. 为了实现皮质骨超声成像, 本文提出一种采用合成孔径超声提高成像分辨率及信噪比, 利用压缩感知计算延时参数并构建多层声速模型的成像方法. 本文结合时域有限差分仿真方法分析了理想情况下皮质骨成像结果, 并结合软组织覆盖下的离体皮质骨板样本实验, 验证相关方法的可行性. 仿真和实验结果均表明, 本文方法可用于构建多层声速模型并正确重建皮质骨图像. 本研究实现了具有三层声速模型的皮质骨超声成像, 对皮质骨超声成像发展有一定的借鉴意义, 未来将进一步探索在体实验, 以推进骨超声成像的临床应用.
气体、等离子体和放电物理
2019, 68 (18): 185201.
doi: 10.7498/aps.68.20182211
摘要 +
填充低密度低Z物质的黑腔孔隙漏光是一类典型的高Z烧蚀等离子体在烧蚀及压力动态平衡下的运动问题. 本文利用简化的一维平面模型模拟了孔隙侧壁烧蚀金等离子体在CH泡沫约束作用下的运动行为, 展示了轻重物质界面在物质压和辐射压共同作用下运动的物理图象. 提出金等离子体从扩张到折返的过程对应于孔隙从收缩到打开的过程, 并给出折返时间和折返距离的解析方程, 以及二者的峰值温度三次方与CH密度成正比的规律, 同时表明在CH密度的较大变化范围内, 金等离子体的烧蚀标度指数不变. 利用改造的一维MULTI程序数值模拟的结果验证了解析理论的主要结论. 本文给出了可在较宽的温度密度范围内计算高Z等离子体做折返运动的理论公式.
2019, 68 (18): 185202.
doi: 10.7498/aps.68.20190865
摘要 +
以航天领域中研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)风洞为研究对象, 通过流场-电磁场-化学场-热力场-湍流场多场耦合求解研究ICP风洞流场与电磁场的分布特性及其相互作用机理. 数值模拟中, 基于热化学非平衡等离子体磁流体动力学模型准确模拟了空气ICP的高频放电、焦耳加热、能量转化、粒子内能交换等过程, 通过多物理场耦合计算模拟得到了100 kW级ICP风洞内空气等离子体的电子温度、粒子数密度、洛伦兹力、焦耳加热率、速度、压强、电场强度的分布规律. 研究结果表明: 在感应线圈区靠近等离子体炬壁附近, 等离子体流动处于热力学非平衡状态; 洛伦兹力对感应线圈区空气粒子的动量传递和电子热运动起着控制作用.
2019, 68 (18): 185203.
doi: 10.7498/aps.68.20190554
摘要 +
相对论返波管被认为是最具有应用潜力的高功率微波器件之一. 随着输出微波功率的进一步提高, 相对论返波管内部包括收集极处的击穿现象越来越严重, 最终导致脉冲缩短, 成为器件向高功率、高能量方向发展中的最大障碍, 也是目前制约其发展的重要问题之一. 本文基于自主研发的2.5维粒子模拟软件UNIPIC-2D, 采用动态释气模型研究了不同释气系数下相对论返波管收集极释气与电离过程及引导磁场的影响. 粒子模拟结果表明, 随着电子不断轰击收集极, 收集极表面气压升高, 并发生气体电离, 产生的等离子体沿引导磁场进入慢波结构区域, 影响束-波相互作用过程, 使得输出功率下降; 随着释气系数的增大, 脉冲缩短现象越来越明显; 在低引导磁场情况下, 击穿以及脉冲缩短现象得到一定的缓解.
2019, 68 (18): 185204.
doi: 10.7498/aps.68.20190225
摘要 +
采用一维流体模型研究了非广延分布电子对等离子体鞘层中二次电子发射的影响. 通过数值模拟, 研究了非广延分布电子对考虑二次电子发射的等离子体鞘层玻姆判据、器壁电势、器壁二次电子临界发射系数以及等离子体鞘层中二次电子密度分布的影响. 研究结果发现, 当电子分布偏离麦克斯韦分布(q = 1, 广延分布)时, 非广延参量q的改变对器壁二次电子发射有着重要的影响. 不论电子分布处于超广延(q < 1), 还是处于亚广延状态(q > 1), 随着非广延参量q的增加, 都会出现鞘边临界马赫数跟着减小, 同时对于随着二次电子发射系数的增加, 临界马赫数跟着增加. 器壁电势随着参量q的增加而增加. 器壁二次电子临界发射系数则随着非广延参量的增加而减小, 并且等离子体中所含的离子种类质量数越大, 非广延参量的变化对器壁二次电子临界发射系数的值影响越小. 此外, 随着非广延参量的增加, 鞘层厚度减小, 鞘层中二次电子数密度增加. 通过对数值模拟结果分析, 发现电子分布处于超广延分布状态对等离子体鞘层中二次电子发射特性的影响要比电子处于亚广延分布状态要更明显.
编辑推荐
2019, 68 (18): 185205.
doi: 10.7498/aps.68.20190775
摘要 +
Weibel不稳定性的自生电磁场对于等离子体能量输运、无碰撞冲击波形成等物理过程具有关键的影响. 实验上往往采用质子束照相来诊断其电磁场结构. 一般认为, 探针质子束的轨迹偏转主要来自于磁场, 而自生电场的作用被认为可忽略不计. 本文利用三维粒子模拟程序研究了典型参数下的Weibel不稳定性发展过程, 并使用径迹追踪法评估了Weibel不稳定性的质子束照相过程中电场和磁场对探针质子束的偏转作用. 对比分析发现, 引起探针质子束偏转的主要因素并不是磁场, 而是过去研究中常被忽略的电场. 主要原因为: Weibel不稳定性的自生磁场往往成管状结构, 在使用探针质子束对其进行侧向照相时, 磁场的作用会被自身中和并抵消. 该认识将有助于深入理解Weibel不稳定性质子照相的实验结果.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2019, 68 (18): 186101.
doi: 10.7498/aps.68.20190137
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采用分子动力学方法分别对管内充以铝原子碳纳米管(CNT)与氮化硼纳米管(BNNT)进行了结构性能研究. 优化结果显示: (5, 5) CNT和BNNT内均能形成一束一维铝纳米线(AlNW); (10, 10)管内形成的是多束AlNW, 其中(10, 10) CNT内形成的是11束高度轴对称一维AlNW, 而(10, 10) BNNT内形成的是5束螺旋结构形状的AlNW. 进一步分析表明: CNT内的AlNW具有比BNNT内的AlNW较大的原子分布线密度, 但大管径(10, 10)型BNNT内的螺旋状AlNW可以具有比相同管径CNT内纳米线更高的结晶性. 通过对其轴向压缩模拟及其能量分析, 可以发现AlNW@CNT复合结构的屈曲应变明显大于AlNW@BNNT, 且同类型复合结构, 屈曲应变随管径增大而减小, 故较小管径的AlNW@CNT具有更强轴向抗压能力. 能量分析结果表明van der Waals能是维系复合纳米管结构稳定, 增大抗压能力的主要原因.
2019, 68 (18): 186401.
doi: 10.7498/aps.68.20190761
摘要 +
传统研究认为网络间相依边的引入使网络鲁棒性大幅降低, 但现实相依网络的鲁棒性往往优于理论结果. 通过观察现实相依网络的级联失效过程, 发现节点不会因相依节点失效而损失所有连接边, 且由于网络节点的异质性, 每个节点的连接边失效概率也不尽相同. 针对此现象, 提出一种异质弱相依网络模型, 与传统网络逾渗模型不同, 本文认为两个弱相依节点的其中一个失效后, 另一个节点的连接边以概率γ失效而不是全部失效, 并且不同节点连接边失效概率γ会因节点的异质性而不同. 通过理论分析给出模型基于生成函数的逾渗方程, 求解出任意随机分布异质对称弱相依网络的连续相变点. 仿真结果表明方程的理论解与随机网络逾渗模拟值相符合, 网络鲁棒性随着弱相依关系异质程度的增大而提高.
2019, 68 (18): 186801.
doi: 10.7498/aps.68.20190692
摘要 +
硼烯作为一种性能优异的二维材料, 其界面动力学行为值得探讨. 本文采用解析法研究了石墨烯与六方氮化硼(h-BN)以及一种硼烯之间的相互作用. 结果表明, 石墨烯在六方氮化硼上滑动时, C原子和B原子之间的相互作用弱于C原子和N原子之间的相互作用. 石墨烯与硼烯界面间的势能起伏明显小于石墨烯和六方氮化硼之间的势能起伏, 表明其界面摩擦力可能更小. 此外, 石墨烯从硼烯上滑出时拉出力较小, 其边界效应更弱, 因此硼烯有望成为一种摩擦性能优异的二维材料.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2019, 68 (18): 187101.
doi: 10.7498/aps.68.20190503
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由于硅酸盐类正极材料Li2CoSiO4具有较高的理论放电容量而受到广泛关注, 但其较高的放电平台使得现有电解液无法满足使用要求而限制了其进一步的应用和发展. 本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法, 结合Hubbard修正的广义梯度近似(GGA + U), 系统地研究了Ga, Ge和As掺杂对Li2CoSiO4晶体结构、电化学特性和电子结构的影响. 计算结果表明Ga, Ge和As掺杂改善了体系脱锂前后的体积变化, 有利于提高Li2CoSiO4材料的循环稳定性. 此外, Ga, Ge和As掺杂均有效降低了单位公式内第一个Li+脱嵌时的理论平均脱嵌电压, 同时掺杂Ge和As也可有效降低单位公式内第二个Li+脱嵌时的理论平均脱嵌电压. 态密度图结果表明Co2+对其3d轨道电子具有强烈的束缚作用, 导致体系在脱锂过程中Co2+难以失去电子用以参与电荷补偿. 而Ga, Ge和As掺杂有效地参与了体系在脱锂过程的电荷补偿, 这是导致体系理论平均脱嵌电压降低的主要原因.
2019, 68 (18): 187102.
doi: 10.7498/aps.68.20190859
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石墨烯和石墨炔的化学相容性表明它们能够以不同形式组合在一起, 从而构建新型超高频纳米晶体管. 通过石墨烯-石墨炔-石墨烯异质结纳米带构建双极器件模拟了两种新型纳米共振隧穿晶体管, 根据基于密度泛函理论的第一原理和非平衡格林函数方法对该晶体管的电子结构和量子输运特性进行了理论计算. 电子透射谱和电流-电压曲线的计算结果证明该晶体管的电流主要来源于共振隧穿跃迁并可由横向栅极电压控制, 因此可用作超高频纳米晶体管.
2019, 68 (18): 187103.
doi: 10.7498/aps.68.20190728
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为了实现对入射光的近场亚波长增强聚焦, 设计了一种由内部矩形纳米狭缝圆环阵列和外部多圆环狭缝构成的超表面结构, 得到了该结构激发的表面等离激元电场表达式, 并从物理机理上解释了该结构中心聚焦及增强聚焦的原理. 利用时域有限差分方法仿真研究了该超表面结构在不同偏振态入射光下的激发场聚焦特性. 根据理论推导与仿真结果可得, 该结构在波长为980 nm的圆偏振光入射下于近场的金属表面结构中心处生成半高宽为650 nm左右的亚波长聚焦光斑, 其场分布为近似的第一类贝塞尔函数. 与单一的矩形纳米狭缝圆环阵列结构相比, 带有外部多圆环狭缝的复合结构具有更好的增强聚焦效果, 使得中心焦斑强度提升了一倍, 且更有利于对激发场进行调控. 除此之外, 还讨论了任意偏振方向的线偏振光入射结构激发的电场, 得到了电场的解析表达式, 即入射光偏振角的正弦函数包络乘上第一类贝塞尔函数. 本文的研究对基于超表面结构的亚波长光调控有一定的指导意义, 在光镊、亚波长尺度光信息传输与处理等领域也有一定的应用价值.
2019, 68 (18): 187104.
doi: 10.7498/aps.68.20190254
摘要 +
通过远红外吸收谱、光致发光光谱和拉曼散射光谱, 对均匀掺杂在GaAs材料中Be受主能级之间的跃迁进行了研究. 实验中使用的GaAs:Be样品是通过分子束外延设备, 生长在半绝缘(100) GaAs衬底之上的外延单层. 在4.2 K温度下, 对样品分别进行了远红外吸收光谱、光致发光光谱、Raman光谱的实验测量. 在远红外吸收光谱中, 清楚地观察到了从Be受主1S3/2Γ8基态到它的三个激发态2P3/2Γ8, 2P5/2Γ8和2P5/2Γ7之间的奇宇称跃迁吸收峰. 跃迁能量与先前文献中报道的符合得很好. 从光致发光光谱中, 观察到了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态的两空穴跃迁的发光峰, 从而间接地找到了两能级之间的跃迁能量. 在Raman光谱中, 清楚地分辨出来了Be受主从1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态偶宇称跃迁的拉曼散射峰, 直接得到了两能级间的跃迁能量. 对比发现, 分别直接和间接得到的1S3/2Γ8基态到2S3/2Γ8激发态跃迁能量结果是一致的.
2019, 68 (18): 187301.
doi: 10.7498/aps.68.20190523
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采用密度泛函理论计算分析镍原子层间掺杂对多层石墨烯电子结构和光吸收性能的影响. 计算结果表明, 掺杂镍原子后的石墨烯电子结构发生了改变, 双层和三层石墨烯的带隙均可打开, 最大带隙为0.604 eV; 镍原子掺杂后的石墨烯d轨道电子的态密度在费米能级处产生尖峰效应, 体系等离子能量增强; 介电常数虚部和消光系数均增大, 吸光性能提高. 相关工作对深入探讨石墨烯的光学特性具有重要参考价值.
封面文章
2019, 68 (18): 187302.
doi: 10.7498/aps.68.20190817
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基于非平衡格林函数方法, 理论研究了Z轴方向局域交换场和电场对锗烯纳米带中电子自旋极化输运性质的影响. 结果表明对锗烯的边缘区域施加强度大于其2倍有效自旋轨道耦合强度的交换场, 可使自旋向上和向下电子的能带在不同的能量区间产生带隙, 从而实现对不同自旋取向电子的100%过滤. 提出了一种利用电场辅助降低自旋过滤效应所需阈值交换场强度的方法. 研究表明, 同时对中心器件区域施加局域交换场和电场, 可以在小于有效自旋轨道耦合的弱交换场强度下, 在较大的能量窗口区域过滤自旋向上或向下的电子. 增大局域交换场强度, 自旋过滤效应所对应的能量区间显著增大.
2019, 68 (18): 187401.
doi: 10.7498/aps.68.20190494
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为了进一步研究Sr2CuO3.4高温超导样品中调制结构与超导电性关系, 本文对其调制结构形成机制提出了一种新的解释. 采用同步辐射共振X射线衍射技术在Cu K边附近探测调制结构随入射光能量的变化, 探测到Cu2+, Cu3+变价有序, 并用于解释Sr2CuO3.4高温超导样品中调制结构的形成机制. 实验结果表明, 氧空位既占据顶角位置又存在于CuO2面内, 氧空位的有序排布造成变价铜离子有序, 这种有序结构与其超导电性相关.
2019, 68 (18): 187402.
doi: 10.7498/aps.68.20190759
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高温超导体具有较高的临界温度、高载流能力和低能耗特性, 在电力领域得到了广泛的应用, 其在通有承载电流情况下的力学特性得到了广泛的关注. 研究了承载电流情形下圆柱状超导结构内的磁通钉扎力学响应. 考虑临界电流密度沿径向非均匀分布, 基于临界态Bean模型, 获得了圆柱状超导结构内的感应磁场及电流的分布规律. 结合平面应变方法, 给出了结构内磁通钉扎力、应力及磁致伸缩的解析表达式. 结果表明: 临界电流密度非均匀分布时, 超导结构内的应力变化趋势与均匀分布时一致, 然而临界电流密度的非均匀分布将导致超导结构内的应力和磁致伸缩的极值增大, 并引起结构内局部径向应力大小发生改变以及环向应力分布不连续. 本研究表明临界电流密度非均匀性对超导结构力学性能的影响是显著的, 可为超导体的设计和实际应用提供参考依据.
2019, 68 (18): 187501.
doi: 10.7498/aps.68.20190765
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Jiles-Atherton (J-A)模型和Zheng Xiao-Jing-Liu Xing-En (Z-L)模型在分析应力对铁磁材料磁化的影响方面应用十分广泛. 目前, J-A模型中的磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用Jiles给出的经典拟合公式, 该拟合公式中磁化强度的二次项和四次项系数与应力均为线性关系, 不能准确描述铁磁材料磁致伸缩系数随应力、磁化强度的非线性变化规律; Z-L模型中磁致伸缩应变与应力和磁化强度的关系式采用了双曲正切函数tanh(x), 更好地描述了铁磁材料磁致伸缩应变和磁化强度随应力的非线性变化规律, 但Z-L模型却没有考虑Weiss分子场、钉扎效应的作用, 且由于采用了基于弹性能的接近定理, 只能描述弹性应力对磁化过程的影响. 针对上述问题, 本文结合Z-L模型中的非线性磁致伸缩应变关系式以及J-A模型中的磁滞理论, 考虑弹性应力、塑性变形对模型参数的影响, 建立了能够反映弹-塑性阶段应力与塑性变形对铁磁材料磁化曲线影响的修正磁化模型, 分析了弹性拉、压应力及塑性拉、压变形对磁化曲线、矫顽力和剩余磁化强度的影响规律. 通过与试验结果及原有模型的计算结果进行对比, 发现修正模型能够更好地反映单次磁化、循环磁化过程中应力、塑性变形对磁化曲线的影响规律, 理论预测结果与试验结果之间的相关系数均在0.98以上, 可为分析力磁耦合效应对铁磁材料磁化影响规律提供更准确的理论模型.
2019, 68 (18): 187901.
doi: 10.7498/aps.68.20190882
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应用固体物理和不可逆热力学理论, 研究新型高效石墨烯热离子热电功率器件的性能特性. 通过数值求解器件高温和低温端的能量平衡方程, 确定器件阴极板和阳极板的温度; 分析输出电压和阴极板功函数对器件的伏安特性及两个极板温度的影响, 确定器件在最大功率密度和最大效率时的参数特性; 折衷考虑功率密度和效率, 给出参数的优化取值区间; 分析了高温热源温度对优化性能的影响. 本文所得结果可为热离子能量转换器件的研制提供理论指导.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2019, 68 (18): 188401.
doi: 10.7498/aps.68.20190339
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在甚低频(3—30 kHz)及以下频段, 与波长相比, 传统天线属于电小辐射体, 因此辐射效率很低. 如果将永磁体进行机械旋转, 可以获得时变电磁场. 与传统天线相比, 旋转永磁体将机械能向电能转换, 不需要阻抗匹配网络, 提高了辐射效率. 为了计算旋转永磁体的电磁特性, 本文基于安培环路电流理论, 研究了空间正交磁偶极子与机械旋转永磁体的场等效关系. 在此基础上, 采用无限大空间并矢格林函数, 并引入旋转永磁体的初始旋转角参数, 推导了空间正交磁偶极子场分布的通用解析表达式, 作为分析旋转永磁体及其阵列的近场和远场分布的理论模型. 仿真表明, 当钕铁硼(NdFeB)永磁体剩余磁感应强度Br = 0.8 T、体积V = 270 cm3、转速为9600 r/min时, 对应频率为160 Hz, 在自由空间1 km的位置, 将产生15 fT的磁场; 在海水介质中, 当传输距离为250 m时, 磁场快速衰减到1 fT. 本文提出采用旋转永磁体阵列对近场分布特性进行调控, 仿真结果表明: 将两个相同的旋转永磁体组成二元阵, 将使近区磁感应强度提高3 dB; 改变阵元距离和初始旋转角, 可改变近区磁场分布方向图. 机械旋转永磁体为实现小型超低频发射天线提供了新的解决思路.
