特邀综述
特邀综述
2020, 69 (14): 140503.
doi: 10.7498/aps.69.20200161
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自组织是自然界广泛存在的一种自发从无序到有序的转变过程. 从晶体的生长到生物功能结构的形成, 自组织过程的影响和作用无处不在. 生物功能结构通常是具有多尺度特征的复合结构. 其中纳米结构的形貌及其空间排列方式对生物功能的实现起着关键作用. 功能结构有两大类: 平衡结构和非平衡结构. 本文总结了功能结构和人工仿生结构的最新进展. 研究发现, 虽然物理科学和材料科学在有关静态平衡功能结构的研究上取得了令人激动的进展, 但在如何实现具有响应和适应性的动态非平衡功能结构上, 仍然面临着挑战. 本文认为, 远离平衡态的活性体系在周期性驱动力的反复激发和训练下, 有可能演化出非平衡的动态结构. 这为实现具有自适应和自修复功能的非平衡结构提供了一种可能途径.
专题：拓扑物理前沿与应用
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2020, 69 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.69.20200506
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本文介绍了转角双层石墨烯和多层石墨烯中的电子结构、拓扑性质以及轨道磁性. 在转角双层石墨烯中, 由于两层石墨烯之间的相对旋转会形成具有长周期的摩尔条纹. 由转角产生的摩尔势场会在摩尔超元胞中产生方向相反的赝磁场, 与两层的石墨烯中的狄拉克电子耦合, 从而产生赝朗道能级. 而魔角石墨烯中的每个谷和自旋自由度的两条平带就等价于两个具有相反陈数的零赝朗道能级. 这样的赝朗道能级表示可以很自然地解释一系列“魔角”的来源, 也对理解魔角双层石墨烯中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要意义. 本文进一步讨论了转角多层石墨烯, 并发现转角多层石墨烯体系中普遍存在具有非平庸拓扑性质的平带. 这些拓扑平带通常具有非零的谷陈数, 并且在一定近似下可以由一个普适的规律描述. 本文还讨论了转角石墨烯体系中的拓扑平带所具有的轨道磁性. 如果时间反演对称性自发破缺, 转角石墨烯体系会处于一个谷极化的基态. 这样的谷极化基态是一个在摩尔尺度上的轨道磁性态, 在摩尔超胞中具有纳米尺度的环状电流分布. 之前的理论提出在转角双层石墨烯体系中观测到的关联绝缘态的本质就是一种净磁矩为零的“摩尔轨道反铁磁态”. 当体系的$C_{2z}$ 对称性被氮化硼衬底破坏时, 转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种“摩尔轨道铁磁态”, 它不仅具有(量子)反常霍尔效应, 也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.
总论
2020, 69 (14): 140201.
doi: 10.7498/aps.69.20200154
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纳米级L12结构的γ′有序相形态、析出过程和原子排布等对镍基中熵合金强化具有重要作用. 本文采用微扩散相场动力学模型探究Ni60Al20V20中熵合金沉淀过程微观机理, 以原子占据晶格位置的几率为场变量描述微结构变化, 结合反演算法, 通过分析γ′相和θ相原子图像演化, 序参数变化, 体积分数变化等, 探讨了γ′(Ni3Al)和θ(DO22)有序相的沉淀机制. 研究结果表明: Ni60Al20V20中熵合金无序相有序化动力学过程中, L10相和DO22相同时析出, L10相逐渐转变为L12-γ′相, 而传统Ni75Al7.5V17.5合金沉淀序列是先析出L10相, L10转变为L12相后, DO22相在L12相的反相畴界处析出. L10向L12转变时, 面心立方晶格α位被Ni原子占据, β位被Al原子和V共同占据. 原子等成分有序化形成DO22结构θ单相有序畴, 随后失稳分解; L10结构非经典形核, 逐渐转化为L12-γ′相并失稳分解. Ni-Al第一近邻原子间相互作用势随温度线性升高, 随长程序参数增加逐渐增加; Ni60Al20V20中熵合金孕育期随温度升高而时间变长. 本文研究适用于Ni-Al-V中熵合金设计.
封面文章
2020, 69 (14): 140301.
doi: 10.7498/aps.69.20200372
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研究了在环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构. 探索了自旋-轨道耦合作用和旋转效应对基态的影响. 结果发现, 在环形势阱下, 基态结构呈现环形分布的half-skyrmion链. 调节自旋-轨道耦合强度, 不仅可以改变体系内half-skyrmion数量, 而且能够调控half-skyrmion环形排列的对称性. 随着旋转频率增大, 体系从平面波相转化为环形对称排列的half-skyrmion链相, 最后过渡到三角格子的half-skyrmion相. 讨论了自旋相互作用和势阱形状对基态的影响. 自旋-轨道耦合强度和旋转频率作为体系的调控参数, 可用于控制不同基态相间的转化.
2020, 69 (14): 140501.
doi: 10.7498/aps.69.20191657
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在一维伊辛模型基础上, 采用严格对角化方法研究孤立量子系统在周期驱动下量子微正则统计形成与抑制的条件. 研究表明用纵向磁场驱动时伊辛模型不能形成量子微正则统计, 用横向磁场驱动时可出现部分形成的趋势, 如果同时在伊辛模型内引入局域随机磁场则可完全实现. 量子微正则统计分布在系统中的形成或抑制取决于弗洛凯算符对量子系统作用的效果, 可通过信息熵定量描述, 信息熵越大则时间演化越能有效地遍历希尔伯特空间, 从而形成量子微正则统计. 这一行为是孤立量子系统可被热化的反映.
2020, 69 (14): 140502.
doi: 10.7498/aps.69.20191981
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以永磁铁构成的常规非线性多稳态悬臂梁系统, 若要增加稳态数目, 通常需引入更多的磁铁, 易使系统结构变复杂和参数增多. 本文利用矩形磁铁和环形磁铁的作用, 提出了一种双磁铁构成的多稳态悬臂梁系统. 通过矩形磁铁和环形磁铁之间磁力以及系统势函数的理论分析与实验检验, 证明这种双磁铁悬臂梁系统在不同的磁铁尺寸或磁铁间距下, 可以具有单稳、双稳、三稳和四稳的非线性特征, 为实现由永磁铁构成多稳态悬臂梁系统, 提供了有效简化的设计途径.
2020, 69 (14): 140504.
doi: 10.7498/aps.69.20200133
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采用晶体相场法模拟纳米尺度下小角度非对称倾斜晶界结构和位错运动, 从外应力作用下晶界位错运动位置变化和晶体体系自由能变化角度, 分析取向角对小角度非对称倾斜晶界结构和晶界位错运动的影响规律. 研究表明, 不同取向角下组成小角度非对称倾斜晶界的位错对类型相同. 随取向角增大晶界位错对增加, 且晶界更易形成n1n2型和n4n5型位错对. 外应力作用下, 不同取向角晶界位错对初始运动状态均沿晶界进行攀移运动, 随体系能量积累, 取向角越大出现晶界位错对分解的个数越多, 且均为n1n2型和n4n5型位错对发生分解反应. 不同取向角下小角度非对称倾斜晶界体系自由能曲线都存在四个阶段, 分别对应位错对攀移、位错对滑移及分解、位错对反应抵消形成单晶和体系吸收能量自由能上升过程. 进一步对比发现随取向角增大, 晶界湮没形成的单晶体系所需时间增加.
2020, 69 (14): 140601.
doi: 10.7498/aps.69.20191800
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冷原子碰撞频移是限制铯原子喷泉钟频率不确定度性能的主要因素之一. 在使用外推法测量冷原子碰撞频移时, 制备密度均匀成比例的原子团是减小系统误差的关键. 绝热跃迁方法可以用来实现均匀跃迁比例, 均匀度可达10–3. 通过理论分析Bloch矢量的演化, 导出了误差满足的方程, 实验测量了不同参数对跃迁几率的影响, 印证了理论分析. 在此基础上可以优化实验参数并评估原子有效密度比的不确定度, 实现了冷原子碰撞频移的高精度测量.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.69.20200125
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利用实验室研制的近红外激光外差光谱仪, 开展了基于最优估计算法的温室气体柱浓度反演和系统测量误差的近似评估等相关工作. 首先, 通过光谱数据库、参考正向模型计算结果与傅里叶变换红外光谱技术探测结果筛选出了探测窗口, 并以此为依据选择了相应的激光器和探测器; 其次, 建立了基于参考正向模型最优估计浓度反演算法, 采用Levenberg-Marquardt (LM) 迭代方法, 实现了整层大气CO2柱浓度及垂直分布廓线的反演, 并开展了长期观测对比实验, 验证了反演算法的可行性; 最后, 通过模拟所选探测窗口波段在不同白噪声条件下的正向大气透过率谱, 获得了系统SNR与柱浓度测量误差之间的近似对应关系. 该研究是探测系统不可或缺的理论计算部分, 将有助于完善激光外差技术在大气探测中的应用.
2020, 69 (14): 144202.
doi: 10.7498/aps.69.20200496
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提出了一种基于增强型视觉密码的光学信息隐藏系统. 该系统可将秘密图像分解为多幅有实际意义的分享图像, 然后将这些分享图像隐藏在相位密钥中, 相位密钥可以制成衍射光学元件, 以实体的形式保存和传输, 扩展了视觉密码的应用范围. 在提取过程中, 只需要使用激光照射衍射光学元件, 再现分享图像, 然后只需要将一定数量的分享图像进行非相干叠加即可提取秘密图像, 不需要额外掌握光学和密码学的知识, 其简单性让任何人都可以使用. 仿真实验和光学实验结果表明, 该系统可应用于实际, 并且具有良好的安全性.
2020, 69 (14): 144203.
doi: 10.7498/aps.69.20200243
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携带轨道角动量的涡旋光束作为传输信息的载体能有效提高信息传输效率, 然而在传输过程中受大气湍流影响轨道角动量会发生串扰. 基于螺旋谱分析理论, 推导得到了聚焦拉盖尔高斯光束在各向异性大气湍流中传输时的螺旋谱解析表达式, 并对比分析不同湍流和光束参数对聚焦与非聚焦拉盖尔高斯光束接收功率的影响, 最后利用多相位屏法进行模拟验证. 结果表明: 随着传输距离、湍流强度、拓扑荷数的增大以及湍流内尺度、光束波长的减小, 接收功率减小, 轨道角动量串扰增大; 接收孔径到达一定值时对轨道角动量串扰的影响非常小; 聚焦光束比非聚焦光束的轨道角动量串扰要小. 这些结果将对提高自由空间光通信的质量有一定意义.
2020, 69 (14): 144301.
doi: 10.7498/aps.69.20200059
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涡旋是深海环境中频繁出现的海洋现象, 它会引起上层海水的声速扰动, 改变海面风成噪声的传播过程, 最终导致噪声场特性异常. 本文采用高斯涡模型描述涡旋引起的声速扰动, 分别使用射线和抛物方程模型描述近场和远场噪声信号的传播, 研究了涡旋对其水平中心位置不同深度上的风成噪声垂直空间特性(包括噪声垂直方向性和垂直相关性)的影响. 研究表明: 1)在涡心深度上, 涡旋对噪声垂直空间特性的影响最大, 其中冷涡导致噪声垂直方向性中水平凹槽的宽度增加, 凹槽下边缘峰值的高度降低, 噪声垂直相关性减弱, 暖涡的影响反之; 2)在远离涡心的深度上, 涡旋对噪声垂直空间特性的影响减小, 冷涡和暖涡分别仅引起噪声垂直方向性中水平凹槽下边缘峰值的高度升高和降低, 对噪声垂直相关性几乎没有影响; 3)涡旋对噪声垂直空间特性的影响均随其绝对强度增大而增强. 针对以上现象, 使用射线逆推方法分析了涡旋影响噪声垂直空间特性的机理. 该方法由噪声接收点发射声线, 利用声场互易性分析噪声沿声线反向到达接收点的俯仰角和能量大小. 分析表明, 存在涡旋时, 噪声沿海面反射声线反向到达接收点的俯仰角和能量变化, 是引起噪声垂直空间特性变化的主要原因. 此外, 仿真表明, 当接收点偏离涡旋水平中心但两者距离较近时, 研究中的分析和结论仍是近似成立的.
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2020, 69 (14): 144701.
doi: 10.7498/aps.69.20200255
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在使用大涡模拟方法获得超声速混合层流场的基础上, 利用拉格朗日相干结构法和涡核位置提取方法, 得到了涡结构的边界和涡核的位置坐标, 并由此提出了涡结构内部流体密度分布的表示方法. 通过分析涡结构内部流体的密度在不同情况(如涡结构的空间尺寸、混合层流场的压缩性和涡结构的融合过程)下的变化, 揭示出超声速混合层涡结构内部流体的密度分布特性: 在弱和中等压缩性的超声速混合层流场中, 其涡结构内部流体的密度分布既关于流向(x轴)对称又关于纵向(y轴)对称, 涡核处的流体密度最低而涡边界处的流体密度最高, 流体密度在连接涡核与涡边界的射线上单调且近似均匀地增加; 在强压缩性的超声速混合层流场中, 其涡结构内部流体的密度分布不再具有对称性, 而且流体密度呈现波动变化的特点; 随着涡结构空间尺寸和流场压缩性的增加, 涡核处的流体密度降低(最大减少量约为31%—56%), 而涡边界的流体密度变化量约为6%—27%; 在相邻两个涡结构的融合过程中, 涡结构内部流体密度的变化较轻微, 表明融合过程很可能是两个涡结构内部流体的对等组合过程.
2020, 69 (14): 144702.
doi: 10.7498/aps.69.20200102
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分离流动是一种复杂湍流现象, 其中微小尺度结构的发展演化有着重要的影响, 但是湍流数值模拟中数值方法的固有耗散会抑制小尺度流动结构的发展. 因此, 本文结合延迟分离涡模拟方法, 基于五阶耗散紧致格式, 通过引入流场相关的调节因子, 构造自适应耗散调节方法, 使其在大涡模拟区域降低耗散影响以提高对小尺度流动结构的辨识能力, 在雷诺平均区域恢复正常耗散水平以保持稳定求解. 本文首先通过近似色散关系和涡输运算例说明该方法可有效降低数值耗散影响, 同时具有更高分辨率的涡保持能力; 随后通过各向同性衰减湍流和平板槽道流动展示了该方法可有效提高对微小流动结构的辨识能力, 同时在存在大梯度的流场中可保持求解稳定性; 最后求解Re = 3900 亚临界状态下的圆柱绕流, 通过对比流场云图、时均速度和雷诺应力分布曲线, 说明了该方法通过减小分离区耗散影响, 可有效提高对典型分离流动求解的准确性.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (14): 145201.
doi: 10.7498/aps.69.20200222
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中国聚变工程实验堆(CFETR)是我国自主设计和研制的新一代磁约束聚变装置. 基于快波的色散关系, 通过理论分析和数值求解等离子体色散函数$ Z(\xi )$ , 获得了螺旋波(快磁声波)与等离子体相互作用波阻尼因子G与等离子体参数和波频率等的关系. 研究结果表明: 在CFETR等离子体放电参数下, 螺旋波能够产生显著的离轴波功率沉积和波驱动电流, 波与等离子体相互作用的主要物理机制是电子朗道阻尼. 此外, 螺旋波阻尼系数与发射波(谱)的平行折射率和等离子体参数密切相关, 但总是随着波频率增加而变大. 对CFETR装置混合运行模式的GENRAY/CQL3D模拟研究结果表明, 800 MHz的螺旋波能够在$ r \approx 0.5a$ 处产生显著的波功率沉积和波驱动电流, 驱动电流的效率约为50 kA/MW.
2020, 69 (14): 145202.
doi: 10.7498/aps.69.20191700
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阐述了全吸收法测量脉冲硬X射线能注量的基本原理, 选择了光电管配合硅酸镥(LSO)闪烁体作为探测系统的核心部件, 研制了脉冲硬X射线能注量测量系统. 利用该系统测量了“闪光二号”加速器产生的脉冲硬X射线强度, 结合灵敏度的实验标定结果, 计算得到了脉冲硬X射线的能注量. 在连续5发次的实验中, 能注量平均测量结果为35.9 mJ/cm2, 根据实测剂量和能谱计算得到的能注量为39.8 mJ/cm2, 两者的结果比较一致.
2020, 69 (14): 145203.
doi: 10.7498/aps.69.20200473
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介质阻挡放电被众多工业领域用作低温等离子体源, 柱状放电是介质阻挡放电的重要形式之一, 但其放电理论尚未掌握. 进行大气压氦气介质阻挡放电实验, 通过降低外施电压低于起始放电电压实现了柱状放电从单柱到多柱的斑图演化, 拍摄了电极底面放电图像, 测量了外施电压、放电电流、放电转移电荷、放电柱的柱直径和柱间距, 计算了放电柱受其他所有柱施加的库仑力与磁场力. 结果表明: 外施电压变化瞬间电极底面放电图像呈现出动态演化过程. 不同层放电柱的柱直径由中心向外层依次增大. 计算发现演化稳定后放电柱所受库仑力远大于磁场力, 推理存在一约束势平衡库仑力使放电柱稳定分布. 不同电压、位置的放电柱所受库仑力不同: 不同层的放电柱所受库仑力由最外层至中心柱依次减小, 中心柱受力为0, 最外层放电柱的约束势应最大而中心放电柱的约束势应该最小; 外施电压降低, 介质表面电荷和放电柱总数的共同作用导致库仑力增大, 约束势也应有所增大, 即约束势受介质表面电荷、放电柱总数与位置的共同影响.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2020, 69 (14): 146101.
doi: 10.7498/aps.69.20200502
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采用磁控溅射方法制备了Ge50Te50/Zn15Sb85纳米复合多层薄膜. 研究了薄膜的电阻随温度的变化以及薄膜的晶化激活能. 通过透射电子显微镜比较了晶化前后Ge50Te50/Zn15Sb85纳米复合多层薄膜的截面多层结构. 制备了基于[GT(7nm)/ZS(3nm)]5多层复合薄膜的相变存储器件, 并测试了其电性能. 研究表明, Ge50Te50/Zn15Sb85纳米复合多层薄膜具有较好的非晶态热稳定性和数据保持力, 其器件具有较快的转变速度、较低的操作功耗和较好的循环性能. Ge50Te50/Zn15Sb85纳米复合多层薄膜是一种潜在的高热稳定性和低功耗的相变存储材料.
2020, 69 (14): 146801.
doi: 10.7498/aps.69.20200436
摘要 +
Te基热电材料以其优异的热电性能得到科研工作者的广泛关注, 但该领域关于器件制备和连接界面方面的研究尚属空白. 本研究基于成分梯度、载流子浓度梯度构成的多元梯度势场对界面粒子传输过程的协同调控机制, 在热电材料Te和电极Fe之间引入β(FeTe)作为阻隔层, 设计制备了Te/β(FeTe)/Fe梯度连接结构, 并对界面新相、接触电阻和机械性能进行了研究. 研究结果表明, 中间合金层β(FeTe)与热电材料和电极材料的界面组织结构致密, 有效阻隔了界面元素间严重的交互扩散. 该β(FeTe)-Te间形成了约40 μm的反应层, β(FeTe)与Fe和Te间的接触电阻分别为4.1和7.54 μΩ·cm2, 剪切强度分别为16.11和15.63 MPa. 时效温度对梯度连接结构的服役寿命和性能影响显著, Te/β(FeTe)/Fe的界面组织在553 K温度下时效15 d, 界面性能保持稳定; 当时效温度升至573 K时, 由于高温下材料的不稳定性, 导致性能随着退火时间的延长急剧下降, 并在10 d之后完全破坏, 这表明其最佳工作温度不得高于553 K. 该梯度连接结构成功实现了抑制界面元素过度扩散、降低界面残余应力以及提升界面工作稳定性和服役寿命等目的, 其设计思路和研究结果对半导体领域器件的制备具有重要借鉴意义.
2020, 69 (14): 146802.
doi: 10.7498/aps.69.20191955
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通过详尽的第一性原理计算, 提出了一类新型的二维III族金属硫族化合物MX (M = Al, Ga, In; X = S, Se, Te)的同素异形体. 这类化合物的结构是由正方形和八边形环构成的. 计算得到的结合能和声子谱表明, 所有的结构都同时具有能量和动力学稳定性. 所有结构都是间接带隙半导体, 其带隙大小随X原子由S到Se到Te的变化而减小. 计算结果表明这类材料具有很广的带隙范围, 从1.88到3.24 eV, 同时它们的能带结构可以通过双轴应变进一步调节. 这些结构具有丰富的电子结构性质和可调的带隙, 有可能被用于未来纳米电子学领域.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2020, 69 (14): 147201.
doi: 10.7498/aps.69.20200431
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为了获得高热电性能薄膜材料, 采用抗坏血酸(VC)作为还原剂对PEDOT-Tos-PPP薄膜进行后处理, 研究了不同浓度的VC水溶液对薄膜热电性能的影响, 并研究了后处理薄膜在空气中的稳定性. 结果表明, 经浓度为20%的VC水溶液处理后, 薄膜功率因子呈现最大值55.6 μW·m–1·K–2, 是处理之前(32.6 μW·m–1·K–2)的1.7倍, 室温下最大的ZT值为0.032. 经过VC处理后PEDOT薄膜的电导率和Seebeck系数在空气中表现出不稳定的特性, 主要是由于空气中的氧气导致薄膜表面中性态PEDOT进一步发生氧化引起的.
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2020, 69 (14): 147202.
doi: 10.7498/aps.69.20200240
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采用高压在位交流阻抗谱技术, 研究了ZnS纳米晶在0—29.8 GPa压力范围内的晶粒和晶界性质变化及相关相变机理. 从晶粒和晶界的模谱图像中观察到, 随着压力的增加, 象征晶界影响的圆弧逐渐增加, 而代表晶粒作用的圆弧逐渐减弱. 此外, 晶粒电阻和晶界电阻随压力的升高呈现不同的变化速率, 并在11和15 GPa处出现了不连续变化点, 分别对应着由纤锌矿到闪锌矿到岩盐相结构转变的压力点. 进一步通过分析相变过程中晶界弛豫频率随压力的线性变化关系, 研究了ZnS由纤锌矿到闪锌矿到岩盐相的相变机理.
2020, 69 (14): 147501.
doi: 10.7498/aps.69.20200435
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以核((Nd0.7,Ce0.3)2Fe14B)-壳(Nd2Fe14B)型晶粒为研究对象, 利用C++语言进行编程建模, 通过微磁学模拟软件OOMMF进行计算仿真, 系统讨论了核的尺寸、壳层厚度以及壳层分布对单晶粒磁体反磁化过程的影响. 对于核((Nd0.7,Ce0.3)2Fe14B)-壳(Nd2Fe14B)型晶粒, 当壳层厚度不变时, 矫顽力随核的尺寸增加而单调递减. 当核的尺寸不变时, 壳层厚度的增加使得矫顽力先增加后降低. 当核的尺寸不变, 壳层总体积也不变时, 壳层的不同分布会影响矫顽力的大小, 其中当壳层仅平均分布于核的z面(垂直于z轴的两个面)时, 矫顽力达到最大值.
2020, 69 (14): 147601.
doi: 10.7498/aps.69.20200072
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在金刚石氮空位色心的高灵敏传感探测研究中, 光学调控是氮空位色心实现高效光学初态制备及信息提取的关键. 本文基于高浓度的金刚石氮空位色心系综检测展开, 采用脉冲光学探测磁共振技术, 系统地研究了激光初态极化时间、信息读取时间与激光功率的关联特性, 并进一步研究了激光入射偏振角与传感信息精度的关系. 探究了各个激光参数对高浓度金刚石氮空位色心系综[111]轴上光学探测磁共振谱中第一个共振峰的影响, 并通过实验结果进行分析, 最终选取在光功率密度为45.8 W/cm2下的最优实验参数(300 μs的极化时间, 700 ns的读取时间, 激光入射角为220°)进行了光学磁探测共振测试, 与优化前的实验参数(极化时间为50 μs, 读取时间为3000 ns, 入射角度为250°)相比, 典型的磁检测灵敏度由21.6 nT/Hz1/2提升到5.6 nT/Hz1/2. 以上研究结果表明我们已经实现光学精密调控的优化测量, 这些研究结果也为高浓度氮空位色心系综精密调控实现温度和生物成像、量子计算及量子信息等领域调控传感检测提供了有效参考.
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2020, 69 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.69.20200347
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近几年来, 稀土上转换发光纳米材料凭借其生物组织穿透深度大、无组织损伤、无背景荧光干扰和成像灵敏度高等诸多优点, 在生物体荧光成像领域展现了巨大的潜在应用价值. 本文采用“一次热注射”高温溶剂热法制备不同壳层厚度的NaYF4:Yb, Tm@NaYF4上转换发光材料. 利用透射电子显微镜、粒径分析、荧光光谱等对产物进行表征, 探讨壳层厚度对纳米粒子上转换发光强度的影响. 结果表明, 在980 nm近红外光照射下, 上转换纳米材料能够发出紫外-可见光. 而且, 由于壳层包覆有效抑制了上转换发光的表面猝灭效应, 核壳结构的NaYF4:Yb, Tm@NaYF4纳米粒子发光强度比NaYF4:Yb, Tm提高了数十倍; 当壳层厚度为22.7 nm时, 上转换发光强度最强. 此外, 通过对上转换发光颗粒进行酸洗和聚乙二醇(PEG)修饰, 提高了纳米材料的生物相容性, 并成功将其应用于细胞的上转换荧光成像.
2020, 69 (14): 147802.
doi: 10.7498/aps.69.20200242
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采用Lee-Low-Pines变换和Pekar类型变分法推导出非对称高斯势施主中心量子点中磁极化子的基态和激发态能量和波函数, 进而构造了qubit所需的二能级结构. 基于费米黄金规则研究了磁极化子基态的衰变. 通过研究电磁场下材料的介电常数比、电声耦合常数和温度对非对称高斯势施主中心量子点中磁极化子基态寿命的影响, 揭示了材料属性与温度、电磁场等环境因素对量子点qubit退相干的影响, 进而揭示了体纵光学声子效应导致量子点qubit退相干的机理.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (14): 148101.
doi: 10.7498/aps.69.20200454
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三维石墨烯为开发高能量密度的电极提供了有效的途径. 与二维石墨烯相比, 三维石墨烯具有三维导电网络, 极大地改善锂离子和电子传输的能力, 同时能够承受电极循环期间的结构和体积变化. 本文发展了低压封闭化学气相沉积法(CVD), 以泡沫镍为模板, 采用聚甲基丙烯酸甲酯为固态碳源来制备缺陷可控的三维石墨烯泡沫. 分别研究了碳源添加量、反应时间及氢气含量对三维石墨烯泡沫形貌及结构的影响, 发展了一种新型的三维石墨烯泡沫制备工艺, 所制备的三维石墨烯泡沫具有缺陷密度可控, 质量轻及化学性能稳定的特点. 以三维石墨烯泡沫为导电框架和活性物载体来制备ZnO/石墨烯泡沫(ZnO/GF)复合电极并作为锂离子电池负极, 循环200圈后仍能保持851.5 mA·h·g-1的高比容量, ZnO/三维石墨烯电极表现出较高的可逆容量以及优异的循环性能.
2020, 69 (14): 148201.
doi: 10.7498/aps.69.20200432
摘要 +
纳米粒子是调控聚电解质刷行为的一种新手段, 聚电解质刷是调控纳米粒子与表面相互作用的一种重要媒介, 本文应用强拉伸理论研究了聚电解质刷浸没于带同种电荷的纳米粒子溶液中的行为. 给出了聚电解质刷、纳米粒子、反离子的密度分布和刷厚度的解析表达式, 基于解析表达式, 得到了体系的特征标度关系. 当纳米粒子浓度$\varPhi$ 较高, 电量Z较低时, 纳米粒子可以渗入聚电解质刷内部. 当纳米粒子浓度$\varPhi$ 相对较低, 电量Z较高时, 纳米粒子几乎不能渗入刷内部, 但依然可以影响刷的厚度. 在前一种情形下, 刷行为由反离子、纳米粒子的渗透压与链的熵弹性之间的竞争决定, 刷厚度满足的标度关系为$H \approx (Z\varPhi)^{-1/3}$ ; 在后一种情形下, 刷行为由反离子的渗透压与链的熵弹性之间的竞争决定, 刷厚度满足的标度关系为$H \approx (Z\varPhi)^{-1}$ . 本文还探究了纳米粒子多分散性的效应.
2020, 69 (14): 148501.
doi: 10.7498/aps.69.20200523
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针对削弱暗计数噪声对单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode, SPAD)探测器的影响, 本文研究了采用多晶硅场板降低SPAD器件暗计数率(dark count rate, DCR)的机理和方法. 基于0.18-μm 标准CMOS工艺, 在一种可缩小的P+/P阱/深N阱器件结构的P+有源区和浅沟道隔离区(shallow trench isolation, STI)之间淀积了一层多晶硅场板来减小器件暗计数噪声. 测试结果表明, 多晶硅场板的淀积使SPAD器件的DCR降低了一个数量级, 其在高温下的暗计数性能甚至优于室温下的未淀积多晶硅场板的器件. 通过TCAD仿真进一步发现, SPAD器件保护环区域的峰值电场被多晶硅场板引入到STI内部, 保护环区域的整体电场降低了25%; 最后通过对DCR的建模计算得出, 多晶硅场板削弱了具有高缺陷密度的保护环区域的电场, 使缺陷相关DCR显著降低, 从而有效改善了SPAD的暗计数性能.
2020, 69 (14): 148701.
doi: 10.7498/aps.69.20200254
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心血管疾病尤其是高血压已成为人类生命健康最大杀手之一. 本文探究主动脉瓣心音信号与血压之间的关系, 提出一种基于心音信号的无创血压估计方法. 首先, 根据血压与心音信号的关系, 提取第一心音和第二心音峰值点的时间间隔以及第二心音的峭度作为特征; 接着将第一心音和第二心音峰值点的时间间隔、第二心音的峭度与所测收缩压和舒张压进行线性拟合; 最后根据第一心音和第二心音峰值点的时间间隔、第二心音的峭度与血压的线性关系, 提出基于心音的血压评估公式. 实验结果表明, 第一心音和第二心音峰值点的时间间隔、第二心音的峭度能够作为血压评估的特征参数, 与血压具有良好的线性关系, 其拟合优度分别为0.801和0.765, 通过本文推导出的血压计算公式所得血压与商用电子血压计测量值的平均误差小于5 mmHg, 标准偏差小于8 mmHg. 本文提出基于心音对血压进行评估的一种新方法, 可用于血压的连续测量, 针对某些特殊条件下, 具有显著的应用前景.
2020, 69 (14): 148702.
doi: 10.7498/aps.69.20200335
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为了提出性能优异的图像质量评价(IQA)模型, 本文基于人类视觉感知特性和图像的灰度梯度、局部对比度和清晰度特征, 提出了一种基于图像内容对比感知的IQA方法. 在该方法中, 首先结合视觉感知特性, 基于物理学中对比度定义, 提出一种图像质量定义及其值计算方法; 之后, 基于灰度梯度共生矩阵, 提出一种图像灰度梯度熵的概念及其值的计算方法, 并基于图像灰度梯度熵、局部对比度和清晰度, 提出一种图像内容及其视觉感知的描述方法; 最后, 基于图像内容特征和图像质量定义, 综合分析, 提出IQA方法及其数学模型. 并且采用5个开源图像数据库中的119幅参考图像和6395幅失真图像对其进行了仿真测试, 同时分析和探讨了52种失真类型对IQA的影响; 另外, 为了说明所提IQA模型的优势, 将其与现有的7个典型IQA模型, 从精度、复杂性和泛化性能上进行了对比分析. 实验结果表明, 所提IQA模型的精度PLCC值在5个数据库中最低可以实现0.8616, 最高可达到0.9622, 其性能综合效益优于7个现有IQA模型. 研究结果表明, 所提IQA方法是有效的、可行的, 所提IQA模型是一个性能优异的IQA模型.
