特邀综述
特邀综述
2020, 69 (6): 066101.
doi: 10.7498/aps.69.20191870
摘要 +
非晶态物质的本质及形成过程是凝聚态物理领域最困难也是最有趣的问题之一. 非晶形成过程在原子结构上不会衍生出人们在传统晶体结构里所熟悉的长程有序性, 因此对于此类在自然界中广泛存在的物质形态, 至今还没有有效的实验表征手段和理论研究方法. 非晶态物质的原子结构及其构效关系的研究是凝聚态物理和材料科学等众多研究领域所关注的热点问题之一. 随着对非晶态物质物性研究的深入, 人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程序对系统性质的重要影响, 建立以中程序为基础的结构-动力学关系对于理解玻璃及玻璃转变的本质起着重要的作用. 本文简要综述了基于图论提出的原子局域连接度这一新的结构序参量在液体和玻璃的结构及构效关系研究中的应用. 新的结构序参量从过去侧重于关注局域原子团簇的种类和分布, 转移到更加关注某一类具有特殊对称性的原子的空间连接情况, 即更多地尝试从原子中程序的角度来建立非晶态物质中的构效关系. 新的研究结果表明, 局域连接度可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系.
总论
2020, 69 (6): 060201.
doi: 10.7498/aps.69.20191543
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电子束照射下电介质/半导体样品的电子束感生电流(electron beam induced current, EBIC)是其电子显微检测的重要手段. 结合数值模拟和实验测量, 研究了高能电子束辐照下SiO2/Si薄膜的瞬态EBIC特性. 基于Rutherford模型和快二次电子模型研究电子的散射过程, 基于电流连续性方程计算电荷的输运、俘获和复合过程, 获得了电荷分布、EBIC和透射电流瞬态特性以及束能和束流对它们的影响. 结果表明, 由于电子散射效应, 自由电子密度沿入射方向逐渐减小. 由于二次电子出射, 净电荷密度呈现近表面为正、内部为负的特性, 空间电场在表面附近为正而在样品内部为负, 导致一些电子输运到基底以及一些出射二次电子返回表面. SiO2与Si界面处俘获电子导致界面附近负电荷密度高于周围区域. 随电子束照射样品内部净电荷密度逐渐降低, 带电强度减弱. 同时, 负电荷逐渐向基底输运, EBIC和样品电流逐渐增大, 电场强度逐渐减小. 由于样品带电强度较弱, 表面出射电流和透射电流随照射基本保持恒定. EBIC、透射电流及表面出射电流均随束流呈现近似正比例关系. 对于本文SiO2/Si薄膜, 透射电流随束能的升高逐渐增大并接近于束流值, EBIC在束能约15 keV时呈现极大值.
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2020, 69 (6): 060301.
doi: 10.7498/aps.69.20191689
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相比于离散变量量子密钥分发, 连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势, 但是在安全传输距离上却略有不足. 尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能, 尤其在安全传输距离方面有着显著的提升, 然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知. 鉴于上述分析, 本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案, 试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能. 研究结果表明, 在相同参数下, 当优化量子催化引入的透射率T, 相比于原始四态调制协议, 所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能. 特别是, 对于可容忍过噪声为0.002, 量子催化可将安全通信距离突破300 km, 密钥率为 10–8 bits/pulse, 而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果. 此外, 为了彰显量子催化的优势, 本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界, 仿真结果表明, 虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界, 但是相比于前者, 后者能够在远距离通信上逼近于这种边界, 这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.
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2020, 69 (6): 060302.
doi: 10.7498/aps.69.20191765
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目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差, 不能应用于野外进行绝对重力测量, 这限制了原子重力仪的应用领域. 本文利用自研的小型化原子重力仪, 集成了一套车载绝对重力测量系统. 该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成. 首先, 本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估, 发现在野外40 ℃高温、8°大倾角普通路面的环境下, 该系统仍然能够正常工作; 其次, 介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法, 并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响. 最后, 在野外平坦路面上进行了重复测线工作, 评估了系统的内符合绝对重力测量精度, 结果约为30 μGal; 在野外大倾角山体路面, 通过测量不同海拔高度点的绝对重力值, 得到了地球的垂直重力梯度值, 约为–231(36) μGal/m. 本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.
2020, 69 (6): 060501.
doi: 10.7498/aps.69.20191516
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从物理学的视角看, 群体观点演化实质可以看作是观点粒子状态变化的集体效应. 本文考察在双稳态势中噪声诱导观点粒子的状态转变, 利用加权拉盖尔完备正交函数法计算了时间关联函数和描述驱动-响应关系的弛豫时间. 理论计算结果表明, 噪声诱导作用存在一个临界值Dc, 若噪声强度高于临界值, 时间关联函数随关联时间呈指数型增加. 结果还显示, 存在弛豫时间随势垒纵横比/噪声强度变化取值趋于无穷的双奇异点现象. 奇异点处无法实现观点粒子状态的转变. 弛豫时间与势垒纵横比之间存在线性关系, 预示着在双稳态势场中观点粒子受噪声驱动呈现类似牛顿第二定律的驱动-响应关系, 而弛豫时间在这个关系中充当表征惯性质量的角色.
2020, 69 (6): 060701.
doi: 10.7498/aps.69.20191214
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目前, 针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合, 仍缺乏有效的数值分析方法. 因此, 本文提出一种高效的时域混合算法, 很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题. 首先, 对经典传输线方程进行改进, 推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程. 然后, 结合时域有限差分方法和相应插值技术, 求解修正传输线方程, 获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应, 并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算. 最后, 通过相应计算实例的数值模拟, 与CST软件的仿真结果进行对比, 验证了时域混合算法的正确性和高效性.
核物理学
2020, 69 (6): 062801.
doi: 10.7498/aps.69.20191545
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针对低强度射线成像, 自主研制了一种像元为0.1 mm高探测效率的液闪阵列屏. 为此, 基于倾斜刀口边缘响应的测量原理, 建立了理论模拟方法和实验研究方法, 对该液闪阵列屏开展了空间分辨性能研究. 通过理论模拟, 给出了液闪阵列屏在14 MeV中子和1.25 MeV 伽马射线激发下的调制传递函数, 并与像元为0.1, 0.3和0.5 mm的闪烁纤维阵列屏进行了理论对比. 在60Co伽马射线源上, 对液闪阵列屏和像元为0.3和0.5 mm的两种国产闪烁纤维阵列屏进行了调制传递函数实测研究. 理论模拟和实验结果一致, 均表明液闪阵列的空间特性优于闪烁纤维阵列屏, 而且具有更好的均匀性, 对1.25 MeV伽马, 空间分辨接近0.9 lp/mm, 而其他两种纤维阵列屏仅达到0.5 lp/mm, 对于14 MeV中子, 液闪阵列屏的空间分辨可达到1.8 lp/mm.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (6): 064201.
doi: 10.7498/aps.69.20191621
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相机阵列是获取空间中目标光场信息的重要手段, 采用大规模密集相机阵列获取高角度分辨率光场的方法增加了采样难度和设备成本, 同时产生的大量数据的同步和传输需求也限制了光场采样规模. 为了实现稀疏光场采样的稠密重建, 本文基于稀疏光场数据, 分析同一场景多视角图像的空间、角度信息的关联性和冗余性, 建立有效的光场字典学习和稀疏编码数学模型, 并根据稀疏编码元素间的约束关系, 建立虚拟角度图像稀疏编码恢复模型, 提出变换域稀疏编码恢复方法, 并结合多场景稠密重建实验, 验证提出方法的有效性. 实验结果表明, 本文方法能够对场景中的遮挡、阴影以及复杂的光影变化信息进行高质量恢复, 可以用于复杂场景的稀疏光场稠密重建. 本研究实现了线性采集稀疏光场的稠密重建, 未来将针对非线性采集稀疏光场的稠密重建进行研究, 以推进光场成像在实际工程中的应用.
2020, 69 (6): 064202.
doi: 10.7498/aps.69.20191541
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机械振子的基态冷却是腔量子光力学中的基本问题之一. 所谓的基态冷却就是让机械振子的稳态声子数小于1. 本文通过光压涨落谱和稳态声子数研究双光腔光力系统(标准单光腔光力系统中引入第二个光腔, 并与第一个光腔直接耦合)的基态冷却. 首先得到系统的有效哈密顿量, 然后给出朗之万方程和速率方程, 最后分别给出空腔和原子腔的光压涨落谱、冷却率和稳态声子数. 通过光压涨落谱、冷却率和稳态声子数表达式, 重点讨论空腔时机械振子的基态冷却, 发现当满足最佳参数条件(机械振子的冷却跃迁速率对应光压涨落谱的最大值, 而加热跃迁速率对应光压涨落谱的最小值)时, 机械振子可以被冷却到稳态声子数足够少. 此外分析: 当辅助腔内注入原子系综时, 若参数选择恰当可能更利于基态冷却.
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2020, 69 (6): 064203.
doi: 10.7498/aps.69.20191793
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液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等, 同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性, 本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构, 并开展了阵列的热特性实验研究. 对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响, 实验结果表明, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%, 热阻降低26.75%; 同时, 激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高, 出光孔与周围温差小于0.5 ℃. 综上所述, VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散, 而且降低了有源区结温, 提高了VCSELs激光器阵列热特性, 为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.
2020, 69 (6): 064204.
doi: 10.7498/aps.69.20191865
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直接吸收光谱(DAS)可直接测量分子吸收率函数, 并通过拟合吸收率函数确定待测气体参数. 波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在DAS基础上, 结合了波长调制光谱(WMS)中谐波分析思想, 利用傅里叶变换复现吸收率函数, 可有效提高吸收率函数的测量精度. 本文利用WM-DAS方法结合长光程气体吸收池, 在室温低压条件下, 对CO分子1567 nm处R5—R11近红外弱吸收谱线吸收率函数进行了精确复现, 其拟合残差标准差低至3 × 10–5, 随后根据测得的吸收率函数对谱线的碰撞展宽、Dicke收敛以及速度依赖的碰撞展宽系数等光谱参数进行了高精度标定, 并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行了比较, 实验结果表明该方法与CW-CRDS测量结果具有高度一致性, 更具有系统简单、测量速度快、对环境要求低等优点.
2020, 69 (6): 064205.
doi: 10.7498/aps.69.20191569
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波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS), 同时具有直接吸收光谱(DAS)的免标定、可测量吸收率函数的优点和波长调制光谱(WMS)高信噪比、抗干扰能力强的优点. 本文利用免标定、高信噪比的WM-DAS方法结合长光程Herriott池, 在常压常温条件下, 对大气中CH4 (6046.952 cm–1)和CO2 (6330.821 cm–1)分子两条近红外吸收谱线的吸收率函数进行了测量, 其光谱拟合残差标准差可达到5.6 × 10–5. 随后, 采取WM-DAS方法结合Herriott池, 对大气中CO2和CH4浓度进行了连续监测, 并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行比较. 实验结果表明: 本文采用的长光程WM-DAS与CW-CRDS方法测量结果一致, 两组数据线性拟合相关性达到0.99, 其中基于WM-DAS方法的CO2和CH4的检测限分别达到170 ppb和 1.5 ppb, 略高于CW-CRDS检测限, 但其测量速度远高于CW-CRDS, 并且具有系统简单、对环境要求低、可长期稳定运行等优点.
2020, 69 (6): 064206.
doi: 10.7498/aps.69.20190962
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针对高功率激光装置中靶面辐照均匀性的高要求, 提出了一种利用束间动态干涉改善辐照均匀性的快速匀滑方法. 基本原理是利用共轭相位板阵列对存在一定波长差的多束激光附加相位调制, 从而使各子束在远场两两相干叠加以产生动态的干涉图样, 进而引起焦斑内部散斑的动态扫动, 在ps时间内抹平不均匀性. 以典型惯性约束聚变装置中的激光集束为例, 通过建立基于束间动态干涉的快速匀滑物理模型, 定量分析了相位板类型、相位调制幅度和束间波长差等因素对焦斑动态干涉图样的影响及规律, 进而对其束匀滑特性进行了讨论. 结果表明, 基于束间动态干涉的快速匀滑方法可以有效地实现多方向、多维度的焦斑内部散斑快速扫动, 且通过与传统束匀滑技术的联用, 可以在更短的时间内达到更好的焦斑均匀性.
2020, 69 (6): 064301.
doi: 10.7498/aps.69.20191082
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以典型的双稳态系统—屈曲梁结构为例, 基于等效模型, 结合解析、数值和实验手段, 研究了双稳态结构中的1/2次谐波共振特性、演化过程、参数调节规律及其对隔振特性的影响. 研究发现, 当非线性刚度系数或激励幅值增加到一定程度时, 系统会在一定带宽下产生显著的1/2次谐波共振; 随着激励幅值增加, 阻尼系统的1/2次谐波遵循“产生-增强-衰退-消失”的过程, 该过程对峰值频率和峰值传递率有重要影响; 适当提高非线性强度能有效改善双稳态结构隔振特性. 针对双稳态屈曲梁结构开展的实验验证了1/2次谐波特性和隔振特性变化规律.
2020, 69 (6): 064401.
doi: 10.7498/aps.69.20191521
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基于单相流体的概念, 超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了, 但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识. 本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中, 浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响. 结果表明, 没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的, 存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上, 做了大量假设得出的, 不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致. 最后, 基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程, 提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界, 为超临界流体流动传热研究提供新思路, 超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.
2020, 69 (6): 064501.
doi: 10.7498/aps.69.20191251
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为研究道路交通中的高速跟驰物理现象, 针对高速跟驰车辆特点, 综合考虑了驾驶员换道决策行为以及随机慢化等因素, 结合前景理论等方法, 提出了一种用于模拟道路交通流中高速跟驰物理现象的动力学模型(简称HCCA模型). 通过计算机数值模拟, 研究了高速跟驰交通流物理现象演化机理及高速跟驰特性. 结果表明: 与对称的双车道元胞自动机动力学模型相比, 本文建立的HCCA动力学模型能够再现道路高速跟驰物理现象, 并得到了道路小间距高速跟驰率超过7%的结果与实测结果相符合, 最后模拟得到了丰富的交通物理现象, 再现了自由流、同步流及运动阻塞等复杂交通物理现象.
2020, 69 (6): 064701.
doi: 10.7498/aps.69.20191508
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在光透过性的流体介质中添加具有高光响应特性的纳米颗粒, 可以形成光驱动纳米流体, 实现对光能的高效利用. 本文针对光驱纳米流体流动行为开展实验观察和理论分析研究, 这是实现光驱纳米流动精确调控的理论基础. 首先利用粒子图像测速技术对液滴中直径为300 nm的Fe3O4颗粒在不同光源照射下受Marangoni效应诱导的运动进行了实验观测, 研究光能向动能的高效转化机制. 实验结果表明, 当颗粒浓度大于临界数密度时, 可诱导出垂向具有对称结构的涡, 在液滴底部颗粒由四周向中心运动, 顶部则由中心向四周运动, 光源频率和颗粒数密度是这一过程的主导因素. 随后, 针对光强高斯分布的紫外光驱动下大颗粒数密度、特征流速约mm/s的光驱纳米流体, 通过Stokes方程和表面张力梯度边界条件实现了其流场分布的解析求解, 理论获得的流场分布解析解与实验测量结果保持一致, 证实定量理论分析的有效性. 最后, 讨论了引入表面张力与在液滴底部引入表面压力及体相中集中引入光辐射力的不同驱动模式之间的相关性. 这一研究成果为光微流控系统中流动行为的精确调控及光能的高效转化等提供了理论支持.
2020, 69 (6): 064702.
doi: 10.7498/aps.69.20191682
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基于有限元法, 采用水平集方法捕捉相界面的移动, 构建了液滴撞击固体壁面的数值模型. 通过修正的幂律模型描述流体的非牛顿剪切变稀特性, 探讨了剪切变稀特性对液滴撞击固体壁面后铺展行为的影响, 分析了撞击不同浸润性壁面时剪切变稀特性对液滴撞击壁面行为的影响差异. 研究结果表明: 随着幂律指数m的减小, 液滴撞击过程中的黏性耗散减小, 液滴的形貌变化及无量纲参数变化更为显著. 接触角为55°的情况下: 当m降低至0.85时, 液滴铺展过程中开始出现显著区别于牛顿流体液滴的振荡现象; 当m降低至0.80时, 液滴在回缩过程中会出现中心液膜断裂的情况. 接触角为100°时, 剪切变稀液滴均会出现振荡行为, 振荡幅度随着m的减小而增大. 接触角为160°时, 牛顿流体液滴与剪切变稀液滴均会在回缩过程中弹起, 但剪切变稀液滴的弹起速度更快. 此外, 基于数值计算结果, 本文提出了接触角为55°情况下剪切变稀液滴撞击壁面后的最大无量纲铺展直径预测模型.
2020, 69 (6): 064703.
doi: 10.7498/aps.69.20191547
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为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响, 以氢气为燃料, 空气为氧化剂, 在不同当量比下开展了实验研究. 基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号, 详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响. 实验结果表明: 在当量比较低时, 爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作; 逐渐增大当量比, 爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作; 继续增大当量比, 爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作, 且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高. 爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用, 涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用, 但对压力振荡频率的影响较小. 随着当量比的增大, 涡轮导向器上下游的静压均同时增大, 经过涡轮导向器的作用, 涡轮下游静压明显降低.
2020, 69 (6): 064704.
doi: 10.7498/aps.69.20191681
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利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用, 进而引起颗粒的碰撞和凝并, 使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低, 是控制细颗粒排放的重要技术途径. 为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用, 建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型, 采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解. 将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比, 验证模型的准确性. 进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响. 结果表明, 初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点, 颗粒间的声尾流效应就越强, 颗粒发生碰撞所需要的时间就越短. 研究还发现, 颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度. 当偏离较小时, 颗粒直径越大, 颗粒发生碰撞所需要的时间越短; 当偏离很大时, 直径较小的颗粒能够发生碰撞, 而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.
2020, 69 (6): 064705.
doi: 10.7498/aps.69.20191755
摘要 +
污水处理、油田采油、液态金属冷却反应堆和磁流体动力转换器等领域采用气力提升系统有其显著优势. 由于不同液体介质与气体介质密度对气力提升系统性能影响较大, 因此本文基于Fluent仿真软件, 采用欧拉模型、k-ω剪切应力输运湍流模型数值模拟了氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银及空气-水、氩气-水、氮气-水下气力提升系统内气液两相流动行为, 分析了系统稳定时提升立管内气相体积分数、提升液体流量、提升效率、提升管出口处液体径向速度的变化规律. 研究结果表明: 1)氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银系统中, 提升管内液体介质密度越大, 提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率越高; 2)空气-水、氩气-水、氮气-水系统中, 提升管内气体介质密度越大, 提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率峰值越小; 3)提升管出口处提升液体径向速度随气体充入量的不断增加而整体波动升高, 最终管轴中心附近液体速度较大, 管壁附近液体速度较小. 本文研究成果为污水处理、气举采油、液态重金属冷却核反应堆和磁流体动力转换器等应用领域的气力提升技术的优化提供科学的理论基础.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (6): 065201.
doi: 10.7498/aps.69.20191522
摘要 +
基于阳极氧化铝模板, 采用真空蒸镀技术, 制备了高度有序的周期性银纳米球阵列. 阵列几何结构参数调控实验发现, 通过控制蒸镀厚度, 可实现对阵列中银纳米球尺寸(直径)和间距的有效调控, 进而有效实现对紫外-可见-近红外各波段吸收峰位和峰宽的调制. 吸收光谱测试显示, 该纳米阵列在紫外、可见和近红外波段都具有明显的电磁波吸收特性. 时域有限差分理论模拟结合实验分析不同波段光吸收特性的物理机制, 紫外超窄强吸收为银、铝介电环境非对称诱发的法诺共振, 可见波段吸收源自于银纳米粒子局域表面等离子体共振, 近红外波段强吸收为银纳米球阵列表面晶格共振所激发.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
封面文章
2020, 69 (6): 067101.
doi: 10.7498/aps.69.20191808
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通过在氮中引入杂质离子, 利用高压手段获得具有新奇结构的多氮化合物是目前被广泛应用的研究方法. 钙氮材料在催化、光电方面有着广泛的应用. 具有较低电离能的钙(Ca)元素很容易和氮原子形成离子键钙氮化物. 高压为寻找新型钙氮化合物提供了全新的技术途径. 因此, 利用高压方法, 通过改变配比的方式, 寻找具有新奇特性的钙氮高压结构, 是一项非常有意义的工作. 本文利用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 在100 GPa条件下, 通过预测得到了一个稳定的Ca5N4相. 该结构内部氮原子之间以N—N共价单键键合, 氮原子和钙原子之间是离子键相互作用, 且钙氮之间的电荷转移量为1.26 e/N atom. 能带结构计算表明P 21/c-Ca5N4是一个直接带隙为1.447 eV的半导体结构. 最后, 系统地给出了该结构的拉曼振动光谱, 并指认了拉曼振动模式, 为实验合成该结构提供了理论指导.
2020, 69 (6): 067801.
doi: 10.7498/aps.69.20191645
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石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质, 其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强. 本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响. 由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用, 因此石墨烯上施加了金属光栅结构. 研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强, 从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元, 同时引起石墨烯光吸收的增强. 希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (6): 068401.
doi: 10.7498/aps.69.20191222
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准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点, 能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响, 有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计. 为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率, 在共焦柱面波导的基础上, 研究了一种新型高频互作用结构—双共焦波导结构, 设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟. 研究结果表明, 双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用, 并且没有模式竞争现象, 具备工作在太赫兹波段的潜力. 相比普通共焦波导谐振腔, 双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度, 提高回旋管的输出功率和工作效率. 此外, 结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式. 利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作, 为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.
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2020, 69 (6): 068501.
doi: 10.7498/aps.69.20191420
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金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值, 但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低. 本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度, 提升光吸收率和电子的输运效率, 并利用激活层降低银的功函数, 从而增强光阴极在可见光区的量子效率. 采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性, 采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球, 紧接着在其表面沉积制备铯激活层, 最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率. 实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%, 为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍, 峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合.
2020, 69 (6): 068701.
doi: 10.7498/aps.69.20191536
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在天文高分辨成像领域, 自适应光学校正和事后图像复原都必不可少, 但传统的自适应光学系统控制方法以提升光学成像质量为目的, 并未考虑图像复原环节, 因此, 研究一种结合两者以获得高质量复原图像为目标的控制方法具有重要意义. 本文对传统自适应光学技术结合事后图像解卷积的方法进行了分析, 阐述了其存在的缺陷. 首次提出了将自适应光学技术和图像复原技术相结合进行系统分析的思想, 并提出了变形镜校正度(变形镜控制电压相对于传统方法控制电压的缩放比例)的概念, 通过改变校正度可实现变形镜校正残差和波前传感器探测误差的调整, 同时证明了复原图像质量在校正度下降的方向存在一个最优值, 用最优校正度来修正变形镜控制电压, 就得到了一种新的控制方法. 针对点源目标成像, 仿真表明该方法相比于传统方法, 能够得到质量更好的复原图像.
2020, 69 (6): 068801.
doi: 10.7498/aps.69.20191298
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拾取指定长度的半导体性碳纳米管对大规模制造碳纳米管场效应管具有重要意义. 本文提出了一种利用原子力显微镜探针和钨针对碳纳米管进行可控长度拾取的方法并进行了碳纳米管导电性分析. 在扫描电子显微镜下搭建微纳操作系统, 针对切割操作过程中原子力显微镜探针、钨针和碳纳米管的接触情况进行了力学建模和拾取长度误差分析. 建立了单根金属性碳纳米管、单根半导体性碳纳米管及碳纳米管束与钨针接触的电路模型, 推导了接入不同性质碳纳米管后电路的电流电压特性方程. 使用原子力显微镜探针对碳纳米管的空间位姿进行调整, 控制钨针对碳纳米管上目标位置进行通电切割, 同时获取切割电路中的电流电压数据. 实验结果表明, 本文提出的方法能够有效控制所拾取碳纳米管的长度, 增加碳纳米管与原子力显微镜探针的水平接触长度能够减小碳纳米管形变导致的拾取长度误差, 建立的电流电压特性方程能够用于分析碳纳米管的导电性.
2020, 69 (6): 068802.
doi: 10.7498/aps.69.20190694
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基于第一性原理深入研究了碱金属原子(Li, Na, K)修饰的多孔石墨烯(PG)体系的储氢性能, 并且通过从头算分子动力学模拟了温度对Li-PG吸附的H2分子稳定性的影响. 研究结果表明, PG结构的碳环中心是碱金属原子最稳定的吸附位置, PG单胞最多可以吸附4个碱金属原子, Li原子被束缚最强, 金属原子间无团聚的倾向; H2分子通过极化机制吸附在碱金属修饰的PG结构上, 每个金属原子周围最多可以稳定地吸附3个H2分子; Li-PG对H2分子的吸附最强(平均吸附能为–0.246 eV/H2), Na-PG对H2分子的吸附较弱(平均吸附能为–0.129 eV/H2), K-PG对H2分子的吸附最弱(平均吸附能为–0.056 eV/H2), 不适合用做储氢材料; 在不考虑外界压强且温度为300 K的情况下, Li-PG结构可稳定地吸附9个H2分子, 储氢量为9.25 wt.%; 在400 K时, 有7个吸附H2分子脱离Li-PG的束缚, 在600—700 K的范围内, 吸附H2分子全部脱离了Li-PG体系的束缚.
地球物理学、天文学和天体物理学
2020, 69 (6): 069701.
doi: 10.7498/aps.69.20191582
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脉冲星候选体选择是脉冲星搜寻任务中的重要步骤. 为了提高脉冲星候选体选择的准确率, 提出了一种基于自归一化神经网络的候选体选择方法. 该方法采用自归一化神经网络、遗传算法、合成少数类过采样这三种技术提升对脉冲星候选体的筛选能力. 利用自归一化神经网络的自归一化性质克服了深层神经网络训练中梯度消失和爆炸的问题, 大大加快了训练速度. 为了消除样本数据的冗余性, 利用遗传算法对脉冲星候选体的样本特征进行选择, 得到了最优特征子集. 针对数据中真实脉冲星样本数极少带来的严重类不平衡性, 采用合成少数类过采样技术生成脉冲星候选体样本, 降低了类不平衡率. 以分类精度为评价指标, 在3个脉冲星候选体数据集上的实验结果表明, 本文提出的方法能有效提升脉冲星候选体选择的性能.
