Vol. 70, No. 18 (2021)
2021年09月20日
封面文章
非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象, 包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等. 不同于磁性掺杂和异质结方案, 内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序, 且制备工艺通常比异质结更加简单, 因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义. 最近, EuIn2As2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体, 本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构. 结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息, 认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的$ 1\times 2 $ 表面重构. 通过条纹面的局域态密度测量, 发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征, 该特征随温度升高逐渐变弱, 在反铁磁相变温度以上完全消失, 表明其与反铁磁序密切相关. 此外, 在某些台阶附近, 伴随有少量迷宫状的结构, 进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的. 这些结果为理解EuIn2As2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.
李渊,
邓翰宾,
王翠香,
李帅帅,
刘立民,
朱长江,
贾可,
孙英开,
杜鑫,
于鑫,
关童,
武睿,
张书源,
石友国,
毛寒青
物理学报.2021, 70(18): 186801.
青年科学评述
青年科学评述
2021, 70 (18): 180702.
doi: 10.7498/aps.70.20210350
摘要 +
低温X射线能谱仪兼具高能量分辨率、高探测效率、低噪声、无死层等特点, 能量分辨率与X射线入射方向无关, 在暗弱的弥散X射线能谱测量方面具有明显优势. 基于同步辐射及自由电子激光的先进光源线站、加速器、高电荷态离子阱、空间X射线卫星这类大科学装置的快速发展对X射线探测器提出了更高要求, 因而低温X射线能谱仪被逐步引入到APS, NSLS, LCLS-II, Spring-8, SSNL, ATHENA, HUBS等大科学装置与能谱测量相关科学研究中. 本文从低温X射线能谱仪的工作原理及分类、能谱仪系统结构、主要性能指标以及国内外大科学装置研究现状及发展趋势等方面作简要综述.
综述
2021, 70 (18): 183601.
doi: 10.7498/aps.70.20210478
摘要 +
水是空间中最常见的分子之一, 也是地球上生物赖以生存的最有价值的物质资源. 水团簇的研究对于水资源的实际利用具有重要作用, 同时水团簇还可作为理想的水微观模型, 可拓展物理化学基础科学的发展, 并为溶剂和溶质之间尺寸依赖的解离性质及相互作用等研究提供借鉴. 另外一方面, 气相酸性混合水团簇近年来引起了学界高度重视, 如实验及理论工作一直在寻求纯水团簇和掺杂酸性分子水团簇的最小能量结构等. 简而言之, 掺杂外来分子或原子可极大地扩展了水团簇科学研究范围. 目前在实验上掺杂水团簇的方法有多种, 本文对此做出简要的综述, 比较各种掺杂方法的特点, 以方便研究者在实验上更有效地应用水团簇掺杂实验方法.
总论
2021, 70 (18): 180301.
doi: 10.7498/aps.70.20210214
摘要 +
提出了一种精确求解位于外电场中刚性对称陀螺分子转动能级和相应解析波函数的新方法. 首先利用不同形式的函数变换和变量代换将位于外电场中对称陀螺分子的极角θ方向的方程转化为合流Heun微分方程, 然后根据合流Heun微分方程和合流Heun函数具有的特点, 找到描述同一本征态的线性相关的两个解, 构造Wronskian (朗斯基)行列式, 得到精确的能谱方程. 最后利用Maple软件计算出不同量子态的本征值, 再将得到的本征值代入本征函数进行归一化运算最终得到用合流Heun函数表示的解析的归一化本征函数. 这些结果可为深入研究对称陀螺分子的Stark效应提供有益的帮助.
2021, 70 (18): 180302.
doi: 10.7498/aps.70.20210749
摘要 +
基于移动设备的自由空间量子密钥分发系统能够为实时全覆盖多节点网络提供有效的解决方案, 然而该系统目前依旧存在着稳定性不足的问题, 偏振编码器的抗扰动性在移动设备应用中非常重要. 在扰动情况下保偏光纤的偏振保持特性将受到很大程度的影响, 进而使得基于该特性的编码器的稳定性也随之受到影响. 为解决扰动情况下偏振编码的稳定性问题, 本文提出了一种双向差分调制模式, 该种调制模式可以使基于双向回路的偏振编码器即使在扰动情况下依旧能够实现稳定编码. 为此设计了双向差分调制的原理验证实验, 实验在250 MHz的重复频率下进行, 并使用200 Hz的振动来模拟实际扰动环境, 在实验最后使用了商用雪崩型单光子探测器进行了持续2 h的测试, 得到了在扰动情况下系统的平均量子比特误码率为0.36%, 误码率波动范围不超过0.2%.
2021, 70 (18): 180303.
doi: 10.7498/aps.70.20210564
摘要 +
系统性地探讨了通过淬火相互作用在初态包含暗孤子的玻色-爱因斯坦凝聚体中产生量子冲击波的可能性及其内禀机制. 在淬火至无相互作用极限下, 解析得到了初始静止孤子的后续动力学, 发现了冲击波的存在, 并通过量子相干效应加以解释. 在淬火至有限相互作用下, 通过数值求解Gross-Piatevskii方程也发现了冲击波现象, 并且分析了不同情形: 往弱相互作用侧淬火时得到的冲击波与无相互作用情形类似; 往强相互作用侧淬火时得到的冲击波伴随着孤子的劈裂, 且两者存在同步变化关系. 进一步探究了冲击波的特性, 包括其振幅、速度, 并得到了其随淬火相互作用强度变化的全景图谱. 这一工作为实验上实现和观测冲击波提供了理论指导.
2021, 70 (18): 180501.
doi: 10.7498/aps.70.20210524
摘要 +
考虑一类等边三角形排布的典型磁力摆, 基于对其全局动力学行为的分析, 研究初值敏感性现象及其机制. 首先, 考虑磁铁位置可以移动, 利用牛顿第二定律建立该磁力摆动力学模型. 进而, 分析不同的磁铁位置所对应的平衡点个数及其稳定性. 在此基础上, 数值模拟初值敏感性现象和不动点吸引域随磁铁位置移动的演变规律. 最后, 通过实验验证该现象. 研究发现, 该类磁力摆普遍存在着多吸引子共存现象, 其初值敏感性可归因于其不动点吸引域的分形, 其中各不动点位置与磁铁中心投影到磁铁所在平面上的位置并不重合, 而是存在微小的偏差; 当摆球位置可投影到3个磁铁对应的等边三角形的形心时, 3个吸引子的吸引域尺寸相当, 呈中心对称状且分形, 因此初值敏感性现象很明显; 移动磁铁位置会直接影响到各吸引域的形态, 即离摆球平衡位置投影点近的磁铁对摆球影响最大, 离该位置最近的吸引子吸引域会明显变大, 而其他吸引子的吸引域则会被侵蚀消减. 本文的研究在磁力摆装置设计方面具有一定的应用价值.
2021, 70 (18): 180502.
doi: 10.7498/aps.70.20210728
摘要 +
研究了两次淬火下横场中XY链的动力学量子相变. 两次淬火是指系统的Hamilton量先由H0淬火到H1, 演化一段时间T后再由H1淬火到H2. 由于横场中XY链存在两种不同的量子相变(Ising相变和各向异性相变), 因此主要讨论淬火路径对横场中XY链的动力学量子相变的影响, 发现第2次淬火后系统发生动力学量子相变的临界时间存在三种典型的情形. 情形I对应于临界时间在一定的T范围内出现, 它与由H0淬火到H1的临界时间相联系. 情形II对应于临界时间在任意T时总是出现, 它与由H0直接淬火到H2的临界时间相联系. 情形III对应于临界时间也在任意T时总是出现, 它同时与由H0淬火到H1以及由H0直接淬火到H2的临界时间相联系. 还发现两次淬火都经过同一类相变点时, 第2次淬火后只会出现情形I对应的临界时间. 而两次淬火经过不同类相变点时, 第2次淬火后的临界时间会出现上述三种情形中的任意两种, 它与淬火路径有关.
2021, 70 (18): 180601.
doi: 10.7498/aps.70.20210565
摘要 +
双光梳异步光学采样的绝对测距方法具有量程大、测速快和精度高等特点, 在几何量精密测量领域具有广泛的应用前景. 特别地, 结合异步光学采样和非线性强度互相关的倍频信号时域探测方法, 可以有效避免测量过程中载波包络偏移频率对测距精度的影响. 本文针对双光梳非线性异步光学采样绝对测距系统, 对影响其测距精度的理论模型和关键参数进行数值模拟研究. 对双光梳异步光学采样的理论模型进行分析后, 分别研究了双光梳光源参数(重复频率和重复频率差)、倍频信号精细拟合及脉冲时间抖动对测距精度的影响. 数值分析结果表明: 选择合理的重复频率和重复频率差有利于提升测距精度, 此外适当提高测量速度可以有效降低脉冲时间抖动对测距误差的影响.
编辑推荐
2021, 70 (18): 180602.
doi: 10.7498/aps.70.20210243
摘要 +
原子钟提供了时间的标准, 但原子间的相互作用往往限制原子钟的精度. 本文理论研究了谐振子势阱中双费米原子光钟由于原子间的短程相互作用而在拉比频谱中引起的碰撞频移. 考虑到原子光钟中短程相互作用一般较弱, 并且晶格光的参数在Lamb-Dicke区间中, 本文近似费米原子的外态不发生改变, 进而推导出原子内态在拉比探测光驱动下满足的运动方程. 微扰求解运动方程, 得到一阶解的解析表达式, 从而得到了拉比频谱的碰撞频移依赖于拉比探测光参数与在原子特定外态中相互作用的表达式. 最后, 利用谐振子势阱中格林函数的解析表达式, 得到了有限温下碰撞频移与原子间相互作用的关系. 研究结果表明, 实验中可以通过精密测量原子光钟的频移获得原子间相互作用的信息.
2021, 70 (18): 180701.
doi: 10.7498/aps.70.20202050
摘要 +
等离子密度及金属离化率是影响高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜质量的关键因素, 高功率脉冲磁控溅射参数(如电压、脉宽、沉积气压及峰值电流等)影响着等离子密度和金属离化率. 本文利用MATLAB/SIMULINK建立等效电路模型, 对高功率脉冲磁控溅射钛(Ti)靶材的放电电流曲线进行模拟, 利用鞘层电阻计算Ti靶材鞘层处的等离子密度, 并采用半圆柱体-整体模型理论计算Ti的离化率. 研究发现: 采用由电容、电感和电阻组成的等效电路模型, 可以模拟Ti靶材的放电电流; 在不同高功率脉冲溅射电压、脉冲宽度和不同沉积气压下, 真空室等离子密度在2 × 1017—9 × 1017 m–3范围内, 随着溅射电压、脉冲宽度及沉积气压的增加, 鞘层处的平均等离子密度增大; 在不同沉积气压下, Ti的离化率值在31%—38%之间, 随着气压增加, Ti的离化率增加.
2021, 70 (18): 180703.
doi: 10.7498/aps.70.20210347
摘要 +
提出了描述高空核爆炸碎片云运动的流体-磁流体-粒子(particle-in-cell, PIC)混合模型, 相较目前的主流模型, 该模型能够计算更加广泛的空间尺度. 根据碎片云运动涉及的高温离子、低温离子和中性大气的不同性质, 采用三种模型进行联合求解: 高温离子用PIC粒子模型计算, 低温离子用磁流体模型计算, 中性大气用流体模型计算, 并将三者之间的相互作用作为源项加入相应的控制方程. 最后, 计算了美国Starfish试验中碎片云的扩展情况, 与试验结果进行了比对, 并验证了求解方案的可靠性. 此外, 还给出了不同投影角度下碎片云形状随时间的变化, 并分析了影响碎片云运动的主要因素, 包括大气阻力、磁压、槽型不稳定性和霍尔电流等.
原子和分子物理学
2021, 70 (18): 183201.
doi: 10.7498/aps.70.20210215
摘要 +
依托兰州重离子加速器国家实验室320 kV高电荷态离子综合研究平台, 测量了动能为6.0 MeV的Xe20+离子与V, Fe, Ni, Cu, Zn靶表面作用产生的特征X射线谱, 分析了能量为1.60 keV的X射线的产生机制, 并利用经典过垒模型计算了Xe20+与不同靶作用时第一代空心原子在上表面的存在时间. 结果表明: 对于没有初始M空穴的Xe20+离子与不同靶相互作用时, 实验中没有观察到Xe的Mα X射线, 而观察到了能量为Xe的Mα X射线的两倍的X射线, 称此线为Xe的Mαα X射线, 认为其是由Xe在靶的上表面的双电子单光子过程产生的.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (18): 184201.
doi: 10.7498/aps.70.20210217
摘要 +
在不同环境温度下, 热差对红外多光谱相机的成像质量造成一定的影响, 基于此, 建立了红外多光谱相机的无热化模型, 此模型将红外多光谱相机等效为分离式双透镜光学系统. 在定焦距的情况下, 分析了后焦距变长对前后透镜光焦度的影响, 从光焦度绝对值与正负值变化情况对材料的选择范围进行约束, 实现光学材料的快速选择. 采用该模型对波段为8—14 μm, 焦距为50 mm, F数为1.4的红外多光谱相机在–40—+60 ℃范围内进行无热化设计. 通过仿真分析, 各视场在奈奎斯特频率为30 lp/mm处的值均达到0.39, 接近衍射极限; 弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径19.17 μm; 轴向像差均小于0.02 mm. 采用通道为9.43—11.53 μm的红外多光谱相机对SF6气体进行成像实验, 实验结果表明, 经过无热化的红外多光谱相机对SF6气体的成像效果良好, 设计方法正确可行.
2021, 70 (18): 184202.
doi: 10.7498/aps.70.20202104
摘要 +
提出一种时域剪切干涉技术测量纳秒激光脉冲的时间相位分布, 该方法将待测脉冲分为彼此之间有数百个皮秒延迟量的两个脉冲; 并在对其中一个脉冲加入适量的频移后和另一个脉冲合束, 得到时域干涉条纹; 最后采用相适应的算法, 从记录的时域条纹计算得到纳秒激光脉冲的时间相位分布, 并进一步计算得到激光脉冲的精细光谱结构. 在对测量原理进行系统分析的基础上, 利用数值模拟和实验对该相位测量技术的可行性进行了验证, 并系统分析了其测量误差和非理想条件下的各种干扰因素的影响. 由于该测量技术不采用任何非线光学方法, 可对任何波长的激光脉冲进行测量, 具有光路简单、测量精度高和适用范围广等优点, 为需要对纳秒激光脉冲的时域相位分布进行测量的高功率激光等领域提供了一种简单便捷的测量新技术.
2021, 70 (18): 184203.
doi: 10.7498/aps.70.20210449
摘要 +
报道了一种采用双端泵浦的Nd3+离子掺杂MgO:LiNbO3正交偏振双波长激光器, 并对正交偏振双波长激光输出进行调控. 基于晶体的偏振荧光光谱, 对1084与1093 nm的双波长激光振荡机理进行分析, 建立晶体热透镜焦距与受激发射截面比之间的关系, 并推导出1084及1093 nm双波长共振区间, 给出通过改变谐振腔腔型结构调控双波长激光输出的方法. 在实验中采用813 nm的半导体激光器双端泵浦a切的Nd:MgO:LiNbO3晶体, 测量了1084与1093 nm两种波长的输出规律, 并对输出波长进行调控. 最终得到了6.02 W的1093 nm和3.02 W的1084 nm单波长激光输出, 在X, Y方向上的光束质量分别为$ M_X^2 $ = 1.70和$ M_Y^2 $ = 1.81. 在28 W泵浦注入功率下获得了4.58 W的双波长激光输出, 实验结果与理论分析相符合. 为正交偏振双波长的可控输出及应用奠定了理论和实验基础.
2021, 70 (18): 184204.
doi: 10.7498/aps.70.20210686
摘要 +
高能电子成像技术被首次提出作为温稠密物质和惯性约束聚变实验研究的高时空分辨诊断工具之一, 现已通过前期实验证明其对中尺度科学诊断的可行性. 为了进一步提高高能电子成像技术诊断样品的能力, 来获取样品内部信息, 将高能电子成像技术和三维重建算法结合, 提出了高能电子三维成像技术. 本文主要通过实验研究了高能电子三维成像技术的可行性. 不同三维重建算法重建样品的结果首次证实了高能电子三维成像技术的可行性, 使用的三维重建算法包括滤波反投影算法、迭代算法-代数重建技术和联立代数重建技术, 最终重建的x, y, z方向上的不同重建切片图像清楚地显示了样品的详细结构. 实验证实的高能电子三维成像技术将有利于拓展高能电子成像技术的应用领域, 尤其是在中尺度科学领域.
2021, 70 (18): 184205.
doi: 10.7498/aps.70.20210569
摘要 +
提出一种基于小波变换思想的水下测距方法. 根据信号的能量一致性以及小波的带通滤波特性, 并以二元样条插值为架构, 实现信号的时频结合. 该方法先将时域信号进行小波时域分解滤波, 获得较为完整的时域有效信息, 然后对初步处理的时域信号进行小波频域分解, 通过找寻信号时频域对应的能量最值位置锁定目标, 实现精确测距目的. 进行不同衰减长度水体的连续光水下测距实验, 分析该方法对连续光水下探测的影响. 经实验验证, 该测距方法在输出功率2.3 W内, 成功实现对8个衰减长度内目标的准确测量, 其测距精度小于1 cm.
2021, 70 (18): 184206.
doi: 10.7498/aps.70.20210275
摘要 +
研究了空间暗孤子在非局域非线性耦合器中的新解和传输稳定性. 发现非局域非线性耦合器中存在稳定的基态暗孤子和多极暗孤子的束缚态. 分析了非局域程度、非线性参数、传播常数和耦合系数变化对基态暗孤子的峰值、束宽和功率的影响. 讨论了基态暗孤子和多极暗孤子的传输稳定性, 发现基态暗孤子在其存在的区域总是稳定的, 偶极以及多极暗孤子存在不稳定区间, 稳定区间取决于传播常数和介质的非局域程度, 并且多极暗孤子的稳定传输还受孤子间距的影响.
2021, 70 (18): 184207.
doi: 10.7498/aps.70.20210401
摘要 +
集成光学技术在光量子信息处理等新兴技术有着重要的应用. 相比于分立光学, 集成光学技术具有体积小、成本低、稳定性好以及易操控的优势. 然而, 随着集成光量子芯片线路的复杂程度和规模的增加, 对芯片上的移相器, 比如级联马赫-曾德尔干涉仪中的相移器的标定, 将会成为一个棘手的问题. 传统的级联马赫-曾德尔干涉仪的移相器标定时间是随着级联个数的增加而指数增加的, 目前所报道实现的最大级联个数仅为5个移相器. 本文针对上述问题, 提出了一种高效的标定方法. 使用该方法对级联马赫-曾德尔干涉仪移相器的标定时间只随移相器数量线性增长, 相比于传统方法实现了指数级的加速. 本文在计算机上模拟了20个级联马赫-曾德尔干涉仪移相器的标定, 结果显示保真度都大于99.8%, 从而验证了该标定方法的有效性. 本工作有望应用于光量子信息处理与光计算等方面.
2021, 70 (18): 184301.
doi: 10.7498/aps.70.20210513
摘要 +
基于摄动理论和广义伯努利方程, 推导出单气泡在超声场中径向振动方程、平移方程和气泡形变方程. 数值计算这3个方程, 可以得到气泡半径、气泡中心的位移和气泡形变随时间的演化图. 计算结果表明: 当气泡初始半径和驱动声压不变时, 气泡中心初始平移速度增大, 气泡径向振动几乎不变, 但气泡中心位移和形变量增大, 气泡非球形振动愈加明显. 当初始平移速度比较小时, 气泡的${R_{0}}\text {-}p_{\rm a}$ 相图中, 不稳定区域仅集中在高驱动声压区域. 随着气泡中心初始平移速度不断增大, 半径和驱动声压均较小的区域开始呈现不稳定性, 且整体不稳定空间范围逐渐增大. 另外, 气泡在声驻波场中不同位置呈现出不同的振动特征. 离波腹点越近的气泡, 其径向振动幅度越大, 但气泡的平移和形变量变化很小, ${R_{0}}\text {-} p_{\rm a}$ 相图中不稳定性区域平面分数之间的误差小于4%.
编辑推荐
2021, 70 (18): 184302.
doi: 10.7498/aps.70.20210712
摘要 +
在弹性板波体系中设计了一种具有第二类狄拉克点的声子晶体板. 不同于第一类狄拉克点, 第二类狄拉克点附近的色散具有大的倾斜, 以致于等频面的几何形状由点状变成交叉的线状. 微调结构的几何参数破缺该镜面对称性, 可打开第二类狄拉克点简并, 实现体系的能带反转. 能带反转前后的二维声子晶体板属于不同的能谷拓扑相, 不同拓扑相之间存在无带隙的拓扑保护界面态. 不仅如此, 由于弹性板波界面态的特殊应力分布, 单一能谷相声子晶体板的边界上同样支持无带隙的弹性波传输. 本文拓展类石墨烯体系中的二维狄拉克点和能谷态到第二类情形中, 在同一结构中获得了界面和边界上的弹性波无带隙边缘传输. 由于结构设计简单, 可在微小尺寸下加工获得, 为高频弹性波器件的设计和构造提供了可行的途径.
2021, 70 (18): 184701.
doi: 10.7498/aps.70.20210485
摘要 +
液体表面的液滴运动在微流体和许多生物过程中具有广泛的应用前景. 本文通过研究在液体基底上一种低表面张力液体对另一液体的驱动来理解Marangoni效应在自发驱动体系中的作用. 为了研究液体驱动的液滴铺展过程, 建立了以不易挥发性硅油作为驱动溶剂、正十六烷作为受驱动液滴, 以及不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液作为基底溶液的实验体系. 通过对正十六烷液滴受驱动铺展动态过程的观察和研究, 发现界面张力梯度对液体驱动的铺展起主导作用. 实验结果表明: 基底溶液浓度主要对正十六烷液滴的最大铺展半径存在影响. 此外, 用经典稳定性分析模型解释了正十六烷在受驱动铺展过程中由液柱破碎成小液滴的原因, 同时得到了失稳特征参数最快不稳定波长与正十六烷液柱半径之间的关系.
2021, 70 (18): 184702.
doi: 10.7498/aps.70.20210389
摘要 +
采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette湍流流动进行数值模拟, 以研究其运动规律. 计算模型为无限长度, 半径比为1/2. 雷诺数分别选取为3000和5000, 磁场加载方式为全局磁场, 哈特曼数取值0—50. 对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析, 并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进行对比. 结果表明: 磁场对流场有显著的抑制作用, 扭曲的泰勒涡在横向磁场的作用下破裂成小尺度涡结构, 并沿磁场方向排列; 在外圆筒和垂直于磁场方向的区域, 磁场抑制效果较强; 随着雷诺数的增加, 磁场抑制效果减弱, 在流场不同区域, 流动呈现出不同的特点. 与轴向磁场相比, 横向磁场对流场的抑制效果较弱, 流场分布呈现出明显的各向异性.
2021, 70 (18): 184703.
doi: 10.7498/aps.70.20210451
摘要 +
研究非牛顿流体转捩问题, 可为调控非牛顿流体动力特性提供理论基础. 相对于牛顿流体转捩问题, 非牛顿流体转捩研究较少, 缺乏转捩雷诺数精细预报方法. 论文以格子Boltzmann方法为核心求解器, 以典型非牛顿流体幂律模型为例, 开展了幂律流体二维顶盖驱动流转捩模拟, 给出剪切变稀和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数, 并分析了转捩雷诺数附近流场时频域特性及模态分布. 结果表明, 剪切变稀流体和剪切增稠流体的第一转捩雷诺数与牛顿流体差异显著, 且在转捩临界雷诺数附近监控点处速度分量均呈现周期性变化趋势. 通过对流场速度和涡量的本征正交分解发现, 不同类型的流体在转捩临界雷诺数附近, 前两阶模态均为流场的主模态, 能量占比超过95%, 且同类型流体不同雷诺数的主模态间具有相似的结构.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (18): 185201.
doi: 10.7498/aps.70.20210641
摘要 +
具备弱剪切或负磁剪切和内部输运势垒的托卡马克运行方式被认为是提高聚变性能的最有前途的方法. 中空电流密度剖面与反磁剪切位形是改进堆芯约束和形成内部输运垒的关键条件之一. 在中国环流器2号A(HL-2A)弹丸注入实验中, 成功地实现了维持时间约为100 ms的中空电流放电. 伴随着中空电流剖面的形成, 同时形成了反磁剪切位形. 由于欧姆加热功率不太高, 且没有外部辅助加热, 只能在稳定的中空电流放电阶段看到内部输运垒形成的趋势. 在弹丸注入后, 电子热扩散系数显著降低, 说明弹丸深度注入改善了能量约束. 等离子体性能的增强: 一方面是由于弹丸注入造成中心高度峰化的电子密度剖面; 另一方面是由于等离子体中心存在负磁剪切. 同时, 中空电流位形有利于改善高密度等离子体的稳定性. 结果还表明, 在中空电流放电中, 等离子体比压值是低的. 为了提高$ {\beta }_{N} $ 极限, 可在等离子体边界附近放置导电壁. HL-2A弹丸注入实验的结果, 为在限制器托卡马克上获得高参数放电提供了一种可能.
2021, 70 (18): 185202.
doi: 10.7498/aps.70.20210472
摘要 +
电子束流箍缩是强流电子束二极管工作过程中广泛存在的物理现象. 束流径向箍缩率定义为靶面形成的束斑(环)面积随时间的变化率, 是判断二极管的束流箍缩情况和工作特性的重要指标, 目前对其的研究方法以光学诊断和针对特定二极管的理论估算为主. 在现有研究的基础上, 以 “强光一号”强箍缩短γ二极管为对象, 给出了适用于该“环-板”构型二极管的径向箍缩率理论估算公式, 并分别建立了基于粒子模拟和实验测量箍缩中心偏移的箍缩率计算方法, 三种方法给出的径向箍缩率值分别为8.43, 8.70及7.89 cm2/ns, 三者相对偏差 < 10%. 为强流二极管径向箍缩率的研究提供了一种新的思路.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (18): 186201.
doi: 10.7498/aps.70.20210324
摘要 +
高熵合金突破了传统合金的组成框架, 呈现出独特而优越的力学性能. 然而, 作为合金家族近年来出现的新成员, 高熵合金的潜在变形机制亟需进一步揭示. 本文采用分子动力学模拟方法研究了纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14高熵合金在拉伸载荷下的力学性能, 从原子水平揭示了孪晶界对纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14高熵合金变形行为的影响. 研究结果表明, 纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14高熵合金的屈服强度随着孪晶界间距的减小而增大, 呈现Hall-Petch关系. 然而, 孪晶界间距存在一个临界值, 使得高熵合金的屈服强度在该值前后对孪晶界间距的敏感度发生了明显改变. 研究指出, 随着孪晶界间距的减小, 纳米孪晶Cr26Mn20Fe20Co20Ni14高熵合金的变形机制发生了从以位错滑移主导到以非晶化相变为主的转变. 本文的研究结果对于设计和制备高性能的高熵合金具有一定的参考价值和指导意义.
2021, 70 (18): 186202.
doi: 10.7498/aps.70.20210457
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光激发引起的物质晶格结构的动态变化是一个复杂的超快动力学过程. 本文利用Thomsen模型与超快X射线衍射模拟相结合, 研究了SrCoO2.5晶格中应力产生和传播的过程, 发现不同厚度的SrCoO2.5样品在受激光照射加热后, 其衍射峰会出现连续位移或分裂的现象, 当样品厚度增大时, 其受到激光的激发会较薄样品更不均匀, 因此厚样品内部应变的产生和传播同样具有不均匀性, 反映出激光激发空间的变化会导致样品热应力特征的改变, 这也是不同厚度样品超快衍射信号存在差异的原因. 本文有助于理解激光诱导的应变的产生与传播, 为研究光激发钴基钙钛矿材料的超快晶格动力学提供了理论分析的依据.
封面文章
2021, 70 (18): 186801.
doi: 10.7498/aps.70.20210783
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非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象, 包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等. 不同于磁性掺杂和异质结方案, 内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序, 且制备工艺通常比异质结更加简单, 因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义. 最近, EuIn2As2被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体, 本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构. 结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息, 认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的$ 1\times 2 $ 表面重构. 通过条纹面的局域态密度测量, 发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征, 该特征随温度升高逐渐变弱, 在反铁磁相变温度以上完全消失, 表明其与反铁磁序密切相关. 此外, 在某些台阶附近, 伴随有少量迷宫状的结构, 进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的. 这些结果为理解EuIn2As2的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2021, 70 (18): 187301.
doi: 10.7498/aps.70.20210110
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理论研究了转角双层石墨烯在施加不同单轴应变下的能带结构和光电导率, 用连续模型分别计算了转角为1.05°和1.47°的转角双层石墨烯在应变下的能带、态密度以及光电导率, 发现这些量随应变的变化是连续且显著的. 通过对能带的分析以及光电导率的测量能够获得应变对平带产生的实际影响, 这为今后实验对应变与平带的研究打下基础; 此外样品往往受到具有空间不均匀性的应变作用, 测量其局域的光电导率便能够估计应变的空间分布大小; 同时应变对能带的调制为原位调控转角双层石墨烯的强关联、拓扑以及量子效应提供了思路.
2021, 70 (18): 187302.
doi: 10.7498/aps.70.20210613
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为了调控石墨烯/碳化硅异质界面传热特性, 采用非平衡态分子动力学方法研究温度、尺寸、材料缺陷率对界面热导的影响, 通过声子态密度和声子参与率对界面热导变化的原因进行阐述分析. 研究表明: 两种界面作用力下界面热导均随温度升高而增大, 但共价键的异质界面热导要高于范德瓦耳斯作用力下的界面热导. 异质界面的界面热导随着碳化硅层数的增加而降低, 当层数从10层增加到20层时, 界面热导下降30.5%; 4层时异质结构界面热导最低, 分析认为中低频段更多的声子从局域进入离域模式. 空位缺陷的引入可以有效地提高界面热导, 随着碳化硅和石墨烯缺陷率的增加, 界面热导均先升高再降低. 300 K时当碳化硅和石墨烯缺陷率分别为20%和35%时界面热导达到最大值, 分析认为缺陷的引入会阻碍中频声子的热输运. 研究结果揭示可以通过尺寸效应和空位缺陷来进行异质界面的改性研究, 有利于第三代半导体微纳器件的设计和热管理.
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2021, 70 (18): 187303.
doi: 10.7498/aps.70.20210290
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非线性光学效应在光通信、光探测、量子信息等领域发挥着举足轻重的作用, 然而天然材料的光学非线性响应通常很弱. 本文利用氧化铟锡(ITO)薄膜激发的介电常数近零模式, 与金属-介质-金属结构激发的间隙表面等离激元发生强耦合, 在近红外波段实现宽带(约1000 nm)的增强非线性光学效应, 其非线性折射率n 2的最大值可达3.02 cm2/GW, 与之前报道的单层ITO薄膜的非线性折射率相比, 增大了接近3个数量级. 因此, 可在低功率光照下得到显著的折射率变化, 可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计.
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2021, 70 (18): 187304.
doi: 10.7498/aps.70.20210801
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目前, 低维材料是热电领域研究的热点, 因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善. 块体材料低维化有很多方法, 本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si微/纳米带, 并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si微/纳米带的热电性能. 实验发现: 随着Si微/纳米带宽度的减小, 材料的热导率发生了显著的降低, 从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm); 材料的Seebeck系数低于相应的体Si值. 热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加, 这显著抑制了Si材料中声子的传输行为, 从而影响热能的传输和转换. 在373 K时, 800 nm宽的Si微/纳米带的ZT值约达到了0.056, 与体硅相比增大了约6倍. 聚焦离子束加工技术为将来Si材料提高热电性能提供了新的制备方案, 这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备.
2021, 70 (18): 187501.
doi: 10.7498/aps.70.20210507
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介绍了一种基于Y3Fe5O12和CoFeB复合结构耦合的新型定向耦合器, 并利用微磁学仿真软件Mumax3及其配套工具链分析了自旋波在其中的传播特性. 通过在Y3Fe5O12定向耦合器中添加一种高饱和磁化强度材料(CoFeB)来增强耦合波导的耦合效率, 并从器件的尺寸形状、内部等效场以及耦合机理等角度分析了其变化原因. 结果表明, 相较于传统的定向耦合器, 这种复合结构能够极大地降低自旋波在耦合波导间的耦合长度. 从应用的角度看, 在功能相同的情况下, 整个器件的长度可以缩短数倍, 具有更好的发展前景.
2021, 70 (18): 187701.
doi: 10.7498/aps.70.20210810
摘要 +
为了让摩尔定律能够延续下去, 降低功耗是很多研究者关注的问题, 铁电负电容效应的发现为其提供了一种解决方案. 应变工程作为调控铁电薄膜物理性能的有效手段已经被广泛研究. 但是应变对铁电负电容调控的相关机理并不清楚. 本文通过Landau-Khalatnikov方程模拟了应变场和温度场对PbZr0.2Ti0.8O3铁电薄膜负电容的影响. 研究表明, 瞬态负电容的产生伴随着极化的翻转, 在一定温度下压应变有助于铁电负电容的稳定, 而在张应变下铁电极化翻转较快, 负电容效应持续时间较短. 但是, 增加的压应变会导致对应的矫顽电压增大, 需要更大的外电压才能使极化翻转, 从而产生负电容. 此外, 在恒定的应变下, 温度越低, 负电容效应越显著. 本工作对未来负电容微纳器件的设计具有一定的指导意义.
2021, 70 (18): 187702.
doi: 10.7498/aps.70.20210554
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量子点敏化太阳能电池具有重要的潜在应用, 但仍存在界面输运、稳定性和效率改善的挑战. 本文采用等离子增强原子层沉积技术在低温下(170—230 ℃)制备了InN, 并将其插入至CdSeTe基量子点太阳能电池光阳极的FTO/TiO2界面处, 进行了原子层沉积窗口和电池性能改善的物理机理研究. 结果表明, 引入InN 超薄层后的电池效率整体有明显提升, 并且促进了电子的输运, 填充因子明显增加. 同时, 加速了电子抽取、转移和分离, 降低了电荷复合的可能性. 对插入的InN沉积温度和厚度对电池性能的影响进行了深入分析, 并对背后的物理机理进行了讨论.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (18): 188101.
doi: 10.7498/aps.70.20210572
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针对金刚石/Al界面的形成和性能, 采用第一性原理计算方法, 研究了Al原子在H终止金刚石表面的吸附及其迁移行为, 以及金刚石/Al界面的结构与黏附功. 结果表明: Al原子吸附对金刚石原子表面结构不敏感, 且表面迁移激活能非常小, 其原因是Al与H原子间没有形成化学键, 仅有少量电荷转移, 为物理吸附; 由吸附位置生长而形成的金刚石/Al界面为亚稳结构, 不具有能量稳定性. 本文结果为理解金属纳米掩膜的形成机理提供重要的理论参考.
2021, 70 (18): 188401.
doi: 10.7498/aps.70.20210674
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本征钝化层及p型发射层对硅异质结太阳电池的性能具有重要的影响. 本文在常规钝化层与晶硅衬底(c-Si)之间插入一层低功率、高氢稀释比沉积的超薄缓冲层, 以此来提高钝化效果, 并拓宽钝化层工艺窗口. 此外, 设计并制备了具有宽带隙、高电导特性的重掺杂纳米晶硅/轻掺杂p型双层复合发射极. 实验结果表明, 双层钝化层具有更加稳定与优异的钝化效果, 钝化样品的少子寿命达到4.197 ms, 隐含开路电压(implied-VOC, iVOC)达到726 mV. 同时双层复合发射层中, 轻掺杂的掺杂层可以减弱掺杂剂向本征钝化层的扩散, 保证良好的钝化效果, 而重掺杂的掺杂层不仅能够提供足够的内建电场, 而且可以改善掺杂层与氧化铟锡薄膜的接触特性, 进而提升电池的输出特性. 并且高氢稀释比的前掺杂层还可以对钝化层起到氢处理的作用, 减少钝化层表面的悬挂键, 从而增强化学钝化效果, 进而提高电池的开路电压. 最终, 基于商业化制绒的硅片, 获得了效率达到20.96%的硅异质结太阳电池, 其中开路电压为710 mV, 短路电流密度为39.88 mA/cm2, 填充因子为74.02%.
2021, 70 (18): 188501.
doi: 10.7498/aps.70.20210486
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超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域, 然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性, 从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用. 本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD, 在纳米线周围引入一层高折射率Si薄膜作为介质补偿层来提高纳米线对垂直偏振态入射光的吸收效率, 并将补偿层的上表面设计为光栅结构以减小不同波长下纳米线对不同偏振态入射光的吸收差异从而实现在特定波长范围内的偏振不敏感. 除此之外, 还采用介质镜和双层纳米线结构来提高器件的光吸收效率, 测试结果表明该器件在1605 nm波长处最大探测效率为87%, 对应的偏振消光比为1.06. 该工作为未来实现高探测效率的偏振不敏感SNSPD提供了参考依据.
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2021, 70 (18): 188701.
doi: 10.7498/aps.70.20210897
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太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像, 其产生方式近年来受到了越来越多的关注. 本文提出了一种反射型超表面, 它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束. 超表面单元结构基于几何相位原理, 由三层结构组成, 上下两层为金属结构, 中间层为介质, 其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成. 利用几何相位对圆极化波的调控作用, 可以实现由线极化波到圆极化波的分解, 并实现对不同圆极化波的灵活调控. 为了同时调控反射波的偏转方向, 本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿. 通过相位叠加原理, 在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量, 较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果. 仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有 ± 1和 ± 2模态的4个波束, 在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.
2021, 70 (18): 188801.
doi: 10.7498/aps.70.20210458
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太阳电池阵是航天器的电力来源, 时常受到微流星体和空间碎片撞击而损伤, 导致太阳电池阵输出功率下降. 采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了空间碎片超高速撞击地面模拟试验, 研究了不同撞击速度、弹丸直径、撞击点位置工况下太阳电池阵伏安特性的衰减规律. 共进行了12次试验, 其中5次因弹托撞击试件而无效, 7次试验数据有效. 试验结果显示, 弹丸的直径和撞击速度、撞击位置三者均对伏安特性影响较大, 地面模拟试验与在轨飞行试验产生的损伤形貌符合良好. 通过数据分析了电池阵失效面积与剥落区面积、穿孔面积、弹丸动能、撞击位置四者之间的关系. 研究发现, 电池阵失效面积与剥落区面积两者之比介于7—37, 电池阵失效面积与穿孔面积两者之比介于50—150. 撞击在电池片中心区域, 失效面积明显高于撞击在电池片边缘或者连接处. 电池阵失效面积$ \Delta {S}_{\mathrm{S}\mathrm{A}} $ 与动能E ($ E=\mathrm{\pi }\rho {d}^{3}{v}^{2}/12 $ )的立方根比较吻合. 为了建立功率损失面积与弹丸直径和撞击速度的准确方程, 首先假设三者存在幂指数关系, 再通过数据拟合方法求解待定系数, 最终建立了适用于国内太阳电池阵的功率损失$ {\Delta P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 方程和$ \Delta {S}_{\mathrm{S}\mathrm{A}} $ 方程. 当撞击在电池片中心区域$ {\Delta P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}= $ $ 0.047d{v}^{2/3} $ 时, $ \Delta {S}_{\mathrm{S}\mathrm{A}}=260d{v}^{2/3} $ . 当撞击在电池片边缘或者连接处$ {\Delta P}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=0.033d{v}^{2/3} $ 时, $ \Delta {S}_{\mathrm{S}\mathrm{A}}=180d{v}^{2/3} $ . 方程预测偏差在 ±13.3%以内, 平均偏差为7.6%. 该方程可用于描述在0°撞击角条件下电池阵功率损失或失效面积两者与弹丸的直径、撞击速度、撞击位置的函数关系. 本文的研究方法对我国航天器太阳帆板超高速撞击环境下性能退化评估有借鉴意义, 所建立的功率损失方程和失效面积方程, 能够预测空间碎片造成的太阳电池阵的功率下降规律和失效面积规律, 对我国航天工程实践具有重要的工程应用价值.
