专题: 量子计算与量子信息
2021, 70 (21): 210201.
doi: 10.7498/aps.70.20211428
摘要 +
利用量子态的叠加性和纠缠, 量子计算为显著地加速经典算法, 例如大数分解、求解线性方程组、量子多体系统模拟等问题, 提供了可能. 随着量子计算机硬件的快速发展, 探索量子计算超越经典计算极限方向的研究受到了越来越多的重视. 针对一类特定的问题, 现有的量子设备已经展现出超越经典计算机的能力. 但由于一些量子算法(诸如大数分解等问题)需要依赖于一个通用的大规模的容错的量子计算机, 考虑到现阶段的量子设备的量子比特数十分有限, 且容易与环境发生退相干, 近期的研究主要集中在探索基于含噪声的中等规模量子设备以及浅层量子线路的量子优越性. 一些采样问题被作为演示量子优越性的候选项提出. 本文介绍和总结了几个可以在现阶段的量子设备上实现的量子优越性问题, 并就其中两个备受关注的量子优越性问题—随机量子线路模拟和玻色采样及其衍生的采样问题的理论和实验进展、经典模拟算法等展开讨论. 随着上述两类量子优越性问题在超导和光学量子平台的实现, 我们预期当前和近期的量子设备将解决更多问题, 从而实现更一般的量子优势.
2021, 70 (21): 210301.
doi: 10.7498/aps.70.20210923
摘要 +
相比于量子门电路模型, 基于测量的量子计算模型为实现普适量子计算提供了另一途径, 且经过近二十年的发展其内涵已得到了极大丰富. 本文对基于测量的量子计算模型的研究历史和现状进行综述. 首先简要介绍该模型的基本理论, 包括量子图态等资源态的概念和工作原理、模型的计算普适性和经典模拟方法、在相关量子信息处理领域的应用等. 接着从量子物理特性的角度概括基于测量的量子计算模型和量子多体系统之间的紧密联系, 包括量子纠缠、互文性、量子关联、对称保护拓扑序和量子物质相等作为计算资源所发挥的独特作用. 然后, 总结实现基于测量的量子计算模型的不同技术路线和实验成果. 这些理论和实验方面的进展是不断推动可扩展容错量子计算机研制的力量源泉. 最后, 对该领域未来的研究方向进行讨论和展望, 希望能启发读者进一步学习和探索相关课题.
2021, 70 (21): 210302.
doi: 10.7498/aps.70.20210985
摘要 +
量子计算作为一种新兴的计算范式, 有望解决在组合优化、量子化学、信息安全、人工智能领域中经典计算机难以解决的技术难题. 目前量子计算硬件与软件都在持续高速发展, 不过未来几年预计仍无法达到通用量子计算的标准. 因此短期内如何利用量子硬件解决实际问题成为了当前量子计算领域的一个研究热点, 探索近期量子硬件的应用对理解量子硬件的能力与推进量子计算的实用化进程有着重要意义. 针对近期量子硬件, 混合量子-经典算法(也称变分量子算法)是一个较为合理的模型. 混合量子-经典算法借助经典计算机尽可能发挥量子设备的计算能力, 结合量子计算与机器学习技术, 有望实现量子计算的首批实际应用, 在近期量子计算设备的算法研究中具有重要地位. 本文综述了混合量子-经典算法的设计框架以及在量子信息、组合优化、量子机器学习、量子纠错等领域的研究进展, 并对混合量子-经典算法的挑战以及未来研究方向进行了展望.
2021, 70 (21): 213301.
doi: 10.7498/aps.70.20211363
摘要 +
在单分子层面对物质的特性进行表征在当今科学发展中有着重要意义, 例如生物、化学、材料科学等. 通用纳米尺度传感器的到来有望实现物质科学的一个长远目标—室温大气环境下的单分子结构解析. 近些年来, 金刚石中氮-空位(NV)色心作为一种固态自旋逐渐发展成兼具高空间分辨率和高探测灵敏度的纳米尺度传感器. 由于其无损、非侵入的特性, 在单分子测量方面具有非常出色的表现. 到目前为止, NV传感器已经实现了对磁场、电场、温度等诸多物理量的高灵敏度探测, 是一种潜在的多元化量子传感器. 结合多角度的交叉测量, 有助于提升对新物质、新材料、新现象的认识与理解. 本文从NV传感器的微观结构出发, 简要介绍了在零场这一特殊磁场条件下的几篇探测工作, 包括零场的顺磁共振探测和电场探测.
2021, 70 (21): 217802.
doi: 10.7498/aps.70.20211492
摘要 +
半导体量子点量子计算是实现固态量子计算的重要途径之一, 高质量量子计算材料制备是其中的关键. 硅和锗材料能够实现无核自旋的同位素纯化, 满足量子比特对长退相干时间的要求, 同时与当前的硅工艺兼容, 是实现半导体量子计算的重要材料平台. 本文首先概述了近年来半导体量子点量子计算领域取得的重要进展, 然后详细介绍了硅基硅/硅锗异质结、锗/硅锗异质结以及锗/硅一维线的制备方法、材料性质以及相应量子器件的研究进展, 最后对需要解决的关键技术问题以及未来的发展方向进行了展望.
封面文章
2021, 70 (21): 210303.
doi: 10.7498/aps.70.20211066
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在量子计算过程中, 需要通过量子测量读取计算结果. 然而, 受限于物理实现, 对量子态的测量往往存在较大误差, 直接影响量子计算结果的正确提取, 以及限制量子计算的大规模扩展. 本文针对一种特定形式的量子态, 提出基于辅助单比特测量的量子态间接读取算法, 避免多比特测量带来的大量测量误差. 理论和模拟结果表明, 当所读取的量子态比特数较大时, 该算法相比于直接读取具有更高的正确率, 可用于大规模量子纠错和量子态的高保真度读取.
综述
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2021, 70 (21): 214201.
doi: 10.7498/aps.70.20211020
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相干衍射成像是一种对光源相干性要求非常高的无透镜计算成像技术. 相干性包括时间相干性和空间相干性两方面, 在很多实际场合具有理想相干性的光源很难获得. 导致空间部分相干的因素主要有光源发光区域内各部分不同步的发光机制、检测器像素有限大小引起的非零宽度点扩散函数以及样品的不稳定性; 而时间部分相干则是由光源的能量扩散引起, 表现为扩展的发射光谱带宽. 空间和时间相干性退化的直接结果是衍射图样的清晰度和可见度的降低, 导致相干衍射成像中基于全相干模型构建的重构算法无法实现准确的物体波前重构. 解决方法包括改良实验装置来直接提高光束的相干性, 和通过优化相位恢复算法来补偿相干性退化的影响. 基于Wolf的相干模表示方法和Nugent等建立的部分相干衍射成像理论框架, 针对不同相干衍射成像技术中低相干性问题的各种解决办法相继被提出, 总体历经了从需要提前测出照明光的空间相干特征 (相干长度或者复相干因子) 或者时间相干特征(光谱分布) 到不需要任何已知光源相干特征的发展过程. 本文重点介绍相干衍射成像的部分相干性理论、以及部分空间和部分时间相干光衍射成像中重构算法的研究进展.
总论
2021, 70 (21): 210501.
doi: 10.7498/aps.70.20210514
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淋巴系统对人体的免疫及细胞的内环境稳态都有着重要的作用. 与血液循环系统相似, 淋巴系统也是遍布全身的管道系统, 主要由淋巴液、淋巴管和淋巴器官构成. 淋巴管的自发收缩驱动管内淋巴液的流动. 淋巴管的自发收缩-舒张机制由Ca2+和NO浓度的振荡反馈决定, NO在管内的分布对淋巴管的收缩循环起到重要作用. 因淋巴液流动而作用在淋巴瓣膜上的剪切力是瓣膜产生NO的主要原因. 在真实系统中, 某段淋巴管中的NO分布会受到与其连接的淋巴管的影响, 特别是上游的连接片段. 通过晶格玻尔兹曼方法, 建立了1个具有瓣膜结构的多段淋巴管模型, 再现了淋巴管内Ca2+和NO的反馈机制, 瓣膜变化和淋巴液流动情况. 该模型中存在3种淋巴管, 分别是初始淋巴管、中间淋巴管和出口淋巴管. 淋巴管的段数可以通过修改计算参数无限扩充. 本文计算的段数为3—5段, 每段淋巴管中有两对瓣膜. 通过模型研究了多段淋巴管中NO浓度分布、压力分布、NO平均浓度变化, 以及3段管模型中各管的流量随时间变化情况.
2021, 70 (21): 210502.
doi: 10.7498/aps.70.20210676
摘要 +
放电模态是可以识别生物神经元的电活动, 即细胞内和细胞外的离子被泵送并在细胞内交换的过程. 通过适当的物理刺激, 人工神经元电路可以被设计以重现类似生物神经元的放电模式. 光电管中产生的光电流可以作为信号源, 对神经元电路进行刺激. 但由于不同支路上的通道电流对功能神经元动力学的控制程度不同, 所以光电管接入不同的支路, 将会使神经元电路的放电模式产生很大差异. 本文所采用的非线性神经元是由一个电容器、感应线圈、非线性电阻、两个理想电阻和一个周期电压源组成的FHN (FitzHugh-Nagumo neuron)电路. 在此基础上, 将光电管引入不同的支路来改变通道电流, 以研究光电流的生物物理作用. 当光电管连接到电容上, 光电管被激活从而改变通道电流时, 细胞膜电位可以直接改变, 并切换激发模式. 当光电管串联连接到感应线圈时, 通过感应线圈的感应电流被调节以平衡外部刺激. 这些结果表明, 在本文构建的两类光敏神经元模型中, 相比光电流驱动电感支路, 光电流驱动电容器支路可以更有效地调节膜电位, 大大提高感光灵敏度.
原子和分子物理学
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2021, 70 (21): 213601.
doi: 10.7498/aps.70.20210998
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合金化是增加材料结构和性能多样性的重要手段. 本文先从考虑最近邻相互作用的Ising模型出发, 通过铁磁耦合研究二元合金的低温相分离、高温固溶体系, 通过反铁磁耦合研究低温有序固溶、高温无序体系. 以储氢合金中的Laves相V2x Fe2(1–x)Zr和ScxY1–x Fe2材料为例, 采用基于结构识别的高通量第一原理计算, 考虑结构简并度对配分函数的贡献, 可以对合金材料进行有限温度下的理论预测. 先通过第一原理计算得到基态 (零温下) 形成能, 形成能大于零的体系ScxY1–x Fe2在低温下相分离, 根据自由能符号确定合金固溶的临界温度; 形成能小于零的体系V2x Fe2(1–x)Zr在低温下倾向于形成有序相, 根据比热的计算可以确定体系出现有序-无序转变的临界温度. 其中, 高通量第一原理计算和对应的结构简并度统计可以通过我们课题组发布的程序SAGAR (structures of alloy generation and recognition)实现.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (21): 214202.
doi: 10.7498/aps.70.20210496
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报道了基于锯齿波脉冲抑制自相位调制(SPM)的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器. 通过优化掺镱(Yb)石英有源光纤的长度, 在保证输出功率和转换效率的同时提高单频光纤激光放大器中的受激布里渊散射阈值, 并采用脉冲波形为锯齿波的种子光, 利用其光强对时间的变化率为常数的特性有效抑制了SPM效应导致的激光光谱展宽现象. 主放大级泵浦功率为11.3 W时获得了平均输出功率为3.13 W、脉冲重复频率为20 kHz的1064 nm单频激光输出; 此时脉冲宽度为6.5 ns, 对应峰值功率为24 kW, 测得光谱线宽仅为83 MHz, 接近变换极限水平. 与采用常规高斯波形脉冲种子光的对照实验相比, 锯齿波形脉冲对SPM所致的光谱展宽具有显著抑制效果, 为高功率窄线宽脉冲光纤激光放大器提供了一种行之有效的方法.
2021, 70 (21): 214204.
doi: 10.7498/aps.70.20211069
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系统研究了多功能多元稀土六硼化物La1–x Srx B6纳米粉末的光吸收及多晶块体的热电子发射性能. 纳米粉体光吸收结果表明, 多元稀土六硼化物La1–x SrxB6透射光波长从591 nm至658 nm连续可调. 多晶块体热电子发射结果表明, 外加电压2000 V, 阴极温度为1773 K时, 热电子发射电流密度从2.3 A/cm2线性增大至19.36 A/cm2, 表现出了热发射性能增强效果. 因此, 多元稀土六硼化物La1–x Srx B6为一种多功能材料, 在光吸收材料及热阴极材料领域具有潜在的应用前景. 此外, 为了揭示上述光吸收及热发射机理, 采用第一性原理系统计算体等离子共振频率能量和费米能级变化规律.
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2021, 70 (21): 214205.
doi: 10.7498/aps.70.20210367
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研发了一套适合深海原位测量的4000 m级激光多普勒热液流速测量样机, 该系统采用一体化整体集成式设计, 系统由光源模块、光学模块和多普勒信号处理模块三部分组成, 封装于L 500 mm × Φ 205 mm的耐压舱中形成一体化光学测量探头. 提出了强本振型双光束激光多普勒测速光路, 原理样机在实验室对模拟速度进行测量, 测量范围0.01—10 m/s, 流速测量分辨率为0.001 m/s, 实验结果初步证明激光多普勒测速系统的可行性. 之后系统在青岛深海基地进行了耐压试验, 系统在40 MPa高压下, 获取信号正常. 在中国水利水电科学研究院进行了速度对比测量, 在0.01—0.2 m/s的低速段, 与声学多普勒流速仪进行对比, 最大测量相对误差为–9.43%. 在0.8—9.6 m/s的高速段, 与喷咀标准流速系统进行对比, 最大相对测量误差为–1.65%. 样机系统在海南陵水进行了浅海试验, 测试了样机系统随吊车下放到50 m水深的下降速度和在水深2 m处随船的拖拽速度, 试验证明, 样机系统在浅海环境中工作正常, 获取速度信号正常.
2021, 70 (21): 214301.
doi: 10.7498/aps.70.20210595
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以侧向局域共振超构板为研究对象, 基于布洛赫定理及弯曲波传播理论, 建立了侧向局域共振超构板的振动响应、声辐射功率及辐射效率理论计算模型, 同时建立了侧向局域共振超构板的有限元模型以验证理论模型的有效性. 进一步开展了有/无周期附加侧向局域共振结构超构板的模态分析, 探索了侧向局域共振超构板辐射声功率及辐射效率随频率变化的关系. 结果表明, 侧向局域共振超构板在两条特定频段(带隙)内的板面均方振速及辐射声功率远低于均匀平板, 而辐射效率却高于均匀平板. 本研究可为推进侧向局域共振超构板在减振降噪领域的工程应用奠定理论基础.
2021, 70 (21): 214302.
doi: 10.7498/aps.70.20210981
摘要 +
声镊一般是指利用声辐射力原理对微小粒子进行悬浮和移动的一种技术. 粒子的水平移动是声镊操控粒子的常见方式之一. 本文理论推导了声辐射力与声压之间的直接关系, 结果表明声压极大值点(聚焦点)与声辐射力势能的极小值点之间具有对应关系, 并根据声阵列相位合成原理建立了声镊声场聚焦模型. 文章基于数值仿真方法, 以双侧16阵元声镊装置为例, 分析了粒子水平移动的控制方法和稳定性. 由于受到重力影响, 粒子水平移动过程中必须考虑竖直方向的平衡问题. 声场中, 不同位置的粒子向各方向水平移动的稳定性是不同的. 越靠近阵列中心, 粒子移动的稳定性越高. 粒子移动步长(精度)对移动稳定性也有重要影响. 一般来说, 步长越短稳定性越高. 本模型中, 移动步长减小1/2, 稳定性提了高近40%. 研究结果对于设计声镊粒子移动控制方法, 规划粒子移动路径, 推动声镊技术应用等具有理论意义.
2021, 70 (21): 214303.
doi: 10.7498/aps.70.20210559
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磁声作用下的包膜微泡在治疗应用中具有极其重要的意义. 本文将包膜微泡置于充满磁流体的管中, 考虑在磁声场作用下磁流体受到的磁压力, 推导了微泡的径向振动方程; 并用韦伯数、雷诺数等特征量对其动力学方程无量纲化; 采用龙格库塔法分析了磁声场参数及磁流体特性对其振动行为的影响. 结果表明, 磁场会阻碍微泡塌缩并使其做稳定振荡. 声场一定时, 磁场能够稳定微泡的振荡, 增大振荡微泡的平衡半径; 磁场越强, 磁流体磁化率χm对微泡的振动影响越明显, χm较大时微泡瞬态响应的非线性更强; 较大的声场参数会增强振荡微泡对磁场的响应; 而磁场越强, 声参数对微泡振荡的影响越弱, 且微泡瞬态响应非线性明显但稳态响应保持小振幅的往复振荡. 可见, 通过调控磁声场有利于实现微泡在血管内的稳定振荡并避免塌缩.
2021, 70 (21): 214304.
doi: 10.7498/aps.70.20211013
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建立了一种适用于复本征值情况下的弹性耦合简正波声场模型, 给出了包含泄漏模态时弹性简正波的归一化和耦合系数表达式, 耦合系数满足声能流守恒. 利用该模型分析了倾斜弹性海底条件下声场的简正波相干耦合特性, 发现考虑泄漏模态时, 简正波耦合不仅会导致简正波幅度变化, 而且也会带来附加相移. 仿真计算表明: 其一, 在倾斜弹性海底条件下, 考虑泄漏模态耦合附加相移影响后得到的声传播损失更接近有限元商用软件的计算结果; 其二, 耦合大大提升了界面波的幅度. 此外, 本文还分析了海洋环境参数变化对声传播损失的影响.
2021, 70 (21): 214305.
doi: 10.7498/aps.70.20210869
摘要 +
构建了弹性介质包裹的液体腔内的气泡振动模型, 并基于压力平衡关系得到了腔内液体中气核发展成为空化泡的Blake阈值以及液体腔临界半径表达式. 体积模量、泡核半径及表面张力系数等因素可影响Blake阈值压力和气泡大小, 形成触发或抑制空化发生的控制条件相关的参数空间. 基于拉格朗日方程推导了考虑腔外介质弹性影响的气泡动力学方程, 并基于此分析了激励声波频率、介质体积模量、腔内液体体积等因素对气泡振动行为的影响, 结果表明: 在声场驱动下, 泡核快速生长到新的平衡半径后振荡; 气泡平衡半径与超声无关, 但会影响气泡动力学行为. 当超声频率与气泡固有振荡频率相当时, 气泡在几个周期的剧烈振动后崩溃, 同时在腔内液体中形成明显的压力起伏变化. 高频超声驱动下气泡的响应相对较弱, 气泡主要表现为自由振荡.
2021, 70 (21): 214401.
doi: 10.7498/aps.70.20210356
摘要 +
基于辐射制冷和温室效应, 设计了一种无需主动能量输入的温差发电系统: 夜间利用辐射制冷降低热电模块的冷端温度, 白天利用温室效应增加热端温度, 以提高冷热端温差, 达到全天候无间断的发电效果. 实验研究了热电模块冷热端温差随时间的变化及其受环境湿度的影响. 在中国陕西的夏季实验测量和分析结果表明: 辐射制冷使热电模块冷热端在夜间维持约1.1 ℃的温差; 温室效应可使热端温度比环境温度高出13.9 ℃; 环境湿度在20%和45%的条件下, 热电模块冷热端的全天平均温差分别为1.9 ℃和1.6 ℃, 表明20%的环境湿度条件下该系统具有更好的发电性能. 本装置实现了全天候的被动能量输出, 在离网区域电力供应等方面具有潜在的应用前景.
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2021, 70 (21): 214601.
doi: 10.7498/aps.70.20210210
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纳米材料与特氟龙磁力搅拌棒之间的摩擦被发现可导致磁力搅拌条件下的染料降解. 本文对磁力搅拌条件下TiO2纳米粉还原CO2进行了研究. 在充有CO2的100 mL石英反应器中, 在50 mL的水中分散1.00 g TiO2纳米粉, 经过50 h磁力搅拌可产生6.65 × 10–6 (体积分数, 下同) CO, 2.39 × 10–6 CH4和0.69 × 10–6 H2; 而如果没有TiO2纳米粉, 则只能产生2.22 × 10–6 CO和0.98 × 10–6 CH4. 对含有分散TiO2纳米粉的水同时采用4个磁力搅拌棒, 50 h磁力搅拌产生的气体进一步提高到19.94 × 10–6 CO, 2.33 × 10–6 CH4和2.06 × 10–6 H2. 基于TiO2纳米粉通过摩擦吸收机械能并被激发产生电子-空穴对, 建立了TiO2纳米粉对CO2和水还原的催化机理. 本发现表明, 纳米材料能够通过摩擦利用机械能进行CO2的还原, 从而为开发利用环境中的机械能提供了一个新的方向.
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2021, 70 (21): 214203.
doi: 10.7498/aps.70.20211144
摘要 +
温度测量对燃烧过程中的污染控制与节能减排具有重要意义, 而实际应用中复杂的动态高温燃烧场对温度测量技术的测量精度与响应速度提出了严格的要求. 相干反斯托克斯拉曼散射技术作为一种较为先进的光谱测温技术, 具有较高的空间分辨率, 可以在高温环境下实现准确的温度测量, 具有应用于复杂燃烧场的潜力. 针对复杂的动态高温燃烧场的测温需求, 本文提出了一种基于二次谐波带宽压缩方法的混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温方法, 实现了对动态高温燃烧场温度的准确测量与动态响应. 实验中利用标准燃烧器模拟了1700—2200 K温度范围内的动态高温燃烧场, 利用该测温方法, 以千赫兹的光谱采集速率, 对模拟的动态火焰的温度进行了连续70 s测量. 测量结果显示, 该方法在高温下温度测量的相对误差小于1.2 %, 相对标准偏差小于1.8 %, 同时能动态追踪0.2 s内的温度变化过程, 验证了该方法测温的准确性、稳定性以及响应速度, 为复杂的动态高温燃烧场的温度测量提供了一种新的测量方案.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (21): 215201.
doi: 10.7498/aps.70.20210664
摘要 +
近年来, 人类对火星的探索活动不断掀起新的热潮. 研究表明, 火星尘暴内的强电场可能引发CO2大气放电现象. 对其中的放电机理进行分析不但有助于深化对火星地表演化的认识, 也为基于放电等离子体技术实现火星原位制氧提供了可能. 本文在深入分析火星CO2放电过程的基础上, 基于图论与粒子依赖性分析的方法, 结合整体模型, 提出了一种定量确定火星大气条件下CO2放电简化集合的方法. 首先从反应粒子构成的网络拓扑图及粒子间相互作用关系入手, 筛除C2O, $ {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}^{+} $ , $ {\mathrm{O}}_{4}^{-} $ 等低活跃粒子, 得到CO, $ {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}^{+} $ , $ {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-} $ 等主要粒子, 实现对粒子种类的选取; 随后基于反应速率分析, 定量获得各反应对CO2放电过程的贡献比重, 最终确定包含16种粒子、67种反应的基态CO2放电反应简化集合. 数值模拟表明, 使用简化集合与初始集合的计算结果一致, 这也给出了火星大气条件下CO2放电的关键过程. 从方法学上来讲, 本文的研究为进一步实现复杂化学等离子体体系中, 反应粒子与反应种类的自动化、精确化与智能化选择提供依据, 同时本文提供的方法能够定量分析反应粒子之间的相互关系, 从而为精确研究火星CO2放电中的各种产物, 实现基于放电等离子体技术的火星原位制氧奠定理论基础.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (21): 216101.
doi: 10.7498/aps.70.20210244
摘要 +
采用第一性原理方法, 研究了三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质. 首先采用第一性原理和进化算法, 预测得到8种可能存在的热力学稳定的Hf-C-N空位有序结构; 这些结构都具有岩盐结构, 与实验发现的无序固溶体的结构类型一致. 本文的预测结果证明了Hf-C-N空位化合物能够以有序结构形式存在, 空位与C, N原子都位于[Hf6]八面体间隙, 这一结构特点与HfCx的相同. 然后采用第一性原理方法, 计算了Hf-C-N空位有序结构的力学性质, 发现除C∶N = 1∶4外, 相同C/N下, 随着空位浓度的增大, Hf-C-N的体模量、剪切模量、弹性模量、Pugh比、维氏硬度等降低; 而Hf6CN4 (空位浓度为1/6)的维氏硬度高于Hf5CN4 (无空位), 表现出空位硬化现象. 最后, 计算了Hf-C-N空位有序结构的态密度和晶体轨道哈密顿分布, 发现其具有强共价性和金属性; 且随着空位浓度增大, 总体键强减弱, 因而模量减小.
2021, 70 (21): 216301.
doi: 10.7498/aps.70.20210812
摘要 +
构建了覆盖度为2.778%的黑磷烯吸附硅原子模型, 基于密度泛函理论计算了模型的电子特性, 并通过应力及电场对其电子特性进行调控. 研究表明: 当前研究的覆盖度下, Si原子的吸附导致黑磷烯几何对称性被破坏, 加剧了体系内的电荷转移, 完成轨道再杂化. 使黑磷烯带隙消失, 实现了其由半导体向准金属的转变. 其稳定的吸附位是位于P原子环中间的H位. 拉伸和电场均降低了黑磷烯体系稳定性. 拉伸形变使黑磷烯吸附Si原子结构打开带隙, 且带隙与形变量成正比, 实现对其带隙的调控. 电场与拉伸共作用下, 电场的引入使黑磷烯吸附Si原子带隙变窄且完成体系由直接带隙向间接带隙的转变. 带隙依旧随形变量增加而增加. 吸附Si原子的黑磷烯体系带隙可调性高于未吸附体系, 且易于实现带隙的稳定调控.
2021, 70 (21): 216401.
doi: 10.7498/aps.70.20210979
摘要 +
复杂网络中节点重要性的评估是网络特性研究中的一项重要课题, 相关研究具有广泛的应用. 目前提出了许多方法来评估网络中节点的重要性, 然而大多数方法都存在评估角度片面或者时间复杂度过高的不足. 为了突破现有方法的局限性, 本文提出了一种基于Tsallis熵的复杂网络节点重要性评估方法. 该方法兼顾节点的局部和全局拓扑信息, 综合考察节点的结构洞特征和K壳中心性, 并充分考虑节点及其邻域节点的影响. 为了验证该方法的有效性, 本文采用单调性指标、SIR模型和Kendall相关系数作为评价标准, 在8个来自不同领域的真实网络上与其他方法进行比较. 实验结果表明, 此方法能更有效和准确地评估网络节点的重要性, 可以显著区分不同节点的重要性. 此外, 该方法的时间复杂度仅为$ O({n^2}) $ , 适用于大型复杂网络.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (21): 217101.
doi: 10.7498/aps.70.20210816
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单层二硫化钼是制作各种微纳元器件及柔性电子器件较为理想的材料. 然而在实践和应用中, 材料受到环境所导致的应变是一个无法避免的关键问题, 材料的电子结构也会随应变而发生改变. 本文基于第一性原理并结合湿法转移后的拉伸实验, 研究了拉伸应变对单层二硫化钼光电特性的影响. 结果表明: 1)本征单层二硫化钼为直接带隙半导体, 禁带宽度为1.68 eV; 吸收系数曲线最强峰位于10.92 eV附近, 最大吸收系数为1.66 × 105 cm–1. 2)开始施加拉应变(1%)时, 其能带结构从直接带隙转变为间接带隙; 随着应变的增大, 能带仍然保持间接带隙的特征, 且禁带宽度呈现线性下降的趋势; 当拉应变为10%时, 禁带宽度降为0 eV. 吸收系数曲线随应变施加而发生红移. 3)通过对湿法转移后的单层二硫化钼进行拉伸实验, 拉曼光谱中的面内模式$ {\mathrm{E}}_{2\mathrm{g}}^{1} $ 和面外模式A1g峰都会随拉伸而发生红移, 且两峰的峰值频率差保持在18.6 cm–1左右; 在光致发光谱1.83 eV处观察到单层二硫化钼的A激子的强发射峰. 随着拉应变的变大, 峰值相对强度降低并且线性红移, 代表带隙的线性减小, 与理论计算结果相符.
2021, 70 (21): 217301.
doi: 10.7498/aps.70.20210700
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AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管的栅极电容由本征电容和边缘电容组成. 边缘电容分为外部边缘电容和内部边缘电容, 内部边缘电容相比外部边缘电容对器件的开关转换特性更为敏感. 本文基于内部边缘电容的形成机理, 推导了内部边缘电容Cifs/d模型, 进一步的分析表明, 其与器件的栅极偏置强相关; 基于Ward-Dutton电荷分配原则推导了相应的本征电容模型, 最后结合外部边缘电容得到了完整的栅极电容模型. 由于边缘电容是由器件结构产生的寄生电容, 仿真结果表明, 若不考虑边缘电容的影响, 栅源电容的误差可达80%以上, 而栅漏电容的误差可达65%以上. 因此, 在高频开关应用领域, 边缘电容对栅极电容的影响不可忽略.
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2021, 70 (21): 217302.
doi: 10.7498/aps.70.20210750
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记忆晶体管是结合忆阻器和场效应晶体管性能且同时实现存储和信息处理的一种新型多端口器件. 本文采用微机械剥离的多层二硫化钼(MoS2)制备了场效应晶体管结构的背栅记忆晶体管, 并系统研究了器件在电场、光场及其协同调控下的阻变开关特性和阻变机理. 实验结果表明, 多层MoS2记忆晶体管具有优异的双极性阻变行为和良好的循环耐久性. 器件在栅压调控下, 开关比可实现在100—105范围内变化, 最高可达1.56 × 105, 表明器件具有很强的门控效应; 在光场调控下, 器件的阻变特性对光波长有很强的依赖性; 光电协同调控时, 器件表现出极好的四端口调控能力, 开关比达4.8 × 104. 其阻变特性的机理可归因于MoS2与金属电极接触界面电荷俘获状态和肖特基势垒高度的变化, 以及MoS2沟道光生载流子引起的持续光电导效应.
2021, 70 (21): 217801.
doi: 10.7498/aps.70.20210710
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激光外差光谱探测由于其光谱分辨率高、体积小、重量轻等优点近年来得到了快速的发展, 可用于大气温室气体垂直廓线测量和碳卫星地面定标等. 本文报道了利用3.939 µm带间级联激光器作为本振光源的测量大气N2O的激光外差系统, 自制高精度太阳跟踪仪收集太阳光作为激光外差的信号光源, 其跟踪精度达到7 arcsec, 激光外差系统的光谱分辨率达到0.004 cm–1, 测量了合肥地区(31.902°N, 117.167°E)大气N2O吸收光谱, 得到2838.336和2539.344 cm–1两个强吸收峰, 并对吸收信号进行波长标定, 得到了N2O分子的整层大气透过率谱, 信噪比为93. 将高分辨率光谱数据进行归一化处理和频率校正, 利用参考正向模型和最优估计算法得到N2O大气整层浓度廓线, 标准偏差体积分数为0.000031 × 10–6—0.0026 × 10–6, 对应相对误差范围为0.009%—0.83%. 研究结果表明, 所搭建的激光外差系统能够实现对大气中N2O的吸收光谱测量以及对N2O的廓线反演, 为长期观测大气N2O浓度提供保证.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (21): 218101.
doi: 10.7498/aps.70.20210752
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短纤维结构对聚合物材料玻璃化转变温度及非线性力学具有非常重要的影响. 本文利用粗粒化分子动力学方法研究了碳纳米管(CNTs)含量对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)玻璃化转变、扩散系数及非线性力学特性的影响. 分子动力学模拟结果显示: 短CNTs纤维的加入的确会改变PMMA体系的玻璃化转变温度, 模拟结果与实验测量结果一致, 而且随着CNTs含量的增加其对应的玻璃化转变温度也会随着增加. 进一步分析扩散特性发现, CNTs加入PMMA对于体系扩散特性的改变主要发生在玻璃化温度以上, 玻璃化温度以下结构对应的扩散系数差异非常的小. 聚合物材料在服役过程中难免要遭受应力-应变的作用, 而且其结构对应的模量和韧性成反比. 基于此, 本文通过非平衡分子动力学探究了短CNTs纤维添加PMMA复合材料的非线性力学特性. 模拟结果显示: 随着CNTs纤维的含量增加, 其对应的屈服模量也在不断的增加, 而且含有短CNTs纤维的体系还能够保持原来的韧性. 因此, 分子层面的理论研究策略可以为进一步的实验和加工提供理论指导.
2021, 70 (21): 218102.
doi: 10.7498/aps.70.20210725
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高铬铸铁中M7C3碳化物大小适中、弥散均匀分布, 有利于提高合金的耐磨性. 为分析凝固过程中M7C3碳化物晶粒在基体中的形貌及分布、M7C3碳化物与奥氏体晶粒生长的相互作用、引起的溶质偏聚对最终M7C3碳化物粒径分布的影响, 本文开发了Fe-C-Cr三元合金小面晶M7C3碳化物与奥氏体晶粒共生长的二维微观元胞自动机模型, 模型中加入潜热释放对凝固过程温度场的影响, 由C, Cr两溶质界面扩散共同确定晶体生长速度, 由凝固路径数据表插值获取液相元胞的溶质平衡浓度, 设定M7C3碳化物邻胞结构并优化形状因子来保持M7C3碳化物小面晶形貌, 模拟了Fe-4%C-17%Cr三元合金(C和Cr的质量分数分别为4%和17%)初生M7C3碳化物和共晶奥氏体晶粒的生长演变过程. 研究表明, M7C3碳化物和奥氏体晶粒各自的生长速度随着界面液相中C, Cr溶质的超饱和度和贝克列数的增大而增大; 随着奥氏体的析出和晶粒生长, M7C3碳化物晶粒的生长速度明显增快; 当奥氏体晶粒逐渐接触并包围M7C3碳化物晶粒时, 两相晶粒生长速度逐渐降低. 凝固过程中, 奥氏体晶粒生长向外排出C, Cr溶质, 与吸收C, Cr溶质生长的M7C3碳化物晶粒互补, 致使二者生长互相促进, 最终奥氏体晶粒包围M7C3碳化物晶粒生长. 预测的冷却曲线与实验冷却曲线变化趋势相符; 最终凝固组织形貌和M7C3碳化物体积分数与实验相符; 剩余液相、奥氏体中C, Cr溶质浓度演变也与Gulliver-Scheil, Partial Equilibrium, Lever Rule模型预测结果相符.
2021, 70 (21): 218501.
doi: 10.7498/aps.70.20211128
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纳米线环栅隧穿场效应晶体管相比于其他多栅器件具有更强的短沟道效应抑制能力及更优异的电学特性. 器件模型能够模拟器件电学特性, 对于器件及电路的实际应用极为关键. 目前, 已有纳米线环栅隧穿场效应晶体管的电流模型报道, 但是尚没有电容模型的相关报道. 电容模型主要用于瞬态特性模拟, 对于评估电路速度转换和频率特性至关重要. 由于没有可用的电容模型, 纳米线环栅隧穿场效应晶体管电路方面的研究主要通过数值迭代的方法开展, 该方法不仅对硬件平台要求高, 且耗时长, 还容易出现收敛性问题, 只能勉强用于极小规模电路模块, 对于包含晶体管数目较多的电路无能为力. 本文针对以上问题, 从基本的器件物理出发, 建立了纳米线环栅隧穿场效应晶体管的电容模型, 该模型不涉及任何数值迭代过程. 相比于数值模型, 该模型计算速度快、过程稳定, 能够加速纳米线环栅隧穿场效应晶体管器件及电路的相关研究.
2021, 70 (21): 218502.
doi: 10.7498/aps.70.20210814
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设计了一种高时空分辨率、高偏转灵敏度的同步扫描条纹管. 采用降低阴极与阳极之间电压、增大等位区长度的方法提高了条纹管的偏转灵敏度. 采用在阴极后引入超精细栅网、合理设计六电极静电聚焦系统上各个电极所加电压以及将电子束交叉点设计到偏转板入口处的方法, 降低了时间畸变和时间弥散, 提高了条纹管的时空分辨率. 7000 V工作电压下的模拟结果显示: 在阴极有效尺寸10 mm × 4 mm内, 该条纹管的物理时间分辨率优于1.83 ps @MTF = 10%, 阴极静态空间分辨率优于38 lp/mm @MTF = 10%, 偏转灵敏度为125 mm/kV; 在250 MHz同步扫描频率下的动态空间分辨率优于16 lp/mm, 极限时间分辨率为1.39 ps; 在10 mm × 20 μm阴极狭缝脉冲下得到的同步扫描时间分辨率优于2.3 ps. 此外, 实验测试结果显示: 该条纹管阴极中心的静态空间分辨率为40 lp/mm, 在75 MHz同步扫描频率下测得的时间分辨率为5.55 ps.
2021, 70 (21): 218503.
doi: 10.7498/aps.70.20210587
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为研制大电流密度光电阴极, 提出了一种制备锑铯光电阴极的新方法, 采用专门的离子轰击技术使无氧铜表面纹理化, 提高其吸附性能和光的吸收率, 从而相对于未经处理的无氧铜可以大幅提高光电发射的性能. 研究了表面处理前后的无氧铜基体锑铯光电阴极的发射特性. 利用扫描电子显微镜分析了其表面结构, 处理后的无氧铜为表面无颗粒、坚固、结构均匀的全金属结构体, 使用此工艺无需修改无氧铜加工、焊接或其他光电阴极常规制造工艺. 实验中, 获得的无氧铜基体处理前后的光电阴极稳定发射的最大的光电发射电流密度分别为60.5和146.0 mA/cm2, 计算出相应的量子效率分别为2.67 × 10–3和1.71 × 10–2, 可知量子效率提高了5.41倍. 分析认为, 表面改性后的光电阴极的量子效率提高的主要原因来自于光吸收率的提高以及发射表面积增大.
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2021, 70 (21): 218504.
doi: 10.7498/aps.70.20210956
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以锑化铯(Cs3Sb)为代表的碱金属型半导体光阴极具有高量子效率、低电子发射度、光谱响应快等特点, 可作为理想的新型电子发射源. 然而Cs3Sb中碱金属敏感于含氧气体, 从而导致其结构不稳定, 工作寿命低, 影响电子发射效率. 利用超薄层状的二维材料进行涂层保护Cs3Sb基底, 有望构建新型高性能光阴极材料, 但目前仍然缺乏适合的二维材料, 能够在保护基底同时维持低功函数(W )和高量子效率. 近年来二维过渡金属碳/氮化物(MXene)材料逐渐成为研究热点, 其灵活引入的悬挂键可以很好地调控MXene材料的结构和电子特性. 本文系统构建了一系列M2CT2-Cs3Sb异质结, 基于第一性原理计算分析了过渡金属元素(M)、原子配比(M/C)、堆垛构型及悬挂键(T)等对其W的影响. 研究表明, 不同悬挂键类型对构建异质结的W影响显著, 相对于其他悬挂键(—F/—O/—Cl/—S/—NH), 带有—OH/—OCH3悬挂键构成的M2CT2-Cs3Sb异质结具有相对较低的W. 利用差分电荷密度和能级矫正分析解释了异质结W的变化原因, 即异质结界面电荷重新分布导致界面偶极方向不同, 造成电子逸出的势垒不同. 经过筛选后发现, M2C(OH)2 (M = V, Ti, Cr)和M2C(OCH3)2 (M = Ti, Cr, Nb)结构可以看作理想的涂层材料, 尤其是V2C(OH)2-Cs3Sb (W = 1.602 eV)和Ti2C(OCH3)2-Cs3Sb (W = 1.877 eV). 本研究不仅有助于深入理解MXene-Cs3Sb异质结电子结构和光学性质, 同时也为高性能光阴极材料的计算筛选提供参考依据.
2021, 70 (21): 218701.
doi: 10.7498/aps.70.20210912
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超前同步(anticipated synchronization, AS)是一种普遍存在的违反直觉的非线性行为: 被驱动系统的响应会早于驱动出现, 在神经系统的实验中也被发现. 本研究揭示了抑制性自突触诱发Morris-Lecar神经元模型产生AS, 给出了产生AS的条件. 在单向兴奋性驱动的双神经元耦合系统, 无论神经元是I型兴奋性还是II型兴奋性, 都只会产生驱动行为在响应之前的滞后同步(delayed synchronization, DS). 在被驱动神经元引入抑制性自突触, II型兴奋性神经元构成的耦合系统会表现出驱动在响应之后的AS; 随着自突触电导的增大, DS会转迁到AS; 而I型兴奋性神经元构成的耦合系统则只会产生DS. 进一步, 提示了AS产生与不产生分别与II型和I型兴奋性神经元的放电响应特性有关: II型神经元在抑制性脉冲刺激下放电提前而I型兴奋性神经元不易产生放电提前. 研究结果给出了抑制性自反馈诱发AS的神经元的兴奋性类型, 有助于理解违反直觉的动力学行为—AS, 给出了调控AS的可能手段, 为进一步研究AS提供了方向.
2021, 70 (21): 218801.
doi: 10.7498/aps.70.20210693
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渔网超结构具有平面、近光学无损、特定光场中可以激发表面等离激元等特点, 在增强光子器件的响应效率方面极具潜力. 本文基于时域有限差分方法和严格耦合波分析, 系统研究了渔网超结构的等离共振模式及其对晶硅薄膜电池的光波调控性能. 研究结果表明, 渔网结构对光波的吸收、散射和消光特性强烈依赖金属层的厚度、线宽、周期等特征参数. 通过优化设计, 使共振峰红移至770 nm, 相对消光截面达到1.69, 同时散射光在消光光谱中占据主导地位. 以此构筑的响应层厚度为2 μm的晶硅薄膜电池在波长大于800 mm的波段吸收效率显著增强, 电池最终的能量转换效率从6.67%提高到了8.25%. 光强分布显示, 共振导致的背向散射增强和光子传播方向的大角度偏转是实现电池响应增益的重要原因.
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2021, 70 (21): 218802.
doi: 10.7498/aps.70.20210727
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寻找稳定高效的储氢材料是实现氢经济的关键. 过渡金属修饰石墨烯储氢材料在理论上被广泛研究, 但存在H2解离和金属团聚的问题. 本文基于密度泛函理论对Sc, Ti, V修饰单缺陷石墨烯的结构及储氢性能进行计算. 结果表明: 单缺陷使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高4—5倍; Sc, Ti, V离子特性增强, 可以通过静电相互作用吸附7, 3和4个分子形式的氢; 平均氢分子吸附能分别为–0.13,–0.20和–0.18 eV, 处于室温和中等压力下储氢的最佳能量范围. 而Sc, Ti, V修饰的完整石墨烯上第1个氢解离吸附, 氢分子吸附能分别为–1.34, –1.34和–1.16 eV. 特别重要的是, Sc, V修饰的缺陷石墨烯吸附和脱附氢分子过程中重构能仅为0.00 eV和0.03 eV, 对实现快速吸放氢气非常有利. 本研究将有利于深入认识3d过渡金属修饰碳材料的储氢机理.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (21): 219101.
doi: 10.7498/aps.70.20210884
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绝对重力仪在地球物理等领域有着广泛的应用, 其普遍采用激光干涉式或原子干涉式的测量原理. 现有的绝对重力仪主要利用垂直隔振系统来减小地面振动对参考镜的影响以提升仪器的测量精密度. 但在激光干涉式绝对重力仪中, 隔振系统对仪器自振效应等固定相位振动噪声的响应可能引入系统误差, 即影响测量准确度; 在原子干涉式绝对重力仪中也可能有尚未标定的振动来源通过隔振系统引入系统误差. 本文对现有绝对重力仪中使用的4种典型隔振系统进行理论分析及仿真建模, 以自振脉冲、地脉动和随机振动这3种典型信号为输入, 分析激光干涉式绝对重力仪中隔振系统内参考镜的真实振动及其对重力测值的影响, 并通过实验对比评估了其中两种系统在实际重力仪中的性能. 结果表明, 当仪器运行期间存在自振脉冲等固定相位振动噪声时, 隔振系统中参考镜振动引入的系统误差可能达到10 μGal (1 μGal = 1 × 10–8 m/s2)及以上. 使用性能更好的隔振系统或在实际测量中对该系统误差进行修正, 有望进一步提高国产激光干涉式绝对重力仪的测量精度.
2021, 70 (21): 219501.
doi: 10.7498/aps.70.20210745
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收集了Fermi/LAT, Catalina, OVRO发布的CGRaBS J2345-1555长期射电(15 GHz)、伽马、光学V波段的流量和星等数据, 用离散相关函数方法评估了多波段间的相关性, 结果显示伽马波段和射电波段的相关系数为0.53, 时间延迟约为90天, 伽马波段比射电波段超前约90天; 射电和光学V波段的相关系数为0.84, 时间延迟约为–300天, 光学V波段比射电波段超前约300天; 伽马和光学V波段没得出具体相关性. 说明光学波段由同步辐射主导, 射电波段与光学波段的时间延迟可以解释为光学波段的辐射区域在上游, 射电波段在下游. 而伽马波段与射电波段是同源的. 用亮温度方法计算了该天体射电波段的多普勒因子, 多普勒因子平均值为12.25, 并随光变曲线振荡. 分析得出喷流具有明显聚束效应. 射电波段辐射流量变化来自于喷流.
