专题: 太赫兹生物物理
2021, 70 (24): 244303.
doi: 10.7498/aps.70.20211729
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6G无线网络预计在未来提供全球覆盖、高频谱效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服务, 为人类社会打造一个无处不在的智能移动网络. 太赫兹无线通信具有高数据传输速率、低延时和抗干扰等特点, 有望在6G技术中得到广泛的应用. 本文主要介绍了6G技术的规划愿景、发展现状及其关键技术, 分析了太赫兹器件、信道、通信系统以及6G技术可能的发展趋势.
2021, 70 (24): 247802.
doi: 10.7498/aps.70.20211752
摘要 +
处于太赫兹频段的电磁波表现出许多极具发展前景的特点, 如非电离、“指纹”谱、对弱共振敏感、对非极性物质穿透性强等特性, 并逐步发展成物理、信息、材料、生物、化学等学科基础与应用研究关注的热点. 然而, 在生物、化学物质的传感检测应用中, 当待测物尺度小于入射太赫兹波长时, 微小扰动和细微特征难以被太赫兹波检测到, 并且无法与太赫兹波之间产生充分的相互作用, 这无疑阻碍了太赫兹生物化学传感检测技术的进一步发展. 而太赫兹超材料的迅速发展提供了解决这一问题的全新思路. 近年来, 一系列基于太赫兹超材料的研究工作与新材料、新结构、新机制结合, 为实现高灵敏太赫兹生物化学传感检测带来了新的机遇. 本文主要综述了最近太赫兹超材料应用于生物化学传感检测技术的研究进展, 并简述了评价器件性能的关键参数. 根据材料特性、设计策略的不同, 对基于金属-介质、碳基纳米材料、全硅等太赫兹超材料生物化学传感检测相关工作做了总结, 并在文末对太赫兹超材料传感检测技术的未来发展方向做出了展望.
2021, 70 (24): 248707.
doi: 10.7498/aps.70.20212030
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太赫兹电磁波辐照, 包括其短波段红外波辐照, 因具有无创和非电离特性在生物科学中展现出广泛和重要的应用前景. 细胞膜是生物细胞保持完整性和内稳态的重要生物屏障, 也是太赫兹辐照时电磁场首先作用到的细胞结构, 细胞膜对电磁场的响应是大部分太赫兹生物效应产生的机理. 本文首先论述了太赫兹辐照应用的安全性及其在生命医药、神经调节以及人工智能领域中应用的新前景, 然后从太赫兹电磁辐照下磷脂膜的介电响应特性、细胞膜离子通道蛋白的离子跨膜输运、磷脂膜上大分子及离子的跨膜输运、以及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的潜在应用和作用四方面, 对太赫兹电磁辐照下细胞膜生物效应领域的研究发展进行系统论述, 同时介绍了太赫兹电磁辐照时能够开启细胞膜上压控钙离子通道、压控钾离子通道和主动运输的钙离子通道、以及在磷脂膜上产生亲水孔等科学发现. 最后, 总结并展望了太赫兹辐照下细胞膜生物效应研究的努力方向.
2021, 70 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.70.20211996
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太赫兹波能被生物组织中的水强烈吸收, 能与生物组织中生物大分子和这些分子间的弱相互作用产生共振, 因而太赫兹波在生物医学中有许多潜在的应用. 尽管单个太赫兹光子能量很低, 对生物组织没有电离损伤作用, 但是随着强度增大, 太赫兹波会对生物细胞和组织产生一系列生物效应. 由于太赫兹波参数和受辐照生物材料等辐照条件不同, 将导致不同的生物学效应, 包括以热效应为主和以非热效应为主导致的生物学效应. 本文讨论了这两种效应的物理机理, 介绍了适合用于生物效应研究的现今主要的强太赫兹辐射源种类, 综述了典型的太赫兹波的生物效应具体表现和已有的研究进展, 展望了太赫兹波生物效应的潜在应用以及面临的挑战.
2021, 70 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.70.20211677
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神经细胞的尺寸与太赫兹波的波长处于同一数量级, 因此, 神经细胞可等效为微型介质谐振器从而起到增强细胞内的太赫兹信号的作用. 基于此现象, 本文提出神经细胞弱谐振效应的新概念. 建立了三层结构的球形神经细胞胞体模型, 用太赫兹时域光谱仪系统测量了神经细胞生理液的相对介电常数, 并用双德拜模型对实验结果进行拟合; 利用时域有限差分法对太赫兹波在神经细胞中的传播特性进行研究. 结果表明, 当神经细胞的相对介电常数高于外部媒质时, 太赫兹波可以在神经细胞内部形成弱的谐振峰, 并且随着细胞与外部媒质的相对介电常数差值的减小, 谐振峰会向细胞膜侧偏移, 细胞对太赫兹波的聚焦特性会随着两侧相对介电常数差值的减小而逐渐增强, 这种现象称为弱谐振效应. 同时, 弱谐振效应也表现出与细胞尺寸和频率的相关性. 神经细胞的弱谐振效应在增强细胞内太赫兹信号强度的同时, 也会进一步增强太赫兹信号在神经纤维中的传输. 这些结果为解释太赫兹波与神经细胞的相互作用提供了新模型, 有助于研究太赫兹波在生物神经系统中的传递机制.
2021, 70 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.70.20211482
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利用电磁场与分子体系的相互作用可以研究分子的物理性质及其动力学问题. 不断发展的太赫兹技术提供了能够产生亚皮秒定向强电场的太赫兹源, 其产生的强场太赫兹波拥有与分子局部电场环境相当的电场强度, 且定向电场的亚皮秒时间尺度也能覆盖众多超快物理化学反应过程. 目前太赫兹波与分子的相互作用还主要局限于共振相互作用, 即电磁波通过偶极相互作用, 使分子在不同的振转能级发生跃迁. 本文基于密度泛函理论计算和薛定谔方程的时域有限差分求解方法, 研究了强太赫兹波电场对氢分子的强场非共振作用. 结果显示, 在强场太赫兹波亚皮秒定向强电场的作用下, 氢分子将产生诱导偶极矩, 此偶极矩与外加太赫兹场作用, 引起质子概率密度分布的波动及振动能级布居数的变化. 本文基于非极性双原子分子氢气与强场太赫兹波的非共振作用, 展示了一种独特的电磁波与分子相互作用的途径, 对研究生物体非极性分子及极性较弱的分子在强太赫兹场下的动力学研究提供了方法.
2021, 70 (24): 243202.
doi: 10.7498/aps.70.20211716
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水对太赫兹(terahertz, THz)波有强烈的吸收, 所以利用THz技术研究含水样品特性一直是本领域的难题. 本文在THz时域光谱系统中通过使用工作于高倍增模式的光电导天线和喇叭形渐变平行平板波导提高了样品所在位置处的THz波电场强度, 实现了在0.1—1.6 THz范围对α-乳糖溶液THz吸收光谱的直接检测. 进而, 运用密度泛函理论对水环境下α-乳糖单分子模型的THz吸收光谱进行模拟仿真研究, 模拟结果与实验测试结果符合较好. 本文对直接检测含水样品在THz波段的光谱特性具有重要参考价值.
2021, 70 (24): 248701.
doi: 10.7498/aps.70.20211725
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钾离子通道在神经细胞动作电位复极过程中起着重要作用. 钾离子通道蛋白种类繁多, 钾离子通道允许钾离子特异性穿过细胞膜, 从而维持神经细胞静息电位. 离子通道蛋白的二级结构决定其功能特性, 皮秒尺度内二级结构的波动会对离子通道蛋白的功能, 即离子通过速率有很大的影响. 本文使用分子动力学模拟方法, 模拟施加不同幅值的53.7 THz的太赫兹波对真实KcsA钾通道蛋白二级结构和钾离子通过速率的影响. 研究发现, 在53.7 THz的太赫兹波的作用下, KcsA钾通道蛋白中α螺旋数量减少, β折叠以及卷曲数量增加. 此外, 53.7 THz的太赫兹波能够加速钾离子通过KcsA钾通道. 本文从蛋白质的二级结构分析太赫兹波对钾离子通道蛋白的影响, 为太赫兹波和生物功能分子相互作用之间提供了新的观察角度.
2021, 70 (24): 248702.
doi: 10.7498/aps.70.20211731
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水是万物生命之源, 认识水的太赫兹吸收谱是太赫兹技术在生物医学上应用的前提, 太赫兹频率的选择对高效、低能耗地实现太赫兹的生物效应至关重要. 水的复杂氢键网络使得其具有较宽的太赫兹吸收峰, 因此有必要研究水的氢键网络动力学与其太赫兹吸收谱之间的关系, 然而这方面的研究仍然非常缺乏. 采用分子动力学模拟方法, 本文研究了不同水模型在常温常压下的太赫兹吸收谱, 并且进一步基于温度研究了水的太赫兹吸收谱对氢键网络强弱的依赖性, 发现温度的升高会使氢键网络的太赫兹吸收谱发生红移, 这表明氢键网络的太赫兹吸收谱的中心频率与氢键相互作用的强弱具有强关联, 更进一步的研究表明水中氢键网络的氢键寿命与氢键网络振动的吸收峰的中心频率之间存在线性关系. 这一现象背后的物理能够通过将氢键网络中的氢键类比为弹簧借助弹簧振子模型加以描述. 本文的发现将有利于理解水中复杂的氢键网络动力学, 以及促进太赫兹的生物效应研究.
2021, 70 (24): 248703.
doi: 10.7498/aps.70.20211715
摘要 +
太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)在生物纳米成像、太赫兹纳米光谱学、纳米材料成像以及极化激元的研究中有着广泛的应用前景. 原子力显微镜探针作为太赫兹s-SNOM的重要组成部分, 起着近场激发、探测、增强等关键作用. 但是在测量过程中, 探针与样品的相互作用会影响测量结果. 本文通过仿真和实验, 分别揭示了太赫兹s-SNOM中探针与样品相互作用对近场激发、近场探测以及太赫兹近场频谱的影响. 首先, 研究了探针激发的近场的波矢权重分布, 发现波矢主要集中在105 cm–1量级, 与一般的太赫兹激元的波矢相差2—3个数量级, 这表明太赫兹近场很难激发太赫兹激元. 其次, 通过理论和实验研究, 发现金属针尖会干扰石墨烯圆盘结构的表面近场, 这表明太赫兹近场系统在探测结构的近场分布具有局限性; 最后研究了探针对近场频谱的影响, 发现探针长度和悬臂长度是影响近场频谱的重要参数, 可以通过增大探针长度或者悬臂长度的方法来减小探针对近场频谱的影响.
封面文章
2021, 70 (24): 248704.
doi: 10.7498/aps.70.20211210
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GaAs光电导天线是太赫兹电磁波的重要辐射源之一, 天线阵列可以提高THz波的辐射强度, 因而光电导天线及阵列一直以来备受瞩目. 本文采用CST Microwave Studio软件对光电导天线阵列辐射太赫兹电磁波的特性进行仿真计算. 根据电流瞬冲模型计算了激光入射到GaAs光电导天线时产生的脉冲光电流, 并作为激励源对光电导天线的辐射性能进行仿真计算, 分析了天线结构和衬底材料对辐射太赫兹波的影响. 在此基础上计算了GaAs光电导天线阵列辐射太赫兹波的远场辐射. 仿真结果表明: 光电导天线阵列辐射太赫兹波的方向性更强, 主波瓣宽度减小, 其远场辐射符合电场叠加的倍数关系. 研制了1 × 2 GaAs光电导天线阵列, 实验测试结果与仿真结论相一致, 为制备多阵元太赫兹光电导天线阵列奠定了理论和实验基础.
2021, 70 (24): 248705.
doi: 10.7498/aps.70.20211779
摘要 +
甲烷水合物具有分布范围广、资源储量大、能量密度高、清洁无污染等特点, 因此一经发现便得到人们的广泛关注. 虽然如此, 甲烷水合物的开采存在较多的困难, 主要涉及笼型甲烷水合物的分解过程, 因此本文通过分子动力学模拟, 探索太赫兹电磁波对该水合物分解的特异性影响. 通过分析甲烷水合物中水分子的振动谱, 发现其区别于体相水在低温下的特异性振动峰. 通过引入频率与该振动峰中心频率一致的太赫兹波发现, 该电磁场会破坏甲烷水合物原有的氢键网络, 降低甲烷周围水分子的配位数, 从而使甲烷分子从水笼中脱离. 进一步地, 对序参数F4的分析也证明, 在太赫兹电磁刺激下, 甲烷壳层水由原来的晶体水变成了液态水. 同时证明了该频率具有相比于其他频率的绝对优势, 因此具有其特异性. 本文的发现有望通过非热效应来实现甲烷水合物的分解, 高效、低能耗地提高开采效率, 推动未来新能源的发展.
2021, 70 (24): 248706.
doi: 10.7498/aps.70.20211807
摘要 +
用于细胞培养的常规培养皿无法直接用于激光共聚焦显微镜的观察, 在很大程度上限制了细胞水平上的太赫兹生物效应研究的开展. 本文采用了对太赫兹吸收率低的材料—环烯烃聚合物(COP), 与聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行共键合, 借用软蚀刻、光刻、等离子清洗和高温高压孵育技术将两种材料整合成新型微流控芯片, 并利用该微流控芯片探索太赫兹对肠道细胞的生物效应. 该微流控芯片可实现肠上皮细胞Caco-2的动态培养, 原位免疫荧光染色及激光共聚焦显微镜的直接观察, 为太赫兹细胞水平的生物效应研究提供了高效便捷的实验环境. 研究中将微流控芯片中培养的肠上皮细胞Caco-2经15 mW/cm2 的0.1 THz波辐照10 min, 免疫荧光染色结果显示细胞贴附生长的形态改变, 胞间紧密连接蛋白ZO-1及桩蛋白Paxillin的水平及分布发生变化, 提示太赫兹对细胞的胞外连接及胞间连接均可产生影响, 可减弱细胞与培养界面的黏附. 本研究设计制备的COP-PDMS共键合微流控芯片为探索太赫兹对细胞的生物效应提供了便捷有效的平台, 有望在未来进一步用于太赫兹对细胞分子效应的实时研究.
总论
2021, 70 (24): 240202.
doi: 10.7498/aps.70.20210953
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为解决一类典型工程摆的工作性能参数优选, 抽象该类系统为“受垂直激励和水平约束”的物理单摆模型. 运用多尺度法解析系统的亚谐共振响应, 明确了系统参数对幅值共振带宽、多值性的作用规律. 利用Melnikov函数法, 求解得到系统的同宿轨和Smale意义上混沌的阈值条件. 通过数值法解析系统单参分岔、最大Lyapunov指数、双参分岔及吸引域流形转迁等动力特性, 揭示了这类摆系统的亚谐共振分岔、周期吸引子倍增、周期与混沌吸引子共存等全局特性的运动规律, 进一步明确了相关参数改变对系统运动形态转化、能量分布与演变规律的作用机理, 得到了相关参数对工程系统工作性能的影响和作用机制. 研究结果对工程中该类典型物理系统的工作性能参数调整, 及其对实际工况中系统的减振抑振提供了理论依据.
2021, 70 (24): 240203.
doi: 10.7498/aps.70.20211078
摘要 +
基于网格的数值方法(如有限元、有限体积、有限差分等)在大变形、不连续等问题中遇到挑战, 因此人们提出了多种无网格方法. 最优输运无网格方法是一种新型拉格朗日无网格方法, 但是继承了有限元方法在边界表征、边界处理等方面的优势, 在表面张力模拟中具有较大潜力. 基于拉格朗日方程, 通过将表面张力势能加入拉格朗日函数, 得到的表面张力广义力精确地作用在流体表面, 而且表面张力系数是唯一的输入参数. 给出了最优输运无网格方法轴对称离散格式. 通过对二维/三维泊肃叶流、静止和振动的液滴、液滴变形等典型问题的仿真分析, 验证了最优输运无网格方法在表面张力问题模拟中的精度和收敛性.
编辑推荐
2021, 70 (24): 240302.
doi: 10.7498/aps.70.20210796
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量子弱测量过程中适当的弱值可用于放大微弱物理参数并提高参数评估的精度, 这种参数评估精度的提高可能来源于体系中的纠缠. 本文借助Fisher信息研究了系统中的纠缠和系统与探针间的纠缠对弱测量过程中系统与探针间耦合参数的评估精度的影响. 分析了系统初态分别为类GHZ态的纠缠纯态和受退极化噪声影响的纠缠混态的纠缠, 以及系统和探针间的纠缠对参数评估的影响. 研究表明, 当系统初态为类GHZ态的纠缠纯态和受退极化噪声影响的纠缠混态时, Fisher信息随系统初态纠缠度的增大而增大, 且系统初末态均为最大纠缠态时, Fisher信息和后选择概率均达到最大; 但系统与探针的纠缠越弱, 测量能获得的Fisher信息越多, 参量估计的精度越高. 此研究结果表明系统中的纠缠会提高参数评估精度, 而系统与探针间的纠缠则会降低参数评估的精度.
2021, 70 (24): 240303.
doi: 10.7498/aps.70.20211216
摘要 +
针对连续变量量子密钥分发系统实用化进程中对系统核心参数的规范标定需求, 本文提出了一种基于平衡零差探测技术的平均光子数测量方法, 即利用平衡零差探测基本结构, 在本振臂添加一个电光相位调制器. 不同于通过计算相位漂移值进行被动相位补偿的方式, 本方法主动地对相位调制器加载$ [0,\mathrm{ }2\mathrm{\pi }] $ 的均匀随机相位以避免相位漂移对测量结果的影响. 仿真及实验验证了平衡零差探测器输出信号服从带有两个峰值的驼峰分布, 且探测输出信号方差与待测光脉冲平均光子数呈线性关系. 采用该方案实现的平均光子数测量精度为0.1个光子/脉冲, 测量范围达23 dB. 优化选择探测器性能和数据采集工具的采样精度和量程, 可实现满足测量要求的平均光子数和脉冲消光比测量, 为连续变量量子密钥分发系统的关键参数标准化提供了一种可行方案.
2021, 70 (24): 240304.
doi: 10.7498/aps.70.20210971
摘要 +
微腔激子极化激元由于具有较轻的有效质量, 很容易实现玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate, BEC), 其在外界驱动下产生的陀螺效应具有广阔的应用前景. 本文研究了微腔激子极化激元在环形光束泵浦下微腔半径以及泵浦参数对体系演化的影响. 从单分量的Gross-Pitaevskii方程出发, 对环形微腔中的激子极化激元BEC体系的演化过程进行研究. 通过数值模拟研究了在环形微腔中保持体系稳定演化的最大涡旋叠加态花瓣数与微腔半径的关系, 分析了不同形式的环形光束泵浦作用下激子极化激元体系的演化情况, 发现在微米量级的微腔半径下, 特定形式的单环泵浦和多环泵浦能够使得微腔容纳更高阶的激子极化激元稳定涡旋叠加态的存在. 研究结果表明, 在一定的泵浦驱动条件下, 微腔半径的大小与体系能容纳的涡旋叠加态花瓣数上限之间是线性正相关的, 并且在改变泵浦激光构型时能够突破这一上限, 产生高阶、多重的涡旋叠加态.
2021, 70 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.70.20210492
摘要 +
Lyapunov指数是识别系统非线性动力学特征的重要标志, 但是目前的算法通用性不足且计算流程复杂. 本文在经典的Lyapunov指数算法的基础上, 基于摄动理论提出了一种适用于不连续系统的Lyapunov指数计算方法. 首先, 以系统状态参数初始值和沿相空间每个基本矢量的扰动量为初始条件, 确定相轨迹. 其次, 采取差商近似导数法, 获得Jacobi矩阵的近似矩阵. 然后, 对Jacobi矩阵进行特征值提取, 得到系统的Lyapunov指数谱. 最后, 将新算法应用到二自由度干摩擦冲击振荡器系统实例中, 并将计算结果与同步方法的计算结果进行对比, 对新算法的有效性进行验证. 该算法不仅适用于离散系统和连续时间系统, 而且能够快速计算复杂不连续系统的Lyapunov指数, 为确定复杂不连续系统的动力学行为提供了新思路.
核物理学
编辑推荐
2021, 70 (24): 242901.
doi: 10.7498/aps.70.20210820
摘要 +
闪烁体探测器是辐射物理领域重要的探测器件, 闪烁体作为其中的核心部分, 其特性受到广泛研究, 特别是闪烁体在高激发密度下的非线性效应由于其对测量结果的直接影响而得到格外关注. 本文结合目前国内外闪烁体发光的相关理论, 以载流子方程为基础, 量化分析了激子的二阶猝灭效应对于载流子动力学过程的影响, 着重计算分析了脉冲测量场景下不同激发密度产生的不同初始载流子浓度对于闪烁体光衰减曲线、光产额以及效率的影响. 接着利用光致激发实验, 研究了CeF3闪烁体光产额与激发密度的关系, 并利用载流子猝灭模型对实验数据进行了拟合, 拟合曲线与实验数据一致性较高, 并得到了CeF3闪烁体10%非线性效应对应的能量密度阈值. 通过本文研究工作建立的物理模型, 结合不同的模型参数, 可以实现多种闪烁材料发光非线性特性的预测和解释, 对于理解及解决实验中遇到的闪烁体在高激发密度下产生的非线性效应问题具有重要作用.
原子和分子物理学
2021, 70 (24): 243201.
doi: 10.7498/aps.70.20211112
摘要 +
利用三维经典系综模型系统研究了不同频率比的两同向旋转圆偏场中Ar原子的非次序双电离. 数值结果显示, 非次序双电离的概率随两圆偏场频率比的增加而增加. 频率比为5时非次序双电离概率比频率比为2时的概率高出一个数量级. 非次序双电离的轨道分析表明, 再碰撞轨道主要以环形的短轨道为主, 并且随着频率比的增加, 电子碰前的旅行时间缩短. 进一步分析发现, 随着频率比的增加, 碰撞激发电离机制对非次序双电离的贡献逐渐增大, 而碰撞电离机制的贡献显著减小. 这是因为对于较大的频率比, 电子的返回能量更小, 且碰撞时两电子的碰撞距离更大.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.70.20210964
摘要 +
提出了一种基于视觉密码与QR码的图像认证和篡改检测的光学脆弱水印方法. 一方面, 将原始水印图像变换为QR码水印图像, 以提高水印隐藏容量. 另一方面, 将视觉密码与光学相位编码相融合来加密水印图像, 以增强系统安全性. 通过一系列的攻击与篡改测试了所提水印方法的可行性、脆弱性和不可感知性. 模拟结果表明, 所提水印方法不仅具有较好的不可感知性, 而且在任意攻击下都能灵敏地检测出图像发生了篡改, 具有很强的脆弱性.
2021, 70 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.70.20211138
摘要 +
从激光大气传输热晕效应理论出发, 提出了热畸变参数矢量模型概念, 基于热畸变参数矢量模型, 通过激光系统仿真软件EasyLaser, 对激光上行远距离大气传输场景下光束偏折大小、偏折方向随矢量热畸变参数的变化规律进行了研究, 结果表明, 采用热晕效应热畸变参数矢量模型, 光束偏折大小与矢量热畸变参数的模呈近线性增长, 偏折方向与矢量热畸变参数的方向相反. 基于光束偏折与矢量热畸变参数的规律, 通过对光束传输路径上大气环境参数进行准实时测量, 可为激光系统实际应用中光束偏置的预评估提供手段.
2021, 70 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.70.20210562
摘要 +
提出了一种结合大气声场模拟与中近程超压幅度衰减模型的爆炸声源能量估计方法, 针对传统声源能量估计公式未能充分利用大气参数导致估计误差过大的问题, 本方法通过对大气中传播损失的数值模拟, 大大提高了大气参数对于声源能量估计的修正效果, 提高对声源能量的估计精度. 在地表化学爆炸实验中, 使用300—2500 km距离的次声接收信号, 对比了传统能量估计公式与基于大气声场模拟的能量估计方法对爆炸声源的能量估计效果. 实验结果验证了相对于传统声源能量估计方法, 该方法降低声源能量估计误差的有效性.
2021, 70 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.70.20211201
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湍流问题从提出到现在已困扰人们300多年. 虽然提出了一些可行的方案, 但在可预见的未来这一问题仍将困扰人们. 湍流主要由浮力热气泡和风切变产生, 在地球表面和大气之间传递物质和能量. 2019年6月开展了第二次海洋季风实验(sea monsoon experiment-II: SMEX-II), 实验过程中通过释放探空气球获得了海洋上空常规气象数据. 通过Tatarski参数化模式, 重点分析了海洋上空湍流拟合廓线的主要影响因素, 边界层、对流层顶湍流的演变规律, 以及离岸距离对湍流垂直廓线分布的影响. 结果表明, 外尺度对海洋上空湍流的分布起决定作用, 边界层顶和对流层顶的逆增长区取决于温度梯度的骤变, 陆地下垫面对边界层顶逆增长区的影响大而海洋下垫面对对流层顶的逆增长区影响大. 基于试验数据分析的海洋上空光学湍流时空分布特性, 为海洋的天文观测选址、激光大气传输和卫星遥感观测等提供了必要的参考.
2021, 70 (24): 244301.
doi: 10.7498/aps.70.20210852
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匹配场声源功率估计方法解决了传统球面波或柱面波假设下的声源功率估计方法受浅海波导效应影响较大的问题, 但浅海波导环境不确定性会严重影响匹配场声源功率估计结果的准确性. 本文定义声源功率估计性能环境失配敏感度, 量化表示环境不确定时匹配场声源功率估计性能的损失, 推导了声源功率估计性能损失与信道传递函数估计偏差的关系, 利用信道传递函数估计值与理想值的模值偏差和夹角表示. 在此基础上, 研究了环境不确定性影响声源功率估计的机理, 以及海水深度、海水声速和沉积层声速变化对声源功率估计的影响程度. 研究表明, 不同环境参数变化对信道传递函数模值的影响均比较小, 声源功率估计性能下降的主要原因是信道传递函数估计值与理想值的夹角变化较大. 海水深度变化对功率估计结果的影响最为显著, 沉积层声速变化对功率估计结果的影响很小, 除海水深度外, 在高频段范围内海水声速变化对功率估计结果的影响较大.
2021, 70 (24): 244302.
doi: 10.7498/aps.70.20211203
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在传统弹簧-振子局域共振基础上, 本文并联倾斜弹簧负刚度机构, 提出一种新型的准零刚度局域共振型声学超材料板, 以实现低频宽频带有效隔声. 首先, 从动力学角度推导准零刚度结构的归一化等效刚度; 然后, 基于等效介质法建立声学超材料板的隔声理论模型, 并通过理论分析和数值模拟(有限元)结果, 讨论其在正负等效刚度区的隔声效果; 最后, 为验证理论预测的准确性, 制备准零刚度超材料板样件并采用阻抗管对其进行测试. 结果表明: 在正刚度区, 增大弹簧的刚度比或预压缩量可显著降低超材料板的局域共振频率, 如在10 Hz附近获得30 dB的传输损失, 实现了超低频隔声. 在负刚度区, 超材料板不产生局域共振现象, 且可避免“吻合效应”引起的隔声低谷现象, 故可在53—1500 Hz宽频段内实现大宽带隔声(大于30 dB), 相较传统材料或类似的超材料具有显著优势. 进一步利用理论模型, 从等效质量面密度、反射系数和声阻抗率等多个角度, 分析了超材料板的隔声机理, 在隔声峰处发现了负的等效质量密度, 且隔声谷处产生了低频“吻合效应”. 本文提出利用准零刚度局域共振思想实现低频宽带隔声的方法, 克服了传统超材料需减小刚度或增大附加质量的不利特性, 对低频隔声结构的设计具有重要的理论指导意义.
2021, 70 (24): 244501.
doi: 10.7498/aps.70.20210372
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研究并证明时间尺度上非迁移Birkhoff系统的Mei对称性定理. 首先, 建立任意时间尺度上Pfaff-Birkhoff原理和广义Pfaff-Birkhoff原理, 由此导出时间尺度上非迁移Birkhoff系统(包括自由Birkhoff系统、广义Birkhoff系统和约束Birkhoff系统)的动力学方程. 其次, 基于非迁移Birkhoff方程中的动力学函数经历变换后仍满足原方程的不变性, 给出了时间尺度上Mei对称性的定义, 导出了相应的判据方程. 再次, 建立并证明了时间尺度上非迁移Birkhoff系统的Mei对称性定理, 得到了时间尺度上Birkhoff系统的Mei守恒量. 并通过3个算例说明了结果的应用.
2021, 70 (24): 244701.
doi: 10.7498/aps.70.20211328
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采用格子玻尔兹曼方法研究了含非对称障碍物微通道内气泡变形、分裂、上升速度、以及剩余质量比的变化规律. 研究结果表明, 首先, 气泡在穿过通道的过程中变形加剧时其上升速度会减小. 其次, 随着Eötvös数增加, 气泡在穿过障碍物的过程中形变越来越严重, 速度越来越大且通过时间越来越小. 除此之外, 随着气液黏度比增加, 气泡变形更严重, 上升速度显著增加, 且气泡剩余质量比减少. 另一方面, 随着障碍物纵向距离增加, 气泡通过障碍物的时间减少, 而气泡的剩余质量比呈现近似不变-增加-减小-增加的变化趋势. 再者, 为了研究障碍物横向距离对气泡运动形态的影响, 考虑了两种情况: 一是两障碍物长度同时改变; 二是仅改变单侧障碍物长度. 结果表明, 对于以上两种情况, 当横向距离较小时, 仅改变单侧障碍物长度造成气泡通过障碍物的时间更长. 最后, 研究结果还表明当右侧障碍物宽度足够大时, 气泡离开障碍物时的位置几乎不变, 而随着右侧障碍物宽度的增加, 气泡穿过障碍物的时间缓慢增加, 气泡的剩余质量比先近似不变然后大幅下降最后又保持近似不变.
2021, 70 (24): 244702.
doi: 10.7498/aps.70.20210807
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在马赫6高超声速静风洞中针对长短轴比为4∶1的钝头椭圆锥表面横流不稳定性进行了实验研究. 综合利用温敏漆技术、基于纳米粒子的平面激光散射技术和Kulite传感器压力测试对模型表面横流区域内的温度分布、边界层流动结构以及模型表面压力进行了测试. 研究了椭圆锥表面横流控制区域边界层转捩机理, 来流单位雷诺数和攻角对边界层转捩的影响规律, 得到以下结论: 在风洞噪声模式下, 长短轴比为4∶1的椭圆锥模型表面中心线与前缘线之间横流区域的边界层转捩是由横流的行进波控制的, 未发现横流定常涡的足迹, 行进波的特征频率在20 kHz左右; 来流单位雷诺数增大时转捩位置会提前, 行进波的频率和幅值均增大; 在一定攻角范围内, 随攻角增大迎风面边界层转捩位置推迟, 行进波特征频率变化不大但能量减弱, 攻角继续增大时转捩现象消失.
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2021, 70 (24): 244703.
doi: 10.7498/aps.70.20211386
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将液滴沉积在高于Leidenfrost温度的表面上, 液滴将悬浮在自身的蒸汽垫上, 这使液滴具有惊人的移动性, 通常通过构造不对称的微纳结构表面对液滴下方的蒸汽流进行校正, 实现液滴自驱动. 但液滴运动方向和液滴输运速度(10—40 cm/s)具有局限性. 本实验构造Leidenfrost传热面和撞击面, Leidenfrost传热面用于悬浮液滴并为其提供足够的能量, 当Leidenfrsot液滴(燃料)与撞击面(点火器)接触时, 粗糙环的大量微/纳米腔不仅会向液滴产生额外的辐射热量, 而且还会提供成核点以在约10 ms内触发爆炸沸腾. 利用周期性爆炸沸腾产生的脉冲推力Fth实现液滴自驱动. 液滴运动初始阶段由于惯性力Fi占主导, 液滴撞击多为镜面反射, 液滴运动轨迹较为混乱, 随着液滴直径减小, 脉冲推力Fth占主导, 液滴轨迹通过Leidenfrost传热面中心. 同时液滴输运速度高达68.91 cm/s, 这是在以往微纳结构表面液滴自驱动从未实现的. 这一发现为高温下操纵液滴提供了新的思路, 有望在微流控和传热等两相系统中得到重要的应用.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (24): 245201.
doi: 10.7498/aps.70.20211061
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采用空间一维速度三维的磁流体模型研究了电子的非麦克斯韦分布对具有二次电子发射的磁化等离子体鞘层特性的影响. 假设鞘层中电子速度服从非广延分布, 离子在具有一定倾斜角度的磁场中被磁化. 通过建立自洽的磁流体方程, 研究了电子非广延分布参数q及磁场强度和角度对等离子体鞘层玻姆判据、壁面悬浮电势、鞘边二次电子数密度、鞘层厚度、离子速度等的影响. 研究表明, 当电子速度分布偏离麦克斯韦分布时, 非广延参数q值越大, 玻姆判据的值越小, 壁面电势越高, 鞘边二次电子数密度增大, 鞘层厚度减小, 鞘层区域离子、电子数密度下降加快, 且壁面附近离子数密度较高, 离子3个方向的速度均降低. 此外, 随着磁场强度增大, 鞘层厚度减小, 鞘层区域离子、电子数密度下降加快; 磁场角度越大, 参数q值对壁面电势、鞘层厚度的影响程度越显著, 在超广延、亚广延分布情况下壁面附近离子x方向速度随磁场角度变化呈相反趋势.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2021, 70 (24): 246301.
doi: 10.7498/aps.70.20211015
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基于第一性原理计算方法, 研究了二维XO2 (X = Ni, Pd, Pt)的稳定性、弹性、电子结构和热导率. 计算结果显示, 二维XO2同时具备较好的机械和动力学稳定性. 此外, 二维NiO2, PdO2和PtO2的杨氏模量分别为124.69 N/m, 103.31 N/m和116.51 N/m, 泊松比分别为0.25, 0.24和0.27, 并呈现各向同性. 电子能带结构表明, 二维XO2 (X = Ni, Pd, Pt)为间接带隙半导体, 计算能隙分别为2.95 eV, 3.00 eV和3.34 eV, 且价带顶和导带底的能级主要由Ni-3d, Pd-4d, Pt-5d和O-2p轨道电子组成. 通过畸变势理论计算载流子迁移率, 结果显示二维XO2 (X = Ni, Pd, Pt)沿armchair和zigzag方向的有效质量和形变势表现出明显的各向异性, 电子/空穴的迁移率最高分别为13707.96/53.25 cm2·V–1·s–1, 1288.12/19.18 cm2·V–1·s–1和404.71/270.60 cm2·V–1·s–1. 此外, 在300 K温度下, 二维XO2 (X = Ni, Pd, Pt)的晶格热导率分别为53.55 W·m–1·K–1, 19.06 W·m–1·K–1和17.43 W·m–1·K–1, 这表明二维XO2 (X = Ni, Pd, Pt)在纳米电子材料和导热器件方面具备应用潜力.
2021, 70 (24): 246401.
doi: 10.7498/aps.70.20211235
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由于冷却技术和合金非晶形成能力的限制, 实验室难以得到大块非晶, 而纳米液滴的快速冷却要相对容易, 因此纳米液滴的模拟研究更容易得到实验的验证. 本文运用分子动力学方法, 模拟不同尺寸的Cu64Zr36纳米液滴在1.0 × 1012 K/s冷却速率下的凝固过程, 并采用平均原子能量、双体分布函数、三维可视化和最大标准团簇分析等方法分析其微观结构的演化. 对能量曲线和微观结构短程序特征长度的统计分析表明, 所有纳米液滴的凝固过程都经历了液-液相变和液-固相变, 最后形成了非晶态纳米颗粒. 拓扑密堆(topologically close-packed, TCP)结构的演化过程能充分体现纳米液滴两次相变的基本特征, 但二十面体不能. 从TCP团簇的角度, 纳米液滴的整个凝固过程可以分为坯胎、聚集、长大和粗化4个阶段. TCP结构能体现出非晶纳米液滴和颗粒的基本结构特征, 对于完善凝固理论具有重要意义.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2021, 70 (24): 247101.
doi: 10.7498/aps.70.20210697
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Frame等提出采用特征矢量延拓方法求解关联量子模型的高维多体波函数: 当模型哈密顿矩阵包含光滑变化的参数时, 其特征矢量随参数变化的轨迹集中在1个低维的子空间中, 因此可以将哈密顿量投影到该子空间的一组基矢量来简化求解(Frame D, He R Z, Ipsen I, Lee D, Lee D, Rrapaj E 2018 Phys. Rev. Lett. 121 032501 ). 但是他们没有明确给出轨迹子空间的维度以及其与模型大小之间的联系. 本文系统研究了大小不同的反铁磁Heisenberg链模型, 其交换相互作用随参数光滑变化. 首先通过主成分分析方法分别确定了包含4个自旋的模型和包含6个自旋的模型的基态多体波函数矢量轨迹子空间, 并分别绘制了子空间中的轨迹. 然后分析了包含$8,\cdots ,14$ 个自旋的模型基态矢量轨迹的主成分分量, 并指出: 当采用特征矢量延拓方法求解反铁磁Heisenberg链模型基态时, 所需基矢数目随模型所包含自旋个数的增加而增加. 本文研究可用于指导采用特征矢量延拓方法求解包含更多自旋的反铁磁Heisenberg链模型哈密顿量.
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2021, 70 (24): 247401.
doi: 10.7498/aps.70.20210936
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近年来, 二维铁磁材料由于其在自旋电子学领域中十分广阔的应用前景受到广泛关注. 单层CrBr3是具有本征铁磁性的半导体, 是自旋电子器件的潜在候选材料. 然而, 单层CrBr3的居里温度较低, 限制了其在自旋电子器件领域的应用. 本文基于密度泛函理论, 研究了3d过渡金属(TM)原子 (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu和Zn)掺杂单层CrBr3的磁学和电学性能. 计算结果表明, TM原子掺杂后, 体系总磁矩呈现先增加再减小的趋势. 并且TM原子掺杂能够显著提高单层CrBr3的居里温度(TC), 实现了铁磁稳定性的增强. 其中, Sc掺杂CrBr3体系的TC与本征CrBr3相比提高了159%. 铁磁稳定性的增强归因于掺杂体系 (TM-CrBr3) 中直接交换和超交换相互作用之间的竞争. 此外, 依赖于不同的TM原子掺杂, TM-CrBr3体系表现出半金属性和自旋零带隙半导体性质. 本文的研究结果为单层CrBr3在纳米电子和自旋电子器件中的应用开辟了新的前景.
2021, 70 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.70.20210899
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磁电电压可调电感器(ME-VTI)是基于磁电效应实现电场对电感的调控. 与其他可调电感器相比, 具有能耗低、体积小、可调性大且连续等特点. 而以往对ME-VTI的研究主要针对结构和磁致伸缩材料, 致使电感器制备工艺复杂或可调性提高不大. 本文通过构建理论模型, 着眼于压电材料场致应变对电感可调性的影响. 采用磁电复合材料Metglas/PMN-PT单晶/Metglas作为磁芯制备ME-VTI. 在1 kHz时可调性高达680%, 相当于选用Metglas/PZT/Metglas磁芯的2.4倍. 前者品质因子达到15.6, 相对于后者提高了2.8倍. 本文提出的基于PMN-PT单晶的ME-VTI为器件集成化、小型化的发展提供了新的思路, 在电力电子领域有重要的应用前景.
2021, 70 (24): 247502.
doi: 10.7498/aps.70.20210952
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用速凝和连续冷轧方法制备了定向织构Dy薄片, 研究了薄片厚度和磁结构等对其磁性能的影响. 结果表明, 速凝Dy薄片的磁性能比冷轧Dy薄片差, 冷轧Dy薄片的磁化强度和磁导率与厚度、温度等密切相关. 在Dy的居里温度以下, 冷轧Dy薄片具有明显的软磁特征, 从77 K下降到4.2 K, 冷轧Dy薄片的饱和磁化强度增大了5%—8%; 当温度为4.2 K时, 0.15 mm冷轧Dy薄片饱和磁化强度达到2880 kA/m, 0.10 mm冷轧Dy薄片最大磁导率接近30. 当温度低于85 K时, 较大磁场强度下冷轧Dy薄片的低温磁化强度大于常规钴钒铁. 定向织构Dy薄片的低温磁性能和氧含量及(0001)晶面的取向程度密切相关. 本研究为制备低温波荡器大块定向织构Dy软磁体奠定了技术工艺及方法原理基础.
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2021, 70 (24): 247801.
doi: 10.7498/aps.70.20211024
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低维金属卤化物由于其优异的光学性能吸引了广泛的关注, 尤其是零维金属卤化物, 由于其孤立八面体的结构特性能提高辐射复合概率. 本文报道了一种零维金属卤化物Rb7Bi3Cl16, 通过Sb3+掺杂后, 在613 nm处出现宽带的橙黄色发射, 当Sb3+掺杂浓度为30%时该最高光致发光量子效率可达30.7%. 这种高效发光来源于电子与晶格的强相互作用产生的自陷激子, 进一步通过光学性能表征研究自陷激子发光的具体物理机制和能量传递过程, 单重态1P1上的电子态通过系间窜越过程弛豫到三重态3P1, 强烈的橙黄色发射来自于三重态3P1→1S0辐射复合过程. 此外, Sb3+掺杂Rb7Bi3Cl16具有良好的稳定性, 采用Sb3+:Rb7Bi3Cl16为发光材料的发光二极管(LED)色坐标为(0.4886, 0.4534), 色温为2641 K, 在LED领域具有重要应用前景.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (24): 249201.
doi: 10.7498/aps.70.20210825
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基于全球地表气温资料, 分别构建了El Niño和La Niña事件对应的全球气温关联网络, 并分析网络结构特征的差异, 探究可能的成因. 结果表明, 与La Niña事件气温网络(简称La Niña网络)相比, El Niño事件气温网络(简称El Niño网络)中格点温度序列间的相关性减弱, 气温网络的连通度显著降低, 连通性下降, 在热带和南温带区域连通性变化尤为显著. 赤道东太平洋、赤道西太平洋、赤道印度洋和赤道大西洋的网络连通度相对较大, 在El Niño网络中的减少异常明显, 是导致两类网络结构特征差异性的4块关键区域. 在此基础上初步探讨了两类网络特征差异的原因, 即随着Niño3.4区域的海温升高, 赤道东太平洋、赤道印度洋等区域海温升高, 对外长波辐射加强, 对流活动增加, 低纬度与中纬度区域的相互作用增强, 南北温带气温变化的方差加大, 造成关键区格点气温序列与全球其他地区的相关性减弱, 全球格点气温网络连通性下降.
