Vol. 70, No. 3 (2021)
2021年02月05日
封面文章
MgO衬底上的YBa2Cu3O7–δ (YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device, SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景. 本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究. 首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO (100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶, 然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜, 进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结. 在结样品的电阻-温度转变曲线中, 观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象, 与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致. 伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型, 在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度JC随温度T呈现出$ (T_{\rm C}-T)^2 $ 的变化规律, 77 K时JC值为1.4 × 105 A/cm2. 利用制备的台阶结, 初步制备了YBCO射频高温超导SQUID, 器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线, 温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250 $\text{μ}\Phi_0/{\rm Hz}^{1/2}$ . 本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.
王宏章,
李宇龙,
徐铁权,
朱子青,
马平,
王越,
甘子钊
物理学报.2021, 70(3): 037401.
特邀综述
特邀综述
2021, 70 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.70.20201683
摘要 +
飞秒光纤激光器具有平均功率高、散热性能佳、光束质量好和空间体积小等优势, 在基础研究、工业加工、生物医疗等方面得到越来越广泛的应用. 相干合成技术能够有效克服光纤中有害的非线性效应和热效应的影响, 进一步提高飞秒光纤激光器输出的脉冲能量和平均功率. 本文介绍高功率飞秒光纤激光器相干合成的基本技术路线, 重点阐述相干合成技术中关于填充孔径相干合成与平铺孔径相干合成的最新研究进展, 并详细介绍相干合成技术中不同类型主动相位锁定技术的基本原理. 相信在不远的将来, 飞秒光纤激光相干合成系统的单脉冲能量和平均功率将不断攀升, 从而开创许多崭新的研究领域.
综述
编辑推荐
2021, 70 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.70.20200550
摘要 +
硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段. 采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注. Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰, 传输光的强度在共振波长附近从0突变为1, 该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器, 以及光非互易性全光信号处理的性能. 本综述分析了Fano共振的一般数学表述, 总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状, 讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法, 比较各种方案优劣及适用场合, 梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况. 最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向.
总论
2021, 70 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.70.20200972
摘要 +
量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势, 是当前通信领域国内外的研究热点. 在自由空间量子通信过程中, 光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输, 因此各种环境因素, 例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等, 不可避免地会影响量子通信性能. 然而, 迄今为止, 降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开. 为此, 根据降雪的强度, 将降雪分为小雪(${S_{\rm{1}}}$ )、中雪(${S_{\rm{2}}}$ )、大雪(${S_{\rm{3}}}$ ) 和暴雪(${S_{\rm{4}}}$ ) 四个等级. 由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用, 称为消光效应, 不同强度的降雪, 其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同. 本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型; 然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系, 信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况; 最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型. 仿真结果表明, 当降雪强度为2.1 mm/d (${S_{\rm{1}}}$ ), 传输距离为2.2 km时, 通信链路衰减为0.0362, 信道容量为0.7745, 信道生存函数为0.2329, 信道误码率为0.0105. 当降雪强度为3.8 mm/d (${S_{\rm{2}}}$ ), 传输距离为3.5 km时, 通信链路衰减为0.1326, 信道容量为0.4922, 信道生存函数为0.2099, 信道误码率为0.019. 由此可见, 降雪对量子通信性能有不同程度的影响. 所以在实际应用中应根据降雪强度大小, 自适应调节量子通信相关参数, 提高量子通信的可靠性.
2021, 70 (3): 030401.
doi: 10.7498/aps.70.20201286
摘要 +
利用Fan和Liang (Fan Z Y, Liang H Z 2019 Phys. Rev. D 100 086016)研究一般高阶导数引力复杂度的方法, 对临界中性Gauss-Bonnet-anti-de Sitter (Gauss-Bonnet-anti-de Sitter, AdS)黑洞的复杂度演化进行研究, 并且将研究结果和一般中性Gauss-Bonnet-AdS黑洞的结果进行了比较. 研究发现, 二者的复杂度演化的整体规律是一致的, 它们的主要区别在无量纲的临界时间上. 对于五维的临界中性Gauss-Bonnet-AdS黑洞, 当黑洞视界面为平面或者球面时, 不同大小的黑洞的无量纲的临界时间相同, 都取到了最小值. 当维度超过五维时, 不同大小的球对称临界中性Gauss-Bonnet-AdS黑洞的无量纲临界时间的差异明显要比一般的情况小. 这些差异很可能和中性Gauss-Bonnet-AdS黑洞的临界性有关.
编辑推荐
2021, 70 (3): 030601.
doi: 10.7498/aps.70.20201204
摘要 +
可搬运光学原子钟在科学研究和工程应用中具有重要意义. 本文测量了可搬运87Sr光晶格钟系统的主要频移, 包括黑体辐射频移、碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移、二阶塞曼频移等. 首先实验上测量了磁光阱腔体表面的温度分布, 分析了不同热源对原子团的影响, 得到黑体辐射总的相对频移修正量为50.4 × 10–16, 相对不确定度为5.1 × 10–17. 然后利用分时自比对方法, 评估了碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移和二阶塞曼频移. 结果表明, 由黑体辐射引起的频移量最大, 晶格光交流斯塔克频移的不确定度最大, 系统总的相对频移修正量为58.8 × 10–16, 总不确定度为2.3 × 10–16. 该工作为可搬运87Sr光晶格钟之后的性能提升和应用提供了条件.
2021, 70 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.70.20201085
摘要 +
混杂复合材料是一种新型复合材料, 其复杂的细观结构导致预测其等效热传导性能极富挑战性. 本文结合渐近均匀化方法、小波变换方法和机器学习方法发展了一种新的可以有效预测混杂复合材料等效热传导性能的小波-机器学习混合方法. 该方法主要包括离线多尺度建模和在线机器学习两部分. 首先借助渐近均匀化方法通过离线多尺度建模建立了混杂复合材料的热传导性能材料数据库, 然后利用小波变换方法对离线的材料数据库进行预处理, 接下来分别运用人工神经网络和支持向量回归方法建立混杂复合材料等效热传导性能预测的在线机器学习模型. 最后通过对周期和随机混杂复合材料进行数值实验, 验证了小波-机器学习混合方法的有效性, 数值实验结果表明小波-神经网络混合方法具有最优的预测效果和抗噪能力. 此外, 需要强调的是对于具有高维大规模数据特征的随机混杂复合材料, 小波-机器学习混合方法不仅可以提取离线材料数据库的重要特征, 还可以显著减少在线监督学习的输入数据规模并提高机器学习模型的训练效率及抗噪性能. 本文建立的小波-机器学习混合方法不仅适用于混杂复合材料等效热传导性能的预测, 还可进一步推广应用于复合材料等效物理、力学性能的预测.
原子和分子物理学
2021, 70 (3): 033101.
doi: 10.7498/aps.70.20201413
摘要 +
采用高精度的从头算方法研究了SeH–阴离子的基态(X1Σ+)和低激发(a3Π, A1Π, b3Σ+, 21Σ+)的势能曲线、偶极矩和跃迁偶极矩. 在计算中考虑了价-芯(CV)电子关联、Davidson修正、标量相对论修正和自旋-轨道耦合效应(SOC). 考虑了SOC效应后, $ {{\rm{b}}^3}\Sigma _{{0^ - }}^ + $ 和$ {{\rm{b}}^3}\Sigma _{{1}}^ + $ 态变为了弱束缚态. 计算得到$ {{\rm{a}}^3}{\Pi _{{1}}} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ , ${{\rm{a}}^3}{\Pi _{{0^ + }}} \leftrightarrow $ ${{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ +$ 和$ {{\rm{A}}^1}{\Pi _1} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ 跃迁具有很大的跃迁偶极矩. 这三种跃迁都同时具有高对角分布的弗兰克-康登因子f00及振动分支比R00. 计算得到了$ {{\rm{a}}^3}{\Pi _{{1}}}$ , $ {{\rm{a}}^3}{\Pi _{{{{0}}^{{ + }}}}}$ 和$ {{\rm{A}}^1}{\Pi _{{1}}}$ 激发态的自发辐射寿命都很短, 能够实现对SeH–阴离子的快速激光冷却. $ {{\rm{A}}^1}{\Pi _1} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ 跃迁为三能级跃迁, 中间态的存在对构建准闭合的循环能级的影响可以忽略. 驱动$ {{\rm{a}}^3}{\Pi _{{1}}} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ , $ {{\rm{a}}^3}{\Pi _{{0^ + }}} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ 和$ {{\rm{A}}^1}{\Pi _1} \leftrightarrow {{\rm{X}}^1}\Sigma _{{0^ + }}^ + $ 跃迁进行激光冷却SeH–阴离子的激光波长都在可见光范围内. 本文的结果为以后激光冷却SeH–阴离子的实验提供了部分理论参考.
2021, 70 (3): 033102.
doi: 10.7498/aps.70.20201364
摘要 +
二维六方氮化硼(hBN)的点缺陷最近被发现可以实现室温下的单光子发射, 而成为近年的研究热点. 尽管其具有重要的基础和应用研究意义, hBN中发光缺陷的原子结构起源仍然存在争议. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究hBN单层中一种B空位附近3个N原子被C替代的缺陷(CN)3VB. 在hBN的B空位处, 3个N原子各自带一个在平面内的悬挂键及相应的未配对电子, 而通过C替换可以消除未配对的电子. 系统研究了(CN)3VB缺陷的几何结构、电子结构以及光学性质, 结果表明, 缺陷可以由一个对称的亚稳态经过原子结构弛豫变成1个非对称的、3个C原子连在一起的基态结构. 缺陷的形成在hBN中引入了一些由缺陷悬挂σ键及重构的π键贡献的局域缺陷态. 这些缺陷态可以导致能量阈值在2.58 eV附近的可见光内部跃迁. 本文的工作有助于进一步理解hBN中点缺陷的构成及光学性质, 为实验上探讨发光点缺陷的原子结构起源及其性质提供理论依据.
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2021, 70 (3): 033103.
doi: 10.7498/aps.70.20201407
摘要 +
锆合金(如: 锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键, 而深入理解辐照损伤的物理机制, 往往需借助于原子尺度的计算模拟, 如: 分子动力学和第一性原理等. 针对随机置换固溶体合金的模拟, 首先需构建能反映合金元素随机分布特征的大尺寸超胞, 然而第一性原理计算量大, 不宜使用过大(如 ≥ 200原子)超胞. 通常第一性原理计算使用的是特殊准随机(SQS)超胞, SQS超胞可部分反映合金元素的随机分布特性, 但对于特定组分只对应一种构型, 这种模型是否能反映真实随机置换固溶体中多种局域构型的统计平均还有待进一步研究验证. 分子动力学可在更大的尺度上进行计算模拟, 能够通过随机取代(RSS)模型研究更多的合金构型, 因此, 本文基于RSS超胞模型及SQS扩展超胞模型, 运用分子动力学方法对Zr-Nb合金进行了研究. 首先通过构型误差分析确定了能真实反映固溶体合金性能统计性的RSS超胞的临界尺寸; 然后计算比较了Zr-Nb合金SQS扩展超胞和一系列RSS超胞的晶格常数、形成能和能量-体积关系. 研究表明, 利用SQS超胞模拟得到的固溶体的晶格常数、形成能和能量体积曲线与一系列RSS超胞的对应统计值接近, 因而SQS超胞可用于研究随机置换固溶体合金.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.70.20200937
摘要 +
磁偶极子理论在缺陷漏磁场解释中被成功广泛使用. 由于磁荷密度等参数不易定量, 磁偶极子理论在应用中常常进行归一化处理, 被认为不适用于对应力相关的磁记忆信号做量化分析. 本文通过建立力磁耦合型磁偶极子理论模型, 以适用于分析磁记忆检测中应力对磁信号的影响. 基于铁磁学理论确定应力和磁场联合作用下的等效场强度, 基于弱磁化状态的一阶近似, 获得了各向同性铁磁材料微弱环境磁场下的应力磁化解析解. 结合磁信号二维问题中矩形和V形磁荷分布假定, 建立了光滑与破坏试件表面磁信号、矩形和V形表面缺陷所诱导磁信号的力磁耦合型磁偶极子理论分析模型, 并获得其解析解. 基于力磁耦合型磁偶极子理论的解析解, 对拉伸实验中试件破坏前后的信号差异、矩形和V形表面缺陷诱导磁信号, 以及磁信号的影响因素和规律等进行了详细分析. 理论研究表明, 基于本文理论模型的解析解可实现对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律的解释.
2021, 70 (3): 034102.
doi: 10.7498/aps.70.20201034
摘要 +
漫反射电磁表面能够提高目标被探测的难度, 实现电磁消隐的功能. 太赫兹漫反射电磁表面有望在下一代雷达与通信场景中作为一种智能隐身蒙皮使用, 具有广阔的应用前景. 本文利用石墨烯在太赫兹频段优异的电磁可调特性, 并基于谐振模式的开关机理设计了一种反射场具有反相位的石墨烯/金属协同单元结构, 且相位的切换由偏置电压动态控制. 另一方面, 不同于金属材料, 石墨烯具有不可忽略的损耗特性, 导致了所设计的结构在谐振/非谐振两种反相位状态对应的反射幅度不一致, 根据场的干涉与叠加原理, 其不利于远场相干相消, 难以获得理想的漫反射效果. 本文提出了一种将反相位单元结构进行二次组合形成“分子”结构的方法, 并将其作为反射表面的基本元素, 进而运用粒子群算法, 优化“分子”结构的排布方式. 计算结果表明, 使用这种方法设计的动态漫反射表面, 具有收敛速度快、远场峰值小的优势.
2021, 70 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.70.20201121
摘要 +
表面等离激元共振激发的亚波长金属孔透射较Bethe理论有大幅度的提高, 然而, 由于共振对频率的敏感性以及金属在光频的高损耗特性, 表面等离激元共振难以实现亚波长金属孔的宽带高透射传输. 本文采用放置在金属孔两边的硅纳米颗粒的Mie谐振耦合取代表面等离激元共振, 实现亚波长金属孔的宽带高透射传输. 全波仿真结果表明, 采用Mie谐振耦合的亚波长金属孔(r/λ = 0.1)光传输, 透射系数超过90%的带宽达到65 nm, 与表面等离激元共振诱导的透射增强相比, 峰值增高了1.5倍, 3 dB带宽拓宽了17倍. 根据耦合模理论, 建立了Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的等效电路模型, 并在临界耦合状态下反演出电路模型中的元件参数值. 进一步研究发现, 仅通过改变等效电路模型中的耦合系数, 就可全面揭示Mie谐振耦合亚波长金属孔透射的传输规律, 并得到与全波电磁仿真完全一致的结果, 从而找到光与放置硅纳米颗粒的亚波长金属孔相互作用的数学表达, 也给予人们在光学领域按照电路设计方法构建相应功能模块的启示.
2021, 70 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.70.20200927
摘要 +
Mojette变换是一种最小冗余采样的离散Radon变换, 能够用较少角度的投影数据进行精确的计算层析(computed tomography, CT)重建, 为少量投影角度CT技术的实现提供了一种新思路. 投影角度的空间布局决定了层析重建最少所需投影的数量. 为了获得Mojette变换层析技术中的最优投影空间角度布局方案, 本文对三维Mojette变换数学模型及其精确重建条件进行了研究. 以此为基础, 在考虑实际探测器像素数目受限的条件下, 提出了确定最优投影角度的方法. 研究结果表明: 所有探测器围绕被测物体在同一水平面内进行平行投影采集是最优的投影角度布局方案, 此时投影模型为二维Mojette变换, 所需的投影角度和探测器像素数最少, 投影角度范围最小; 若在实际的测量中该投影条件无法满足, 则投影矢量中|pi|和|qi|的值越小越好. 该研究可为实际层析系统的建立提供理论基础.
2021, 70 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.70.20201042
摘要 +
为解决高重复频率大能量激光放大器的热管理问题, 采用数值模拟与实验分析的方法, 对背面水冷Nd:YAG激活镜放大器的流体散热进行了研究. 基于低雷诺数k-ε湍流模型, 建立了流-固共轭传热多物理场耦合分析模型, 对比分析了近壁面处理方法对流体流动、对流扩散和热传导过程及温度分布的影响, 分析研究了不同冷却液流量和泵浦参数对流场特性、激光介质温度和波前分布的影响. 数值模拟表明: 激光介质的温度分布与固液边界层内的黏性作用密切相关, 且冷却液的热扩散主要发生在100 μm范围内; 激光介质的热沉积分布中心对称, 而温度分布沿水流方向不对称, 最大温升位于出水口端且基本保持不变; 增益介质前表面的温度分布与介质的波前分布随冷却液流量非线性变化, 而随泵浦参数线性变化; 实验结果与数值模拟符合较好.
2021, 70 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.70.20201135
摘要 +
激光扫频干涉测量技术具有无测距盲区、非接触、单次测量多目标的能力. 通过傅里叶变换可提取目标拍频频率, 进而解算距离. 然而受激光器调频带宽限制, 通过傅里叶变换得到的目标分辨率受限于固有分辨率. 为解决该问题, 本文提出采用基于旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)算法对测量信号进行频谱分析. 实验通过插值拟合法校正测量信号拍频非线性, 进而采用ESPRIT算法测量目标距离, 结果表明在傅里叶变换算法无法区分临近目标频率的情况下, 采用ESPRIT算法可以区分出目标的频率, 通过计算可得被测目标的厚度为2.08 mm. 从而为诸如光纤临近损伤点、薄台阶高度或小孔等测量提供了思路.
2021, 70 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.70.20201270
摘要 +
基于一维声栅中的Rayleigh-Bloch (RB)模式基本特点, 设计了一种单层结构弯曲声波导. 利用有限元方法从时域和频域两方面验证了弯曲声波导的有效性, RB模式波可以沿着波导的弯曲界面传播. 研究发现, 由于采用了环形结构基本单元, 在该波导中存在两种传播模式, 分别对应能量局域在单元间(模式-1)和单元内部(模式-2)两种情况. 其中, 模式-2声传输效果更佳, 几乎可实现无损传输. 时域研究中分别采用了调制脉冲和高斯脉冲两种信号形式, 分析了它们在弯曲声波导中的传输过程. 由于波导中只允许RB模式波传播, 因此对于宽频信号来说, 可起到滤波的效果. 并且, 不同模式(频率)的信号会出现在声波导的不同位置, 所得结果对于声波定向传输、声探测与识别等研究具有理论与应用价值.
2021, 70 (3): 034302.
doi: 10.7498/aps.70.20201233
摘要 +
海底粗糙对水下声传播及水声探测等应用具有重要影响. 利用黄海夏季典型海洋环境, 分析了同时存在海底周期起伏和强温跃层条件下的声传播特性, 结果表明: 由于海底周期起伏的存在, 对于低频(< 1 kHz)、近程(10 km)的声信号, 传播损失可增大5—30 dB. 总结了声传播损失及脉冲到达结构随声源深度、海底起伏周期及起伏高度等因素变化的规律. 当海底起伏周期不变时, 起伏高度越大引起的异常声传播的影响随之变大; 当起伏高度不变时, 随着起伏周期变大, 其对声传播的影响逐渐变小. 用射线理论分析了其影响机理, 由于海底周期起伏改变了声波与海底的入射和反射角度, 使得原本小掠射角入射到海底的声线变为大掠射角, 导致海底的反射损失增大; 另一方面, 声线反射角度的改变会使得原本可以到达接收点的声能量, 由于与海底作用次数增加或变为反向传播而大幅度衰减. 在浅海负跃层环境下, 声源位于跃层上比位于跃层下对声传播影响更大. 周期起伏海底对脉冲声传播的影响表现在引起不同角度的声线(或简正波号数)之间的能量发生转化, 一些大角度声线能量衰减加大, 多途结构变少. 多途结构到达时间及相对幅度的变化进而影响声场的频谱, 会使得基于匹配场定位的方法性能受到影响. 所以, 声呐在实际浅海环境中应用时, 应对起伏海底的影响予以重视. 此外, 研究结果对海底地形测绘空间精度的提高也具有重要参考意义.
2021, 70 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.70.20201005
摘要 +
研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础. 本文对此进行了数值模拟研究, 分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响. 结果表明: 高温区 (800—1050 K) 的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小, 但都随着质量流率的增大以及热流密度的减小而明显增大; 而随着流体温度的升高, 对流传热系数近似线性增大, Nu数则近似线性减小. 另外, 本文研究发现在高温区可忽略浮升力对传热的影响, 而由高热流密度引起的流动加速效应会明显恶化传热. 最后, 选取了八种管内超临界流体传热关联式与模拟结果进行对比, 发现使用基于热物性修正的关联式对高温区传热数据预测的结果优于使用基于无量纲数修正的关联式得到的结果, 且其中预测效果最优的关联式得到的计算结果与模拟结果之间的平均绝对相对偏差为8.1%.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.70.20200774
摘要 +
利用有限变形理论, 以无限长压电圆杆为研究对象, 考虑了在横向惯性、等效泊松比效应以及在热电弹耦合共同作用下, 基于Hamilton原理, 并引入Euler方程推导出压电圆杆的纵向波动方程. 采用Jacobi椭圆函数展开法, 求解压电圆杆的波动方程和对应的解. 最后, 通过Matlab软件得到不同波速比下的色散曲线, 以及温度场对压电圆杆的波形、波幅和波数的影响曲线. 数值分析结果表明: 随着温度的升高, 波速逐渐降低, 温度场的改变可影响和控制孤立波的传播特性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.70.20201288
摘要 +
在真空环境中采用固相烧结法成功制备出了多元稀土六硼化物Nd1–xEuxB6纳米粉末. 系统研究了Eu掺杂对纳米NdB6物相、形貌及光吸收性能的影响规律. 结果表明, 所有合成的纳米粉末物相均为单相的CsCl型晶体结构, 具有立方形貌, 平均晶粒尺度为30 nm. 光吸收实验结果表明, 随着Eu掺杂量的增加, 纳米NdB6透射光波长从629 nm红移至1000 nm以上, 表现出了透射光波长的可调特性. 此外, NdB6和EuB6同步辐射吸收图谱表明, Nd和Eu原子分别以Nd3+和Eu2+形式存在于纳米NdB6和EuB6中, 充分说明了Eu掺杂使NdB6传导电子数量减少, 从而导致其等离子共振频率能量的降低. 采用第一性原理计算了NdB6和EuB6的能带结构、态密度、介电函数以及等离子共振频率能量, 从而定性解释了Eu掺杂使NdB6透射光波长红移的特性.
2021, 70 (3): 036301.
doi: 10.7498/aps.70.20201387
摘要 +
甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)因其优异的光电性能而成为新兴太阳电池最具潜力的候选材料, 但是稳定性较差成为制约其发展的主要瓶颈. 通过离子掺杂可以有效地改善FAPbI3的稳定性, 如通过共掺杂Cs+和Br–形成FA1–xCsxPbI3–yBry钙钛矿材料, 其耐热及耐水稳定性得到显著改善. 本文利用第一性原理计算了FA1–xCsxPbI3–yBry (x = 0.125, y = 0—0.6)体系的几何结构、电子结构和光学性质. 通过分析发现Cs+和Br–的掺入使得体系能量降低, FA0.875Cs0.125PbI2.96 Br0.04最稳定. 利用等效光学导纳法模拟计算了平面结构钙钛矿太阳电池的吸收率、载流子收集效率、外量子效率、短路电流密度、开路电压和伏安特性. 对于FA1–xCsxPbI3–yBry钙钛矿太阳电池, 当x = 0.125, y = 0.04, 厚度为0.5—1.0 μm时, 电池的短路电流密度均为24.7 mA·cm–2, 开路电压为1.06 V. 结果表明Cs+和Br–的共掺杂在没有降低电池短路电流的同时提高了体系的稳定性, 可为实验上制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供理论参考.
2021, 70 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.70.20200762
摘要 +
FeAl/Al2O3阻氚涂层具有高阻氚因子、耐腐蚀和耐高温等优良性能, 是ITER首选的阻氚涂层. Fe-Al合金渗层对Al2O3膜层的形成质量有重要的影响. 本文采用了AlCl3-EMIC离子液体电镀法在CLAM钢表面镀铝, 然后利用热处理使Al与基体相互扩散制备Fe-Al合金渗层. 采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能量散射谱仪研究了热处理时间和温度对渗层组织结构的影响. 结果表明: 渗层厚度随着热处理温度和时间的提升而增大, 试样表面逐渐由富铝相向贫铝相转化. 在不同热处理条件下获得的渗层与CLAM钢基体结合紧密, 无孔洞等缺陷. 热处理时间一定时, 热处理温度对渗层生长速率的影响符合Arrhenius关系, 拟合计算出CLAM钢的渗铝Arrhenius活化能为78.48 kJ/mol. 在640 ℃和760 ℃时, 渗层中金属间化合物的生长受晶界扩散速率与体扩散速率的共同影响. 在综合考虑合理的渗层厚度、表面Fe-Al合金相、热处理成本的情况下, 较优的热处理工艺为700 ℃/10 h.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.70.20201287
摘要 +
h-LuFeO3是一种窄带隙铁电半导体材料, 已被证明在铁电光伏领域有较好的应用前景. 然而, 较低的极化强度使光生电子-空穴对复合率大, 限制了h-LuFeO3基铁电光伏电池效率的提高. 为改善h-LuFeO3的极化强度, 提高光吸收性质, 本文利用第一性原理计算方法研究了In原子在h-LuFeO3不同位置的掺杂形成能, 得到最稳定的掺杂位置, 比较了h-Lu1–xInxFeO3 (x = 0, 0.167, 0.333, 0.667)的带隙、光吸收性能及极化强度等性质. 计算结果表明, 随着In掺杂比例的增加, h-LuFeO3的晶格常数c/a比不断增大, 铁电极化强度得到提高. 当In∶Lu = 2∶1时, 材料杂质能级出现, Fe-O轨道杂化得到增强, 提高了h-LuFeO3的光吸收性能. 此工作证明了In掺杂是改善h-LuFeO3极化强度和光吸收系数的有效方法, 对铁电光伏性能的提高提供一种新途径.
2021, 70 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.70.20200921
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“双极型退化”现象严重阻碍了4H-SiC双极型器件如PiN二极管等的产品化, 其微观机理是电子-空穴复合条件下层错由基面位错处的扩展. 为遏制“双极型退化”现象, 不仅要消除漂移层中的基面位错, 还需要通过生长复合增强缓冲层的方法阻止少子空穴到达含高密度基面位错片段的外延层/衬底界面. 本文采用钛、氮共掺杂的方式进行缓冲层的生长, 通过钛掺杂进一步降低缓冲层中的少子寿命. 首先确定了钛掺杂浓度和钛源摩尔流量之间的定量关系, 在此基础上制备了含钛、氮共掺杂缓冲层结构的4H-SiC PiN二极管, 并在正向电流密度100 A/cm2的条件下保持10 min, 测量其正向压降随时间的变化. 与无缓冲层结构、仅含高浓度氮掺杂缓冲层结构的4H-SiC PiN二极管相比, 含钛、氮共掺杂缓冲层的二极管的正向压降稳定性得到了明显改善.
封面文章
2021, 70 (3): 037401.
doi: 10.7498/aps.70.20201291
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MgO衬底上的YBa2Cu3O7–δ (YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device, SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景. 本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究. 首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO (100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶, 然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜, 进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结. 在结样品的电阻-温度转变曲线中, 观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象, 与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致. 伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型, 在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度JC随温度T呈现出$ (T_{\rm C}-T)^2 $ 的变化规律, 77 K时JC值为1.4 × 105 A/cm2. 利用制备的台阶结, 初步制备了YBCO射频高温超导SQUID, 器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线, 温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250 $\text{μ}\Phi_0/{\rm Hz}^{1/2}$ . 本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.
2021, 70 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.70.20201271
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采用机械剥离法制备出层状黑磷, 通过微纳加工制备0°—360°四对对称电极并以黑磷作为沟道材料的背栅型场效应晶体管, 对层状黑磷的拉曼光谱及其场效晶体管的电学输运特性进行了研究. 偏振拉曼图谱结果表明, 黑磷的3个特征峰强度随偏振角改变呈现180°周期变化; 不同角度电极源漏电流表明, 黑磷在0° (180°)扶手椅方向附近呈现最大源漏电流, 均表现出黑磷各向异性特性. 另外, 不同电极角度栅压-源漏电流转移特性曲线表明其在45° (225°)和90° (270°)方向呈现微弱双极性, 在0° (180°)和135° (315°)方向呈现空穴型输运特性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.70.20200975
摘要 +
提出一种宽带、高传输效率的双层超表面, 其单元结构是在介质层两边对称刻蚀结构参数相同的十字型金属贴片且将两层超表面沿y方向错位半个周期长度形成. 通过引入y方向的错位, 双层超表面的透射带宽得到大幅度提升. 同时, 采用等效电路理论分析了该双层超表面的带宽展宽机理. 在此基础上, 进一步结合Pancharatnam-Berry相位原理, 实现了宽带轨道角动量波束生成器. 实验和仿真结果表明, 在11—12.8 GHz的频率范围内, 器件能够将左旋圆极化波转换为携带轨道角动量的右旋圆极化波.
2021, 70 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.70.20201054
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太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件, 除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外, 还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测. 通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发, 改善太赫兹超材料吸波器的传感特性. 为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响, 本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器, 并对其传感特性与传感机理进行了深入研究. 结果表明, 为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性, 除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外, 还可以改变中间介质层的形态, 进而减小中间介质层对谐振场的束缚, 增强谐振场与被测分析物之间的耦合. 与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比, 具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性, 可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测, 在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.
编辑推荐
2021, 70 (3): 038103.
doi: 10.7498/aps.70.20201134
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将传统半导体材料与金属微纳结构相结合, 利用其表面等离激元共振效应, 可有效地增强复合结构的光电转换效率, 使其广泛地被用于光电化学和光电探测等领域. 本文以氧化铝纳米管为模板, 采用原子层沉积技术制备出高有序的TiO2纳米管, 并通过电子束热蒸发技术在大孔径的纳米管薄膜中分别负载金、铝和双金属金/铝纳米颗粒, 形成金属纳米颗粒/TiO2纳米管复合结构. 研究结果表明, 相对于纯TiO2纳米管, Au/TiO2复合纳米管在568 nm的可见光照射下, 其光电流密度约有400%的提高; 在365 nm紫外光照射下, Al/TiO2复合纳米管的光电流提高约50%; 同时负载双金属Au和Al纳米颗粒的TiO2纳米管在整个紫外-可见光区域光电流均显著增强.
2021, 70 (3): 038401.
doi: 10.7498/aps.70.20201336
摘要 +
多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生, 在很多领域得到了发展和应用. 多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用, 使得多注电子束从二极管引入多注漂移管, 以及在多注漂移管中的传输运动受到影响, 导致电子束会轰击到管壁上, 早期实验中多注电子束的传输通过率较低. 本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟, 得到强流相对论多注电子束的传输运动规律. 对多注二极管的结构进行了优化设计, 仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%, 并且开展了验证实验研究, 实验在电子束电压为801 kV, 电流为9.3 kA的情况下, 电子束的传输通过率达到92%.
2021, 70 (3): 038402.
doi: 10.7498/aps.70.20201475
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感知矩阵的构造是压缩感知从理论走向工程应用的关键技术之一. 由于托普利兹感知矩阵能够支持快速算法且与离散卷积运算相对应, 因此具有重要的研究意义. 然而常用的随机托普利兹感知矩阵因其元素的不确定性, 使得它在实际应用中受到了诸多约束, 例如内存消耗较高和不易于硬件加载. 基于此, 本文结合双极性混沌序列的内在确定性和托普利兹矩阵的优点, 提出了基于双极性混沌序列的托普利兹块状感知矩阵. 具体地, 首先介绍了双极性混沌序列的产生并分析了它的统计特性. 其次, 构造了双极性托普利兹块状混沌感知矩阵, 从相关性方面证明了新建的感知矩阵具有近乎最优的理论保证, 并同时证实了它满足约束等距条件. 最后, 研究了该感知矩阵针对一维信号和图像的压缩测量效果, 并与典型感知矩阵进行了对比. 结果表明, 提出的感知矩阵对这些测试信号具有更好的测量效果, 而且它在内存开销、计算复杂度和硬件实现等方面均具有明显的优势. 特别地, 该感知矩阵非常适用于多输入-单输出线性时不变系统的压缩感知测量问题.
2021, 70 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.70.20201095
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研究了基于石墨烯电极的蒽醌分子器件的开关特性. 分别选取了锯齿型和扶手椅型的石墨烯纳米带作为电极, 考虑蒽醌基团在氧化还原反应下的两种构型, 即氢醌(HQ)分子和蒽醌(AQ)分子, 构建了双电极分子结, 讨论了氧化还原反应和不同的电极结构对蒽醌分子器件开关特性的影响. 研究发现, 无论是锯齿型石墨烯电极还是扶手椅型石墨烯电极, HQ构型的电流都明显大于AQ构型的电流, 即在氧化还原反应下蒽醌分子呈现出显著的开关特性. 同时, 当选用锯齿型石墨烯电极时其开关比最高能达到3125, 选用扶手椅型石墨烯电极时开关比最高能达到1538. 此外, 当HQ构型以扶手椅型石墨烯为电极时, 在0.7—0.75 V之间表现出明显的负微分电阻效应. 因此该系统在未来分子开关器件领域具有潜在的应用价值.
2021, 70 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.70.20200640
摘要 +
在传统共聚焦显微技术的基础上, 图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器, 结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍, 实现了高信噪比的超分辨共焦成像. 但是, 由于采用逐点扫描的方式, 三维成像速度相对较慢, 限制了其在活体样品成像中的应用. 为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度, 本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统. 在照明光路中, 利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描; 在探测光路中, 利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式; 最终, 利用后期数字重聚焦处理, 从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像. 在此基础上, 利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验, 证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.
2021, 70 (3): 038702.
doi: 10.7498/aps.70.20201122
摘要 +
心电图(electrocardiogram, ECG)诊断心脏疾病的严格标准, 要求有效地消除噪声并准确地重建ECG信号. 经验模式分解(empirical mode decomposition, EMD)方法重建ECG信号中, 模式混叠及重建采用模式分量的识别以经验为基础, 导致重建ECG信号准确度降低, 且方法不具有自适应和通用性. 本文首先基于积分均值定理提出一种改进的EMD方法—积分均值模式分解(integral mean mode decomposition, IMMD)方法, 经5000个高斯白噪声样本的蒙特卡罗法验证, IMMD方法比EMD具有更优多分辨率分析能力, 能够有效地缓解模式混叠. 其次, 基于ECG信号内固有心动物理特征量识别重建ECG信号所采用的模式分量, 具有现实物理意义, 因此, 方法具有自适应和通用性. 经验证, 提出方法重建47例ECG信号与原ECG信号的相关系数中: 31例优于变分模式分解方法; 33例优于Haar小波软阈值法; 42例优于集总经验模式分解方法; 45例优于EMD方法. 相关系数均值为0.8904, 方差为0.0071, 表现稳定且最优.
2021, 70 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.70.20201219
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锡基钙钛矿太阳能电池可避免铅元素对环境带来的污染, 近年来已成为光伏领域的研究热点. 本文以SCAPS-1D太阳能电池数值模拟软件为平台, 对不同电子传输层和不同空穴传输层的锡基钙钛矿太阳能电池器件的性能进行数值仿真对比, 从理论上分析不同载流子传输层的锡基钙钛矿太阳能电池的性能差异. 结果显示, 载流子传输层与钙钛矿层的能带对齐对电池性能至关重要. 电子传输层具有更高的导带或电子准费米能级以及空穴传输层具有更低的价带或空穴准费米能级时, 对电池输出更大的开路电压有促进作用. 另外, 当电子传输层的导带高于钙钛矿层导带或钙钛矿层的价带高于空穴传输层的价带时, 钙钛矿层与载流子传输层界面形成spike势垒, 界面复合机制相对较弱, 促使电池获得更佳的性能. 当Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3分别作为电子传输层和空穴传输层时, 与其他材料相比, 获得了更优的输出特性: 开路电压Voc = 0.94 V, 短路电流密度Jsc = 30.35 mA/cm2, 填充因子FF = 76.65%, 功率转换效率PCE = 21.55%, 可认为Cd0.5Zn0.5S和MASnBr3是设计锡基钙钛矿太阳能电池结构合适的载流子传输层材料. 这些模拟结果有助于实验上设计并制备高性能的锡基钙钛矿太阳能电池.
