专题: 超短超强激光等离子体物理
2021, 70 (8): 084101.
doi: 10.7498/aps.70.20210096
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相干X光, 特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径. 由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度, 有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段. 目前, 基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展, 随着X射线光强的提升, 相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics, QED)物理等领域, 为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会. 本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍, 旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势, 并对未来的发展方向进行展望.
封面文章
2021, 70 (8): 084102.
doi: 10.7498/aps.70.20202115
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利用超强激光与等离子体相互作用来加速高能离子是激光等离子体物理及加速器物理领域的研究热点. 经过了近20年的发展, 激光离子加速已取得丰硕成果, 催生了一批新的应用. 本文概述了国内外激光离子加速所取得的标志性实验研究进展, 围绕高能质子的产生这一关键问题进行了深入的探讨, 介绍了近几年来发展的有潜力的新加速方案.
2021, 70 (8): 084103.
doi: 10.7498/aps.70.20201993
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激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级, 对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义, 成为当今国内外的研究热点. 台式化辐射源应用需求的提高, 特别是自由电子激光装置的快速发展, 对电子束流品质提出了更高的要求, 激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍. 本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展. 例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案, 通过实验获得了GeV量级的电子束能量; 基于级联加速方式利用能量啁啾控制, 实验获得世界最高品质的电子束流; 通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构, 获得稳定的高品质电子束流输出等. 这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.
2021, 70 (8): 084104.
doi: 10.7498/aps.70.20210319
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随着激光和加速器技术的发展, 激光场强度和粒子能量也有所提升, 在高场强和高电子能量的条件下, 电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态, 在这种状态下会发生多光子效应, 即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子, 此过程通常称为多光子汤姆孙散射. 当场强和粒子能量变得更高时, 需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程. 近期, 全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用, 激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著. 而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案, 因此, 系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向. 本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述, 并对其未来的发展方向进行了展望. 另外, 伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线, 有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.
2021, 70 (8): 084206.
doi: 10.7498/aps.70.20210339
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对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力. 阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控, 为人类认识微观世界提供了全新手段, 被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一. 世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向. 利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一, 成为了近年来激光等离子体领域的研究热点. 本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射, 主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用, 并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.
2021, 70 (8): 087901.
doi: 10.7498/aps.70.20210009
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高能自旋极化正负电子束与偏振伽马射线在高能物理、实验室天体物理与核物理等领域有十分重要的应用. 近年来随着超短超强激光脉冲技术的快速发展, 利用强激光与物质相互作用的非线性康普顿散射和多光子Breit-Wheeler过程为制备高极化度、高束流密度的高能极化粒子束提供了新的可能. 本文对基于强激光产生高能极化正负电子束与偏振伽马射线的研究成果进行简要回顾, 并介绍了这些方法的基本物理原理和主要结果.
2021, 70 (8): 085202.
doi: 10.7498/aps.70.20202224
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高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域. 近年来, 随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成, 超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴. 这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程, 除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外, 量子电动力学(QED)效应变得格外重要, 例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等. 本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.
2021, 70 (8): 085203.
doi: 10.7498/aps.70.20210091
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光强超过1022 W/cm2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域, 激发高能伽马光子辐射, 产生明显的辐射反作用力效应. 辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为, 并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律. 如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一. 本文结合该方向的国内外研究进展, 论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法, 详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应, 介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制, 并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展. 针对自旋在强场量子电动力学方面的效应, 介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.
2021, 70 (8): 085204.
doi: 10.7498/aps.70.20210549
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基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸. 与分光式相比, 自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度, 但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大, 目前缺乏参数优化的相关报道. 本文用数值模拟修正解析理论的方法, 定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况, 并给出了激光在等离子体镜上的反射率, 从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化, 在保证精度的同时节约了计算时间. 另外, 利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线, 通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额, 该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.
2021, 70 (8): 085205.
doi: 10.7498/aps.70.20210518
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强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键, 其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景. 超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径. 本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果, 研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响, 并通过监测激光背向散射光谱, 定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性. 实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况. 测量结果表明, 实验产生了脉冲能量达458 μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射, 为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.
综述
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2021, 70 (8): 086701.
doi: 10.7498/aps.70.20201899
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近年来, 基于透射电子显微技术、微纳加工技术和薄膜制造技术的发展, 原位液相透射电子显微技术产生, 为构建多种纳米级分辨率尺度下的微实验平台, 发展新型纳米表征技术和众多领域的相关研究提供了途径. 本文首先介绍了应用于原位液相透射电子显微技术的液体腔设计要求, 然后介绍了液体腔的发展和典型的制备工艺, 最后综述了近年来液体腔透射电子显微镜在纳米粒子成核和生长方面的应用研究, 并探讨了该技术前沿发展面临的机遇和挑战. 本文将为提高我国先进纳米表征技术和原子精准构筑技术提供相关讨论和支持.
2021, 70 (8): 087303.
doi: 10.7498/aps.70.20201842
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金属卤化物钙钛矿广泛应用于太阳能电池、发光二极管和纳米激光器等领域, 引起了科学家们极大的兴趣. 纳米材料由于具有量子约束和较强的各项异性, 表现出与普通块体材料不同的光学和电学性质. 金属卤化物钙钛矿纳米材料具有可调节带隙、高量子效率、强的光致发光、量子约束效应和长的载流子寿命等优点, 并且其成本低、储量丰富、易于合成多种化合物, 有很广阔的光电应用前景. 但另一方面, 钙钛矿由于表面存在陷阱缺陷状态以及晶体边界导致稳定性较差, 环境中的水、氧气、紫外线和温度等因素会使其光电性能大幅度降低. 本文介绍量子点、纳米线、纳米片钙钛矿纳米材料的合成与生长机制, 并且讨论其新奇的光电性能及在各种光电设备中的应用. 最后总结了钙钛矿材料新出现的挑战并讨论了下一代金属卤化物钙钛矿光电设备应用.
总论
2021, 70 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.70.20201251
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本文提出并研究了“单队列-双参数”光电延时反馈控制条件下的激光局域网络的混沌控制及串联的动力学行为的并行队列“交叉驱动-反馈”网络同步实现, 建立了该光学局域网络的数学物理控制模型. 通过含时延超越方程理论的分析, 预言了该光学局域网络是可以实现混沌控制的, 且网络两路结点队列是可以实现实时引导控制到多个类周期状态上的, 并通过并行队列同步方程理论证明并行串联队列同步是可以获得的. 结果发现在可控的激光局域网络两个并行串联队列光路上, 分别实现了网络队列结点的混沌控制并能够实现多个类周期的网络结点的并行串联队列同步, 实现了络网结点激光器的2周期、3周期、4周期等状态的并行队列同步, 以及其他多个类周期的队列并行同步和动态同步. 还发现了两个类周期并行队列网络同步控制区域. 本文还给出了激光局域网络“并行多点混沌载波同步发射及其在光学超宽带通信中应用”的一个案例并成功实现. 这是一种新型的激光混沌局域网络控制系统, 具有光局域网络光传送与光联接核心控制技术要素, 具有复杂动力学系统与网络的多变量、多空间维度及并行两路不同队列混沌控制技术特点, 还具有光网络超宽带通信功能等. 其研究结果对局域网络、光网络的控制与同步、激光技术以及混沌的研究具有重要的参考价值.
2021, 70 (8): 080701.
doi: 10.7498/aps.70.20202043
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以芥子气和沙林为代表的毒剂具有毒性强、扩散快的特点, 是一类杀伤力强、难以防护的化学战剂, 对其快速高效检测是一项具有挑战性的课题. 本文基于第一性原理计算方法研究了V掺杂对二维MoS2气敏性能影响的机理, 发现V原子向二维MoS2的掺杂过程为自发的放热反应, V原子可以稳定掺杂于二维MoS2超胞结构中的S空位上. 掺杂进入二维MoS2体系的V原子作为施主中心向周围Mo原子给出电子, 从而提高了材料的导电能力. 吸附能、吸附距离和吸附过程中的电子转移计算结果表明V的掺杂提高了二维MoS2对气体分子的吸附能力, 增强了吸附质分子与基底表面的电子相互作用, 从而提高了二维MoS2的气敏性能.
2021, 70 (8): 080702.
doi: 10.7498/aps.70.20201685
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在高温天体等离子体环境中, 低能高电荷态离子与中性原子和分子之间的电荷交换是天体物理环境中软X射线发射的重要机制之一. 电荷交换软X射线发射相关的天体物理建模需要大量的主量子数n和角量子数l分辨的态选择俘获截面数据, 目前这类数据主要来自于经典或者半经典的原子碰撞理论模型. 本文利用反应显微成像谱仪, 系统测量了炮弹能量为1.6—20.0 keV/u Ne8+与He的单电子俘获n分辨的态选择俘获截面. 将测得的相对态选择截面与多通道Landau-Zener方法以及分子库仑过垒模型计算的结果进行比较, 发现理论模型计算结果与实验测量结果在弱反应通道上存在显著差异. 进一步结合天体物理中常用的l分布模型, 计算了1.6和2.4 keV/u Ne8+与He之间电荷交换中的软X射线发射谱, 通过与近期实验测量的X射线谱比较, 发现计算的软X射线谱强度明显偏离已有的测量值. 这些研究表明, 多通道Landau-Zener方法、分子库仑过垒模型以及l分布模型在定量描述电荷交换态选择截面时存在一定的不足, 如果将这些理论模型应用于天体物理的X射线背景研究中, 可能导致对天体等离子体参数的描述不够准确.
核物理学
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2021, 70 (8): 082901.
doi: 10.7498/aps.70.20201823
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目前国内外的质子标定终端较少, 且普遍为单能质子束流. 基于中国散裂中子源的反角白光中子源的eV—200 MeV中子能量区间的白光中子束流, 以及中子与氢的1H(n, el)反应, 可以获得宽能谱的能量连续次级质子. 利用1 GSps采样率、12 bit的波形数字化获取系统采集探测器输出波形信号, 通过对波形信号的分析, 得到中子及反冲质子的飞行时间, 进而得到反冲质子的动能. 利用该方法得到的质子, 为探测器质子标定等研究提供了新的研究平台. 在该研究平台已经开展了带电粒子望远镜的标定实验. 研究了CsI (Tl)探测器不同的信号读出方式对望远镜的ΔE-E二维谱、幅度-质子动能二维谱等粒子鉴别方法得到的粒子鉴别的效果, 得到了较优的探测器信号读出方案. 该研究为带电粒子望远镜的建设提供了实验依据, 也说明了基于反角白光中子源的宽能谱质子标定的可行性.
原子和分子物理学
2021, 70 (8): 083101.
doi: 10.7498/aps.70.20201624
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应用固体与分子经验电子理论系统地研究液态金属池Na||Sb-Pb-Sn电极的价电子结构与热、电性能. 研究结果表明: 电极合金的价电子结构与其性能密切关联. 阴极合金Na1–xIAx (IA = K, Rb, Cs)的晶格电子随着掺杂量的增加而减少, 诱发合金的熔点、结合能随掺杂量的增加而降低. Na离子输运到阳极, 与阳极Sb-Sn-Pb形成产物NaSb3, NaSn, Na15Sn4, NaPb. 其理论熔点与实验相符. NaSb3的平均晶格电子数最少, 开路电压最高. 研究表明: 对于Na||Sb-Pb-Sn液态金属电池体系而言, 晶格电子扮演重要的角色, 可以调控电极的热、电性能.
2021, 70 (8): 083401.
doi: 10.7498/aps.70.20201456
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在超冷费米系统中实现人造规范势的突破, 吸引了许多新问题的研究, 展现了许多新奇的物理现象. 本文研究了在环阱中, 具有自旋轨道耦合和塞曼作用的两体相互作用费米模型. 通过平面波展开的方法, 解析求解了两体费米系统的本征能态. 系统的总动量为守恒量, 可以在不同总动量空间中研究能谱. 研究发现: 随着塞曼相互作用增大, 在不同总动量空间, 两体费米系统的本征能量均逐渐降低, 系统基态从总动量为零空间转变到有限值空间. 从吸引到排斥相互作用, 无塞曼相互作用时, 基态总动量始终为零, 有塞曼相互作用时, 基态总动量从零转变为有限值. 通过单粒子和基态动量分布研究, 本文直观地揭示了由塞曼能级劈裂引起的基态转变.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.70.20201047
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本文基于衍射光学设计理论, 提出了仅用一种简单结构实现波长和偏振态同时复用全息显示新方法. 构建了不同入射条件下超表面微元的结构参数与透过相位之间的映射关系, 建立了科学的评价函数, 优化得到超表面每个像素点处最优的单一结构超表面微元尺寸. 仿真结果表明, 本文设计的超表面实现了波长为532 nm的x线偏振光和波长为633 nm的y线偏振光入射显示不同形状字符的功能.
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2021, 70 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.70.20201719
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为补偿皮秒拍瓦激光系统中钕玻璃宽带放大引起的增益窄化, 提出了一种基于铌酸锂双折射晶体的高能量光谱整形方法. 在相同强度调制下, 对比了BBO、铌酸锂和石英3种晶体, 针对1053 nm激光, 选用了高双折射率、大口径且不易潮解的铌酸锂作为整形晶体. 理论分析了晶体厚度、倾斜角、面内旋转角对强度调制的影响, 发现它们分别决定调制的带宽、中心波长及深度. 并对整形过程中晶体引入的光谱相位进行了分析, 发现各阶色散量随晶体厚度、倾斜角、面内旋转角变化的规律, 因此可通过上述参数控制各阶色散量. 在此基础上, 开展了中心波长为1053 nm、带宽为10 nm、调制深度为80%的光谱整形实验和相位测量实验, 实验与理论分析相一致. 针对神光Ⅱ皮秒拍瓦激光系统, 利用上述整形方案, 国内首次实现了1700 J, 6 nm (FWHM)的高能宽带激光输出, 有效补偿了增益窄化. 研究结果对国内基于钕玻璃放大系统的宽频带激光装置的工程研制具有重要意义.
2021, 70 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.70.20201612
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激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用, 而散射是激光水下探测面临的主要挑战. 载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点, 本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源, 在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W, 强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz, 光束发散角约0.5 mrad. 通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)2)粉末, 测量了不同浑浊度下水的衰减系数. 采用相位测距的方法, 目标反射光的调制信号为探测信号, 对激光源进行调制的电信号作为参考信号, 利用相关运算获得激光的延时时间, 进而可以获得水下目标的距离. 最大调制频率为500 MHz时, 实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测, 测距误差约12 cm. 探测距离越远, 测距误差越大, 调制频率越高, 测距精度越高.
2021, 70 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.70.20201075
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本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法, 用以提高光纤延时测量的精度和准确性. 该方法以1064 nm激光调制信号作为光源, 通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应, 采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息, 实现光纤延时测量. 本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比, 使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz, 采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下, 实现了3.3 ps延时测量分辨率, 并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度, 测量结果的准确性更好.
2021, 70 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.70.20201768
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光纤相控阵在激光合束、激光雷达等领域具有应用前景. 光纤阵列配置方式不同于微波相控阵, 光纤天线间距大于波长时存在周期旁瓣问题, 影响主瓣能量分布. 本文从物理模型出发, 建立了基于同心圆环形点阵集合的光学相控阵天线布阵理论模型, 提出了利用解析延拓的傅里叶变换方法实现干涉场强度的快速合成理论, 讨论了在离散采样时数值仿真需关注的采样带宽和采样数目问题, 解决了快速实现多光束干涉场数值仿真的问题. 对比研究了两种优化光学相控阵天线配置的优化算法: 遗传算法和粒子群算法, 分别实现了不同种群数量遗传算法和粒子群算法迭代优化, 分析了二者在优化过程中的收敛速度和优化效果, 得到了峰值旁瓣比PSR = 0.270的配置阵列. 所提出的方法有望用于实际的光学相控阵天线配置中, 指导天线主瓣能量最大化的优化设计; 研究模型对不可微分目标函数优化问题的研究有一定参考价值.
2021, 70 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.70.20201635
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利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数, 推导了一般情况下的声辐射力矩表达式. 在此基础上, 通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响. 结果表明: 正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在; 低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩; 特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式, 因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切; 增加束腰半径有利于扩大散射截面, 进而增加椭圆柱的声辐射力矩. 该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.
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2021, 70 (8): 084302.
doi: 10.7498/aps.70.20201919
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本文提出了一种基于非线性超声射频(radio frequency, RF)信号熵对乳腺结节良恶性进行定征的方法. 对306例乳腺结节样本(良性158例, 恶性148例)提取了基于超声RF信号二次谐波的熵和加权熵, 以及常规超声参数(图像灰度、纵横比、不规则度、乳腺结节大小、深度); 采用t检验和线性分类器检测参数对乳腺结节良恶性的区分度; 进一步将有效参数组合输入支持向量机对乳腺结节良恶性进行分类. 结果表明: 除图像灰度外, 其余参数均在乳腺结节的良性与恶性间有显著差异. 多参数结合输入支持向量机的良恶性分类的准确率、敏感性和特异性分别为81.4%, 78.4%和84.2%. 本文工作表明非线性超声RF信号的熵可有效地定征乳腺结节的良恶性, 有望成为乳腺结节良恶性定征新参量.
2021, 70 (8): 084303.
doi: 10.7498/aps.70.20201312
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针对现有的基于欠采样的频率和二维到达角的联合估计存在结构复杂问题, 本文提出了一种基于调制宽带转换器技术的L型延迟阵列接收结构. 利用延迟通道与未延迟通道采样值之间的相位差可直接估计载频, 进而计算二维到达角, 无需额外的参数配对操作, 避免了配对步骤引入的误差和复杂度的提升. 并结合所提L型延迟阵列结构的特点构造相关矩阵和三线性模型, 提出了两种参数估计算法, 一种基于旋转不变子空间算法, 计算量小, 适用于需要实时处理的场景; 另一种基于正则分解技术, 鲁棒性较好, 适用于信噪比较低的应用场景. 仿真实验表明该方法能较好地从欠奈奎斯特样本中估计目标的载频和二维到达角参数.
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2021, 70 (8): 084701.
doi: 10.7498/aps.70.20201738
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超弹性材料是工程实际中常用的材料, 具有很强的非线性力学性能. 将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向. 与传统的刚性球体入水现象不同, 超弹性球体入水后极易发生变形. 为了探究该大变形的入水流固耦合问题, 本文采用高速摄像方法, 对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究. 基于实验结果, 对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响. 实验结果表明, 超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量. 嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关. 超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大, 却随球体直径的增大而减小. 入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度, 而不影响嵌套空泡的产生时刻. 同时, 本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (8): 085201.
doi: 10.7498/aps.70.20202040
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获得覆盖较宽温度和压力范围内的等离子体热力学和输运性质是开展等离子体传热和流动过程数值模拟的必要条件. 本文通过联立Saha方程、道尔顿分压定律以及电荷准中性条件求解等离子体组分; 采用理想气体动力学理论计算等离子体热力学性质; 基于Chapman-Enskog方法求解等离子体输运性质. 利用上述方法计算了压力为0.1, 1.0和10.0 atm (1 atm = 101325 Pa), 电子温度在300—30000 K范围内, 非局域热力学平衡(电子温度不等于重粒子温度)条件下氩-氮等离子体的热力学和输运性质. 结果表明压力和非平衡度会影响等离子体中各化学反应过程, 从而对氩-氮等离子体的热力学及输运性质有较大的影响. 在局域热力学平衡条件下, 计算获得的氩-氮等离子体输运性质和文献报道的数据符合良好.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (8): 086201.
doi: 10.7498/aps.70.20201943
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利用等离子增强化学气相沉积方法, 在铜粉表面原位生长了站立石墨烯, 用于制备石墨烯强化铜基复合材料. 研究表明, 石墨烯包覆在铜粉外表面, 微观尺度实现了两者的均匀混合; 生长的初期阶段, 碳、氢等离子基团可将铜粉表面的氧化层还原, 有助于铜粉-石墨烯之间形成良好的界面; 石墨烯的成核是一个生长/刻蚀相互竞争的过程, 其尺寸可受制备温度调控. 利用放电等离子烧结方法将粉末压制成型, 测试结果显示, 添加石墨烯样品的电阻率降低了一个数量级, 维氏硬度和屈服强度分别提高了15.6%和28.8%.
2021, 70 (8): 086401.
doi: 10.7498/aps.70.20201843
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基于Ginzburg-Landau理论采用连续相场法模拟了Fe-15%Cu-3%Mn-xAl(质量分数x = 1%, 3%, 5%)合金在873 K等温时效时纳米富Cu析出相沉淀机制及Al含量对富Cu相析出的阻碍效应. 通过计算成分场变量和结构序参数, 研究了富Cu析出相的形貌、颗粒密度、平均颗粒半径、生长和粗化动力学. 研究结果表明: 在时效早期阶段, 纳米富Cu相通过失稳分解机制析出, 由于原子扩散速率存在差异, 从而形成以富Cu相为核心的核壳结构. 随着时效时间延长, 富Cu相析出物结构由体心立方转变为面心立方. 其中Al和Mn原子在富Cu核外偏析形成Al/Mn簇, 可以将其视为阻碍富Cu析出相形成的缓冲层; 在沉淀过程中, 随着Al含量的增大, Al/Mn金属间相促进了缓冲层的生长, 阻碍富Cu析出相的生长和粗化.
2021, 70 (8): 086402.
doi: 10.7498/aps.70.20201431
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采用耦合群体动力学方法与元胞自动机方法建立了细化处理条件下铝合金凝固微观组织演变的数值模型. 该模型考虑了α-Al的非均匀形核过程、晶粒的初始球形长大以及之后的枝晶生长过程. 利用建立的模型模拟了Al-5Ti-1B中间合金细化工业纯铝凝固组织演变过程. 结果表明: 形核初始阶段, 熔体中存在充足数量的有效形核粒子, α-Al形核率随着熔体过冷度的增大逐渐增高; 形核开始不久后, α-Al的异质形核过程由熔体中有效形核粒子数量控制, 直到再辉发生, 形核停止. 模拟分析了中间合金添加量以及熔体冷却速度对工业纯铝凝固组织演变过程的影响, 模拟结果与实验结果相符, 验证了模型的准确性.
2021, 70 (8): 086801.
doi: 10.7498/aps.70.20201796
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石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力. 本文在SiO2/Si基底上制备了微孔阵列, 将石墨烯剥离在微孔上, 形成悬浮结构. 使用原子力显微镜研究悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦特性, 结果表明: 悬浮石墨烯表面摩擦力比基底支撑石墨烯明显减小, 同时在支撑石墨烯上出现的摩擦增强效应也消失. 随着石墨烯厚度的增大, 面外刚度逐渐增大, 悬浮石墨烯与支撑石墨烯的摩擦力差异逐渐减小. 此外, 使用预磨损探针时, 悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦力都显著增大, 且悬浮石墨烯的摩擦力依然比支撑石墨烯小. 通过对比不同厚度石墨烯, 不同针尖半径时悬浮石墨烯与支撑石墨烯表面摩擦力的变化, 揭示了面外变形对石墨烯摩擦力的影响, 为有效提高石墨烯固体润滑剂的摩擦性能提供了理论指导.
编辑推荐
2021, 70 (8): 086802.
doi: 10.7498/aps.70.20201330
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探索LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)界面产生的新奇物理特性对理解关联电子系统中多自由度耦合和设计功能材料器件具有重要的价值. 本文通过脉冲激光沉积方法在SrTiO3基底上制备了LAO/STO薄膜, 研究了正面照射LAO/STO膜面和侧面照射LAO/STO界面时的光伏效应, 探讨了LAO/STO界面对光伏效应的影响. 研究结果表明, 在同样光照能量下侧面照射LAO/STO界面产生的光电压远高于正面照射LAO/STO膜面产生的光电压, 说明LAO/STO界面对光伏效应有明显的增强作用. 通过偏压调控可以进一步增强照射LAO/STO界面产生的光电压, 当偏压为60 V时, LAO/STO样品的位置探测灵敏度达到了36.8 mV/mm. 这些研究结果为设计场调控位置敏感探测器等新型光电子器件提供了新的思路.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (8): 087101.
doi: 10.7498/aps.70.20201572
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基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)的第一性原理方法研究了暴露不同原子终端的BiOBr{001}表面以及单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO不同位置的几何构型、电子结构、光学性质和电荷转移. 计算结果表明: BiOBr{001}面BiO终端暴露可诱导产生表面态且价带和导带能级向低能方向移动, 光氧化性增强, 尤其导带下方出现的表面态能级有助于光生电子-空穴对的分离和迁移, 光吸收显著增强, 且BiOBr{001}面BiO终端的功函数远低于贵金属Pt, 有利于电荷定向转移. 其次, 单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO为基底的表面, 在禁带中间诱导产生杂质能级, Pt吸附于穴位时吸附能最小, 光响应能力最好且电荷转移量最大, 吸附于顶位和桥位时, 形成开放性的贫电子区域, 因此可预测穴位为Pt原子的吸附位点, 预示其良好的降解有机污染物效果, Pt吸附于BiOBr{001}-BiO的顶位和桥位, 具有潜在的CO2还原或固氮等领域应用.
2021, 70 (8): 087201.
doi: 10.7498/aps.70.20201467
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首先测量了GaN肖特基二极管的正向变温电流-电压特性, 研究了其电流输运机制, 然后分析了在不同注入电流条件下的低频噪声行为. 结果表明: 1) 在正向高电压区, 热发射机制占主导, 有效势垒高度约为1.25 eV; 2) 在正向低偏压区(V < 0.8 V), 与位错相关的缺陷辅助隧穿电流占主导, 有效势垒高度约为0.92 eV (T = 300 K); 3) 在极小电流(I < 1 μA)和极低频率 (f < 10 Hz)下, 洛伦兹型噪声才会出现; 电子的渡越时间取决于多个缺陷对电子的不断捕获和释放过程, 典型时间常数约为30 ms (I = 1 μA); 4)在更高频率和电流下, 低频1/f噪声占主导; 电流的输运主要受到势垒高度的随机波动的影响, 所对应的系数约为1.1.
2021, 70 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.70.20201742
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在Su-Schrieffer-Heeger (SSH) 原子链中, 电子在胞内和胞间的跳跃依赖于其自旋时, 即SSH原子链存在自旋轨道耦合作用时, 存在不同缠绕数的非平庸拓扑边缘态. 如何探测自旋轨道耦合SSH原子链不同缠绕数的边缘态是一个重要问题. 本文在紧束缚近似下研究了自旋轨道耦合SSH原子链的非平庸拓扑边缘态性质及其零能附近的电子输运特性. 研究发现四重和二重简并边缘态的缠绕数分别为2和1; 并且仅当源极入射电子的自旋被极化(铁磁电极)时, 自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近的电子输运特性才能反映其边缘态的能谱特性. 尤其是, 随着自旋轨道耦合SSH原子链与左、右导线之间的耦合强度由弱到强改变, 对于缠绕数为2的四重简并边缘态, 入射电子在零能附近的透射峰数目将从4个变为0; 而对于缠绕数为1的二重简并边缘态情形, 其透射峰数目将从2个变为0. 因此, 在源极为铁磁电极的情形下, 通过观察自旋轨道耦合SSH原子链在零能附近电子共振透射峰的数目随着其与左、右导线之间耦合强度的变化, 来探测其不同缠绕数的边缘态. 上述结果为基于电子输运特性探测自旋轨道耦合SSH原子链不同拓扑性质的边缘态提供了一种可选择的理论方案.
2021, 70 (8): 087302.
doi: 10.7498/aps.70.20201262
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忆阻器和能量存储电容器具有相同的三明治结构, 然而两个器件需要的操作电压有明显差异, 因此在同一个器件中, 研究操作电压的影响因素并对操作电压进行调控, 实现器件在不同领域的应用是十分必要的一个工作. 本文利用反应磁控溅射技术在ITO导电玻璃、Pt/Si基底上生长了多晶ZrO2和非晶TaOx薄膜, 选用不同金属材料Au, Ag和Al用作上电极构建了多种金属/氧化物介质/金属三明治结构的电容器, 研究了器件在不同偏压极性下的击穿强度. 结果发现: 底电极是ITO的ZrO2基电容器在负偏压下的击穿电场比Pt电极器件稍大. 不管底电极是ITO还是Pt, Ag作为上电极时器件的击穿强度均存在明显的偏压极性依赖性, 正偏压下的击穿电场减小了一个数量级; 相反, 在Al作为上电极的Al/TaOx/Pt器件中, 正向偏压比负向偏压下的击穿电场增加了近2倍. 上述器件的不同击穿行为分别可以由氧化物电极和介质界面层间氧的迁移和重排、电化学活性金属电极的溶解迁移和还原以及化学活性金属电极与氧化物界面的氧化还原反应来解释. 该实验结果对有不同操作电压要求的器件, 如忆阻器和介质储能电容器等在器件设计和操作方面具有指导意义.
2021, 70 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.70.20201605
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半导体量子点在低温下产生谱线细锐的激子发光可制备单光子源. 光纤耦合可避免低温共聚焦装置扫描定位和振动影响, 是实现单光子源即插即用和组件化的关键技术. 在耦合工艺上, 基于微区定位标记发展出拉锥光纤与光子晶体腔或波导侧向耦合、大数值孔径锥形端面光纤与量子点样片垂直耦合等技术; 然而, 上述工艺需要多维度精密调节以避免柔软光纤的畸形弯曲实现对准和高效耦合. 陶瓷插针或石英V槽封装的光纤无弯曲且具有大平滑端面, 只要与单量子点样片对准贴合就可保证垂直收光, V槽封装的排式光纤还可通过盲对粘合避免扫描对准, 耦合简单. 本文在前期排式光纤粘合少对数分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)微柱样片实现单光子输出基础上, 经理论模拟采用多对数DBR腔提升样片垂直出光和光纤收光效率, 使光纤输出单光子计数率大大提升.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (8): 088901.
doi: 10.7498/aps.70.20201756
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网络的结构和功能彼此相互影响, 网络上的功能往往体现为网络上的动力学过程, 网络上的动力学过程通过网络中的行为表象数据进行体现. 因此, 根据网络上可观测的相关数据对网络结构进行重构将成为可能. 本文拟解决如何根据网络上可观测的离散数据还原网络拓扑结构的问题, 提出了在网络局部利用每一条离散数据对应节点的相似程度来推测节点间发生连边的可能性, 通过多条离散数据重构网络各个局部拓扑并将由多条数据得到的局部拓扑进行叠加, 最终重构出整个网络的全局拓扑结构的算法. 为了验证算法的可行性与准确性, 在小世界、无标度和随机网络中进行了网络重构实验, 通过在三种不同类型及不同规模的网络中进行网络重构实验可以看出, 网络重构算法在不同类型网络中的表现也不同, 且网络的平均度值也会影响网络重构算法对数据的要求. 为了验证算法的适用性, 对三个实际网络进行了网络重构实验, 结果显示算法能够适用实际较大规模网络的重构. 该算法具有很好的适用性和准确度, 适合不同类型网络的拓扑结构重构场景.
