专题: 非厄米物理前沿
2022, 71 (13): 130301.
doi: 10.7498/aps.70.20220511
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近期, 满足宇称-时间对称性的非厄米系统的研究取得了令人印象深刻的进展, 如物理系统拓扑性质和奇异点处临界性的观测. 宇称-时间对称的非幺正动力学的一个至关重要的方面就是系统与环境之间的信息流动. 本文利用量子态间的可区分性这一物理量, 统一量化了低维与高维宇称-时间对称的非厄米系统和环境之间的信息流动. 数值计算结果表明, 在宇称-时间对称性保持的相区域可以观测到量子态间可区分性的振荡以及完全的信息恢复. 然而在宇称时间对称性破坏的相区域, 信息处于指数衰减的状态. 奇异点处标志着信息流动的可逆与不可逆的临界性, 量子态间的可区分性表现出幂律衰减的行为. 理解非幺正量子动力学中的这些独特的现象为研究开放量子系统提供了重要视角, 并且有助于其在量子信息中的应用.
2022, 71 (13): 130302.
doi: 10.7498/aps.71.20220890
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非厄米系统近年来受到了物理学相关领域研究人员的大量关注. 非厄米因素的存在往往会带来许多在厄米系统中不存在的新奇效应. 本文引入一类新的非厄米晶格系统—非厄米镶嵌型二聚化晶格. 在这一模型中, 交替变化的非对称跃迁被等间距地施加在某些相邻格点的跃迁项中. 研究结果表明, 随着非对称跃迁强度的增大, 系统在开边界条件下的能谱会从实数变为复数. 此外, 系统中的非厄米趋肤效应和不同边界条件下的能谱性质会受到镶嵌型调制周期的影响. 当这一调制周期为奇数时, 系统中不存在非厄米趋肤效应, 且其能谱在开放和周期边界条件下是一样的（拓扑边界态除外）; 而当镶嵌型调制周期为偶数时, 系统中存在非厄米趋肤效应, 且其能谱在不同的边界条件下具有完全不同的结构. 本文进一步研究了这类系统中的拓扑零能边界态, 并计算了Berry相位对其进行表征. 本研究揭示了镶嵌型非对称跃迁对系统性质的影响, 拓展了非厄米系统这一领域的相关研究.
2022, 71 (13): 130303.
doi: 10.7498/aps.70.20220716
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近年来, 与环境耦合的非厄米开放系统成为人们研究的热点. 非厄米体系中的奇异点会发生本征值和本征态的聚合, 是区分厄米体系的重要性质之一. 在具有宇称-时间反演对称性的体系中, 奇异点通常伴随着对称性的自发破缺, 存在很多值得探究的新奇物理现象. 以往的研究多关注无相互作用系统中的二阶奇异点, 对具有相互作用的多粒子系统, 及其中可能出现的高阶奇异点讨论较少, 特别是相关的实验工作尚未见报道. 本文研究了具有宇称-时间反演对称性的两量子比特体系, 证明了该体系中存在三阶奇异点, 并且量子比特间的伊辛型相互作用能够诱导体系在三阶奇异点附近出现能量的高阶响应, 可通过测量特定量子态占据数随时间的演化拟合体系本征值的方法来验证. 其次通过探究该体系本征态的性质, 展示了奇异点的态聚合特征, 并提出了利用长时间演化后稳态的密度矩阵验证态聚合的方法. 此外, 还将理论的两量子比特哈密顿量映射到两离子实验系统中, 基于$ {^{171}{\rm{Yb}}}^+$ 囚禁离子系统设计了实现和调控奇异点, 进而验证三阶响应的实验方案. 这一方案具有极高的可行性, 并有望对利用非厄米系统实现精密测量和高灵敏度量子传感器提供新的思路.
2022, 71 (13): 130701.
doi: 10.7498/aps.71.20220425
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量子精密测量根据量子力学的基本原理, 利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量. 随着实验条件和技术的成熟, 如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯极限成为研究的前沿课题. 本文阐述了利用线性干涉仪(包括原子/光子干涉仪)与非线性干涉仪调用不同阶段的量子资源在测量过程中提高参数评估精度的几种方法, 通过向干涉仪中输入非经典态来实现高精度测量, 如压缩态、双数态、NOON态等, 还介绍了为直接观测量子态而发展出的弱测量及其在非厄米系统中的应用和为消除参数之间精度制衡而提出的多参数测量. 最后, 对几种测量方法进行了分析比较, 并展望了量子精密测量的发展前景.
封面文章
2022, 71 (13): 131101.
doi: 10.7498/aps.71.20220842
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在非厄米系统参数空间的黎曼曲面上存在简并点, 此时本征值和相应的本征矢量同时合并, 这些非厄米简并点也被称为奇异点. 作为非厄米物理系统的相变临界态, 奇异点会引起诸多违反直觉的现象, 如损耗诱导透明、单向隐身以及非对称的模式转换. 特别有趣的是, 奇异点的本征矢量是自正交的, 并且由于维度的缺失, 特定非厄米系统的奇异点具有固有的手性. 本文基于开口谐振环这种特殊的超构材料谐振子构造了耦合系数符号可以灵活调控的非厄米系统, 并在实验上观测了非厄米系统奇异点的手性翻转现象. 利用耦合系数符号的改变来实现非厄米系统奇异点的手性态调控, 不仅为研究开放系统中的基本非厄米物理开辟了一条新的途径, 而且在设计高效手性模式转换以及手性天线等光子器件方面具有一定的应用价值.
2022, 71 (13): 133202.
doi: 10.7498/aps.71.20220456
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基于里德伯-电磁感应透明系统实现了具有宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅, 并研究了系统中探测光场在到达光栅前形成孤子的过程以及经过光栅时引起的偏折现象. 发现由于里德伯-电磁感应透明系统具有很强的非线性光学效应, 因此只需要很少的输入探测光能量就能形成稳定的光孤子. 此外还发现, 通过改变电磁感应诱导光栅的增益/损耗系数、光栅周期、以及体系的克尔非线性非局域度都可以有效地改变探测光孤子的偏折程度和状态, 实现对弱光孤子偏折的主动操控. 本文的研究结果可为未来利用宇称-时间对称的电磁感应诱导光栅实现全光控制和光信息处理等相关应用提供一定的理论依据.
综述
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2022, 71 (13): 131201.
doi: 10.7498/aps.71.20220148
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在强背景场下真空产生正反粒子对的研究中, 频率啁啾对增强粒子对的产生起着关键作用. 本文介绍了狄拉克-海森伯-维格纳(Dirac -Heisenberg-Wigner)、求解量子弗拉索夫方程(quantum Vlasov equation)和计算量子场论等方法, 并详细综述了它们如何应用到空间非均匀场、均匀含时场以及外部势场中正负电子对产生的研究. 通过研究各种不同的场得到了不同参数(如场强和基准频率)下产生的粒子动量谱和粒子对产额, 发现当频率啁啾形式或/和啁啾强度改变时结果受到显著影响. 在低频场下啁啾增强的数密度可提高2—3个数量级, 这主要是因为啁啾增加了场的高频成分, 从而低频强场和高频弱场相结合的动力学辅助机制起到了很大的作用. 一般来说在高频情况下数密度只有几倍的提高, 说明动力学辅助作用被大大地抑制了. 在有空间变化的场情形下, 对于小空间尺度变化的场, 无啁啾时本身的数密度不高, 但啁啾可以对数密度有数量级的提高; 对于大空间尺度变化的场, 数密度逐渐趋于空间均匀的结果, 啁啾也能对数密度有几倍的提高. 通过Wentzel-Kramer-Brillouin近似和转变点结构的物理分析和讨论可以对相关的数值结果进行理解. 最后简要地给出了频率啁啾对粒子对产生增强效应可能的应用前景与展望.
专题: 量子计算新进展: 硬件、算法和软件
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2022, 71 (13): 133701.
doi: 10.7498/aps.71.20220224
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离子阱系统是实现量子计算和量子模拟的主要体系之一. 世界范围内的各个离子阱研究小组共同推动着离子阱结构的丰富化发展, 开发出一系列高性能的三维离子阱、二维离子芯片、以及具有集成器件的离子阱系统. 离子阱的结构逐渐向小型化、高通光性和集成化方向发展, 并表现出卓越的量子操控能力—对多离子的囚禁能力和精确控制能力越来越高. 本综述将总结过去的十几年里离子阱在结构上的演化历程, 以及离子阱在量子计算与量子模拟实验研究中的最新进展. 通过分析具有代表性的离子阱结构, 总结离子阱系统在加工工艺、鲁棒性和多功能性等方面取得的进步, 并对基于离子阱系统的可扩展量子计算与模拟作出展望.
总论
2022, 71 (13): 130304.
doi: 10.7498/aps.71.20211702
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本文设计了一个基于高维单粒子态的双向半量子安全直接通信协议, 该协议包括量子方Alice和经典方Bob, 每个参与方可以同时接收和发送秘密信息. 协议中的经典方Bob无需具备量子态检测能力, 因此该协议在现有技术条件下更易实现. 安全性分析表明: 在不被合法通信者发现的情况下, 截获重发、测量重发、篡改攻击以及纠缠攻击等常见攻击手段均无法获取秘密信息. 此外, 该协议利用高维单粒子态作为信息传输的载体, 这有效提高了秘密信息的传输效率.
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2022, 71 (13): 130305.
doi: 10.7498/aps.71.20220477
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量子存储是实现长距离量子通信的关键步骤, 也是量子信息处理的重要基础. 在满足存储时间长、保真度高的基础上, 实现量子态的异地按需读取对构建实用化量子网络有着重要意义. 本文基于受激拉曼绝热路径(stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP)的方法, 提出了通过设计可控脉冲延迟在一维微波波导中实现高保真度的量子态存储与异地按需读取的理论方案. 该方案不仅可以根据需求在异地决定读出时间, 且可以降低原始STIRAP方案所需的脉冲面积, 降低能量消耗. 数值计算的结果表明, 该方案实现的保真度对波导中的平均热光子数及读出脉冲的持续时间均有较强的鲁棒性.
2022, 71 (13): 130306.
doi: 10.7498/aps.71.20220120
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光纤信道由于受环境影响产生的随机双折射等物理效应使得在其中传输的光信号具有敏感的偏振变化, 严重影响了偏振编码量子密钥分发系统的性能. 本文提出了一种利用单光子计数作为反馈信号的低噪声光纤信道波分复用实时偏振补偿系统, 该系统通过探测共轭参考光的光子计数得到光纤信道偏振变化信息, 设计补偿算法控制电动偏振控制器实时校准对应偏振基下量子信号光的偏振态, 成功实现了稳定的光纤信道偏振补偿. 为验证补偿系统的有效性, 进行了传输距离为25.2 km的基于BB84协议的量子密钥分发测试, 在实验室环境和模拟城域网地埋光纤环境下得到了长达8 h的稳定测试结果, 平均量子比特误码率分别为0.52%和1.25%. 该实验结果表明本系统可在城域网地埋光纤环境下保障偏振编码量子密钥分发的稳定工作.
2022, 71 (13): 130307.
doi: 10.7498/aps.71.20212341
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连续变量量子隐形传态在实际的量子通信中起着至关重要的作用. 然而, 实际环境的噪声与损耗会导致量子纠缠的退化, 极大地影响系统的传输性能, 尤其是降低系统的传输距离, 阻碍其实际应用. 本文提出了无噪线性放大的连续变量量子隐形传态方案, 利用无噪线性放大器对退化的纠缠源进行放大, 从而补偿光纤损耗信道对纠缠源的衰减影响, 提升系统的性能. 本文详细分析了不同损耗信道和纠缠源情况下, 无噪线性放大器的增益系数选取范围以及不同增益对方案性能的影响. 仿真结果表明, 本文提出的方案相比于原方案, 在保真度和传输距离方面都有较大的提升. 该研究结果为长距离连续变量量子隐形传态的实际应用提供了一种切实有效的方法.
2022, 71 (13): 130501.
doi: 10.7498/aps.70.20220188
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任意子介于玻色子与费米子之间, 遵从奇特的分数统计, 隐含着许多有趣的物理特性. 本文研究了一维晶格中相互作用全同任意子的少体量子动力学及其量子关联性质. 基于严格的数值方法, 分析了任意子在晶格中局域粒子密度分布的动力学演化过程. 结果表明, 分数统计可以明显影响任意子动力学演化过程中实空间的局域粒子密度分布, 产生新的动力学结构. 特别地, 当存在相互作用时, 分数统计粒子的局域粒子密度分布会呈现有趣的依赖于相互作用性质的不对称性. 最后计算了任意子的密度密度关联, 分析了粒子统计性质和相互作用对体系量子关联的调制, 同时进一步证 实了任意子分数统计在实空间中的动力学效应.
原子和分子物理学
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2022, 71 (13): 133201.
doi: 10.7498/aps.70.20212434
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利用“二态矢量模型”详细研究了高电荷态${\rm{O}}^{7+}$ , ${\rm{N}}^{6+}$ 离子入射Al表面时中间里德伯态的形成过程, 给出了电子被俘获至不同量子数$\left(n_{{\rm{A}}}=2-7\right)$ 的几率, 以及电子俘获至里德伯态最可能的离子-表面距离. 计算结果表明, 较大的主量子数$n_{\rm A}$ 对应较小的里德伯态几率, 因此${\rm{O}}^{7+}$ , ${\rm{N}}^{6+}$ 离子入射Al表面时辐射的X射线主要来源于较小的$n_{{\rm{A}}}$ 至基态的退激. 为了验证计算结果, 测量了${\rm{O}}^{7+}$ , ${\rm{N}}^{6+}$ 离子入射Al 表面的X射线发射谱, 并运用FAC程序计算了不同高里德伯态退激到基态的跃迁能(np–1s). 实验测量到O, N 的K-X射线峰, 其特征峰的中心值接近主量子数n = 2至n = 1的跃迁能, 说明发射的X 射线主要来源于2p–1s的跃迁, 与“二态矢量模型”理论计算的几率一致.
2022, 71 (13): 133702.
doi: 10.7498/aps.71.20220071
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基于冷原子干涉仪的高精度绝对重力动态测量为海洋重力测量提供新的手段, 因而备受关注. 利用自己搭建的船载冷原子干涉式绝对重力测量系统, 在中国南海某海域开展了一系列测量实验. 在动态条件下, 测量噪声的抑制对测量性能的提升至关重要. 本文根据船载绝对重力动态测量系统的物理模型, 提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的动态绝对重力数据处理方法, 对观测的原子干涉条纹数据进行了时域滤波处理, 获得了绝对重力值的最优估计. 基于该处理方法将航速小于2.1 km/h条件下的绝对重力测量灵敏度从300.2 mGal/Hz1/2提升至136.8 mGal/Hz1/2 (T = 4 ms). 此外, 将处理后的数据与利用地球重力模型(XGM2019)计算的数据进行了比对, 发现两者符合度较好. 这些结果证实了本文提出的数据处理方法的有效性, 并为船载冷原子干涉式绝对重力测量系统的测量噪声的抑制提供了一种新的处理方法.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (13): 134201.
doi: 10.7498/aps.71.20220178
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以能量控制为目标的非成像光学设计在光电领域有着广泛的应用, 由光源、光学器件和目标面三者组成的非成像光学系统可用一个配光方程来描述. 给定光源和目标光斑, 求解配光方程可得相应的光学表面. 如果光源不变而目标光斑仅在目标面上发生移动, 此时光学表面就得做出相应的变换, 这种变换可由一个配光平移群来刻画. 通过引入具有单调性质的光程常数与能量之间的映射关系, 并利用深度神经网络拟合构建了配光平移变换群. 以均匀方斑为例, 利用程能映射之一的支撑椭流面法生成训练样本数据, 通过对深度神经网络进行多维度调参和训练, 实现配光平移群的学习. 光学仿真结果表明深度神经网络对配光平移群表达具有误差小和速度快的优点, 在一定程度上实现了非成像光学设计的智能化.
2022, 71 (13): 134202.
doi: 10.7498/aps.71.20212010
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传统金属网栅多为二维方格结构, 光学透射率损耗较大, 高级次衍射杂散光严重干扰探测系统成像质量. 本文设计了一种具有随机六元环表面结构的金属网络导电薄膜, 该结构相较于传统二维方格结构金属网栅具有更高的光学透射率; 由于在结构中引入了随机变量, 也可以实现高级次衍射杂散光的抑制. 随后在ZnS光学窗口上完成了线宽为4 μm、周期为100 μm的随机六元环结构金属网络导电膜的制备. 测试结果表明, 样品表面图案完整、金属线清晰可见、线宽均匀、无断线情况发生. ZnS光学窗口在长波红外波段透射率损失10.5%, 在可见光波段透射率仅损失6.8%, 同时可以显著均化高级次衍射杂散光分布. 电磁屏蔽数值仿真结果显示, 该网络导电膜在0.2—20 GHz电磁波谱段内平均电磁屏蔽效能为37.9 dB, 最低屏蔽效能29.6 dB, 比传统方格结构网栅高3.2 dB. 本文设计并制备的随机六元环结构金属网络导电膜具有优异的光学性能与电磁屏蔽效能, 对于提升图形化光学窗口的综合性能具有重大意义.
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2022, 71 (13): 134203.
doi: 10.7498/aps.70.20220238
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Buck-Sukumar (BS) 模型在一定的耦合强度处会出现能级塌缩现象. 通过引入一个非线性光子项, 定义了一个完备的 BS 模型, 消除了能级塌缩. 进一步通过计算二阶关联函数等物理量理解了非线性光子项与失谐量对该模型的影响. 结果表明, 在共振情况下, 非线性光子项破坏了BS模型的能谱简谐性, 可以在更大的耦合强度范围内产生单光子投影态, 形成光子阻塞; 而在非共振情况下, 非线性光子项使非简谐的能谱在整个耦合区间都有定义, 且正失谐促进光子阻塞, 负失谐抑制光子阻塞.
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2022, 71 (13): 134204.
doi: 10.7498/aps.71.20212422
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在传统的氧化物约束型的垂直腔面发射半导体激光器中, 横向光限制主要取决于氧化层的厚度及其相对于腔内光驻波分布的位置. 通过减少外延结构中氧化层与光场驻波分布之间的重叠, 可以降低芯层与包层之间的有效折射率差, 从而减少腔内可存在的横向模的数量, 并增加横模向氧化物孔径之外的扩展. 本文利用这一原理设计并制作了一个795 nm的大氧化孔径的垂直腔面发射激光器. 器件在80 ℃下可实现4.1 mW的高功率单基模工作, 最高边模抑制比为41.68 dB, 最高正交偏振抑制比为27.46 dB. 将VCSEL作为抽运源应用于核磁共振陀螺仪系统样机中, 实验结果表面新设计的VCSEL可以满足陀螺系统的初步应用需求.
2022, 71 (13): 134205.
doi: 10.7498/aps.71.20220250
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研究了非线性放大环形镜锁模掺铒光纤激光器中多孤子和类噪声脉冲同时产生的演化特性. 当激光器运行在类噪声脉冲状态时, 单个孤子簇里包含着多个不同间距的脉冲, 同时相邻脉冲之间的脉冲间距均保持在数百皮秒的范围内, 说明多孤子脉冲之间存在较弱的相互作用力. 并且, 单个孤子簇中的总脉冲数随着抽运功率的增大而增加. 在最大的抽运功率时,单个孤子簇包络内部有8个脉冲. 此外, 利用时间拉伸色散傅里叶变换技术研究了这种类噪声多孤子脉冲的实时动力学演化特性, 研究表明类噪声脉冲状态下的多孤子脉冲中每个脉冲实际上都是由随机强度的噪声混沌波组成的. 这些研究结果将有助于深入理解类噪声脉冲的物理机制, 也将为探索其他复杂孤子动力学过程奠定基础.
2022, 71 (13): 134206.
doi: 10.7498/aps.71.20220016
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中红外波段3—5 μm激光光源在医疗、基础科学、通信、工业等众多领域都有着重要的应用需求, 而受制于中红外波段的增益介质, 传统的激光产生及放大的方法如再生放大、多程放大、行波放大等已经不适用. 为了产生宽带且高能量的中红外激光, 本文结合准相位匹配技术和啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)晶体进行了理论分析. 通过计算分析铌酸锂晶体的色散关系曲线, 对CPPLN晶体的结构参数进行设计和调节. 结合非线性耦合波方程组与四阶龙格库塔法对该晶体在800 nm激光的抽运下, 与0.95—1.6 μm范围内的信号光进行准相位匹配差频转换进行了数值模拟. 研究表明, 在单块CPPLN晶体中, 结合准相位匹配技术, 能够高效产生覆盖1.6—5 μm的中红外激光. 对CPPLN晶体产生中红外激光的理论分析和数值模拟, 能够为进一步的实验探究等提供方案参考和理论支持.
2022, 71 (13): 134207.
doi: 10.7498/aps.70.20212194
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空芯反谐振光纤由于其优异的光学特性, 如低非线性、超低群速度色散、低温度敏感性和高损伤阈值等, 使其在大功率激光传输、量子通信、传感、航空航天等多个领域有着潜在的应用, 成为未来最具发展潜力的特种光纤. 由于空芯反谐振光纤能够将99.9%以上光场限制在光纤的空芯区域中, 这也使其成为光纤滤波器、模式转换等领域的重要光子器件. 本文针对980 nm单模激光器的迫切需求, 研制了一种应用于980 nm多模激光转980 nm单模激光的空芯反谐振光纤, 并对其应用进行了实验验证.
2022, 71 (13): 134301.
doi: 10.7498/aps.71.20212355
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大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化, 从而对其中的声波传播产生重要的影响. 首次在东印度洋海域进行的声学调查实验, 发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响, 利用穿越热带偶极子的声传播实验数据, 分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响, 并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释. 结果表明: 东印度洋深海非完全声道环境下, 受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响, 第2会聚区没有形成, 声源深度变深时, 更容易形成深海会聚区; 印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响, 使得第3会聚区提前形成, 会聚区位置向声源方向偏移2—3 km. 研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.
2022, 71 (13): 134302.
doi: 10.7498/aps.71.20211987
摘要 +
针对浅海负跃层波导中的声源深度判别问题, 通过研究不同深度声源信号到达接收阵的简正波结构特征, 提出了一种利用互相关输出峰值迁移曲线的声源深度判别方法. 该方法利用浅海负跃层中主导简正波类型由声源深度决定这一先验信息, 根据峰值迁移曲线中互相关时延在0时刻的位置进行声源深度判别. 首先, 利用垂直线列阵波束输出与单阵元接收信号做互相关处理, 得到互相关时延—俯仰角输出二维图. 然后, 在图中提取不同时延上角度维峰值, 根据时延小于等于0、大于0的情况对所提取的峰值点进行分段线性拟合, 得到互相关输出峰值迁移曲线. 最后, 以曲线位于互相关时延为0时的位置进行声源深度判断. 理论分析表明, 曲线受波导中声速随深度变化的影响较小, 互相关时延0时刻位置的判别阈值由低阶简正波决定, 区分声源深度的区间由跃层的位置和厚度决定, 且跃层上下声速差越大越有利于声源深度判别. 仿真实验和海试数据分析结果表明, 该方法可有效进行声源深度判别, 并且无需模态分离、声源相对接收阵移动、精确声速剖面测量等前提条件.
2022, 71 (13): 134701.
doi: 10.7498/aps.71.20212327
摘要 +
本文研究高zeta势下具有Navier滑移边界条件的幂律流体, 在变截面微管道中的垂向磁场作用下的旋转电渗流动. 在不使用Debye–Hückel线性近似条件时, 利用有限差分法数值计算外加磁场的旋转电渗流的电势分布和速度分布. 当行为指数$n = 1$ 时得到的流体为牛顿流体, 将本文的分析结果与Debye–Hückel 线性近似所得解析近似解作比较, 证明本文数值方法的可行性. 除此之外, 还详细讨论行为指数n、哈特曼数Ha、旋转角速度$\varOmega$ 、电动宽度K及滑移参数$\beta $ 对速度分布的影响, 得到当哈特曼数Ha >1时, 速度随着哈特曼数 Ha 的增加而减小; 但当哈特曼数Ha <1时, x方向速度 u 的大小随着 Ha 的增加而增加.
2022, 71 (13): 134702.
doi: 10.7498/aps.71.20212203
摘要 +
铝基复合材料由于其质轻高强的特点, 是机械工业和航空航天工程中最重要的材料之一. 而石墨烯因其优异力学性能和高比表面积等特点，被作为金属基复合材料的理想增强相. 然而，目前石墨烯在铝基复合材料中对裂纹扩展影响的机制尚不清晰, 制约了其在铝基复合材料的设计和应用. 本文采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯的尺寸和分布对铝基复合材料中裂纹扩展的影响. 研究结果表明, 当石墨烯尺寸 l ≤ 3.35 nm时, 在拉伸过程中产生的亚裂纹促进了裂纹扩展。值得注意的是，这种促进作用随着石墨烯与裂纹的距离增大而减弱. 当石墨烯尺寸 l > 3.35 nm时, 石墨烯阻碍了裂纹的扩展和亚裂纹位错的滑移. 此外, 石墨烯的分布和角度可以有效地改变裂纹扩展路径. 本研究的结果有助于理解石墨烯在其铝基复合材料中的破坏失效的作用, 为设计高性能石墨烯/铝基复合材料提供一定参考依据.
2022, 71 (13): 134703.
doi: 10.7498/aps.70.20220346
摘要 +
流动隐身衣因为可以显著降低指定目标的表面阻力而备受关注. 然而大多数传统流动隐身衣的设计参数为非均匀各向异性, 非均匀这一限制增加了制备流动隐身衣的难度. 为突破这种限制, 本文采用等效介质理论与积分中值定理, 将流动隐身衣所需的设计参数均匀化. 通过数值模拟验证了简化后的均匀流动隐身衣具有与非均匀流动隐身衣一样的隐身效果, 并且同样适用于多种流场. 这种简化方法不仅可以将非均匀流动隐身衣简化为均匀流动隐身衣, 更重要的是可以适用于其他领域, 如光学、声学、电磁学与热学等不同领域的超材料均匀化设计, 为降低超材料制备难度提供了新方法. 此外, 基于均匀流动隐身衣对不同流场的适用性, 首次设计了一种流动伪装装置, 该装置可以将原始物体所产生的流场伪装成由任意物体引起的期望流场, 为实现流动伪装提供了解决方案. 最后, 定量对比分析了流动隐身衣的隐身与减阻性能随着雷诺数增加的变化, 结果表明在非蠕动流时流动隐身衣仍然具有良好的隐身性能与较高的减阻效率.
气体、等离子体和放电物理
2022, 71 (13): 135201.
doi: 10.7498/aps.71.20212212
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采用时域有限差分法, 数值研究了紧聚焦角向矢量光激发下硅环-开口金环纳米天线的远场散射特性. 结果表明: 紧聚焦的角向矢量光可在硅纳米环和开口金纳米环中分别激发出不同峰宽的磁偶极模式; 由于模式间的杂化效应, 两种磁偶极模式会耦合形成硅环-开口金环纳米结构的反键和成键模式; 在峰谷1064 nm波长处, 反键和成键模式间的相消干涉在面内形成了单向远场散射. 进一步, 详细研究了几何参数对单向散射的影响, 并且借助该纳米天线的单向散射特性, 实现了偶极光源的定向发射. 研究结果提供了一种纳米光子结构远场散射的灵活调控手段, 并有望为纳米光源、光学传感器等的设计和研发提供有益的参考.
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2022, 71 (13): 135202.
doi: 10.7498/aps.71.20220199
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美国国家点火装置(NIF)自2010年投入使用以来, 已经进行了约1030发次的惯性约束聚变研究实验. 在经历了最初7年多的艰难探索之后, 自2017年以来, 激光聚变反应输出能量接连突破55 kJ和170 kJ, 特别是在2021年8月的实验中, NIF研究团队获得了1.35MJ聚变输出能量的结果, 已经接近实现靶点火（target ignition）的门槛. NIF实验数据具有极高的分析价值, 近些年来NIF研究团队已经将这些数据用于进一步实验的优化设计、预测产额、矫正模拟等目的. 由于NIF实验数据库中大量数据未被公开, 我国科研工作者只能从少量已公开数据中了解其实验历程, 无法深入分析各阶段NIF实验及各时间节点NIF团队对下一阶段实验设计思路的来源. 本文根据NIF实验数据的特点, 采用预测平均匹配方法和信赖域方法对NIF实验缺失数据进行了数据还原研究, 并且对还原数据进行了可靠性验证. 利用还原数据, 本文分析了过去十年间不同阶段NIF实验的不同侧重点以及设计思路, 并且利用机器学习方法预测了未来NIF实验中的热斑压强. 这些结果为我国科研工作者持续跟进并深入理解最新NIF实验结果提供了一种可行的方法, 也可以对我国激光聚变点火实验的设计起到借鉴作用.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2022, 71 (13): 136101.
doi: 10.7498/aps.71.20220137
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本文基于注氢纯铁和铁基二元合金(Fe-3%Cr、Fe-1.4%Ni和Fe-1.4%Mn, 质量分数)开展常规透射电镜(200 kV)的原位表征观察, 揭示了材料中辐照位错环的形态、尺寸演化行为及退火温度影响, 并依据辐照损伤演化理论、退火过程中位错环平均尺寸变化推断得到空位型位错环形成温度的范围. 注氢纯铁中空位型位错环的形成温度(Tc)约为500 ℃; 添加Ni可使Tc降低至 ~450 ℃, 添加Cr可使Tc升高至600 ℃以上, 而Mn的作用与Cr相似, 亦可使Tc升高. 注氘实验和热脱附谱分析进一步表明, 纯铁和铁基二元合金中空位型位错环的形成温度受氢同位素与空位结合、释放过程影响. 合金元素Ni对氢同位素与空位的结合、释放有促进作用, 故导致Tc降低; 而Cr和Mn均对氢同位素与空位的结合、释放产生抑制作用, 故导致Tc升高. 本文展示的有关合金元素对空位型位错环形成温度影响的研究将有助于更深刻理解铁基合金体系中损伤结构演化和辐照肿胀产生机理.
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2022, 71 (13): 136102.
doi: 10.7498/aps.71.20212297
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利用飞秒脉冲激光对氮化镓(GaN)功率器件进行单粒子烧毁效应定量评估技术研究, 针对器件结构建立脉冲激光有效能量传输模型, 理论计算了激光有效能量与重离子线性能量传输(LET)的等效关系并开展了试验验证. 考虑器件材料反射率与吸收系数对激光的影响, 针对介质层界面间的激光多次反射进行参数修正, 减小有源区有效能量计算误差. 选择一款氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)与一款肖特基势垒二极管(SBD)功率器件作为典型案例, 分别开展飞秒脉冲激光正面与背部辐照试验, 计算诱发单粒子烧毁的有效能量, 并得到不同入射激光波长的烧毁等效LET阈值, 对比了模型理论计算值与实际测量值. 同时, 研究结果对材料参数未知的GaN功率器件, 提供了正面与背部辐照模型的激光试验波长选择参考. 该工作将为激光定量评估空间用GaN等宽禁带半导体器件的单粒子烧毁效应机理研究及加固设计与验证提供技术支撑.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2022, 71 (13): 137101.
doi: 10.7498/aps.71.20220060
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晶体铋沿(111)面方向的双原子层及薄膜具有新奇的拓扑性质. 在实验生长或者实际应用中, 其必然与衬底接触. 本文采用紧束缚近似方法与第一性原理计算研究了Bi双原子层及其与Bi2Te3和Al2O3衬底形成的异质结的电子结构. 计算结果表明, Bi双层是具有0.2 eV的半导体. 当其与具有拓扑表面态的Bi2Te3形成异质结时, 两者电子态之间有很强的杂化,不利于Bi(111)双层拓扑电子态的观测. 将其放在绝缘体Al2O3(0001)时, 导带与价带与衬底电子态杂化较小, 并且展现出巨大的Rashba自旋劈裂. 这是由于衬底诱导Bi(111)双原子层中心反演对称性破缺和自旋-轨道耦合共同作用的结果. 进一步采用紧束缚近似计算得到的结果发现, 衬底Al2O3(0001)对Bi(111)双层的作用等效于一个约为0.5—0.6 V/Å(1 Å = 0.1 nm)的外电场. 此外, Bi(111)双原子层与衬底Bi2Te3电子态之间的强杂化会导致其发生拓扑相变, 即由二维拓扑绝缘体转变为平庸的绝缘体. 本文为人们在Bi(111)双层的生长和将其进行实际应用时如何选择合适的衬底并进行电子性质的调控提供了指导作用.
2022, 71 (13): 137102.
doi: 10.7498/aps.71.20212350
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砷化镍型MnTe化合物是一类重要的环境友好p型中温热电材料. 低空穴浓度是制约MnTe热电材料性能优化的关键因素, 目前对于MnTe热电材料的性能优化缺乏系统的实验研究. 本文采用分子束外延技术制备MnTe薄膜, 并用扫描隧道显微镜表征其本征点缺陷, 最终通过本征点缺陷的调控实现了MnTe的电输运性能大幅优化. 结果表明, Mn空位(VMn)和Te空位(VTe)是MnTe薄膜的主要本征点缺陷结构. 随着薄膜生长温度(Tsub)的提高或Mn∶Te束流比的降低, MnTe薄膜的空穴浓度得到了大幅提升, 最高空穴浓度可达21.5 ×1019 cm–3, 比本征MnTe块体获得的数值高一个数量级. 这归因于MnTe薄膜中p型VMn浓度的显著增加, 并引起电导率和功率因子的显著提升. 最后, 在Tsub = 280 ℃以及Mn∶Te = 1∶12条件下生长的MnTe薄膜获得了所有样品中最高的热电功率因子, 在483 K达到1.3 μW·cm–1·K–2. 本研究阐明了MnTe中存在的本征点缺陷结构特征及其调控电输运的规律, 为进一步优化MnTe材料的空穴浓度和电输运性能提供了借鉴.
2022, 71 (13): 137201.
doi: 10.7498/aps.71.20220074
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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池器件因其高效率受到广泛关注, 而界面问题是制备高效钙钛矿太阳能电池的关键问题之一. 本文研究了一种高效的乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)/SnO2双层复合结构, 将超薄的EDTA层与ITO(锡-铟氧化物)电极接触, SnO2层与钙钛矿界面接触, 作为电子传输层(ETL)用于制备钙钛矿太阳能电池. 有趣的是, 复合ETL的顶部SnO2侧的表面形态可以通过调整下面的EDTA层来进行微调. 通过调整EDTA膜厚, 可以调控钙钛矿层结晶过程中的成核过程, 调节了电子传输层与钙钛矿层之间的载流子提取过程. 本文中制备的钙钛矿太阳能电池的回滞效应可以忽略, 并且经过第三方认证, 已经实现了20.2%的能量转换效率.
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2022, 71 (13): 137301.
doi: 10.7498/aps.71.20212424
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本文对有限Su-Schriefer-Heeger(SSH)晶格的能量本征态和电导问题进行求解, 着重研究了引线-样品的耦合强度对其体态和边缘态电导峰的不同影响. 只有在弱耦合极限下, 电导峰才显示全部体态和边缘态的能量本征值; 随着耦合强度的增大, 全部电导峰都逐渐偏离能量本征值并变宽变低, 其中边缘态的电导峰还会逐渐消失; 耦合强度继续增大, 剩存的电导峰又逐渐变高变窄, 并在强耦合极限下与不包含两端原子的新孤立系统的能量本征值一一对应. 体态和边缘态对引线-样品耦合强度变化的不同响应可作为区分边缘态与体态的有效途径, 亦可作为系统中存在边缘态的重要判据.
2022, 71 (13): 137302.
doi: 10.7498/aps.71.20220095
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本文对非钳位感性开关(unclamped inductive switching, UIS)下4H-SiC双沟槽功率MOSFET失效机理进行实验和理论研究. 结果表明, 不同于平面功率MOSFET器件失效机理, 在单脉冲UIS测试下双沟槽功率MOSFET器件的栅极沟槽底角处的氧化层会发生损坏, 导致了器件失效. 测量失效器件的栅泄漏电流和电阻, 发现栅泄漏电流急剧增大, 电阻仅为25 Ω; 失效器件的阈值电压稳定不变. 使用TCAD软件对雪崩状态下的器件电场分布进行仿真计算发现, 最大电场位于栅极沟槽底拐角处, 器件内部最大结温未超过电极金属熔点, 同时也达到了理论与仿真的吻合.
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2022, 71 (13): 137401.
doi: 10.7498/aps.71.20211995
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超导体在旋转过程中会在其内部产生磁场, 称为London磁场. 目前, 包括London理论和G-L理论在内的多种理论都对London磁场的产生机理进行了解释. 从本质上, 这些理论解释大多认为旋转超导体最外层超导电子运动滞后并由此出现净余电流, 而London磁场则是由旋转超导体表面的净余电流产生的. 然而, 关于旋转超导体最外层超导电子运动滞后的原因, 目前仍没有明确的理论解释. 本文通过对旋转系中带电粒子, 以及旋转超导体中超导电子的贝里相位进行了理论分析, 结果表明旋转状态下超导电子的贝里曲率与London磁场具有相同的表达形式, 表明London磁场可视为A-B效应的逆效应, 也即基于贝里相位的一种宏观量子效应.
2022, 71 (13): 137801.
doi: 10.7498/aps.71.20220014
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2022, 71 (13): 137802.
doi: 10.7498/aps.71.20220061
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高纯气体在半导体器件制作及燃料电池等行业应用广泛, 但其杂质气体直接对加工精度及效果产生显著影响, 因此对关键痕量杂质气体进行浓度诊断尤为必要. 本文基于化学发光光谱理论和氮氧化物催化转化机理, 设计了一套痕量NO/NOx同步高精度测量系统, 通过标定实验可知, 该测量系统具有高线性度(R2 = 0.99967)、高灵敏度、低检测下限(约25 ppt, 1 ppt = 10–12)、易操作性等优势; 同时, 综合考虑不同背景气体对荧光、磷光的淬灭效应, 建立不同高纯气体中NOx测量方法, 并利用该探测系统对实验室常用4种高纯气体(Ar, O2, CO2, N2)中ppb量级的氮氧化物进行测量, 结果表示CO2中的NO含量最高, 约为9 ppb (1 ppb = 10–9), 其他高纯气体中的NO含量较低, 仅有0—4 ppb, 4种高纯气体的NO2含量均较低(<6 ppb); 最后结合气体制备及提纯方式对高纯气体中杂质NOx含量进行评价及分析, 旨在为燃料电池、半导体器件制备等尖端科技领域提供可靠的杂质气体成分诊断方法和数据基础.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (13): 138101.
doi: 10.7498/aps.71.20212163
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提出并研究了一种由三组明模组成的类电磁诱导透明太赫兹超材料结构. 两组具有相似共振频率的明模为两个弱杂化态, 能量在两个共振点之间来回振荡, 产生相消干涉, 在两个共振点之间产生透射窗口. 该超材料的三组明模两两耦合干涉产生双频段的类电磁诱导透明效应. 根据仿真曲线和电场分布, 分析了超材料的类电磁诱导透明形成机理. 此外, 通过仿真和计算研究了超材料的传感特性, 在待测物的最佳厚度下, 两个类电磁诱导透明窗口的折射率灵敏度可高达451.92和545.31 GHz/RIU. 通过对6种石油产品的传感仿真, 验证了双频段超材料比单频段超材料在介电常数匹配方面更具有优势. 还研究了所设计的超材料在慢光效应下的特性. 这两个窗口的最大群时延分别可达9.98和6.23 ps, 此超材料在高灵敏度传感器和慢光器件领域具有重要的应用价值.
2022, 71 (13): 138201.
doi: 10.7498/aps.71.20212283
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时间维度选择性反渗透原理虽然克服了反渗透膜微孔尺寸的限制, 一定程度上突破了渗透性和选择性之间的平衡, 但多层反渗透膜时间维度的滤盐机理尚未明晰. 本文采用分子动力学方法, 揭示了多孔石墨烯反渗透膜的厚度和剪切速度对盐水反渗透特性的影响规律. 结果表明, 随着多孔石墨烯反渗透膜旋转速度的增加, 离子截留率增加而水通量先增加后降低; 反渗透膜厚度的增加会提高离子截留率, 但阻碍了水通量的上升. 本文创新性地对三层石墨烯反渗透膜上的纳米孔结构进行了设计研究, 发现梯度孔结构在保证高选择性的同时提高了渗透性; 供给端最内层纳米孔径的变化对水通量的影响最为显著, 水通量随该孔径的增加而快速上升. 研究结果进一步阐明并验证了时间维度反渗透滤盐机理, 利用梯度孔的设计提升了相同膜厚度情况下的水通量, 为大尺度滤盐设备的设计研发提供了理论基础.
2022, 71 (13): 138501.
doi: 10.7498/aps.71.20220241
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pH敏感的有机电化学晶体管有望广泛用于可穿戴电子设备进行生理指标原位监测. 然而, pH敏感的有机电化学晶体管电流-电压(I-V)特性关系尚不明确, 这严重制约其设计、优化与应用等方面的发展. 本文联合电化学平衡方程与栅极/电解液、半导体沟道/电解液界面微分电容串联物理模型构建了pH敏感的有机电化学晶体管I-V特性方程. 进一步, 以聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐为半导体层材料, 以pH敏感聚合物(聚3,4-乙烯二氧噻吩/溴百里酚蓝)修饰晶体管栅极, 构建pH敏感的有机电化学晶体管. 测试晶体管输出、转移及pH响应特征, 验证I-V特性方程的有效性. 实验结果表明, 该有机电化学晶体管的pH检测灵敏度为0.22 mA·pH·unit–1, 并且晶体管pH响应具有栅极电压依赖特性. 引入栅极电压多项式进一步修正晶体管I-V特性方程. 理论模型对转移曲线实验结果的拟合优度达到0.998. 峰值跨导对应栅极电压位置、pH灵敏度响应栅极电压的实验及理论预测结果比较亦可表明修正理论模型的有效性. 研究结果可为基于pH敏感有机电化学晶体管的柔性生物传感器设计与制造提供理论支撑.
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2022, 71 (13): 138502.
doi: 10.7498/aps.71.20220154
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采用溶液法制备了铟锌锡氧化物(indium-zinc-tin-oxide, IZTO)有源层薄膜和铪铝氧化物(hafnium-aluminum oxide, HAO)绝缘层薄膜, 并成功应用于背沟道刻蚀结构(back-channel etched, BCE)IZTO薄膜晶体管(thin-film transistor, TFT)像素阵列. 利用N2O等离子体表面处理钝化IZTO缺陷态, 提升溶液法像素级IZTO TFT器件性能, 特别是光照负偏压稳定性. 结果表明, 经N2O等离子体处理后, 器件饱和迁移率提升了接近80%, 达到51.52 cm2·V–1·s–1. 特别是3600 s光照负偏压稳定性从–0.3 V提升到–0.1 V, 满足显示驱动的要求. 这进一步说明经N2O等离子体处理后能够得到良好的溶液法像素级IZTO TFT阵列.
