特邀综述
特邀综述
2022, 71 (16): 164205.
doi: 10.7498/aps.71.20220976
摘要 +
相干衍射成像是近20年才发展起来的一种高分辨率计算成像技术. 其原理是通过采集相干光照明时样品产生的衍射图样, 使用相位恢复算法计算实现样品结构的三维(3D)成像. 区别于传统成像技术, 该技术具有多个显著优势: 1) 成像分辨率接近于照明光源波长; 2) 成像系统简单, 无需使用成像镜头, 成像系统通常由相干光源、样品和CCD组成; 3) 无相差、色差, 极紫外光子利用率高: 使用计算成像, 避免了引入器件的折射、反射和吸收等效应造成的相差和色差以及光子利用效率下降. 自上世纪末, 基于大型相干极紫外和X射线光源的相干衍射成像技术发展迅速, 已达亚纳米级分辨率. 此后, 随着飞秒激光高次谐波技术的成熟, 相干极紫外和X射线光源的体积和成本大幅度降低, 相干衍射成像技术得到进一步发展和推广. 发展至今日, 基于高次谐波的相干衍射成像技术已经成为一种有巨大应用潜力的纳米成像技术, 为半导体材料和器件表面形貌、生物微结构及动态演化、半导体和量子器件的化学成分及浓度分布、物理或化学动态过程以及量子状态等领域的探测成像提供了一种有效的技术方案, 并开始在高分辨率半导体检测领域中获得实际应用. 相信不久的将来, 基于高次谐波相干衍射成像技术将成为纳米量级显微成像技术的杰出代表, 成为和现有的原子力、近场光学、X射线、电子以及隧道扫描等显微成像相媲美的主流技术. 本文回顾了相干衍射成像及其照明光源技术的发展历程, 介绍了相干衍射成像技术现状和发展趋势, 然后说明高次谐波光源和相干衍射成像技术原理, 最后重点介绍了几种可以利用高次谐波的高相干、短波长、短脉冲及梳状超宽谱特性的衍射成像技术: 探针强度约束、反射模式、频闪照相、多模态叠层、单次曝光叠层、时间分辨多路复用叠层、角度扫描相敏成像等技术.
专题: 量子计算新进展: 硬件、算法和软件
编辑推荐
2022, 71 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.71.20220219
摘要 +
非厄米的引入扩展了传统厄米量子系统中的概念并诱导出许多新奇的物理现象, 比如非厄米系统所独有的非厄米趋肤效应, 这使得对非厄米量子模型的模拟成为大家关注的热点. 相比于量子平台, 经典系统具有成本低廉、技术成熟、室温条件等优势, 而其中的经典电路系统则更加灵活, 原则上可以模拟任意维度、任意格点间跃迁、任意边界条件下的量子紧束缚模型, 已经成为模拟量子物态的有力平台. 本文利用经典电路通过SPICE成功模拟了一个重要的非厄米量子模型——非互易Aubry-André 模型——的稳态性质, 此模型同时具有非互易的格点跃迁和准周期的格点在位势. 以此为例, 详细介绍了如何建立经典电路的拉普拉辛形式与量子紧束缚模型哈密顿矩阵在不同边界条件下的映射, 尤其是如何利用电流型负阻抗变换器构建模型的非互易性. 然后, 根据电路的格林函数, 通过AC电流驱动并测量电压响应的方式, 用SPICE模拟了周期边界条件下的复能谱和相应的能谱缠绕数, 以及开边界条件下的趋肤与局域模式的竞争. 其中, 为了使电路的响应不发散, 本文还解析地给出辅助元件的设置原则. 结果显示, SPICE模拟与理论计算很好地符合, 为进一步的实验实现提供了详细的指导. 由于本文电路设计与测量方案的普适性, 原则上可以直接应用于其他非厄米量子模型的电路模拟.
编辑推荐
2022, 71 (16): 160302.
doi: 10.7498/aps.71.20220596
摘要 +
鉴于“摩尔定律”已经逼近极限, 众多替代传统计算的方法被提出, 其中量子计算是最受关注和研究最广泛的一种. 由于量子体系的不可封闭性, 外界大量不可控的因素会导致量子耗散和退相干, 为了尽可能避免量子叠加态的退相干, 制备具有鲁棒性的量子比特成为了关键环节之一. 马约拉纳零能模是拓扑和超导复合体系中涌现的准粒子, 具有非阿贝尔统计性质, 它的时空编织受到非局域的拓扑性质保护, 因此, 以马约拉纳零能模构造的拓扑量子比特对量子退相干具有天然的鲁棒性. 虽然经过全球范围内各个实验组艰苦卓绝的探求, 目前关于马约拉纳零能模的实验验证仍然扑朔迷离. 本文回顾了量子计算的发展历程和主要的技术手段, 重点介绍了拓扑超导态/体的理论、可观测的实验现象、以及最新的实验研究进展, 并对此做出了分析和评述. 最后对拓扑超导态/体在量子计算领域的应用前景进行了展望.
编辑推荐
2022, 71 (16): 160304.
doi: 10.7498/aps.71.20220433
摘要 +
簇态是量子计算和量子信息处理的重要资源, 因其具有独特的纠缠性质和丰富的结构而受到广泛的关注 . 本文从理论上提出一种基于级联四波混频过程产生四模纠缠态的方案, 利用部分转置正定判据和本征模分解研究其内部纠缠特性 . 此外, 通过调控平衡零拍探测的相对相位和后处理噪声信号, 将输出的纠缠态重构优化, 最终生成三种不同结构的四模簇态 . 该方法可以有效地减少在有限的压缩条件下产生簇态而引入的额外噪声 . 本文理论结果为基于原子系综四波混频过程产生可扩展的连续变量簇态提供可靠方案 .
编辑推荐
2022, 71 (16): 160305.
doi: 10.7498/aps.71.20220635
摘要 +
量子计算机在解决某些复杂问题方面具有经典计算机无法比拟的优势. 实现大规模量子计算需建立具有通用性、可扩展性和容错性的硬件平台. 连续变量光学系统具有独特的优势, 是实现大规模量子计算的一种可行途径, 近年来受到了广泛关注. 基于测量的连续变量量子计算通过对大规模高斯簇态(cluster态)的测量和测量结果的前馈来实现计算, 为实现量子计算提供了一条可行的途径. 量子纠错是量子计算和量子通信中保护量子信息的重要环节. 本文简要介绍了基于cluster态的单向量子计算、基于光学薛定谔猫态的量子计算和连续变量量子纠错的基本原理和研究进展, 并讨论了连续变量量子计算面临的问题和挑战.
专题: 二维材料的宏观制备
封面文章
2022, 71 (16): 166101.
doi: 10.7498/aps.71.20220388
摘要 +
半导体加工工艺微缩过程中, 硅基材料的短沟道效应带来的低能效促使研究人员寻找新型半导体替代材料. 二维半导体因其原子级别的厚度以及范德瓦耳斯表面而倍受关注, 二维硒氧化铋就是其中迁移率、稳定性以及成本各方面较为均衡的一种. 然而, 其制备受到基底很严格的限制, 导致器件加工难度较大. 本文利用化学气相沉积法直接在硅片基底上合成出规格为25 µm×51.0 nm(厚度)的二维硒氧化铋, 并通过拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱对其进行表征. 同时, 通过场效应晶体管输运的测试得出其迁移率为80.0 cm2/(V·s)以及光电探测得出其具有2.45×104 A/W的光响应度和6×104的光增益等比较出色的表现. 但由于厚度较大, 导致其场效应管开关比低(2500)以及不高的光电探测灵敏度(5×1010 Jones). 由此可知, 硅片基底虽然带来器件加工上的便利性, 但有待进一步优化生长, 并集成更多种材料的应用.
专题: 纳米工程和热物理
编辑推荐
2022, 71 (16): 166501.
doi: 10.7498/aps.71.20220306
摘要 +
随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长, 控制其温度已成为电子信息产业发展和应用的迫切需求. 研发高性能热界面材料是热管理关键问题之一. 由于高导热特性，石墨烯基复合热界面材料成为研究热点. 从原子尺度深入理解复合体系中声子输运机理, 有助于提升复合体系导热性能. 本文从石墨烯内热阻和和复合体系界面热阻两方面介绍和讨论石墨烯复合体系导热的研究进展、导热机制以及调控方式. 最后对该方向研究成果和发展趋势进行总结和展望.
编辑推荐
2022, 71 (16): 168401.
doi: 10.7498/aps.71.20220757
摘要 +
流行性病毒严重影响着人类健康和社会正常运行, 因此有效杀灭病毒变得尤为重要。 本文对热电空气消毒系统的传热性能进行研究, 该系统利用半导体热片具有冷热两端的特点, 可以实现对空气加热（可用于消毒）与冷却降温至舒适温度. 测量结果显示流入系统的空气首先被升至80 ℃进行消毒, 之后被冷却降温至35 ℃. 该系统总的能量利用率最高可达1.2. 此外, 结合测量结果和数值计算, 本文分析了热电片级数、输入功率、空气流量以及边界保温等参数对系统传热性能和能量利用率的影响. 该系统在公共卫生、医疗、和家庭等空气消毒领域具有应用潜力.实际消毒效果需要结合医学应用进一步研究.
总论
2022, 71 (16): 160303.
doi: 10.7498/aps.71.20220293
摘要 +
霍尔管是模拟量子霍尔效应的重要模型, 却至今没有在超导量子电路中实现过. 超导量子电路是宏观调控量子效应的优秀平台. 本文利用超导量子电路系统的高度可调性, 在超导量子电路系统中设计出了具有周期性边界条件的三条超导比特链. 之后利用交流微波对每个比特分别进行驱动, 构造出人造霍尔管. 人造霍尔管中的人造规范场可以通过选择合适的微波相位来进行独立调控. 发现了人造霍尔管中存在不同特征的手性流, 分别为Meissner流和不同面上的涡旋流. 为了判别这些流的存在, 定义了四个序参量, 并在参数空间中画出了不同流之间量子相变的完整相图. 最后, 提出了制备人造霍尔管基态以及探测基态手性流的可行性实验方案. 这一研究丰富了霍尔管的量子流, 并且在已有的实验系统中能够很快实现, 为探索新的量子相提供了新的途径.
编辑推荐
2022, 71 (16): 160306.
doi: 10.7498/aps.71.20220081
摘要 +
多模量子关联与纠缠在基础科学研究以及量子信息处理、量子通信等领域有着重要作用. 本文基于热铷原子系综中的四波混频过程, 通过构建具有空间结构的锥形泵浦光和锥形探针光, 在实验上产生具有量子关联的锥形探针光和锥形共轭光, 并测量到量子关联光束之间的强度差压缩约–2.6dB. 通过改变单光子失谐、双光子失谐、泵浦光功率和铷原子池温度等实验参数, 研究量子关联光束之间的强度差噪声随实验参数的变化关系. 除此之外, 通过“整体衰减法”和“局部切割法”对量子关联光束进行不同方式的处理, 不仅实验测量了量子关联随透射率的变化关系, 而且深入研究了量子关联的多模特性. 本文的实验结果在量子信息处理以及量子通信领域有着潜在的应用价值.
2022, 71 (16): 160501.
doi: 10.7498/aps.71.20220436
摘要 +
随着深度学习处理问题的日益复杂, 神经网络的层数、神经元个数、和神经元之间的连接逐渐增加, 参数规模急剧膨胀, 优化超参数来提高神经网络的预测性能成为一个重要的任务. 文献中寻找最优参数的方法如灵敏度剪枝、网格搜索等, 算法复杂而且计算量庞大. 本文提出一种超参数优化的“删除垃圾神经元策略”. 权重矩阵中权重均值小的神经元, 在预测中的贡献可以忽略, 称为垃圾神经元. 该策略就是通过删除这些垃圾神经元得到精简的网络结构, 来有效缩短计算时间, 同时提高预测准确率和模型泛化能力. 采用这一策略, 长短期记忆网络模型对几种典型混沌动力系统的预测性能得到显著改善.
2022, 71 (16): 160502.
doi: 10.7498/aps.71.20220593
摘要 +
利用忆阻器构建特殊混沌系统是非常有趣且充满意义的, 本文提出了一个存在无穷共存吸引子的四维忆阻混沌系统, 该系统的形式较为简单却能够表现出复杂的动力学行为. 本文利用数值仿真手段对系统进行深入研究, 基于分岔图展现了参数影响下系统动力学行为演化过程, 发现系统在不同的参数下, 能够产生丰富的混沌吸引子与周期吸引子, 在相平面图中观测到不同初始值下共存的无穷多形态各异的周期、混沌吸引子, 且系统的状态变量的震荡幅度与初始值密切相关. 最后, 在电路实验中观测到与数值仿真一致的结果, 说明了系统的存在性与可行性.
2022, 71 (16): 160701.
doi: 10.7498/aps.71.20220307
摘要 +
高能同步辐射光源施工现场, 采用激光跟踪仪对高能光源磁铁设备标定、预准直和隧道测量时, 激光跟踪仪受周边环境振动影响较大, 并严重危害其测量精度. 为了有效地控制环境振动的影响, 提出一种面向激光跟踪仪的宽频隔振器, 并安装在激光跟踪仪三角支架的支腿位置, 在保证隔振性能的同时兼具较好的承载能力. 针对上述系统, 建立等效单自由度非线性动力学微分方程, 采用复变量-平均法获得宽频隔振器的稳态响应解, 并应用数值有限元方法验证理论模型及计算结果的正确性. 在此基础上, 采用谐波平衡法分析非线性系统的稳定性, 并考虑关键设计参数K3对其隔振性能的影响. 结合实际工作环境, 选择部分典型工况(包括: 长时间静压, 垂向冲击激励和横向位移激励)进行实测, 评估宽频隔振器的静态稳定性和振动控制效果. 结果表明, 长时间静压后, 激光跟踪仪最大沉降位移约2×10–5 m; 不同动态载荷作用下, 宽频隔振器对激光跟踪仪振动响应幅值的衰减率最高可达97%, 且有效隔振频带较宽; 满足所有技术指标要求.
原子和分子物理学
2022, 71 (16): 163301.
doi: 10.7498/aps.71.20220474
摘要 +
为得到GdTaO4:RE/Yb(RE = Tm, Er)系列最大特征发光强度的上转换荧光粉, 通过试验优化设计建立了980 nm激光激发下荧光粉发光强度与其稀土掺杂浓度的回归方程, 其中Tm3+/Yb3+样品结合均匀设计和二次通用旋转组合设计, Er3+/Yb3+样品则利用均匀设计和三次正交多项式回归设计分步寻优. 检验并求解回归方程, 分析浓度与发光强度关系, 结果表明RE3+(RE = Tm, Er)和Yb3+浓度变化均对发光强度影响显著, 且在试验空间中存在光强极值点. 同条件下再次通过高温固相法制备最优发光样品. 分析最优样品X射线衍射(XRD)图谱, 结果表明样品均为纯相, Li+助熔剂掺杂会抑制反应杂相的产生, 稀土的掺入使衍射峰向高角度偏移, 且不改变峰形. 分析激发功率与发光强度的关系, 结果表明Tm3+/Yb3+共掺的蓝光发射为三光子过程, Er3+/Yb3+共掺的绿光发射为双光子过程. 分析样品温度与发光强度的关系, 各样品发光强度随温度升高而降低, 表明各样品发生温度猝灭, 由此计算了样品的激活能.
编辑推荐
2022, 71 (16): 163701.
doi: 10.7498/aps.71.20220304
摘要 +
分子激光冷却与磁光囚禁在超越标准模型的新物理与新机制探索、超冷化学与冷分子碰撞等诸多领域中有着广泛的应用前景. CaH分子的某些态之间具有高度对角化的弗兰克-康登因子, 因此早在2004年就被提出作为激光冷却与磁光囚禁的候选分子之一. 利用速率方程并考虑双频效应的影响, 本文计算了$ {\mathrm{A}}^{2}{\mathrm{Π}}_{1/2}\leftarrow {\mathrm{X}}^{2}{\mathrm{Σ}}^{+} $ 与${\mathrm{B}}^{2}{\mathrm{Σ }}^{+}\leftarrow {\mathrm{X}}^{2}{\mathrm{Σ }}^{+}$ 跃迁中CaH分子磁光阱内阻尼力和囚禁力的大小, 分析了四频率组分和多频率组分激光设置下CaH分子磁光囚禁时的冷却和囚禁效果. 结果发现, $ {\mathrm{A}}^{2}{\mathrm{Π}}_{1/2}\leftarrow {\mathrm{X}}^{2}{\mathrm{Σ}}^{+} $ 跃迁中, CaH分子在多频率组分激光设置下可获得更大的阻尼力和囚禁力, 从而有利于实现CaH分子磁光阱. 以上工作不仅证明了CaH分子磁光囚禁的可行性以及为实验探索提供了必要的理论支持, 同时也为超冷分子碰撞、极性冷分子BEC、基于极性冷分子的精密测量物理(如电子电偶极矩精密测量)等奠定了重要的研究基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (16): 164201.
doi: 10.7498/aps.71.20220131
摘要 +
太赫兹成像在生物医学领域的应用潜力非常大, 针对这个需求, 本文设计并搭建了一种利用光整流和波前倾斜技术产生强场太赫兹信号以及基于电光探测的实时太赫兹(terahertz, THz)近场光谱成像系统. 该系统可以进行大视场THz成像和紧聚焦THz成像的切换使用, 为实现系统集成化应用提供了方法. 并且由于成像是基于传统的太赫兹时域光谱方法, 可以同时获得样品图像光谱幅度和相位信息, 光谱分辨率约15 GHz. 利用该系统测量研究了一系列微纳加工的样品, 对成像系统的性能进行了分析. 结果表明, 该实时太赫兹近场光谱成像系统在空间分辨率和成像速度上的优越性, 在1024 × 512的像素下, 实时成像帧率高达20 f/s (1200 张/min). 在大视场THz成像下, 空间最优分辨率在1.5 THz达λ/4; 在紧聚焦THz成像下, 空间最优分辨率在0.82 THz达λ/12, 这些性能使该系统在生物医学成像、生物效应等方面具有很好的应用场景.
2022, 71 (16): 164202.
doi: 10.7498/aps.71.20220434
摘要 +
为获得与单口径望远镜相当的空间分辨率, 使成像系统成像质量达到或接近衍射极限, 拼接主镜式望远镜的分块子镜应确保实现共相位拼接, 本文针对拼接主镜式望远镜高精度平移(piston)误差检测问题, 提出了一种基于卷积神经网络的高精度平移误差检测方法. 通过在成像系统的出瞳面上设置具有离散孔的光阑, 构建了对平移误差极为敏感的点扩散函数图像数据集, 根据此数据集的特点搭建了具有高性能的网络模型, 并测试得到网络的最佳检测范围. 仿真结果表明, 在略小于一个波长的捕获范围内, 单个网络能够准确地输出一个或多个分块子镜的平移误差; 应用于六子镜成像系统时, 平移误差检测精度达0.0013λ RMS (root mean square), 并且方法对残余倾斜(tip-tilt)误差、波前像差、CCD噪声、光源带宽具有良好的鲁棒性. 该方法简单快速, 可广泛应用于分块镜系统的平移误差检测.
编辑推荐
2022, 71 (16): 164203.
doi: 10.7498/aps.71.20220552
摘要 +
引力波探测是一项重大国际前沿科技研究, 对探索许多基础科学问题具有重大意义, 然而引力波探测装置的建设面临着极大的技术挑战. 山西大学提出利用废弃地下矿井, 建设臂长为10 km、灵敏度达10–24 Hz–1/2的地基引力波探测装置的建设计划. 理论上, 等臂迈克尔逊干涉仪的灵敏度不受光源噪声的限制. 但是实际的激光干涉仪受臂腔线宽差异、腔镜反射率差异、腔镜质量差异、腔内功率差异等因素限制, 灵敏度依赖于激光源的指标. 本文定量分析了激光源指标参数对干涉仪灵敏度的影响, 并从地基引力波探测装置的设计灵敏度出发, 对激光源的波长、振幅噪声、频率噪声、光束指向噪声和基模纯度提出具体要求. 该分析为建设我国的地基引力波探测装置(预期灵敏度达国际上第三代探测器水平)奠定了激光源噪声分析和干涉仪指标分解等方面的坚实基础.
2022, 71 (16): 164204.
doi: 10.7498/aps.71.20220504
摘要 +
由于HITRAN数据库中NH3在4296—4302 cm–1范围的谱线参数主要源于理论计算, 与实际情况存在差异. 为了修正数据库中该范围内NH3的谱线参数, 本文利用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和计量学理论, 测量2—10 Torr(1 Torr = 133.322 Pa)高纯NH3在4296—4302 cm–1范围内的吸收光谱, 综合考虑压强、温度、气池光程、波数、线型拟合等主要影响因素, 对NH3在该波段的主要吸收谱线的线强和自展宽系数进行了反演和不确定度计算. 测量得到的线强与同行最新测量结果偏差在20%以内, 自展宽系数与HITRAN2020数据库偏差在14%以内, 二者的不确定度范围分别为0.63%—2.7%和0.77%—5.4%, 均小于HITRAN数据库中的不确定度范围10%—20%, 测量的部分谱线光谱参数在HITRAN中没有记录, 本文获得的结果对于补充和修正HITRAN数据中4296—4302 cm–1范围NH3的谱线参数具有参考意义.
2022, 71 (16): 164206.
doi: 10.7498/aps.71.20220196
摘要 +
通过提拉法成功生长了GdScO3及Yb:GdScO3晶体, 分别对这两种晶体进行了空气气氛退火和氢气气氛退火, 并进行了X射线粉末衍射、激光拉曼光谱和透射光谱测试, 通过Rietveld精修给出了晶体的晶胞参数、原子坐标和温度因子等. 发现空气气氛退火使晶胞体积增大, 氢气气氛退火使晶胞体积减小, 说明氮气气氛中生长的晶体存在氧填隙缺陷, 空气气氛退火使晶体氧填隙缺陷增加, 氢气气氛退火减少了氧填隙缺陷. 退火气氛对GdScO3和Yb:GdScO3晶体的拉曼峰都不敏感, 掺Yb3+离子后使155 cm–1, 298 cm–1, 351 cm–1拉曼峰减弱或消失. 可见, 850 nm波段的GdScO3吸收损耗可能主要来自于氧填隙引起的缺陷能级吸收; Yb:GdScO3和GdScO3在1000—3000 nm波段的吸收损耗则由于空气或氢气气氛退火在导带或价带附近产生了陷阱能级所致. 这些结果为进一步优化和研究稀土掺杂GdScO3晶体的激光性能奠定了基础.
2022, 71 (16): 164301.
doi: 10.7498/aps.71.20212445
摘要 +
为解决非线性声表面波的求解难题, 本文从二阶非线性各向同性介质的超弹性本构方程出发, 采用位移势函数法, 建立二维表面波的非线性势函数控制方程; 通过微扰法推导非线性表面波的准线性解和绝对非线性系数, 讨论表面波二次谐波解的主要组成部分; 并建立模拟非线性表面波传播的有限元模型, 位移幅值的仿真结果与理论符合良好, 验证了本文非线性表面波理论的准确性. 根据微扰解的数值结果, 探讨了非线性表面波的传播以及非线性系数的特性, 结果表明: 表面波二次谐波由累积项及非累积项组成, 前者与表面波纵波分量自相互作用相关, 但当初始条件和传播距离相同时, 该部分谐波幅值比纯纵波的二次谐波幅值大; 此外, 纵波和表面波的非线性系数存在正比关系, 该比例关系由材料的二阶弹性系数确定. 本文探究的非线性表面波的传播特性及其绝对非线性系数的定义表达式, 对指导非线性表面波的实际应用具有一定意义.
2022, 71 (16): 164302.
doi: 10.7498/aps.71.20220484
摘要 +
本文基于声光效应和Gladstone–Dale关系, 推导了在平面声场扰动下, 各向同性均匀大气介质和非均匀大气介质的折射率随声压变化关系式, 建立了平面光波和拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光束通过经平面声波扰动的均匀大气和非均匀大气介质的传输模型. 结果表明, 经平面声场扰动后, 均匀大气介质折射率分布呈层均匀的周期性分布. 对于大气压强纵向变化的大尺度角度, 平面声场对非均匀大气折射率的分布情况影响不明显; 而对于小尺度角度, 非均匀大气折射率会随高度的增加逐渐减小, 并且随声压的影响而产生波动. 平面声波扰动均匀大气介质时, 会使平面光波的等相位面因声波的影响产生明显波动; LG光束相位会发生旋转, 且总会回到初始相位. 平面声波扰动非均匀大气介质时, 会使平面光波的相位变化会随着声波的变化规律产生周期性的变化, 光程整体为倾斜的平面, 但由于声波的扰动, 光程会产生波动; LG光束的相位仍会发生旋转, 但与均匀介质不同的是, 由于其折射率随高度的变化, 其相位不会回到初始相位.
2022, 71 (16): 164401.
doi: 10.7498/aps.71.20220031
摘要 +
针对固体氧化物燃料电池热循环失效问题, 建立了固体氧化物燃料电池热气体预热动态模型, 研究了电池内最大温度梯度分布规律和入口异常高温度梯度形成的原因, 结果表明: 在热气体参数和预热方式变化时, 电池内最大温度梯度始终处于电池入口边缘处的电极表面; 电池入口处存在异常高的温度梯度, 且在入口一小段区域内, 温度梯度沿流动方向迅速下降; 其原因是模型中入口采用均一的平均速度和温度, “入口效应”强化气体与电池换热; 采用入口段延长的方式可使入口速度充分发展, 降低电池内最大温度梯度, 但由于均一温度入口并未优化, 入口处仍然存在很大的温度梯度和温度梯度变化; 因此采用数值模拟研究电池预热升温安全性时, 仅采用最大温度梯度作为安全性判据会高估电池内热应力.
2022, 71 (16): 164701.
doi: 10.7498/aps.71.20220417
摘要 +
雷诺应力模型一直是湍流模式理论研究的前沿和难点, 而提高数值鲁棒性是其广泛开展工程应用的关键. 借鉴经典的$k$ -$kL$ 湍流模型, 本文构造了一种新的${\nu_{\rm{t}}}$ 尺度方程, 并将其用于耦合SSG/LRR模式从而形成SSG/LRR-${\nu_{\rm{t}}}$ 雷诺应力模型. 通过零压力梯度湍流平板边界层、翼型尾迹流、超声速方腔流和NACA0012翼型45°迎角分离流动4个标准算例对新模型进行了验证与确认. 同时, 为了测试模型的数值鲁棒性, 采用高精度数值格式对模型方程进行了离散求解, 并与SA涡粘模型和SSG/LRR-$\omega$ 雷诺应力模型进行对比. 结果表明: ${\nu_{\rm{t}}}$ 尺度方程在黏性壁面边界严格为零, 相比传统的$\omega$ 尺度, 具有更好的数值鲁棒性, 从而可实现新模型与高精度数值格式的匹配并获得更好的网格收敛效率; 新模型具备雷诺应力模型的传统优势, 可对拐角流动进行很好的模拟; 具备尺度自适应能力, 对于非定常分离流动的模拟存在一定的潜力.
2022, 71 (16): 164702.
doi: 10.7498/aps.71.20220051
摘要 +
磁场对圆管内磁气体动力学流动和传热特性的调控作用在诸多领域具有重要的应用价值, 但目前尚缺乏相关的基础性研究. 本文考虑圆管壁面的导电性以及入口处湍流不充分发展的影响, 构建了圆管内磁气体动力学流在横向磁场作用下的物理模型和数学模型, 基于计算流体力学理论完成了数值求解, 得到了哈特曼数Ha及壁面电导率比C等因素对圆管内流动和传热特性的影响规律, 进而通过分析感应电流、电磁力和焦耳热的空间分布, 阐明了磁场对流动和传热特性的调控机理. 研究结果表明, 横向磁场作用下圆管内的湍流流动呈现各向异性分布, Hartmann边界层附近的湍流动能明显低于Roberts边界层附近, 且流速和湍流动能的各向异性随Ha的增加及流动的延伸越来越显著; 绝缘管道内, Hartmann边界层附近的速度梯度增大, 但具有大C值的导电圆管内, Roberts边界层内的速度梯度反而大于Hartmann边界层附近; 横向磁场对圆管内的传热具有抑制作用, 对于不同的C值, 平均努塞尔数都随Ha的增加呈现先减小后增大的趋势, 即传热抑制存在“饱和效应”; 圆管内流动特性的转变源于磁场与流体耦合作用下电磁力的变化, 而传热特性的转变源于磁场对湍流的抑制以及焦耳热效应的耦合作用.
气体、等离子体和放电物理
2022, 71 (16): 165201.
doi: 10.7498/aps.71.20220421
摘要 +
在大气压等离子体射流应用中, 环境气体对射流流出物的影响不可忽视, 尤其是在某些对环境粒子高度敏感的特定场景中. 同轴双管式射流装置可用于抑制射流流出物与环境气体之间的相互扩散, 从而控制射流流出物的化学性质. 本文对同轴双管式氦气大气压等离子体射流在不同屏蔽气体流速下的放电特性和化学性质进行了数值仿真研究, 并通过实验光学图像对仿真模型加以验证. 结果表明, 相比于没有屏蔽气体的情况, 在高流速条件下放电得到增强, 而在低流速下放电较弱; 随着流速的增加, 空间中的粒子数均随之增加, 这可以归因于由屏蔽气体流速增加而产生的更宽的主放电通道. 此外, 不同浓度轮廓线上的离子径向通量受到流速的影响也存在很大差异. 本研究进一步揭示了不同的放电位置对氮氧粒子产生的影响, 加深了关于屏蔽气体流速影响等离子体射流放电行为的认识, 并可能为等离子体射流的进一步应用开辟新的机会.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
编辑推荐
2022, 71 (16): 166801.
doi: 10.7498/aps.71.20220359
摘要 +
钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能成为了目前研究热点, 但是目前广泛采用的钙钛矿多晶离子晶体薄膜多是基于溶液处理工艺制备的, 这不可避免地会在薄膜结晶过程中产生高密度缺陷, 其中包括点缺陷和扩展缺陷, 又可分为浅能级缺陷和深能级缺陷两类. 多种类型的缺陷是导致器件内部发生严重非辐射复合的主要原因, 进而限制太阳能电池器件光伏特性和稳定性的提升. 本文综述了钙钛矿晶体薄膜缺陷钝化策略的最新进展, 具体包括路易斯酸、路易斯碱、阴阳离子和宽带隙表面修饰策略, 并详细阐述了多种策略对钙钛矿表/界面缺陷的调控机理钝化效果. 同时探讨了晶体缺陷与器件稳定性的内在联系, 并对未来研究中缺陷钝化策略的可行性方案进行了展望.
2022, 71 (16): 166802.
doi: 10.7498/aps.71.20220439
摘要 +
金属纳米柱具有优异的光学性能, 其表面等离激元共振可通过纵横比灵活地调节, 且能将光场局域到亚波长甚至纳米尺度, 被广泛应用于自发辐射调控. 然而, 当纳米柱的端面形貌和材料不同时, 附近量子点的自发辐射特性如何变化尚不明确. 本文分别采用经典的德鲁德局域响应近似、非局域流体动力学模型和广义的非局域光响应模型, 基于有限元方法, 系统地研究金属纳米柱结构的端面形貌、尺寸以及材料对附近量子点自发辐射增强特性的影响. 结果表明, 当端面形貌由尖端逐渐变为圆柱时, 自发辐射增强谱发生明显红移, 峰值逐渐增大. 相比于金纳米结构, 当尖端材料由金改为银时, 自发辐射增强谱蓝移, 峰值略有降低, 而当柱身也改为银时, 即全银纳米结构, 自发辐射增强谱大幅蓝移, 峰值急剧增大. 对于两种金属构成的核壳结构, 壳层金属对内部金属表面等离激元共振具有屏蔽作用, 随着壳层厚度的增大, 核壳结构中表面等离激元共振逐渐接近壳层金属表面等离激元共振, 对金纳米结构包覆银, 共振峰蓝移, 而对银纳米结构包覆金, 共振峰红移.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
编辑推荐
2022, 71 (16): 167101.
doi: 10.7498/aps.71.20220549
摘要 +
热电器件微型化对组成热电元件的界面性能提出了更高要求, 获得低的界面接触电阻率和高的界面结合强度的异质结合界面, 是成功制备高性能、高可靠性Bi2Te3基微型热电器件的前提条件. 本研究采用酸洗方法对Bi0.4Sb1.6Te3材料进行表面修饰, 实现了Bi0.4Sb1.6Te3/Ni热电元件界面性能的协同优化. 酸洗过程有效调控了Bi0.4Sb1.6Te3材料的表面功函数, 显著降低了Ni层与Bi0.4Sb1.6Te3材料间的接触势垒, 从未酸洗处理的0.22 eV降至0.02 eV, 势垒的降低使界面接触电阻率从未酸洗处理的14.2 μΩ·cm2大幅降至0.22 μΩ·cm2. 此外, 酸洗过程还能有效调控基体表面粗糙度, 在基体表面形成2—5 μm的V型凹坑, 产生钉扎效应, 极大地增强了材料表面与Ni层的物理结合, 与约50 nm厚Ni/Bi0.4Sb1.6Te3界面扩散反应区形成的冶金结合共同作用, 使界面结合强度从未酸洗处理的7.14 MPa大幅增至22.34 MPa. 这种优异的界面性能在微型热电器件中得到了进一步证实, 采用该工艺处理后热电元件制备的4.7 × 4.9 mm2微型热电器件, 在热面温度300 K下的最大制冷温差达到56.5 K, 在10 K温差下最大输出功率达到882 μW. 该研究为实现界面性能的协同优化提供了一种新策略, 并为微型热电器件的性能优化开辟了新途径.
2022, 71 (16): 167301.
doi: 10.7498/aps.71.20220403
摘要 +
双沟道AlGaN/GaN HEMT器件在电子限域性、电流运输等方面优于单沟道结构, 且能更好地缓解电流崩塌, 提高设备的运行能力, 在高功率应用中具有重要意义. 本文对n-Al0.3Ga0.7N/GaN/i-AlxGa1–xN/GaN结构中的电荷状态以及运输性质进行研究. 通过求解一维薛定谔方程和泊松方程, 获得其电势、电场和电子分布, 分析了双沟道中二维电子气状态与合金无序散射、位错散射的关系. 结果表明, 在第一沟道中, 当AlxGa1–xN的Al组分和厚度提升时, 二维电子气密度逐渐减小, 合金无序散射的减弱使迁移率增大, 位错散射增强致迁移率变小, 总迁移率主要由合金无序散射决定. 在第二沟道中, 当AlxGa1–xN的Al组分和厚度提升时, 二维电子气密度随之增大, 由于较低的势垒高度以及高渗透电子的作用, 第二沟道中的合金无序散射影响更大, 合金无序散射迁移率随AlxGa1–xN层的Al组分和厚度的增加而减少且变化趋势逐渐趋于平缓, 位错散射作用的减弱导致迁移率的提升. 总体上, 第一沟道势阱中受到的位错散射低于第二沟道势阱. 随着背势垒厚度的增加, 第二沟道中主导的散射机制逐渐从位错散射转为合金无序散射.
2022, 71 (16): 167302.
doi: 10.7498/aps.71.20220450
摘要 +
研究了半开放系统中粒子向开放空间的隧穿问题. 考虑由无限高的墙和多个$\delta$ 函数势垒组成的半Dirac梳模型, 首先求解该模型的精确解析解, 其能量本征函数可以用递推关系以封闭解析的形式给出. 对单个势垒、多个势垒、无序势垒等不同情况, 利用傅里叶积分计算了任意时刻单粒子波函数的明确表示, 导出了由初态保真度定义的粒子生存几率闭合形式的表达式, 重点研究了粒子生存几率对势垒高度、无序强度等系统参数的依赖, 以及利用相关参数对衰减规律的操控及抑制. 发现多个势垒将大幅度提高粒子的生存几率, 无序的加入会极大地抑制其随时间的振荡.
2022, 71 (16): 167501.
doi: 10.7498/aps.71.20220683
摘要 +
磁制冷技术的发展取决于磁热效应材料的研究进展. 其中, 具有各向异性磁热效应的材料可以用于旋转磁制冷技术, 有利于制冷装置的大幅度简化. 本文研究了快淬带HoCoSi化合物的磁性、磁热效应及磁各向异性. 在Tt = 5.7 K以下的低温, HoCoSi快淬带铁磁和螺旋磁性共存, 随着温度的升高, 在TC =13.7 K处发生了铁磁(FM)到顺磁(PM)的二级相变. XRD和SEM都显示出HoCoSi具有择优取向. 为了获得大的磁热效应并确定择优取向对磁性和磁热效应的影响, 对10 m/s下HoCoSi快淬带在磁场平行和垂直织构方向时居里温度附近的等温磁化曲线进行分析, 并计算了对应的磁熵变和磁制冷能力. 在外磁场μ0H = 0—5 T的磁场变化时, 磁场平行和垂直织构方向的最大磁熵变值–ΔSM分别为22 J/(kg·K)和12 J/(kg·K); 制冷能力RC (RCP) 分别为360 (393.8) J/kg和160 (254.4) J/kg, 表明10 m/s的HoCoSi快淬带具有大的磁热效应和明显的磁各向异性, 有望实现旋转样品磁制冷技术.
2022, 71 (16): 167502.
doi: 10.7498/aps.71.20220406
摘要 +
通过在(Pr, Nd, Dy)32.2Co13Cu0.4FebalB0.98M1.05(M = Al, Ga, Zr)磁体中添加低熔点合金Pr80Cu20, 提高磁体中的Cu含量, 从而调控Co在富稀土相中的分布. 相较于原磁体, 掺PrCu磁体的剩磁保持不变, 矫顽力提升约1.3 kOe, 居里温度、剩磁温度系数和不可逆磁损均有所改善. 通过微观组织观察发现, 原磁体二级回火态晶界处同时存在贫Co相与富Co相, 但掺PrCu磁体二级回火态中, Cu和Co在晶界相中的分布均匀性明显改善, 从而有效地消除了富Co相. 由于软磁性相R2(Fe, Co)17 (R = Pr, Nd, Dy) 容易与富Co相共生, 有害于永磁性能, 富Co相的消除可能是掺PrCu磁体二级回火态矫顽力提升的重要原因.
2022, 71 (16): 167701.
doi: 10.7498/aps.71.20220451
摘要 +
微位移驱动器在航天、半导体和工业等领域有着重要应用, 现在市场上大部分采用的是铅基压电陶瓷材料. 出于环境保护和法规限制的考虑, 亟需研发具有优良电致伸缩性能的无铅陶瓷材料. 作为一类ABO3型铁电体, (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 (BCTZ) 无铅陶瓷由于具备高压电系数而引发大量关注. 本文借助固相法, 制备了高电致伸缩系数的(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3陶瓷(BCTZ). 研究了烧结温度对BCTZ陶瓷结构和电学性能的影响. 研究结果表明: 在室温附近, BCTZ陶瓷晶相结构形成正交(O)-四方(T)两相共存. 烧结温度促进了BCTZ陶瓷致密性改善和晶粒长大. 当烧结温度为1300 ℃时, BCTZ陶瓷晶粒尺寸在1 μm左右,可获得大电致伸缩系数Q33 (5.84 × 10–2 m4/C2), 大约是传统PZT陶瓷的2倍. 这可能是陶瓷晶粒尺寸所产生的表面效应和A—O化学键所具有的强离子性共同作用的结果. 此外, 室温附近BCTZ陶瓷虽处于正交-四方两相相界, 但陶瓷电致伸缩系数Q33在测量温度为25—100 ℃范围间具有良好的温度稳定性.
2022, 71 (16): 167801.
doi: 10.7498/aps.71.20220501
摘要 +
应力发光材料具有应力-光转换特性, 能在机械应力下产生发光, 从而在光学信息显示方面具有很高的应用价值. 本文通过改变铁电基体KxNa1–xNbO3∶0.5%Pr3+ (KxNNOP)的K+/Na+比来调节材料的晶体结构和缺陷分布, 系统研究了K+含量对光致发光和应力发光性能的影响. 研究结果表明, K+含量的增加使晶体对称性提高, 导致KxNNOP样品的光致发光强度降低. 值得注意的是, 在450 nm的光激发下, 在K+含量较高的组分中出现了Pr3+电子3P1→3H5和3P0→3H5能级跃迁引起的发射峰, 这归因于Pr3+和Nb5+之间距离的变化导致Pr-O-Nb内价电子电荷转移态(IVCT)的能级位置不同. 在压缩应力下, KxNNOP (x = 0, 0.01, 0.02, 0.1) 组分展现出明亮的红色应力发光, 且应力发光强度随K+含量的增加而增大, 其中K0.1NNOP组分表现出最高的强度发射. 特别的是, 其应力发光行为具有可重复性和可恢复性的特征. 通过热释光曲线研究了KxNNOP样品中的陷阱能级, 揭示了K0.1NNOP中应力发光的增强可能与K+含量变化引起的陷阱密度和陷阱深度的差异有关. 基于这些结果, 建立了一个模型来阐述KxNNOP中可能的应力发光机理.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (16): 168101.
doi: 10.7498/aps.71.20220322
摘要 +
研究界面动力学对定向凝固中深胞晶形态稳定性的影响. 应用多重变量法和匹配渐近法, 通过寻找系统的模式解, 导出了胞晶界面扰动振幅的变化率满足的色散关系, 得到了界面形态的量子化条件. 结果表明, 考虑了界面动力学参数的深胞晶生长的定向凝固系统有两种整体不稳定性机制, 整体振荡不稳定机制和低频不稳定性. 稳定性分析表明, 界面稳定性参数$\varepsilon$ 与胞晶相对参数$ {\lambda }_{0} $ 有关, 低阶时界面动力学参数$ {M}_{\text{*}} $ 越大, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的稳定区域越大.
2022, 71 (16): 168701.
doi: 10.7498/aps.71.20220309
摘要 +
基于支撑磷脂双层膜(SLB)的生物传感器越来越多地被用于快速测定抗原、检测细胞色素等. 囊泡在衬底的吸附和自发破裂可形成SLB, 最近的研究强调在此过程中考察个体囊泡吸附和破裂的重要性. 本研究利用全内反射荧光显微镜(TIRFM) 实时监测荧光标记的纳米级个体囊泡的吸附、破裂, 追踪片层前沿成长动力学过程. 结合带耗散的石英晶体微天平(QCM-D)的表征和分析, 发现囊泡尺寸对片层前沿成长有显著影响. 通过片层前沿平均成长速度($ {v}_{\mathrm{a}\mathrm{f}\mathrm{v}} $ )定量分析片层成长, 不同尺寸囊泡的$ {v}_{\mathrm{a}\mathrm{f}\mathrm{v}}\mathrm{存}\mathrm{在} $ 数量级差异. 理论分析小囊泡具有较高的表面浓度(C)和扩散性, 加快了片层前沿成长, 与实验值能够较好地符合. 此外, 通过全局成长理论模型, 解释了对于相同的片层,前沿加速成长主要取决于C和囊泡破裂时的磷脂丢失率. 计算的小囊泡成片层的磷脂丢失率略大于大囊泡, 但更大差异的C是片层加速成长程度不同的关键. 囊泡供应影响片层前沿成长的机理诠释深化了磷脂在界面再组装的认识.
编辑推荐
2022, 71 (16): 168702.
doi: 10.7498/aps.71.20220103
摘要 +
针对太赫兹超导探测器的测试需求, 开发了可用于低温环境的太赫兹标准黑体辐射源. 采用太赫兹时域光谱系统, 提取了伯克利黑体材料的介电常数, 并测试了它的反射系数. 另外, 设计了圆锥形结构的黑体辐射源, 仿真结果表明它具有较低的反射率. 在此基础上, 制备了装载于稀释制冷机中的黑体辐射源, 通过控制温度实现对黑体源辐射功率的调谐. 这一黑体辐射源能够满足太赫兹超导探测器的定标需求, 并将有助于高灵敏太赫兹辐射计的开发和应用.
2022, 71 (16): 168703.
doi: 10.7498/aps.71.20220090
摘要 +
本文研究了Fe-C合金中碳元素陷阱对基体缺陷的影响，以及在辐照条件下Fe-C合金中基体缺陷的演化. 通过将陷阱复合体参数化后进行实例动态蒙特卡罗(OKMC)建模，从而建立微观计算模拟数据与宏观实验数据之间映射的桥梁. 模拟结果验证了碳(C)-空位(Vac)复合体在理想条件下的演化，在较低温度下，复合体主要为C-Vac2. 基于复合体陷阱的假设，对Fe-C系统中基体缺陷在辐照条件下的演化进行了模拟. 验证了碳空位复合体对基体缺陷有明显的捕获作用. 模拟Fe-C系统中基体缺陷在辐照条件下的演化能够得到与实验一致的结果，对比讨论了模拟中使用的有效近似参数对模拟结果的影响，为铁基合金辐照缺陷演化的研究提供了基础支撑.
2022, 71 (16): 168801.
doi: 10.7498/aps.71.20220345
摘要 +
能量采集支持的设备到设备多播通信(energy harvesting(EH)-supported D2D(device-to-device)multicast communications, EH-D2MD)传输过程中, 簇头将面临可用能量缺失和高能量消耗需求的矛盾问题. 无线能量协作技术是解决该矛盾问题的一种可行方案. 借助无线能量传输技术, D2D多播簇员传输部分可用能量给簇头, 共同承担内容卸载, 以提升多播簇的传输鲁棒性. 于是, 建立了EH-D2MD通信在复用蜂窝频谱资源前提下的能量协作传输机制; 该机制对频谱复用过程中的能量采集, 协作以及数据传输进行了合理规划, 并以多播簇传输速率最大化为优化目标, 联合优化多域资源(包括: 频谱资源分配、协作时间因子规划、功率控制). 为了探讨EH-D2MD通信场景的极限性能, 提出一种近似下界的凸联合求解方案. 经与暴力搜索算法对比, 提出方案可得到多播传输速率的近似最优下界解; 相比无能量协作机制而言, 建立的能量协作传输机制将多播簇传输速率提升45%以上, 增强了网络传输鲁棒性.
