总论
2022, 71 (19): 190201.
doi: 10.7498/aps.71.20220833
摘要 +
本文创建一种全新的数值计算方法—有限线法, 并将其用于求解流体-固体一体化耦合传热分析. 常用的有限元法是基于体单元的离散方法, 有限容积法是在控制体面上运算的方法, 边界元法是在边界面上离散的方法, 无网格法等是由计算点周围的散点构建计算格式的方法. 本文提出的有限线法是一种基于有限条线段离散的方法, 在每个点只需要两条或三条直线或曲线构成的线系, 则可建立任意高阶的算法格式. 创新性思想是: 通过采用沿线段求方向导数的技术, 由一维拉格朗日插值公式, 建立二维和三维问题的任意高阶线系的空间导数, 并以此直接由问题的控制偏微分方程与边界条件建立离散的系统方程组. 有限线法理论简单、通用性强, 能以统一的格式求解固体与流体力学等偏微分方程边值问题. 在流体方程中, 扩散项采用中心线系保证高精度计算, 而对流项则采用迎风线系体现其方向性特征. 本文将给出有限线法求解流固耦合传热问题的几个算例分析, 验证其正确性与有效性.
2022, 71 (19): 190301.
doi: 10.7498/aps.71.20220331
摘要 +
玻色采样机是最有可能真正意义上实现量子优势的专用量子计算机之一, 其在量子化学等领域也有着很好的应用前景. 然而, 光子损失相关的噪声会引起玻色采样样本的误差. 为了研究光子损失对玻色采样的影响, 基于等效分束器原理, 对玻色采样展开经典的模拟研究. 对于对应任意幺正矩阵的两种光学网络, 当在每一个光学单元中有一定概率发生光子损失时, 发现具有Clements结构光学网络的玻色采样相比于Reck结构的样本误差更小. 进一步地, 当光子损失的概率符合正态分布时, 发现若光子损失概率平均值不变, 标准差越大, 玻色采样的样本误差越大. 最后, 考虑输出光子数的实验结果表明, 随着光子损失概率的提高, 无光子损失的输出组合比例急剧下降, 说明光子损失会明显影响玻色采样的量子优势. 随机光子损失的玻色采样模拟研究有助于玻色采样实验的开展, 为含噪声量子计算研究提供思路.
2022, 71 (19): 190501.
doi: 10.7498/aps.71.20220909
摘要 +
研究了高斯色噪声和周期信号共同作用下非对称双稳耦合网络系统的协同效应. 此系统是由大量振荡器组成的网络模型, 个体与个体之间的相互运作、变化产生出复杂的非线性行为模式. 为了进行深入研究, 首先, 运用平均场理论、统一色噪声近似理论和等效非线性化等方法对原始$ N $ 维系统进行降维近似. 其次, 借助役使原理得到简化模型的郎之万方程, 进一步根据两态模型理论推导出信噪比的理论表达式, 基于此发现系统产生了尺度随机共振现象. 最后, 分析了高斯色噪声、系统参数和周期信号等对非对称耦合网络系统随机共振行为的影响. 结果表明, 高斯色噪声自关联时间和噪声强度的增大, 能够促进尺度随机共振现象; 选取合适的耦合系数能使系统随机共振效应达到最佳. 此外, 还比较了高斯色噪声和高斯白噪声分别驱动下系统的随机共振问题, 发现高斯色噪声更有利于增强随机共振现象.
编辑推荐
2022, 71 (19): 190502.
doi: 10.7498/aps.71.20220904
摘要 +
本文提出了一种具有三个电容耦合量子点的四端混合驱动制冷机模型, 该模型可以通过最高温的热库注入的热能和偏置电压输入的功率共同驱动来实现对低温库的制冷. 基于主方程理论, 分别导出了弱电容耦合和强电容耦合情况下三个量子点与四个库之间的电荷流和热流的表达式. 数值模拟了制冷率与制冷系数之间的热力学性能特征曲线, 在最大制冷率条件下对制冷机的主要性能参数进行了优化. 最后, 比较了该制冷机在强电容耦合和弱电容耦合情况下的性能.
核物理学
2022, 71 (19): 192101.
doi: 10.7498/aps.71.20220929
摘要 +
弱相互作用几率的计算对于原子核物理和核天体物理具有非常重要的作用. 本文选取在天体环境中非常重要的核素66Fe,考虑一级禁戒跃迁, 利用壳模型计算了66Fe在不同天体环境下的电子俘获几率, 着重考察了容许Gamow-Teller跃迁和禁戒跃迁的贡献. 结果发现, 在一些天体环境下, 禁戒跃迁对于电子俘获几率有重要贡献, 其中非唯一型禁戒跃迁起主要作用. 我们的结果对于研究原子核弱相互作用和天体环境下的核素合成和演化具有重要作用.
编辑推荐
2022, 71 (19): 192501.
doi: 10.7498/aps.71.20220776
摘要 +
铱元素是测量中子能谱的优质活化探测器. 本文围绕191Ir(n,2n)190Ir反应截面开展了实验研究, 在PD-300中子发生器DT中子源上采用活化法以93Nb(n,2n)92mNb反应截面为标准进行了14 MeV附近9个能点的191Ir(n,2n)190Ir反应截面测量, 活化产物采用高纯锗探测器进行了测量, 获得了13.40—14.86 MeV范围内191Ir (n,2n) 190Ir第2激发态截面σm2, 191Ir(n,2n)190Ir基态与第1激发态之和的反应截面σg+m1、总反应截面σg+m1+m2和截面比σm2/σg+m1等实验数据, 实验不确定度在3.4%—3.5%, 其中, 14 MeV对应σm2 = (136.05 ± 4.93) mb, σg+m1 = (1972.35 ± 67.06) mb, σg+m1+m2 = (2108.40 ± 71.99) mb, 截面比σm2/σg+m1 = 0.0690 ± 0.0024. 实验结果与文献数据及ENDF/B-VIII.0 和JEFF3.0/A数据库评价数据进行了比较, 结果表明: 第1激发态与基态截面之和σg+m1实验结果与文献数据取得了较好的一致性, ENDF/B-VIII.0数据库评价数据与本工作所得191Ir(n,2n)190Ir总反应截面σg+m1+m2实验数据较好地符合, 对文献数据分歧情况进行了分析和澄清; 本实验结果与文献数据相较有更高的测量精度, 本研究结果可为核数据评价相关工作提供重要参考.
2022, 71 (19): 192801.
doi: 10.7498/aps.71.20220530
摘要 +
TiB2材料由于高熔点和低原子序数成为新一代核反应堆等离子体壁材料的候选者之一. 然而, 单一TiB2材料难以制备和加工, 因此在TiB2中加入助烧剂来优化其性能具有重要的应用价值. 本论文利用放电等离子体烧结得到Ti质量分数分别为3%和6%的两种TiB2-SiC-Ti材料. 材料在室温条件下进行能量60 keV, 离子注量为2 × 1017 ions/cm2的He+辐照, 辐照前后材料都进行1500 ℃热处理. 利用能量色散光谱、拉曼光谱、掠角X射线衍射光谱、维氏硬度、划痕深度和宽度分布、扫描电子显微镜等手段表征材料在制备态、辐照后和退火下的微观结构及宏观性能. 结果显示, TiB2-SiC-Ti(Ti的质量分数为3%)材料本身致密性低、耐磨性差、硬度低且抗氧化性弱. 但与TiB2-SiC-Ti(Ti的质量分数为6%)材料相比, TiB2-SiC-Ti(Ti的质量分数为3%)材料更抗辐照; 论文对该实验结果进行讨论, 认为在3%—6%质量分数范围内, 增加Ti含量有助于提升TiB2-SiC-Ti材料致密性和力学性能.
原子和分子物理学
2022, 71 (19): 193101.
doi: 10.7498/aps.71.20220734
摘要 +
本文采用考虑了Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI)方法, 计算了$ {\text{N}}_{2}^{+} $ 体系的$ {{\text{X}}^{2}}{\Sigma}_{\text{g}}^{+} $ ,$ {{\rm{A}}^{2}}{\Pi }_{\rm{u}}$ 和$ {{\text{B}}^{2}}{\Sigma}_{\text{u}}^{+} $ 电子态的势能曲线、光谱常数和偶极跃迁矩阵元. 根据计算的分子结构数据, 给出了配分函数, 并模拟了压强在100 atm (1 atm=1×105 Pa)的条件下, 温度分别为295, 500, 1000, 2000, 2500, 5000和10000 K的不透明度. 结果表明, 由于激发态的布居数随着温度的升高逐渐增多, 不透明度分布的波长范围逐渐增大, 并且不同谱带的分界线也逐渐变得模糊. 本工作中计算的$ {\text{N}}_{2}^{+} $ 分子离子不透明度, 还在相同压强和温度条件下与其中性分子不透明度进行了对比,发现无论是波长分布范围还是峰值结构都存在显著差异. 本工作系统分析了温度效应对氮气分子离子不透明度的影响, 可以为天体物理领域提供理论和数据支持.
2022, 71 (19): 193201.
doi: 10.7498/aps.71.20221044
摘要 +
本文利用三维经典系综模型研究了反向旋转双色椭偏(two-color elliptically polarized, TCEP)场中Ar原子非次序双电离(nonsequential double ionization, NSDI)的电子关联特性和再碰撞动力学. 数值结果显示随激光强度的增大, 电子对在x方向的关联动量分布从位于第一象限的V形结构逐渐演变成主要分布于二、四象限的弧形结构, 最后过渡到主要位于第一象限的近原点分布. 其主要的关联行为从正相关演变成反相关再到正相关. 两脉冲组成的复合电场波形呈现出三叶草的形状, 即1个周期的电场由3个不同方向的“叶片”组成, 每个“叶片”称为一个波瓣, 根据时间演化的顺序分别将其称为波瓣1、波瓣2和波瓣3. 轨道分析发现, NSDI事件中单电离主要发生在波瓣1和波瓣3, 且随强度的增大波瓣1的贡献越来越大, 波瓣3的贡献越来越小. 相应地电子主要从20°和175°两个方向返回母离子, 且随强度的增大, 20°附近返回的电子逐渐增多, 175°附近返回的电子逐渐减少.
2022, 71 (19): 193301.
doi: 10.7498/aps.71.20220866
摘要 +
化石燃料燃烧过程中产生的碳烟颗粒物是大气细粒子(PM2.5)的主要来源, 这些大量产生的碳烟颗粒物也是影响燃烧效率的重要因素; 乙炔(C2H2)作为碳烟生成的重要前驱体, 在碳烟生成过程中起到关键作用; 因此, 发展能够同时对碳烟颗粒物及C2H2浓度进行在线测量的方法, 对于碳烟生成机理的研究具有重要意义. 本文选择中心波长1540 nm的可调谐二极管激光器作为光源, 利用多通吸收方式搭建探测系统, 在自行设计的气固两相高温静态池中使用C2H2-N2混合气体载带石英砂颗粒模拟颗粒物环境, 通过获取6490.02 cm–1处C2H2目标谱线附近的一段消光光谱信号, 并从中分别提取出与颗粒物有关的消光信号和与C2H2有关的吸收信号, 从而实现了对颗粒物质量浓度和气体体积浓度的同时测量. 测量结果表明, 在500—1000 K温度范围内颗粒物质量浓度和气体体积浓度的测量值与参考值之间的平均偏差分别为2.73%和5.17%, 说明了本技术对于气体与颗粒物同时测量的良好性能.
2022, 71 (19): 193302.
doi: 10.7498/aps.71.20220430
摘要 +
基于倒Y型四能级系统, 理论研究了探测光吸收谱线的线宽窄化极限. 发现得益于中间激发态与另一超精细基态之间施加的第三束控制光, 线宽窄化极限的限制条件转变为两个基态能级之间的相干衰减率, 而非基态与高激发态之间. 与传统的梯型结构相比, 吸收光谱线宽的窄化极限能够提高2个数量级. 研究表明, 通过适当调节这束控制光的拉比频率和失谐量, 可以获得兼具超窄线宽和高对比度的吸收光谱信号. 数值计算结果与理论分析完全相符. 此外, 还讨论了吸收谱线对光场的响应规律和多普勒效应的影响. 对原子热运动的研究发现, 倒Y模型由于缺少三光子作用的过程而无法完全消除多普勒增宽的影响. 借助传播光场的优化设计可以减小多普勒效应的影响, 在有限温度下获得较窄的吸收谱线. 本文的研究成果对高分辨光谱学的实验发展具有重要的指导意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (19): 194101.
doi: 10.7498/aps.71.20220353
摘要 +
利用二维拓扑自旋光子晶体中的螺旋边界态可以实现赝自旋锁定的光波的单向传输. 尽管已有很多关于拓扑自旋光子晶体的研究, 但对于其螺旋边界态的单向传输调控研究却很少. 本文基于二维C6v对称的拓扑自旋光子晶体结构, 通过调整原胞中介电圆柱直径D以及圆柱与原胞中心的距离R, 详细研究了系统的几何参数对拓扑自旋光子晶体的带隙结构、拓扑性质及其螺旋边界态单向传输性质调控的影响. 结果表明, 参数R对拓扑自旋光子晶体的带隙结构和拓扑性质有显著影响, D的改变会影响自旋光子晶体的带隙位置. 螺旋边界态的结构及其单向传输性质与边界两侧自旋光子晶体带隙的拓扑性质及频带结构密切相关. 在拓扑性质不变的情况下, 改变边界两侧的光子晶体结构, 也会改变螺旋边界态的结构及其单向传输性质. 调整拓扑自旋光子晶体结构的几何参数R和D, 就可以实现对螺旋边界态的单向传输性质的调控. 该研究为拓扑自旋光子晶体螺旋边界态的选择和应用提供了参考.
2022, 71 (19): 194102.
doi: 10.7498/aps.71.20220599
摘要 +
随着高功率激光技术的进步, 激光等离子体加速因其优异的加速结构获得迅速发展, 现已获得近百MeV质子以及数GeV电子输出. 激光驱动质子束具有μm量级尺寸、ps量级脉冲长度的优异品质. 由于强激光场的存在, 原位直接应用存在一定困难, 因而更多应用场景需要通过束线把质子束传输到应用端. 激光加速离子束由于具有宽能谱和大散角的特点, 通过束线传输具有一定困难. 常梯度磁场中的弱聚焦作用具有特别的优势: 在水平和竖直方向可同时聚焦, 在水平方向可进行能量分析, 在水平和竖直方向的聚焦力可以通过磁场降落指数n进行分配, 色差效应影响较小. 通过对质子束在弱聚焦磁场中运动的束流动力学的研究, 探索了弱聚焦作用在大能散、大散角质子束聚焦和能量分析中的要求、特点和优势. 在合适的束流光学设计中, 可以实现聚焦、选能的同时, 压缩脉冲长度, 有效缩减束线尺寸, 优势显著.
2022, 71 (19): 194201.
doi: 10.7498/aps.71.20220494
摘要 +
在对低轨道运动目标成像时, 剪切光束成像接收系统所需的探测器阵元数目非常庞大, 探测器接收阵列的研制难度大, 成本高. 本文提出剪切光束成像系统空域稀疏采样技术, 同时发射五束激光照射目标携带更多的频谱信息, 研究稀疏重构算法, 在经稀疏采样的回波信号中提取目标的相位差和振幅信息, 通过波前恢复重构目标图像. 理论上, 在不影响分辨率的前提下, 探测器阵列阵元数目可稀疏为传统三光束方法的1/2, 突破了探测器阵元间距与发射剪切量相等的限制. 仿真结果表明, 与传统三光束方法相比, 所提稀疏重构算法在探测器阵元数目稀疏一倍的情况下, 重构图像质量几乎相同.
2022, 71 (19): 194202.
doi: 10.7498/aps.71.20220574
摘要 +
基于扩展的Hanbury Brown-Twiss方案研究相位可变压缩相干态的高阶光子关联及反聚束效应. 通过调控压缩参数r、平移α和压缩相位θ, 压缩相干态的高阶光子关联呈明显的反聚束效应. 在压缩相位θ∈[0,π/2]范围内, 较大α-r参数区间都可获得光场的高阶反聚束效应, 理想情况下最小的反聚束值为g(4) = 6.6352 × 10–5. 研究了背景噪声γ和系统探测效率η对高阶光子反聚束的影响, 在较低探测效率η = 0.1, 背景噪声γ = 10–6时, 仍可获得明显的高阶反聚束效应g(4) = 0.0149, 验证了更高阶光子关联的反聚束效应对实验环境具有较强的鲁棒性. 此外, 研究了相位可变压缩相干态的反聚束效应随探测平均光子数$\langle$ n$\rangle $ 和压缩度S的变化, 在探测平均光子数远小于1、压缩参数10–4以下时, 仍可得到g(n) $\ll $ 0.5的显著的光子反聚束效应. 结果表明利用对压缩相位θ的调控可制备具有明显反聚束效应的压缩相干态, 在量子精密测量及保密通信领域有着潜在的重要应用.
2022, 71 (19): 194203.
doi: 10.7498/aps.71.20220675
摘要 +
提出一种基于超导传输线腔的一维晶格理论方案, 其中包含两种超导微波腔系统. 通过调控磁通量子比特来操纵临近和次临近晶胞之间的相互作用, 使其获得集体动力学演化规律, 来研究其中的拓扑特性. 首先, 分析了奇偶晶格数目的能谱和边缘状态, 发现奇偶晶格数将会影响系统的拓扑特性, 并且边缘状态分布发生翻转过程. 其次, 在次临近的相互作用下, 发现其相互作用存在相互制约现象, 通过调控其相互作用, 可以实现系统拓扑相变和拓扑量子态的传递过程. 最后, 研究了缺陷对拓扑特性的影响, 发现缺陷势能较小时, 系统能带变化周期稳定, 边缘态保持不变, 能谱产生微小波动, 并且可以区分; 缺陷势能较大时, 能带分布被破坏, 将会变得无序和混乱. 根据本文的研究结果, 可以设计一些新型量子器件, 应用在量子光学和量子信息处理中.
2022, 71 (19): 194204.
doi: 10.7498/aps.71.20220829
摘要 +
报道了一台线偏振单频脉冲光纤激光器. 采用全保偏环形腔结构搭建全光纤振荡器, 在腔内熔接一段未抽运的保偏掺镱光纤作为饱和吸收体, 产生超窄带的动态光栅进行滤波选模, 实现了激光器的单频输出. 利用976 nm半导体激光器作为抽运源, 产生脉冲加连续的混合抽运激光, 实现了重频10—90 kHz、脉宽1—8 μs的长脉冲输出. 实验研究了抽运功率和重复频率等参数对输出激光的时域、频域和功率特性的影响. 实验发现输出激光的频域特性在一定功率范围内存在光学双稳态现象, 分析了激光功率特性对动态光栅选模机制的影响. 通过参数优化, 最终实现了中心波长1064 nm、线宽约23.5 MHz、重频10—90 kHz、脉宽4—8 μs、偏振消光比约29 dB的单频脉冲激光输出.
编辑推荐
2022, 71 (19): 194205.
doi: 10.7498/aps.71.20220774
摘要 +
随着高速信息时代的来临及信息量的爆炸式增长, 对信息处理速度提出了更高的要求, 光子储备池计算系统成为了解决方案之一. 短光子寿命易于提升光子储备池计算系统的响应速度而有助于实现更高速率的信息处理. 激光器内腔长度会影响光子寿命, 同时还影响了激光器输出进入不同动力学状态时所需的相关参数值. 因此, 本文研究了不同内腔长度(120—900 μm)对基于分布式反馈激光器的储备池计算系统性能及相关参数空间的影响. 结果表明, 当内腔长度在120—171 μm范围内, 系统可低误差处理20 Gbps速率的信息; 内腔长度介于120—380 μm之间时、较大的频率失谐及少量虚拟节点数(50), 仍可使系统具有良好的预测效果; 内腔长度较短时, 反馈强度与注入强度组成的高性能参数空间可提高22%—40%.
2022, 71 (19): 194206.
doi: 10.7498/aps.71.20220401
摘要 +
已有的椭圆拟合算法利用李萨如图形解决了非理想3×3耦合器所引入的解调结果误差, 但在研究中没有充分考虑电路噪声与相位噪声对李萨如图形的影响. 针对噪声影响提出了基于局部异常因子优化的3×3耦合器椭圆拟合解调方法, 可以有效地消除李萨如图形中因噪声产生的离群点. 仿真结果表明, 该方法能够实现准确解调, 利用蒙特卡洛分析得出综合误差率约为0.13%, 验证了方法的稳定性. 与传统最小二乘拟合方法相比, 所提方法有效地提高了信号解调的稳定性和精确度.
2022, 71 (19): 194301.
doi: 10.7498/aps.71.20220922
摘要 +
高速空腔流动包含复杂波系结构, 这些复杂波系的传播和演化导致流动产生自持振荡而引起强噪声, 空腔噪声在频谱上包含多个具有离散频率的声模态, 深入理解各阶声模态的演化规律可为发展噪声控制方法提供理论基础. 通过分析亚声速和超声速情况下空腔两端的波系散射过程并考虑三维展向流动, 分别建立了针对亚声速和超声速空腔流动的三维波系模型. 三维波系模型包含了空腔中不同波系之间的非线性相互作用, 这种非线性作用可导致产生不同于Rossiter模态的其余频率成分. 基于三维空腔流动实验测量的压力信号数据, 对模型中的参数进行了线性估计, 采用快速傅里叶变换、双谱分析和小波变换等方法对压力信号进行了分析, 结果表明: 振荡主模态之间会产生非线性作用, 这种非线性作用产生了幅值较高的谐频, 主要的振荡模态之间存在模态切换现象, 且模态切换呈低频特征, 整体表现出随机性特性.
2022, 71 (19): 194601.
doi: 10.7498/aps.71.20220875
摘要 +
结合扫描电子显微镜视频模块和原位纳米力学测试系统, 采用纳米压痕法研究了二维材料范德瓦耳斯异质结构的剥离撕裂行为. 利用湿法转移将化学气相沉积法制备的二维MoS2纳米片, 在SiO2/Si基底上组装成MoS2/SiO2异质结构, 然后采用原位力学杆探针对其实施压入实验. 钨探针压入MoS2纳米片形成W/MoS2/SiO2新的异质结构. 探针回撤过程, 黏附作用使二维MoS2纳米片从SiO2/Si基底剥离形成鼓包, 达到一定高度后沿针尖接触圆弧线发生不完全穿透断裂. 未断裂部分开始发生沿两个长条形裂纹面解理同时MoS2/SiO2界面分离, 随后MoS2纳米片发生大面积撕裂现象. 通过密度泛函理论计算范德瓦耳斯异质界面结合能密度, 结果表明MoS2/W的界面结合能密度比MoS2/SiO2更大, 解释了MoS2纳米片在异质界面范德瓦耳斯力引起的黏附剥离现象. 基于薄膜撕裂模型, 利用扫描电子显微镜实时记录的MoS2纳米片剥离高度和撕裂长度, 可确定MoS2断裂强度为27.055 GPa和应力-应变关系. 密度泛函理论计算结果表明, MoS2断裂强度为21.7—32.5 GPa, 应力-应变关系与薄膜撕裂模型实验测量结果基本一致. 该工作有望在探究二维材料断裂强度、二维材料及其范德瓦耳斯异质结构器件的组装、拆卸的操控与可靠性设计方面发挥重要的指导作用.
2022, 71 (19): 194701.
doi: 10.7498/aps.71.20220851
摘要 +
针对高超声速飞行器边界层转捩控制问题, 以马赫数6平板边界层的第二模态扰动波为研究对象, 采用线性稳定性理论(LST)和直接数值模拟(DNS)分别开展了离散模态的同步模式研究和大尺寸(0.4 mm宽)横向矩形微槽开槽位置对第二模态扰动波的控制作用研究. LST分析表明: 涡/熵波会导致Mack第二模态和“mode I”模态(通常来源于快声波)的分支类型发生改变. 通过DNS发现, 开槽表面对基本流的影响程度与边界层流向位置(或厚度)相关, 随着开槽位置后移(边界层厚度增加), 开槽表面对基本流动的影响程度减弱, 摩擦阻力系数和压差阻力系数也逐渐减小. DNS结果还表明, 位于快/慢模态同步区间之前的开槽工况对第二模态扰动波依然有抑制效果, 这与文献中关于小尺寸(微米量级)微孔隙位置对第二模态控制作用的结论不同, 同时发现, 当矩形微槽布置在最大增长率区间范围内或快/慢模态同步区间位置时, 对第二模态扰动的抑制效果最佳.
2022, 71 (19): 194702.
doi: 10.7498/aps.71.20220352
摘要 +
本文计算系列二维湍流热对流, Prandtl(Pr)数和Rayleigh(Ra)数范围分别为0.25—100和1×107—1×1012, 研究Reynolds(Re)数的变化规律. 以最大速度计算的Re数与Ra数存在标度律关系, 但中间出现间断. 研究表明, 大尺度环流形态由椭圆形到圆形的突变引起流动失稳, 导致最大速度值间断下降, 影响Re数变化趋势的连续性. 所有Pr数对应的流态突变特征Re数为常值, Rec约为1.4 × 104, 即当Re数达到特征Rec时, 大尺度环流形态会发生从椭圆形到圆形的突变. 间断点对应的Rac与Pr数之间存在标度关系Rac-Pr1.5. 对Ra数进行补偿平移, 所有Pr数的Re与RaPr–1.5的变化曲线重合, 不同Pr数有相同的间断临界点位置, RacPr–1.5 = 109.
2022, 71 (19): 194703.
doi: 10.7498/aps.71.20221128
摘要 +
具有手型和极性双重属性的磁涡旋结构, 自发现以来就被视为有望成为下一代自旋电子学器件的可能载体之一. 尤其近年来随着Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的发现, 在具有中心反演对称性破缺或强自旋轨道耦合的体系中, 使得一般的面内磁涡旋具有更加多样的动力学行为. 本文通过微磁学模拟的方法, 系统研究了在等边三角形结构中磁涡旋能够稳定存在的条件, 并在此基础上分别通过施加面内和面外两个方向的微波磁场来激励其振荡, 其中除常见的面内旋转模式和面外呼吸模式外, 还存在高频微波磁场下的分裂模式, 以及呼吸旋转同步的自旋波模式. 最后, 通过改变体系中Dzyaloshinskii–Moriya有效场的强度来改变整个三角形中的磁结构, 进而调控不同自旋波模式的本征频率. 本文结果对研究自旋波模式的多样性具有一定的借鉴意义, 并且为多类型的自旋波模式能够在相关自旋电子学器件的研发提供更多选择.
气体、等离子体和放电物理
编辑推荐
2022, 71 (19): 195201.
doi: 10.7498/aps.71.20220489
摘要 +
在稳态近似下, 通过构建三能级体系碰撞辐射模型, 解析研究了电四极(E2)跃迁对等离子体中离子能级布居的影响. 研究发现, 随着原子序数增加, E2跃迁速率逐渐增强, E2跃迁在低电子密度条件下对离子能级布居的影响愈发显著. 进一步地, 以电子束离子阱中类铁钼(Z = 42)和铀(Z = 92)等离子体为例, 数值求解了包含不同退激通道的离子能级布居. 在此基础上, 分析了考虑E2退激通道导致的能级布居变化对基组态磁偶极(M1)跃迁线强比的影响, 并指出在利用高离化态离子M1跃迁线强比进行等离子体电子密度诊断时E2退激发通道的重要性.
编辑推荐
2022, 71 (19): 195202.
doi: 10.7498/aps.71.20220919
摘要 +
在星光III (XGIII)装置上发展了一种基于质子照相的材料动态密度测量方法, 该方法以星光III装置皮秒激光打靶产生的质子作为质子源, 对在星光III装置纳秒束冲击加载下的晶格泡沫的密度分布进行诊断, 利用蒙特卡罗模拟方法对照相结果进行反解获得晶格泡沫的密度. 利用该方法, 成功获得了冲击加载5.2 ns后晶格泡沫以及其中冲击波的质子照相图像. 通过图像反解, 获得了冲击加载下晶格泡沫的密度分布, 在冲击波前沿位置, 晶格泡沫的密度由于压缩而增大了约20倍; 同时, 通过对照相结果的反解, 还给出了冲击波在晶格泡沫中的传播速度, 约40 km/s. 利用金刚石台阶客体对该方法的相对密度分辨率和空间分辨率进行标定, 实验结果表明两者分别好于4%和12 μm. 为了进一步提升星光III装置质子照相的密度和空间分辨率, 提出了一种利用选能器获得准单能质子束进行照相的方法, 并使用蒙特卡罗程序对该方法的分辨率进行了模拟验证. 模拟结果显示, 使用单能质子束能将相对密度分辨率提升至1%以上. 通过上述实验以及模拟工作, 在星光III装置上建立起了针对快过程(纳秒尺度)、高压力(近百GPa)条件下的材料动态密度诊断能力.
2022, 71 (19): 195203.
doi: 10.7498/aps.71.20220720
摘要 +
针对小天体探测任务对离子推力器设计要求, 完成总体方案设计, 开展了四极环形磁钢会切场放电室和凸面三栅变孔径栅极设计, 采用试验研究和理论分析的方法研究了放电室、栅极设计的合理性及匹配性, 试验结果表明: 多模式离子推力器实现了宽范围稳定放电和引出, 在277—3120 W功率下, 推力从9.9 mN线性增加到117.2 mN, 比冲从1269 s台阶上升到3492 s, 束流发散角从30.7°下降到26.8°并趋于稳定, 各工作点矢量偏角小于1.5°, 束流平直度大于0.75, 栅极稳定化处理是控制栅间距一致性的重要方法, 采用应力释放钼安装环热设计后栅极间距极差得到有效控制, 最大下降百分比为90%, 本研究为离子推力器多模式化设计及在轨应用工程研制提供参考.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
编辑推荐
2022, 71 (19): 196101.
doi: 10.7498/aps.71.20220685
摘要 +
以石墨烯为基质构筑的纳米孔隙存在两种壁面结构, 水滴浸润纳米孔隙在微流动方面至关重要. 本文鉴于实验报道的石墨烯结构, 构建了两种石墨烯纳米孔隙, 利用全原子分子动力学模拟方法研究了纳米水滴浸润两种纳米孔隙. 发现两种不同排列石墨烯构筑相同尺度的纳米孔隙展现出完全不同的浸润特点, 一种是放置在纳米孔隙入口处的水滴会自发浸润孔隙, 另一种是水滴完全不会浸润孔隙. 通过分析两种纳米孔隙结构, 总结出了产生上述现象主要归因于纳米孔隙内外表面的润湿性差异. 建立了纳米孔隙内外表面完全一样的结构, 构建了水滴浸润纳米孔隙的润湿性相图, 给出了水滴浸润纳米孔隙的一般性规律.
2022, 71 (19): 196201.
doi: 10.7498/aps.71.20212340
摘要 +
本文设计、制备了一种基于硅基光电子技术的超紧凑混合表面等离激元光场窄化器件, 并验证了器件的纳米聚焦性能. 实验结果表明, 该光场窄化器件利用了长度约为1.23 μm的锥形渐变结构, 将硅条形波导中的光场聚焦到硅基混合表面等离激元波导中, 在1550 nm的近红外波段最高可实现约20倍的非谐振光场增强效应. 结构简单, 性能优异的硅基混合表面等离激元光场窄化器件, 在光场操控、光传感、非线性光学器件、光相变存储等领域中具有潜在的应用价值.
2022, 71 (19): 196801.
doi: 10.7498/aps.71.20220845
摘要 +
向TiAl合金中添加C元素反应形成的Ti2AlC相与Ti3AlC相分别具有改善TiAl合金塑性和强度的作用. 一般地, 液相烧结过程中会发生L + TiC→Ti2AlC(Ti3AlC)的包晶反应, 但在固相烧结过程中Ti2AlC与Ti3AlC的形成可能具有不同机制. 本文以多层石墨烯为碳源, 通过1100—1350 ℃的固相烧结获得C与TiAl合金的界面反应组织, 借助微观组织表征与分析, 发现Ti2AlC与Ti3AlC生成过程中没有TiC参与. 进一步计算发现TiC/TiAl, Ti2AlC/TiAl与Ti3AlC/TiAl的界面能分别约为1.2, 0.87和0.39 J·m2, 据此得出Ti2AlC与Ti3AlC可以不经TiC中间相直接形成. 此外, 研究还发现在1150—1250 ℃几乎只生成Ti2AlC相, 但1250—1350 ℃界面产物组成为Ti3AlC + 少量Ti2AlC相, 原因在于烧结温度对基体α相含量存在影响, 进而影响Ti2AlC与Ti3AlC的形成倾向. 在1150—1250 ℃, TiAl合金基体由γ + 少量α相组成, Ti2AlC具有较高形成倾向; 1250—1350 ℃基体几乎完全转化为α相, α相含量增大对Ti3AlC的形成具有促进作用. 研究结果表明, 通过控制TiAl合金与多层石墨烯的固相烧结温度, 可以调控Ti2AlC与Ti3AlC的相对含量, 进而有望改善TiAl合金的塑性与强度.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
封面文章
2022, 71 (19): 197301.
doi: 10.7498/aps.71.20220834
摘要 +
BiSe是近年来发现的具有超低本征晶格热导率材料, 显示出比传统的Bi2Se3更高的热电性能潜力. 本文采用真空热蒸发法制备了具有(00l)取向生长的N型纯相BiSe纳米晶薄膜, 并通过Sb共蒸发, 制备得到不同掺杂浓度的Bi1–xSbxSe热电薄膜. 对薄膜样品物相、形貌、组份、晶格振动、化学价态及电输运性质进行了表征. 结果显示, Sb进入到BiSe晶格中取代了Bi原子的位置, 而Sb原子与Bi原子之间的金属性差异使得掺杂后的样品载流子浓度下降, 塞贝克系数上升. 同时, 随着Sb掺杂浓度的增大, 组成薄膜的纳米晶粒尺寸减小, 薄膜面内形成更加致密的层状结构, 有利于载流子输运,导致样品的载流子迁移率由13.6 cm2/(V·s)显著提升至19.3 cm2/(V·s). 受到Seebeck系数与电导率的综合作用, Bi0.76Sb0.24Se薄膜具有2.18 μW/(cm·K2)的室温功率因子, 相对于未掺杂BiSe薄膜功率因子得到提升. 本工作表明BiSe基薄膜在近室温热电薄膜器件中具有潜在的应用前景.
编辑推荐
2022, 71 (19): 197501.
doi: 10.7498/aps.71.20220712
摘要 +
外尔半金属Td-WTe2是一种新型的拓扑量子材料, 具有很强的自旋轨道耦合作用和独特的拓扑能带结构, 被认为是一种非常有潜力的自旋电子材料. 通过构造WTe2/Ti异质结构, 能够解决原本在WTe2上无法直接制备出具有垂直磁各向异性铁磁层的难题. 与现有半导体工艺相兼容, 器件集成需要经受高温处理过程, 因此WTe2/Ti的热稳定性对于实际器件制备和应用至关重要. 然而, WTe2/Ti界面的热稳定性目前仍然不清楚. 本文利用显微拉曼散射技术系统研究了不同温度退火后的WTe2/Ti异质结的热稳定性, 发现WTe2和Ti的界面热稳定性与WTe2纳米片的厚度相关, WTe2纳米片厚度适当增加, WTe2/Ti异质结更加稳定. 此外, 高温退火会导致更加强烈的界面反应, 在473 K退火30 min后, WTe2 (12 nm)与Ti发生明显界面反应, 生成Ti-Te化合物, 该现象与高分辨透射电子显微镜测量和元素分析结果高度一致. 研究结果为进一步探究WTe2/Ti界面对于自旋轨道转矩效应的影响提供有用信息, 激发基于WTe2等拓扑材料的低功耗自旋器件研究.
2022, 71 (19): 197502.
doi: 10.7498/aps.71.20220745
摘要 +
基于力磁耦合效应的磁记忆检测技术, 被广泛应用于铁磁性结构件的应力和缺陷检测. 已有研究采用第一性原理针对α-Fe体系开展了轴向拉压作用下磁矩变化计算, 初步讨论了原子层面的磁检测技术力磁耦合机理. 本文以Fe-C和Fe-Mn掺杂体系为例, 在更为复杂的拉伸、压缩和剪切加载情形下, 深入讨论了α-Fe材料不同类型原子掺杂体系中磁矩变化等力磁耦合规律机理. 结果表明, α-Fe和掺杂体系在不同类型应变作用下磁矩和能量的变化规律存在不同. 结合态密度、能带结构和原子磁矩的详细分析, 发现掺杂元素通过影响Fe原子的磁矩, 使掺杂体系能带结构的形貌和态密度的峰值发生改变, 进而导致掺杂体系的磁矩和能量变化规律存在差异. 本研究从原子层面考虑了铁磁材料在不同荷载类型、不同掺杂元素和含量下的力磁耦合效应, 是磁记忆检测中多场耦合物理机理的重要补充.
2022, 71 (19): 197701.
doi: 10.7498/aps.71.20220654
摘要 +
低维材料的铁电性一直是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点, 在新型纳米电子器件的设计和应用等方面有重要的潜在应用和学术价值. 本文基于密度泛函理论的第一性计算, 以实验上已经验证的二维铁电材料In2Se3薄膜为出发点, 研究了二维In2Se3薄膜的掺杂效应和In2Se3纳米带的铁电性. 结果发现铁电性和金属性在静电掺杂的In2Se3薄膜中可以稳定共存, 且电子掺杂会同时增强面内和面外极化, 空穴掺杂可以增强面外极化, 但抑制面内极化, 从原子结构畸变和电子结构等角度详细解释了载流子掺杂对薄膜面内极化和面外极化的影响以及物理机制. 针对In2Se3纳米带的研究, 发现一维铁电性可以在In2Se3纳米线中存在, 计算并给出了纳米带的局域极化分布和带隙, 拟合了带隙和纳米带宽度之间满足$E_{\text{g}}^{{\text{NR}}} \text- 1/{w^2}$ 标度关系. 以期此研究可为拓宽二维铁电薄膜及其纳米结构的应用提供理论指导.
2022, 71 (19): 197901.
doi: 10.7498/aps.71.20220544
摘要 +
以铯铅氯为代表的全无机金属卤化物钙钛矿因为优异的光电性质与缺陷容忍度成为发展高性能光伏和光电子器件的重要候选材料. 然而, 较差的结构稳定性成为限制其商业化应用的瓶颈问题. 本文提出范德瓦耳斯集成薄层的氧氯化铋(BiOCl)在铯铅氯钙钛矿(CsPbCl3)表面形成范德瓦耳斯异质结, 结合第一性原理计算与从头算分子动力学模拟系统研究了BiOCl/CsPbCl3范德瓦耳斯异质结的环境稳定性以及界面效应对其光电性质的影响. 计算结果表明, 范德瓦耳斯集成BiOCl在CsPbCl3的表面能够极大地改善其环境稳定性, 这源于高稳定的BiOCl层隔绝了水和氧分子与钙钛矿晶格的反应. 并且, 两种不同终端的BiOCl/CsPbCl3范德瓦耳斯异质结显示II型的能带结构, 这有助于促进载流子分离; 但是, CsCl终端的异质结表现出比PbCl2终端异质结更大的能带带阶, 导致CsCl终端的异质结具有更高的开路电压和更低的暗电流. 由于BiOCl和CsPbCl3不同的禁带宽度使得异质结在可见到紫外光区域都显示出较高的光学吸收系数. 本工作为提高CsPbCl3钙钛矿材料的结构稳定性以及在高性能光电器件的应用提供了一个新的思路和理论基础.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (19): 198101.
doi: 10.7498/aps.71.20220715
摘要 +
金刚石/石墨烯复合电极因能发挥金刚石组分的低背景电流和宽电势窗口, 且兼具石墨组分的高电化学活性, 引起了人们的广泛关注. 本文采用热丝化学气相沉积方法, 通过调控短时生长时间, 在纳米金刚石单颗粒层表面的竖立石墨烯片中嵌入纳米金刚石, 形成复合三维电极. 结果表明, 当竖立石墨烯片顶部生长了纳米金刚石时, 电极显示较宽的电势窗口(3.59 V)和极低的背景电流(1.27 mA/cm2), 片层顶部少层石墨包覆纳米金刚石晶粒的复合结构是拓宽电势窗口和降低背景电流的关键. 随着生长时间延长, 竖立片层长大, 纳米金刚石晶粒嵌入到片层中, 构建了新型的纳米金刚石/石墨烯复合竖立片层结构; 有序的石墨结构使得电化学活性面积增大为677.19 μC/cm2和比电容增至627.34 μF/cm2, 石墨组分增多使得电势窗口变窄, 嵌入片层中的纳米金刚石有效地降低背景电流. 本研究提供了一种热丝化学气相沉积方法制备纳米金刚石/石墨烯复合三维电极的新方法, 并为充分发挥金刚石/石墨烯复合薄膜的协同效应提供了一种新思路.
2022, 71 (19): 198102.
doi: 10.7498/aps.71.20220510
摘要 +
采用经典分子动力学模拟, 结合第一性原理计算及晶格动力学方法对氮化镓(GaN)纤锌矿结构与岩盐结构在 0—80 GPa压力范围内的相图进行了预测. 第一性原理计算与分子动力学模拟得到的零温下 GaN纤锌矿到岩盐结构的相变压力分别为 44.3 GPa 和 45.9 GPa, 与已有研究的实验结果吻合; 通过外推纤锌矿结构 GaN的熔化曲线得到其零压下的熔化温度为 2295 K, 当压力增大到33.3 GPa 时, 纤锌矿结构熔化曲线与岩盐结构熔化曲线相交, 两种结构的熔化温度均随压力的增大而上升; GaN还可能存在超离子相, 纤锌矿结构在压力大于2.0 GPa 且温度高于 2550 K时发生超离子相转变, 岩盐结构在压力温度大于 33.1 GPa 和 4182 K 后发生超离子相转变, 二者的相转变温度均会随着压力的增大而升高; GaN纤锌矿和岩盐结构的相界线并非为一直线, 在高温下相界线斜率为正, 随着温度的降低逐渐变为一条具有负斜率的曲线.
2022, 71 (19): 198501.
doi: 10.7498/aps.71.20220879
摘要 +
2020年, 韩国学者以4H-SiC材料为基底提出了一种新型ESD防护器件HHFGNMOS(high holding voltage floating gate NMOSFET), 此结构显著改善了4H-SiC GGNMOS(grounded-gate NMOSFET)因SiC材料特性导致的剧烈回滞现象. 但是在HHFGNMOS结构中仍存在电流分布过于密集的问题. 在本文中首次将comb-like结构用于HHFGNMOS防护器件, 将器件的漏区底部进行梳型改造, 充分利用电流集边效应使电流分布变得均匀, 并通过TCAD仿真给出了Comb-like结构的设计变量对结构性能的影响. 基于4H-SiC的GGNMOS, HHFGNMOS, Comb-like HHFGNMOS在TLP脉冲下的瞬态仿真结果显示, comb-like HHFGNMOS的二次失效电流IT2相比GGNMOS以及HHFGNMOS由17 A提高到22 A, 提高了29%; 此外comb-like HHFGNMOS回滞相比GGNMOS及HHFGNMOS减小了55.2%和5%. 因此在面积不变、工艺相兼容的情况下较大程度改善了器件的鲁棒性, 减小了回滞效应.
2022, 71 (19): 198502.
doi: 10.7498/aps.71.20221047
摘要 +
基于二维拓扑绝缘体硅烯和锗烯, 理论上提出了一种适用于自旋偏压的光控晶体管. 利用非平衡格林函数方法, 计算了非共振圆偏振光场对硅烯和锗烯晶体管输出电流的影响. 研究表明, 硅(锗)烯的拓扑性质与漏极电流的输出特性均受控于入射圆偏振光场的手征性和强度. 硅烯晶体管在较弱的左旋圆偏振光场和自旋偏压的作用下, 可对外输出纯自旋流和完全极化的自旋向上的电流. 在强场的作用下, 硅烯边缘态发生相变形成带隙, 晶体管处于截止状态, 对外输出电流几乎为零. 有别于硅烯晶体管, 锗烯晶体管在较弱光场辐照条件下可以获得稳定的纯自旋流, 在强场的作用下对外输出100%极化的自旋向下的电流. 通过对中心器件区域同时施加不同手性的圆偏振光, 利用非共振偏振光场诱导的边缘态相变和局域光场引起的能带失配可使锗烯晶体管由开态转换到关态. 硅烯和锗烯光控晶体管处于开态时自旋相关电流的输出极值几乎相等, 但是锗烯光控晶体管的击穿电压相较于硅烯晶体管有显著提高, 锗烯光控晶体管可以在更高的温度保持有效的工作状态.
地球物理学、天文学和天体物理学
2022, 71 (19): 199601.
doi: 10.7498/aps.71.20220733
摘要 +
对纳米晶(单晶、多晶)CoNiCrFeMn高熵合金的力学性能评估有助于理解高熵合金材料物性, 更好地服务于核反应堆包壳管、航空发动机、喷气涡轮叶片等国防应用领域发展. 本文提出对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金微结构演化与力学性能间的相关性展开研究. 基于纳米压痕法, 研究了纳米晶高熵合金和纳米晶镍的变形行为与力学性能, 比较了使役温度对纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金和纳米晶Ni的力学性能与微结构演化差异. 结果表明: 单晶高熵合金力学性能(最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度)优越于单晶镍主要源于单晶高熵合金外形呈鼓包式结构内的位错滑移与拓展传播受到局限域的阻滞作用. 极端低温5 K下的材料力学性能表现最佳, 多晶Ni相比单晶Ni的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅分别达28.9%, 20.27%, 32.61%, 36.4%; 多晶CoNiCrFeMn高熵合金相比单晶CoNiCrFeMn高熵合金的最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度降幅依次达21.74%, 23.61%, 23.79%, 22.90%. 此外, 多晶高熵合金力学性能相比单晶高熵合金对温度敏感性更强, 其力学性能随温度升高近似线性下降. 对多晶高熵合金和多晶镍而言, 晶界不仅是位错滋生、拓展、繁衍的起源区, 更是萌生缺陷、产生裂纹拓展与失效的集中域. 受应力驱动晶界边缘的微结构演化和缺陷存在, 多晶材料力学性能弱于单晶材料.
