专题: 量子计算新进展: 硬件、算法和软件
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2022, 71 (24): 240302.
doi: 10.7498/aps.71.20221782
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基于量子力学的叠加和纠缠等性质, 量子计算具备超越经典计算机的强大计算能力. 光子作为一种高效信息载体, 具有传输速度快、操控性高及相干时间长的优点, 是实现量子计算的一个理想物理平台. 集成光量子技术, 使得我们在微型结构上便能够稳定地实现光量子态的产生、处理和探测. 近年来, 随着新兴的集成光量子技术的快速发展, 集成光量子计算的实验复杂度和规模在不断提高, 并成功模拟和解决了复杂的物理和计算问题. 为此, 本综述总结了近年来集成光量子计算的技术进展, 包括各类集成光量子实验平台, 并讨论了基于集成光量子平台实现的量子行走实验范例. 最后, 我们亦简述了基于光量子行走而实现的量子算法和量子模拟的方案.
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2022, 71 (24): 240303.
doi: 10.7498/aps.71.20221825
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量子模拟利用可控性好的量子系统模拟和研究可控性差或尚不能获得的量子系统, 是量子信息科学的主要研究内容之一. 量子模拟可通过量子计算机、量子信息处理器或小型量子设备实现. 非厄米系统近二十年来受到广泛关注, 一方面是因为非厄米量子理论可作为传统厄米量子力学理论的补充和延拓, 且与开放或耗散系统联系紧密. 另一方面, 可构造具有新奇非厄米性质的量子或经典系统, 具有提高精密测量精度等应用价值. 与厄米情况相比, 非厄米量子系统的时间演化不具有幺正性, 对其开展量子模拟研究具有一定的挑战. 本文介绍了非厄米系统量子模拟理论与实验新进展. 理论方面主要介绍了基于酉算子线性组合算法, 简单梳理了各个工作的优势和局限性, 并简要介绍了量子随机行走、嵌入式和空间拓展等量子模拟理论; 实验方面简要介绍了利用核磁共振量子系统、量子光学以及利用经典系统模拟非厄米量子系统的实验. 一方面, 这些新进展结合了量子模拟与非厄米领域的研究, 推动了非厄米系统本身的理论、实验和应用发展, 另一方面拓展了量子模拟和量子计算机的可应用范围.
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2022, 71 (24): 240305.
doi: 10.7498/aps.71.20221824
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基于量子力学基本原理的信息处理技术, 在计算、传感等领域具有远超经典技术的巨大潜力. 随着实验技术的进步, 量子调控技术得到突飞猛进的发展. 在所有的量子信息处理平台中, 基于固体材料的超导系统, 具有精确的量子调控能力、优异的量子相干性以及适合大规模集成化等优点. 因此, 超导量子系统成为当前最有潜力的量子信息处理平台之一. 目前的超导芯片能集成约一百个量子比特, 已经可以展示量子系统的优势, 但进一步的发展受到系统噪声的制约. 为了突破这一瓶颈, 借鉴经典信息中的纠错技术发展而来的量子纠错技术受到广泛的关注. 本文介绍了超导量子系统中量子纠错的研究进展, 主要包括超导量子系统的基本原理、常用的量子纠错编码方案、纠错相关的控制技术以及近期超导量子纠错的应用. 最后, 总结了超导量子纠错领域面临的七个关键问题.
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2022, 71 (24): 244207.
doi: 10.7498/aps.71.20221938
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量子模拟是利用可控的量子系统来模拟其他未知或难以控制的量子体系, 通过这种方法来处理一些在经典计算机上无法进行仿真的复杂量子体系, 用于如基础物理探索、分子动力学研究、药物研发等相关领域. 集成光学系统是实现量子模拟的一个优秀的实验平台, 能实现如无序系统、拓扑绝缘体、非线性和非厄米体系等凝聚态物理结构的模拟, 或用于实现量子随机行走、玻色取样等以演示量子优越性. 本文介绍多种量子模拟物理模型的理论基础, 结合如硅、玻璃、铌酸锂等波导体系的优势, 综述近年来利用集成光芯片实现量子模拟的研究进展, 包括了在集成光芯片上基于模拟型和数字型这两类量子模拟实现凝聚态物理模型仿真、量子随机行走、玻色取样等, 探讨集成光芯片上的不同的量子模拟技术的实用化前景和发展趋势.
专题: 非厄米物理前沿
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2022, 71 (24): 247802.
doi: 10.7498/aps.71.20221706
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电磁超表面是一类由单层或多层亚波长人工微结构组成的平面电磁材料, 可以在亚波长尺度下实现对电磁波偏振、振幅和相位的有效调控. 然而, 将电磁波限制在深亚波长尺度的代价通常是大的损耗, 如辐射损耗、欧姆损耗. 有趣的是, 非厄米物理提供了一种将损耗这一不利因素转变为超表面设计中一个新自由度的新方法, 为扩展超表面功能提供了新方向. 近些年, 非厄米电磁超表面上的一些非常规物理效应引起了研究人员的广泛关注. 本文从完美吸收、奇异点与表面波三个方面对非厄米电磁超表面研究进行了综述, 并对该领域面临的挑战和发展前景进行了展望.
综述
2022, 71 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.71.20221462
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随着电子元件向微型化、柔性化、智能化发展, 迫切需要介电材料具有更优异的介电性能. 原子力显微镜作为一种具有纳米级高分辨率的测量仪器, 在纳米电介质的研究中表现出独特的优势, 功能化原子力显微镜的诞生更是为纳米电介质微区性质的研究做出重要贡献. 本文综述了原子力显微镜、静电力显微镜、开尔文探针力显微镜、压电响应力显微镜和原子显微镜-红外光谱在研究介电材料纳米区域的微观形貌、界面结构、电畴变化和电荷分布方面的最新研究进展, 并对现有研究中存在的问题和未来可能的发展方向进行了讨论.
总论
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2022, 71 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.71.20221055
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基于双层耦合正方晶格的紧束缚近似模型, 通过对态密度、波函数格点占据数和量子扩散的计算与分析, 系统研究了不同堆垛界面结构、层间耦合强度和无序强度对有序-无序双层二维耦合系统中电子输运性质的影响. 研究发现, AA堆垛双层耦合正方晶格在层间耦合较弱时保持单一能带, 带尾态为局域态, 带中态始终保持延展态及近似延展态的临界态, 存在不随无序增强而消失的迁移率边; 对于强耦合体系, 弱无序时能带的带尾态为临界态, 带中态为扩展态, 而强无序使得耦合导致的两能带交叠为单一能带, 其带尾态为局域态, 带中态为临界态. AB堆垛双层耦合正方晶格的能带始终为单一能带, 且能带中心区始终包含延展态和临界态. 对于AA和AB堆垛两种构型, 有序-无序双层耦合系统的量子扩散随无序强度增大均呈现出先减弱再增强的反常量子扩散现象. AA型弱耦合系统和AB型耦合系统中的量子扩散均表现为超扩散, AA型强耦合系统中弱无序导致超扩散, 而强无序导致亚扩散. 计算结果进一步表明, 有序-无序双层耦合六角晶格系统表现出同样的行为.
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2022, 71 (24): 240304.
doi: 10.7498/aps.71.20221072
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由于离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案与高效纠错码具有良好的兼容性, 因此即使在低信噪比条件下, 也具备较高的协商效率, 并且其实现条件相比于高斯调制方案更加简单. 然而, 实验中常用的零差探测器的量子效率仅为0.6, 这会严重影响离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的实际应用性能. 鉴于此, 本文提出基于实际探测器补偿的离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案, 即在该方案中对两条量子信道的输出端各采用一个相位敏感放大器用于补偿相对应的实际零差探测器. 仿真结果表明采用相位敏感放大器能够很好地补偿实际零差探测器的量子效率, 有效提升基于实际探测器的离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的密钥率和安全传输距离, 为推动离散调制连续变量测量设备无关量子密钥分发方案的实用化发展提供了一个有效而实用的方法.
2022, 71 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.71.20221367
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活性聚合物由于其可形变的长链构象而表现出更丰富的动力学行为. 本文通过郎之万动力学模拟研究了在周期性外场调制下活性聚合物的运动行为. 我们发现柔性聚合物链有4种跨区域运动模式. 外场的周期性区域宽度在活性聚合物行为的调控方面起到了关键作用. 比如随着区域宽度的改变活性聚合物的扩散系数可以发生高达两个数量级的改变, 其余如链的统计空间密度分布、整体受力情况、特征尺寸和取向等都表现出明显的非单调变化. 这些变化反映了不同区域宽度下, 聚合物链的构象特征及运动模式的改变. 我们的研究为设计和调控活性聚合物的动力学行为提供了新思路, 有望为可形变链状或长条状活性物质在生物、医学和材料领域的潜在应用提供参考.
2022, 71 (24): 240502.
doi: 10.7498/aps.71.20221423
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为了进一步提高混沌系统的复杂性, 用磁控忆阻器代替基于Sprott-B的四维混沌系统中的耦合参数, 构建了一个五维忆阻混沌系统. 通过分岔图、李雅普诺夫指数谱、相轨图、庞加莱映射等常规手段分析了系统的动力学行为. 分析表明新系统具有丰富的动力学行为: 不仅存在依赖于系统参数变化的周期极限环和混沌吸引子, 还存在依赖于忆阻初始条件变化的无限多共存吸引子的超级多稳定现象. 最后, 基于现场可编程门阵列(FPGA)技术实现了忆阻混沌系统的数字电路, 在示波器上捕捉到的相图与数值仿真一致, 验证了忆阻系统的正确性与可实现性.
2022, 71 (24): 240601.
doi: 10.7498/aps.71.20221469
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非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术, 基于其光通量大、体积小、精度高的特点, 适用于深空环境下的高精度探测工作. 也正因其高灵敏度的特性, 使得实验中的各种细节因素都可能对测量结果造成干扰. 本文从实验条件的角度, 重点考虑条纹中心位置偏移、光照不均匀、高斯噪声等因素的影响, 提出了复合光程差相移解算方法. 经仿真计算和数据分析得出, 相位标称点相对中心位置的偏移量会显著影响光谱测速的系统误差, 而复合光程差相移解算方法能够在一定程度上平滑环境噪声和随机干扰造成的光谱测速精度误差. 对于1%程度的高斯噪声干涉条纹图像, 采用复合光程差相移解算方法能够将测速误差控制在5‰以内, 使得非对称空间外差光谱技术能够更好地适用于空间光电精密测量的相关应用中.
2022, 71 (24): 240702.
doi: 10.7498/aps.71.20221385
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低气压放电是制约航天器微波部件向大功率、小型化方向发展的重要问题. 针对航天器微波部件低气压放电机理尚不明确的关键问题, 本文搭建了低气压射频放电等离子体发射光谱诊断平台, 对微波腔体谐振器低气压射频放电的等离子体反应动力学过程, 及放电对于微波部件的破坏效应进行研究. 获取不同气体压强条件下谐振器内放电等离子体的发射光谱, 发现等离子体内羟基OH(A-X)、激发态氮分子N2(C-B)及氧原子O(3p5P→3s5S0)的密度随气压升高呈现先上升后下降的变化趋势. 对这一现象所蕴含的等离子体反应动力学机理进行了分析, 发现气体压强可通过改变粒子生成与消耗路径及等离子体平均电子温度的方式对等离子体中各粒子的浓度大小产生影响. 研究了等离子体发射光谱随输入功率的变化规律, 发现了不同气压条件下粒子浓度随输入功率的增大呈线性增长的趋势. 本研究为探明低气压射频放电机理及航天器微波部件的可靠性设计提供了参考依据.
原子和分子物理学
2022, 71 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.71.20221368
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晶体/非晶双相高熵合金是近年来研究人员提出的获得高强高韧高熵合金的有效策略, 其塑性变形机制和组成相的尺寸密切相关. 本文采用分子动力学模拟方法研究了组成相尺寸对CoCrFeNiMn晶体/非晶双相高熵合金塑性变形机制的影响. 研究表明, 非晶相尺寸对双相高熵合金的力学行为和塑性变形机制有显著影响. 对于非晶相厚度较小的样品, 塑性变形是位错滑移和面心立方向六方密排结构的相变主导的, 尤其是在非晶厚度为1 nm的样品中观察到了孪晶和位错锁; 非晶相厚度适中时, 双相高熵合金主要通过晶体相中位错滑移、面心立方向六方密排结构的相变和非晶相的剪切带增殖来实现塑性变形; 非晶相厚度较大时, 双相高熵合金的塑性变形则由非晶相中均匀剪切带的形成主导. 此外, 非晶相厚度的增加对位错的形核和发射有延迟作用, 并且, 晶体/非晶双相结构中的非晶相有稳定晶粒的作用. 本文的研究结果对于设计和制备高性能的高熵合金具有一定的科学价值和指导意义.
2022, 71 (24): 243401.
doi: 10.7498/aps.71.20221517
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在激光辅助凝聚抑制同位素分离的过冷超饱和超声速气流中, 同位素分子BCl3与载气原子(稀有气体原子RG: He, Ne, Ar, Kr, Xe)间的接触碰撞形成二聚体BCl3:RG, 二聚体浓度与温度等参数的关系对同位素分离中参数调控与选择具有重要意义. 本文基于分子间相互作用解析势函数, 考虑二体、三体碰撞诱导的二聚体缔合与解离, 给出了BCl3:RG二聚体浓度随绝对温度变化的关系. 结果表明: 二体碰撞在BCl3:RG形成中占据主导, 在BCl3初始摩尔分数为0.01—0.10内, BCl3:RG二聚体浓度随BCl3初始摩尔分数变化大致呈线性关系, 初始摩尔分数不仅决定理论上二聚体浓度的极限值, 还主导了低温区二聚体浓度; 在超声速流气室温度为20 K左右时, 采用较重的惰性气体Kr形成二聚体的浓度最大, 同时给出了不同温度区间各种载气对应的二聚体浓度大小; 进一步, 通过二聚体中有效解离能和伸缩振动频率等参数的变化, 在分子尺度上利用简单模型解释了激光辅助凝聚抑制的内在微观机制.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.71.20221397
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为了降低功耗、实现超快速响应和动态可调谐, 设计了基于四盘形谐振腔耦合等离子体波导系统. 使用两种不同的方法理论分析了等离子体诱导透明(PIT)效应: 一种是明暗模式谐振腔之间的直接相消干涉, 另一种是谐振腔之间通过等离子体波导的间接耦合. 采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导的传输相移, 实现了1 ps量级的超快响应时间. 当泵浦光强低至11.7 MW/cm2时, 等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱2π相移. 通过耦合模式理论和时域有限差分法, 研究了模型的三波段PIT效应及其慢光特性. 研究表明, 系统透射谱的透射峰值超过80%, 最大群折射率高达368. 并且, 整个系统的尺寸小于0.5 μm2. 研究结果为低功耗、超快速、超紧凑型和动态可调谐的多通道光滤波和光存储器件的设计和制作提供了思路.
2022, 71 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.71.20221433
摘要 +
高功率高光束质量光纤激光器在工业生产中得到了广泛应用, 但其受到光纤中非线性效应等现象的制约, 进一步功率提升严重受阻. 本文基于大模场低数值孔径增益光纤搭建了激光二极管直接泵浦的全光纤激光放大器. 通过改变增益光纤的弯曲直径, 有效地提升了动态模式不稳定阈值, 实现了最高功率10.53 kW, 光光转换效率74.04%, 光束质量因子$ M^2 \sim 2.88 $ 的激光输出. 研究表明, 在少模光纤激光放大器中, 提升输出功率与改善光束质量的方法相互制约. 不考虑光束质量时激光器可以较为简单的获得万瓦乃至更高功率输出; 但是在提升功率的同时保持光束质量不退化是一件充满挑战且难度极大的工作.
2022, 71 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.71.20221518
摘要 +
本文提出了一种基于结构光照明的高分辨相位/荧光双模式显微成像方法. 该方法利用一数字微镜阵列(DMD)产生条纹结构光, 并记录样品在结构光照明下的全息图像和荧光图像, 最终可以重建出样品的定量相位图像和超分辨荧光图像. 此外, 还提出了一种补偿环境扰动对相位成像影响的数值方法, 提高了成像系统的抗干扰能力. 在该双模式成像系统中, 定量相位成像和荧光成像的空间分辨率分别为840 nm和440 nm, 为同一样品提供互补信息. 该方法有望被广泛应用于生物医学、工业和化学等诸多领域.
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2022, 71 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.71.20221456
摘要 +
在以往的腔量子电动力学(QED)系统中原子气通常被处理成单个原子, 从而得到诸如拉比劈裂、单光子阻塞等现象. 受益于超导电路QED的发展, 超导量子比特(SQUID)可以被看成人工原子, 它们之间通过LC谐振子失谐的耦合会构成人工原子间的等效相干耦合. 基于此, 研究了具有相干耦合的多个人工原子对单模腔输入输出的影响, 并从缀饰态的角度对透射谱进行了分析. 结果发现包含多个相干耦合人工原子的单模腔, 其透射谱与只含单个原子的腔显著不同, 更重要的是透射峰的数目并不会随着人工原子数的增加而增加, 最多只有3个透射峰. 为了解释这种透射谱的规律, 应用全量子理论, 计算了整个系统在不含耗散时单能量子情况下的本征值和本征态. 原则上, 有几个粒子, 就会形成几个缀饰态, 理论上就会出现几个透射峰. 然而本文发现存在一些不包含光子成分的缀饰态, 它们并不贡献透射峰. 而原子数增多后会出现透射峰劈裂, 这对应着能级避免交叉现象, 本文从缀饰态角度进行了说明. 从这些缀饰态的具体形式上很多都具有多体纠缠的性质. 因此采用这样一种包含多个相干耦合人工原子的单模腔, 将有利于构建多体纠缠态, 在未来也可以通过透射率的变化, 探知腔内多体纠缠态的形式.
2022, 71 (24): 244205.
doi: 10.7498/aps.71.20221325
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激光噪声已成为限制精密测量精度提升的重要限制因素, 噪声分析与抑制技术已成为研究的焦点. 光学滤波腔充当光学低通滤波器, 可有效抑制超出线宽范围的高频噪声. 然而, 本文研究发现光学滤波腔的输出场音频段强度噪声高于激光本底噪声. 通过建立反馈控制理论模型, 利用自制数字控制单元模块, 优化了反馈控制比例-积分增益, 大幅抑制了反馈控制环路引入的噪声. 同时, 依据前期工作基础, 解释了光学滤波腔输出场剩余的强度噪声来源于输入光场的相位噪声和指向噪声. 实验结果为反馈控制环路噪声分析等应用研究提供了基本手段, 将推动精密测量向更高测量精度方向发展.
2022, 71 (24): 244206.
doi: 10.7498/aps.71.20221618
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报道了在开磁路中利用抽运-检测型铷原子磁力仪测量软磁材料矫顽力的实验装置和方法. 磁屏蔽筒中的本底磁场、磁化线圈和软磁样品在铷泡空间位置产生的磁场均平行于磁屏蔽筒的轴线方向; 扫描磁化线圈中的电流实现软磁样品的磁化和退磁, 用抽运-检测型铷原子磁力仪分别在磁化线圈中有样品和无样品的条件下测量铷泡空间位置处的磁场; 在相等电流值条件下, 用有样品测得的磁场值减去无样品测得的磁场值, 获得软磁样品在铷泡空间位置产生的磁场, 用软磁样品在铷泡位置处产生磁场为零来判定其磁化强度由饱和值减小到零的条件, 用磁滞回线计算出样品的平均矫顽力. 采用本文提出的测量装置和方法测量带状坡莫合金软磁样品的矫顽力, 10次测量的平均值为40.63 A/m, 矫顽力测量再现性以相对标准偏差表示为0.16%, 该方法具有无零点漂移、复现性好、测量速度快、原位测量等优点.
2022, 71 (24): 244301.
doi: 10.7498/aps.71.20221504
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不同于经典滚动接触疲劳形成的缺陷, 亚表面白蚀缺陷会引起轴承零件的早期失效, 严重缩短零件的寿命. 它位于金属亚表面且尺寸微小, 难以使用常规手段实现检测. 白蚀缺陷成因尚不明确, 不同演化阶段的缺陷样品制备耗时费力. 本文建立了白蚀缺陷演化模型, 基于k空间伪谱法开展了水浸超声检测过程数值实验. 对于含裂纹的白蚀缺陷演化后期, 可以忽略内部晶粒结构建立均匀层状模型, 使用经典声压反射系数幅度谱获取裂纹深度, 误差为1.5%. 对于不含裂纹的其他白蚀缺陷状态, 则存在内部声阻抗差异较小, 频谱特征不再明显等问题. 基于维诺图(Voronoi)建立轴承晶粒模型, 利用晶粒对超声的背散射效应来放大微观结构信号. 高频情况下, 基于深度卷积神经网络的训练准确率达92%, 验证准确率为97%. 即使在较低检测频率下, 背散射信号较弱, 仍能获得81%的准确率. 为白蚀缺陷的早期检测提供了有效方案.
2022, 71 (24): 244302.
doi: 10.7498/aps.71.20221292
摘要 +
随着拓扑理论的概念被引入到人工结构的研究中, 由于其具有传输保护、能量无损耗、缺陷免疫等新奇的物理性质, 引起了广泛的关注. 本文基于弹性材料设计了一种双表面周期性结构声子晶体, 其上、下表面由周期性排列的三角棱柱散射体组成, 在只关注面外模式的Lamb波的情况下, 构建了弹性声子晶体的谷拓扑态. 只需简单旋转散射体, 体系就会出现能带的反转, 研究发现通过调节散射体的高度, 可以实现谷拓扑边缘态频率的调控, 由不同的谷霍尔材料组成的边缘界面处可以实现较宽频率的激发, 进一步证实了边缘态频率可调控的思想可以在弹性材料中实现, 并利用两种不同相组成的声子晶体板研究了拓扑输运情况, 表现出优异的输运性能. 这为谷拓扑保护弹性波激发中实现新的自由度.
2022, 71 (24): 244303.
doi: 10.7498/aps.71.20221101
摘要 +
利用高速摄影技术, 实时记录了功率超声作用下succinonitrile-8.3% Water(摩尔分数为8.3%)溶液凝固过程中稳态空化气泡与枝晶间的相互作用, 并结合数值模拟揭示了稳态空化对枝晶生长的影响机制. 结果表明, 稳态空化能够加速枝晶生长、促使枝晶臂断裂和吸附球状晶生长. 当气泡的迁移方向与枝晶生长方向一致时, 气泡振荡过程中产生的周期性高压导致周围熔体过冷, 从而加速枝晶生长. 当稳态空化气泡向固相内部迁移时, 其振荡引发枝晶臂内部产生大于屈服强度的应力, 促使枝晶臂变形和断裂. 同时悬浮于固-液界面前沿的稳态空化气泡能够在周围液相中产生局部的周期性变化流场和高剪切力, 使得邻近的枝晶碎片将吸附在其周围并以球状晶形态生长.
2022, 71 (24): 244304.
doi: 10.7498/aps.71.20221531
摘要 +
火星声探测技术逐渐成为火星探测的一种重要手段. 为了探测火星声源, 需研究稀薄低温火星大气中的声速和声衰减、建立分层大气中的声传播模型. 本文提出了一种结合Navier-Stokes (NS)声波方程和变组分混合气体的声速模型, 考虑了火星极端稀薄大气中的声频散, 将火星声速剖面模拟计算拓展到0—250 km海拔范围, 并讨论了NS声速剖面的适用条件. 本文实验验证了低压、低温环境中, 在分子平动、旋转和振动弛豫作用下, 三原子二氧化碳中存在明显声频散. 随后分别基于频散NS声速和无频散理想气体声速剖面, 模拟了地面声源和高空声源产生的不同频率声波的传播路径. 研究发现声频散显著影响了声传播路径, 降低了声线首次折返高度、缩短了声线折回火星地表的距离、减小了第一声影区的范围等. 而且频率越高、声源海拔高度越高, 频散对声传播的影响越剧烈, NS方程的连续性假设失效, 更高频的声波需要基于Boltzmann方程和分子模拟法建立声频散模型.
2022, 71 (24): 244601.
doi: 10.7498/aps.71.20221340
摘要 +
强冲击下金属材料卸载熔化损伤/破碎问题是惯性约束聚变和武器工程等领域关注的关键问题之一, 基于强冲击金属材料卸载熔化状态下损伤演化过程的特点以及已有的研究, 本工作聚焦于解析熔融状态下材料内部孔洞分布特征的演化规律, 明确损伤演化中后期的孔洞汇合模式, 并给出相应的孔洞汇合判据, 揭示惯性效应、温度效应以及孔洞汇合对损伤发展和孔洞分布特征变化的影响机理; 建立损伤材料孔洞化失稳断裂与材料破碎颗粒度分布特性之间的关联, 进而实现金属材料卸载熔化损伤/破碎全过程的物理描述. 与现有的物理模型相比, 采用新给出的物理模型计算得到的材料卸载熔化损伤/破碎颗粒度分布结果更接近实验回收统计结果. 研究成果不仅加深强加载下材料动态损伤演化/破碎机理的物理认识, 提升工程结构以及内爆过程材料动态破坏精细化数值模拟结果的置信度, 也可以为结构设计优化和性能评估提供物理支持.
气体、等离子体和放电物理
2022, 71 (24): 245201.
doi: 10.7498/aps.71.20221555
摘要 +
大气压介质阻挡放电是应用中常用的放电形式, 通常使用等离子体流体模型进行理论描述. 本文针对大气压均匀介质阻挡放电每半个电压周期出现一次或多次电流脉冲的特性, 基于机器学习方法构造一个全连接多层神经网络, 采用误差反向传播算法, 并设计了一个通用的隐藏层结构, 将计算数据或实验数据作为训练集, 借助于人工神经网络程序研究大气压介质阻挡放电的电流密度、电子密度、离子密度和电场强度等宏观与微观放电特性. 通过分析计算结果可知, 在给定合适训练集的条件下, 构造的机器学习程序与流体模型能以近乎相同的计算精度(误差小于2%)来描述大气压介质阻挡放电等离子体性质, 同时计算效率远高于求解流体模型, 并能极大地拓展放电参数的遍历范围. 本文的算例表明, 将机器学习程序与现有的流体模型或动理学模型结合起来, 将极大地提高大气压放电等离子体的模拟效率与效果, 深化对放电等离子体的认识 .
2022, 71 (24): 245202.
doi: 10.7498/aps.71.20221361
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采用一维自洽耦合流体模型理论研究了射频(rf)/直流(dc)驱动大气压氩气(Ar)介质阻挡放电特性, 仿真得到了不同直流电压下, 射频最小维持放电电压变化情况、周期平均电子密度平均值随周期平均气体电压平均值变化情况、电子产生率及电子密度的时空分布. 分析表明: 直流电压通过改变介质表面电荷密度来影响气隙电压, 从而控制放电过程. 直流电压较小时放电被抑制, 直流电压较大时放电得以恢复. 随着直流电压的增大, 射频最小维持放电电压振幅随之呈现先增大后减小的变化趋势. 另外, 当射频电压振幅高于最小维持放电电压振幅时, 射频电源驱动与射频/直流驱动时的气隙电压相同, 射频电源控制放电. 进一步发现在$ \alpha $ 模式下, 随着直流电压的增大, 鞘层逐渐形成, 电子产生区域从接地电极附近转变为两侧鞘层和主等离子体区边界处; 在$ \gamma $ 模式下, 当射频电压振幅高于最小维持放电电压振幅时, 电子产生和分布不受直流电压影响.
封面文章
2022, 71 (24): 245203.
doi: 10.7498/aps.71.20221848
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质子照相是观测等离子体中自生磁场的常用实验诊断技术, 对质子照相实验结果的有效解读依赖于反演方法的可靠性和可用性. 传统质子照相反演方法往往只能提供自生磁场的一维或二维结构. 本研究发现, 在对具有柱对称结构的磁场进行侧向质子照相时, 偏转速度与磁场之间满足Abel变换关系, 这使得从质子照相结果中反演重建出磁场的三维结构成为可能. 通过数值模拟验证了该方法的可行性, 并基于该反演方法, 重新分析了Li等(2016 Nat. Commun. 7 13081 )有关等离子体喷流自生磁场的质子照相实验结果, 给出的最大磁场强度约为传统反演结果的1.9倍. 本研究有助于对激光聚变和实验室天体物理相关的自生电磁场形成及其时空演化行为的认识更加清晰.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (24): 246101.
doi: 10.7498/aps.71.20221621
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高熵合金作为一类新兴合金材料, 由于其优异的力学性能, 在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景. 本文利用分子动力学方法, 探讨了温度对CoCrFeMnNi高熵合金冲击响应和塑性变形机制的影响. 研究发现, 初始温度的增加使得冲击压力、冲击波传播速度和冲击温升下降. 冲击Hugoniot弹性极限随着温度的上升线性下降. 随着冲击强度的增加, CoCrFeMnNi 高熵合金发生了复杂的塑性变形, 包括位错滑移、相变、变形孪晶和冲击诱导非晶化. 在较高的初始温度下, CoCrFeMnNi 高熵合金内部出现无序团簇, 其和由面心立方晶体结构转变而成的体心立方晶体结构以及无序结构是位错成核的重要来源. 由于Mn元素具有相对较大的原子体积和势能, 所以在Mn元素的周围会出现较大的晶格畸变和局部应力, 从而为冲击诱导塑性变形提供较大的贡献. 在温度较高时, Fe元素对塑性变形的贡献和Mn元素一样重要. 研究结果有助于深刻理解CoCrFeMnNi高熵合金的冲击诱导塑性和相关变形机制, 为CoCrFeMnNi高熵合金在不同温度下涉及高应变率冲击过程的应用提供理论支撑.
2022, 71 (24): 246102.
doi: 10.7498/aps.71.20221847
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三价稀土铒离子(Er3+)掺杂二氧化钛(TiO2)因其优异的光电性能, 在众多稀土掺杂发光晶体材料中脱颖而出, 具有非常广泛的应用前景. 利用CALYPSO (Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization)结构搜索方法和第一性原理计算, 成功地预测和探究了三价铒离子掺杂二氧化钛(Er3+:TiO2)晶体的基态结构. 首次报道Er3+掺杂TiO2的最低能量结构具有$P\overline 4 m2$ 空间对称性. 当Er3+离子掺杂基质晶体时, Er3+离子占据Ti4+离子的位置, 并造成结构畸变, 最终使得Er3+离子的局域对称性由D2d降低为C2v. 通过电子结构计算发现Er3+掺杂TiO2的能带隙值约为2.27 eV, 这表明Er3+离子的掺杂会导致体系的带隙值降低, 但没有改变其半导体性质, 从而在光伏电池和半导体激光器等领域具有更广泛的应用. 这些发现不仅为进一步探索Er3+:TiO2晶体的性质和应用提供了数据参考, 也为探究其他稀土掺杂晶体材料提供了最新的方法.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (24): 247301.
doi: 10.7498/aps.71.20221365
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研究了三椭圆谐振腔耦合波导中可调谐双重等离子体诱导透明效应. 三椭圆谐振腔耦合波导结构由1个亮模和2个暗模或1个暗模和2个亮模组成, 类比于原子系统的四能级结构. 为了获得较理想的双重等离子体诱导透明窗口, 利用有限元法数值分析了多种三椭圆谐振腔耦合波导结构的光学透射特性. 针对较佳的三椭圆谐振腔波导结构, 分别讨论波导结构参数(如椭圆腔长轴半径、底部椭圆腔与主波导间耦合距离、椭圆腔间耦合距离、对称破缺度, 以及椭圆腔填充材料有效折射率)对双重等离子体诱导透明效应的影响. 多重透明窗口的数值模拟结果为等离子体诱导透明在等离子体开关及传感器方面的潜在应用提供理论基础.
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2022, 71 (24): 247302.
doi: 10.7498/aps.71.20221344
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将InAs/GaAs量子点薄膜样品转移到Ag纳米颗粒覆盖的Si衬底上, 然后将样品放到金刚石对顶砧压力腔室内. 在$ 1.09—1.98\;\rm{G}\rm{P}\rm{a} $ 的压力范围内, 测量了量子点激子的荧光光谱和时间分辨光谱. 实验结果显示, 随着静水压力的增大, 激子的发光波长蓝移, 激子的发光寿命从$ \left(41\pm 3\right)\times 10\;\rm{n}\rm{s} $ 延长到 $ \left(120\pm 4\right)\times 10\;\rm{n}\rm{s} $ , 再减短到$ (7.6\pm 0.2)\;\rm{n}\rm{s} $ , 在激子发光波长为 $ 797.49\;\rm{n}\rm{m} $ 时, 寿命达到最长的$ \left(120\pm 4\right)\times 10\;\rm{n}\rm{s} $ . 相比没有Ag纳米颗粒影响的InAs/GaAs量子点中的激子寿命约$ 1\;\rm{n}\rm{s} $ , 激子的寿命延长了约1200倍. 其物理机制为量子点浸润层中激子的辐射场和Ag 纳米颗粒的散射场之间发生相消干涉, 抑制了浸润层中激子的自发辐射, 这些长寿命的浸润层激子将扩散到量子点中, 并辐射复合发光, 从而观察到量子点激子的长寿命衰变曲线. 这一实验结果与基于在散射场下的偶极子辐射模型计算结果一致.
2022, 71 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.71.20221509
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Fe基合金因独特的磁性能和简单的生产工艺, 被视为是重要的“双绿色”节能材料. 本文对Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄带进行不同物理时效处理(张应力退火、回火), 采用动态应变测量技术, 结合纵向驱动巨磁阻抗效应和同步辐射X射线衍射研究应力感生磁各向异性和晶格各向异性的弛豫动力学, 探寻应力感生磁各向异性的物理起源. 结果表明: 退火过程薄带轴向应变在玻璃转变点以下表现为弹性, 在玻璃转变点以上主要表现为塑性; 感生磁各向异性和晶格各向异性表现出不同的弛豫动力学, 数值拟合预言前者通过无限次回火归一化的磁各向异性趋于$ \kappa = 0.144 $ 的稳态值, 而后者仅通过有限次回火便可弛豫为0; 构建纳米晶分布各向异性模型, 主张应力感生不可逆磁各向异性Kd是由纳米晶分布各向异性$ \Delta \delta $ 所致, 且满足$ {K_{\text{d}}} = k\Delta \delta $ 的函数关系. 本文认为应力感生磁各向异性起源于纳米晶晶格各向异性和分布各向异性的协同作用, 对理解应力感生磁各向异性机理具有指导意义.
2022, 71 (24): 247502.
doi: 10.7498/aps.71.20220591
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机械天线被认为是目前能够实现甚低频和超低频天线小型化的新方案. 本文针对1-1型和2-1型磁电机械天线的阻抗特性进行系统研究. 基于天线振子的阻抗曲线和修正的Butterworth-van Dyke模型,分别获得阻抗最小频率$ {f}_{\rm{m}} $ 、串联谐振频率$ {f}_{\rm{s}} $ 以及谐振频率$ {f}_{\rm{r}} $ . 在此基础上, 本文通过实验分析了驱动电压、偏置磁场和机械品质因数(Q值)对磁电机械天线阻抗特性的影响规律, 并结合磁电机械天线的实际工作频率$ {f}_{\rm{d}} $ , 获得了1-1型和2-1型磁电机械天线的电阻和电抗分量. 实验结果表明: 无论是1-1型还是2-1型磁电机械天线, 其电抗分量均小于100 Ω, 基本可以看成一个纯阻性振子. 但是高Q值的磁电机械天线非线性效应强, 且自身阻抗相对较小, 难以支持高驱动电压的加载, 辐射能力有限. 本文对磁电机械天线的设计优化, 特别是在认识其阻抗特性的基础上进行Q值选择, 为下一代高辐射性能天线振子的设计提供了重要数据参考.
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2022, 71 (24): 247801.
doi: 10.7498/aps.71.20221417
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电子束衍射辐射源具有体积小、波长可调和极化可控等优点, 在纳米光子电路中显示出巨大的应用潜力. 这里展示了等腰直角三角形光阱纳米结构中电子束衍射辐射的光学手性现象, 可以获得手性度高于40%的衍射辐射信号, 光学手性的状态能被有效调控, 甚至可以实现手性的反转. 通过详细分析体系中的真空电磁模式和电荷分布的动态变化, 为这种手性光学效应的产生提供合理的理论解释. 电子束激发源所具有的纳米尺度下聚焦和移动的优势使电子束衍射辐射的光学手性具有灵活的调节潜力. 本文提出的物理机制和独特的实验平台对于未来二进制纳米光子电路和手性纳米光源的发展具有重要意义.
2022, 71 (24): 247803.
doi: 10.7498/aps.71.20221002
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氮化硅(β-Si3N4)是当下最具应用前景的热透波材料, 其基础物性高温介电函数的精准测量对加快氮化硅基热透波材料的设计, 解决高超声速飞行器“黑障”问题具有重要意义. 本文以第一性原理数据为基本输入, 基于深度神经网络训练得到深度学习势, 然后运用深度学习分子动力学方法计算了氮化硅高温微波介电函数. 与传统经验势相比, 深度学习势的计算结果与实验结果在数量级上保持一致; 同时发现, 深度学习分子动力学在计算速度方面表现优异. 此外, 建立了氮化硅弛豫时间温度依变性的物理模型, 揭示了弛豫时间温度依变性规律. 本研究通过实现大规模高精度的分子动力学模拟计算了氮化硅高温微波介电函数, 为推动氮化硅基材料在高温热透波领域的应用提供了基础数据支撑.
2022, 71 (24): 247901.
doi: 10.7498/aps.71.20221496
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对单脉冲飞秒激光加工熔融石英进行了理论和实验研究, 在追踪自由电子密度、温度和激光强度时空分布的基础上, 量化了飞秒激光辐照熔融石英的电子动力学及瞬态材料光学和热物理的演变过程. 通过将理论预测的烧蚀阈值、深度及轮廓, 和实验结果进行比较, 发现了理论预测结果与实验测量结果较好吻合, 验证了本文所提出的理论模型的有效性. 并进一步通过理论模型, 揭示了在不同飞秒激光能量密度(也称“激光通量”)和脉冲持续时间(也称“脉冲宽度”)的辐照下, 光致电离和碰撞电离中的自由电子弛豫时间演变规律, 发现了自由电子弛豫时间对材料光学性质的演变和飞秒激光能量吸收过程起着至关重要的作用. 理论模拟和实验测量均发现激光能量密度对烧蚀坑的形状有很大影响, 即在激光能量密度略高于烧蚀阈值时烧蚀体积与激光能量密度呈线性关系. 相较于皮秒激光而言, 在飞秒激光辐照下烧蚀体积随着激光能量密度的增加而增大更为明显. 因此, 本文提出在略高于烧蚀阈值时可获得较高的加工效率, 而在远高于烧蚀阈值时可获得良好的可重复性加工.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (24): 248201.
doi: 10.7498/aps.71.20221294
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扩散在图灵斑图形成和演化过程中起到了至为关键的作用. 本文采用双变量反应扩散模型, 数值研究了异质环境下各向异性扩散对图灵斑图的影响. 模拟结果表明: 各向异性扩散程度较大时, 系统斑图呈条纹斑图, 其空间取向由偏离分岔点程度大的扩散系数所决定; 各向异性扩散程度较小时, 斑图与各向同性扩散情况相同. 当扩散系数在空间中线性增长时, 由于空间异质性的影响, 不同区域可以选择不同的斑图类型, 斑图之间存在竞争. 当扩散系数受到一维周期性函数调控时, 斑图类型和波长由调控函数的波长以及系统本征波长所决定. 当调制波长大于本征波长时, 系统可呈现不同类型交替的双尺度混合斑图. 此外, 还发现非对角扩散系数D不仅影响了斑图的选择机制, 还扩展了图灵空间的参数范围.
2022, 71 (24): 248401.
doi: 10.7498/aps.71.20221364
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中温区Mg2(Si, Sn)基热电材料因其廉价、无毒无害等优点极具发展潜力. 其中, 三元Mg2Si1–xSnx合金的电子传输性能须通过元素掺杂来进行优化, 最常见的掺杂元素Bi和Sb均可以对载流子浓度、迁移率和有效质量等传输性能参数进行调节, 而不同的原子置换位置会对合金的电子传输特性产生较大的影响. 因此, 本文采用第一性原理计算的方法, 对Sb, Bi元素分别置换Si, Sn位置的缺陷形成能进行了分析, 结合能带结构和态密度的变化分析其对载流子传输性能参数的影响. 通过甩带快速凝固方法制备了Bi, Sb掺杂Mg2Si1–xSnx晶体, 结合求解Boltzmann方程对电子传输性能的预测结果进行对比分析. 结果表明, Bi, Sb原子均更加倾向于取代Si位, Sb原子的取代具有更低的形成能. 与Bi元素相比, 相同成分的Sb掺杂下载流子浓度较低, 但可以提供更大的载流子有效质量, 因此可以获得更高的Seebeck系数和功率因子, 最高值可达–228 μV/K和4.49 mW/(m·K2), 而Bi掺杂可以提供更高的电导率. 本研究结果可以为掺杂优化Mg2(Si, Sn)基合金的热电性能提供理论参考.
2022, 71 (24): 248402.
doi: 10.7498/aps.71.20221503
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针对室内通信系统, 设计了一款具有360°方位角连续扫描特性的圆形阵列天线. 圆形阵列天线由8个端射单极子八木天线阵元按旋转对称方式构成, 每个天线阵元包含一个激励单极子、一个反射器和4个引向器. 采用同幅同相激励时, 阵列天线可以工作于全向辐射模式; 采用扩展最大功率传输效率法计算最佳激励分布时, 阵列天线工作于定向辐射模式. 仿真和实验结果表明, 阵列天线工作于全向辐射模式的平均增益为3.78 dBi, 增益波动小于2.0 dBi; 阵列天线工作于定向辐射模式时的波束指向可以实现360°方位角连续扫描, 并保证了定向波束增益最大化和水平方位指向, 定向波束最大增益达到11.1 dBi, 方位角扫描增益波动小于0.4 dBi, 前后比大于12.5 dB. 设计的圆形阵列天线具有定向波束增益高、在方位角可连续扫描等技术优势, 可用于未来室内小基站系统.
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2022, 71 (24): 248501.
doi: 10.7498/aps.71.20221569
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超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是综合性能最优异的新型单光子探测器之一, 而传统的单像元SNSPD不具备空间分辨力, 且光敏面小, 光学耦合效率存在瓶颈, 因此, 研制大面积阵列器件是自由空间光子探测等应用的关键. 然而, 由于器件光敏面由大量超导纳米线组成, 研发大面积的阵列SNSPD面临工艺复杂、成品率低、制备困难等问题. 本文设计了一种超大面积纳米线阵列结构, 利用电子束抗蚀剂氢倍半硅氧烷(HSQ)曝光后可形成氧化硅电学隔离层的特点, 仅使用简化二维工艺即可完成大阵列SNSPD的制备, 对多层结构的传统立体工艺实现了降维. 器件经过行方向并联测量, 未发现坏点, 成品率高, 且实现了基础的成像功能验证. 此外, 本设计中采用了全超导电极以减少电阻热效应, 并在像元内增设了串并联电阻, 从而均分偏置电流, 同时能够可选地扩展阵列规模. 本工作为超大型阵列 SNSPD 的设计与制备提供了一种思路, 并有望应用于百万像素阵列 SNSPD 的制备, 与高效读出电路结合实现兼备大视场和高灵敏度的焦平面光子探测与成像系统.
编辑推荐
2022, 71 (24): 248502.
doi: 10.7498/aps.71.20221594
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高性能的中长波单光子探测器在红外天文和军事国防领域具有重要的研究价值, 也是单光子探测技术领域的研究难点. 超导纳米线单光子探测器在近红外波段已经展示出优异的性能, 但如何进一步提高器件的探测截止波长λc是一个受到广泛关注的话题. 本文探讨了一种通过超导无序调控辅助提高λc的方法, 设计并制备出工作波段为5—10 μm的超导单光子探测器. 理论分析表明, 增大衡量无序强度的主要评价因子即薄膜方块电阻Rs, 将有利于增大λc, 如当纳米线宽保持在30 nm且Rs > 380 Ω/square时, 可使得λc > 10 μm. 实验测得Rs约为320 Ω/square的Mo0.8Si0.2红外器件在6 μm波长上可以获得完全饱和的量子效率. 此外, 当器件工作在0.9ISW (ISW为纳米线超导转变电流)的偏置电流下时, 在10.2 μm波长上的量子效率达到53%.
地球物理学、天文学和天体物理学
2022, 71 (24): 249601.
doi: 10.7498/aps.71.20221556
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膝区反映了银河系宇宙射线源加速粒子能力的极限或银河系对宇宙线束缚能力的极限, 分成分能谱的测量是理解膝区物理的重要手段, 而宇宙线的成分鉴别和能量重建精度是分成分能谱测量的基础. 本文通过CORSIKA软件模拟了不同原初成分的膝区宇宙线的广延大气簇射, 对不同次级成分(包括正负电子、伽马射线、缪子、中子和切伦科夫光子)的宇宙线能量重建精度和鉴别能力进行了研究. 结果表明: 在膝区能段使用次级粒子中的电磁粒子(电子、伽马射线和切伦科夫光)进行能量重建精度较好, 其中对于质子, 能量重建精度约为10%—19%; 对于铁核, 能量重建精度约为4%—8%. 对于原初宇宙线的鉴别能力, 缪子粒子数密度在低能段(约100 TeV)和高能段(约10 PeV)的鉴别能力均最好, 在低能段正负电子和伽马射线横向分布形状的年龄参数的鉴别能力较好, 在高能段中子的粒子数密度的鉴别能力较好. 本文还对使用EPOS-LHC和QGSJet-Ⅱ-04强相互作用模型模拟的不同次级粒子成分的横向分布差异进行了研究. 结果表明正负电子、伽马射线和切伦科夫光在距簇射轴垂直距离大于20 m的区域内, 差异在5%以内, 缪子的粒子数在距簇射轴垂直距离大于100 m的区域内, 差异在5%以内, 而中子成分的粒子数更依赖于强相互作用模型, 两种强相互作用模型的差异大于10%. 该研究可为地面膝区能段宇宙线实验的能量重建和成分鉴别时次级成分的选取以及探测器类型的选取提供参考.
