专题: 非平衡量子多体系统
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2022, 71 (8): 080301.
doi: 10.7498/aps.71.20220360
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高保真度的多离子纠缠和量子逻辑门是离子阱量子计算的基础. 在现有的方案中, Mølmer-Sørensen 门是比较成熟的实现多离子纠缠和量子逻辑门的实验方案. 近年来, 还出现了通过设计超快激光脉冲序列, 在Lamb-Dicke区域以外实现超快量子纠缠和量子逻辑门的方案. 这些方案均借助离子链这一多体量子系统的声子能级来耦合离子之间的自旋状态, 并且均通过调制激光脉冲或设计合适的脉冲序列解耦多运动模式, 来提高纠缠门的保真度. 本文从理论和实验层面分析了这些多体量子纠缠和量子逻辑门操作的关键技术, 揭示了离子阱中利用激光场驱动离子链运动态, 通过非平衡过程中的非线性相互作用, 来实现量子逻辑门的基本物理过程.
专题: 纳米工程和热物理
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2022, 71 (8): 086302.
doi: 10.7498/aps.71.20220036
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纳米尺度热物理中的诸多新现象、新机制与声子弱耦合存在密切关联. 本文介绍了声子弱耦合机制, 以及相关的物理现象: 低维体系中热导率的尺寸效应、声子双温度现象和范德瓦耳斯堆叠界面的高热阻等. 同时概述了近年国内外学者对于这些新颖物理现象的前沿研究成果. 对声子弱耦合目前面临的问题, 例如理论模型如何加入声子波动性等, 进行了简要讨论和展望.
2022, 71 (8): 089201.
doi: 10.7498/aps.71.20212277
摘要 +
光热防冰防霜防雾表面作为一种新兴的技术, 因其出色的有效性和环境友好可持续的特点受到了各国学者的青睐. 本文聚焦太阳能光热防雾表面和超疏水太阳能光热防冰防霜表面的近期研究, 首先介绍太阳能光热表面及其机理, 然后分别介绍防雾领域和防冰防霜两个领域的主要工作. 以光热材料种类为分类依据总结不同光热材料表面的组成、制备方式、光学性能、疏水性能和防雾防冰防霜性能. 此外, 着重介绍了本联合课题组对光热表面的主要研究. 最后, 对光热防冰防霜防雾表面性能进行了总结与对比, 分析了光热表面目前的挑战与未来潜在的重要发展方向.
综述
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2022, 71 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.71.20211950
摘要 +
全球性气候变暖的持续使极地科学成为国际科研热点. 极地声学技术研究在近年国内学者的努力下取得了长足进展, 但在基础理论研究方面还有很多需要攻坚的难题. 极地冰声传播受弹性波导影响严重, 特殊的材料物理特性、复杂的边界条件以及极端恶劣的环境均给相关研究推进带来挑战. 针对冰声波导模型精细化构建难题, 本文从海冰物理特性概述、冰声传播理论模型构建、冰声传播特征方程数值求解以及冰声参数评估与选取四个方向出发, 回顾并梳理了极地海冰声波导建模关键技术的发展历程与研究现状, 分析了国内外冰声传播研究进展, 讨论并展望了冰声波导建模技术的未来研究重点以及其在极地开发中的应用潜力, 以期为后续极地声学理论与应用研究的开展提供有益参考.
总论
2022, 71 (8): 080201.
doi: 10.7498/aps.71.20212087
摘要 +
本文基于连续相场模型, 对内磁能作用下Fe-Cu-Mn合金中富Cu相析出行为进行了研究, 得到不同温度、不同Mn, Cu含量条件下的内磁能对富Cu相的平均颗粒半径、体积分数、吉布斯自由能的影响. 模拟结果表明, Mn含量越低, 居里温度越高, 内磁能对自由能的贡献越大, 且内磁能的贡献随温度升高而减小; 内磁能降低了相结构转变势垒, 促进了相结构转变. 沉淀相体积分数随Cu含量增加而增加, 通过对比有无内磁能对沉淀相体积分数的影响, 内磁能作用导致沉淀相拥有更大的体积分数. 因此在内磁能作用下, 富Cu相具有较大的平均粒径、体积分数和较小的矫顽力, 同时预测了合金硬度的变化趋势.
2022, 71 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.71.20211732
摘要 +
研究了外部周期信号和内部噪声共同激励下, 含记忆阻尼函数的周期势系统的随机共振. 针对具有多稳态特征的周期势系统, 推导出适用于一般多稳态模型的系统响应振幅和功率谱放大因子. 研究结果表明, 功率谱放大因子随温度的变化曲线出现单峰, 说明含记忆阻尼函数的周期势系统存在随机共振现象, 并且系统的记忆特性和稳态点数量对共振行为有着显著影响. 此外, 利用随机能量法进一步分析了系统的随机共振现象, 发现共振效应随着记忆时间的增加先减弱再增强. 在适当的温度条件下, 存在最优记忆时间可以最大化外部周期力对系统所做的功.
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2022, 71 (8): 080502.
doi: 10.7498/aps.71.20211871
摘要 +
非线性、非平稳系统的预测是一个具有重要科学意义的研究课题. 最近一些工作已将收敛交叉映射算法(convergent cross mapping, CCM)用于检验变量之间的因果关系, 由于在CCM算法中, 相空间中相互靠近的点在时间上具有相似的发展趋势和运动轨迹, 因此该方法可以尝试应用于非线性、非平稳系统的预测试验研究中. 鉴于此, 本文将CCM算法分别应用于Lorenz系统和实际气候时间序列的预测中, 并检测不同相空间重构方法对预测效果的影响. 主要结果如下: 1)不论是理想Lorenz模型还是实际气候序列, 对于单变量、多变量和多视角嵌入法3种重构相空间方法而言, 多视角嵌入法对变量的预测效果最好, 表明对于给定长度的时间序列, 重构相空间中包含的信息越多, 其预测能力越强; 2)将NAM (northern hemisphere annular mode)加入SAT (surface air temperature)的重构相空间中可以改善SAT的预测效果. 在使用单变量、多变量和多视角嵌入法进行预测时, 利用复杂系统中变量中共有信息的特性, 在时间序列长度一定的情况下, 可以利用动力系统的复杂性来增加系统内的信息. 基于因果检验的预测建模方法, 通过挖掘数据中定量信息的提取, 对非线性、非平稳系统预测技巧的改进提供了一个新颖的思路.
2022, 71 (8): 080503.
doi: 10.7498/aps.71.20212260
摘要 +
基于Lorenz96模型初步探讨了机器学习算法提高非线性局部Lyapunov向量(NLLV)集合预报效果的可行性和有效性. 结果表明: 基于岭回归算法和NLLV集合预报结果建立的机器学习模型(Ens-ML)能够有效提高整体预报技巧, 而且优于集合平均预报(EnsAve)、控制预报(Ctrl)以及基于Ctrl结果建立的机器学习模型(Ctrl-ML). 同时, 还发现Ens-ML的预报技巧改进程度依赖于集合成员的数量, 即增加集合成员数有助于提高Ens-ML模型的整体预报准确率. 通过对比个例预报表现得到, 随着预报时间延长, Ens-ML, Ctrl-ML和EnsAve的个例预报误差逐渐小于Ctrl. 进一步分析Ens-ML, Ctrl-ML和EnsAve预报的吸引子, 发现它们的概率分布的值域收缩、峰度增大并向平均值靠拢, 尤其Ens-ML的表现更为明显.
2022, 71 (8): 080601.
doi: 10.7498/aps.71.20212234
摘要 +
搭建了基于气体折射率方法的气体压力测量装置, 测量区间为10—100 kPa, 采用双腔比对方法对装置进行了检验. 通过将两个真空腔体分别控温, 并且真空连通, 保证了两个腔内气体压力相同. 以高纯氮气(6N)为气体介质, 在不同气体压力条件下, 得到了双腔对比测量的初步结果. 结果显示, 基于光学方法的气体折射率压力计重复度高于30 × 10–6, 显著好于商用电容式薄膜压力计, 说明该方法具有很大潜力. 本文还分析了测量中的误差来源, 并计划通过改进系统设计以提高测量精度.
2022, 71 (8): 080701.
doi: 10.7498/aps.71.20212031
摘要 +
法拉第磁旋转光谱(Faraday rotation spectroscopy, FRS)技术因其高灵敏度, 零背景噪声, 以及能有效避免抗磁性物质干扰的特性广泛应用于各类顺磁性痕量气体的探测. 目前大部分FRS技术采用线圈构造电磁场, 存在能耗高、发热多等问题. 为此, 开展了基于组合环形永磁体的空间磁场分布建模仿真研究, 意在建立轴向分布的磁场, 为测量FRS提供基于永磁体的沿光轴方向的匀强磁场. 仿真采用有限元网格剖分的方法, 基于麦克斯韦方程组, 开展组合磁环的磁场分布仿真研究, 并通过实验测量实际钕铁硼永磁体磁环阵列的磁场分布, 证明了建立物理模型的可靠性. 在此基础上提出了对永磁体磁环阵列的3种优化方案—单理想值优化、多段式单理想值优化和梯度优化方案, 来构造中心轴线磁感应强度分布均匀的匀强磁场. 最后通过引入磁场均匀度, 计算评估并分析比较了不同优化方案的优化效果, 为研发基于永磁体的FRS光谱设备提供参考.
核物理学
2022, 71 (8): 082401.
doi: 10.7498/aps.71.20211722
摘要 +
磷化铟(InP)作为第二代化合物半导体材料, 抗辐照能力强, 光电转换效率高, 在光子领域和射频领域具有优势. 大气空间中, InP半导体器件受大气中子辐照影响, 器件性能发生退化. 本文采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对InP中子辐照效应进行模拟, 得到InP中不同能量中子产生的位移损伤初态分布. 结果表明: 在微米量级内, 非电离能量损失(NIEL)随深度均匀分布, 在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增大而降低, 当靶材料足够厚时可以降低至零; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的NIEL及其随深度分布, 发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势, 该趋势主要由非弹性散射反应产生的初级反冲原子(PKA)造成; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的PKA种类、能量, 发现In/P的PKA占比较大, 是产生位移损伤的主要因素, 中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大, 但PKA主要分布在低能部分. 研究结果对InP基5G器件在大气中子辐射环境中的长期应用具有理论和指导价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (8): 084101.
doi: 10.7498/aps.71.20211901
摘要 +
针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求, 开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究. 利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标, 弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性, 获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据. 研究结果表明: 在不同实验状态下, 包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级, 模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大, 最大相差1个多数量级; 在给定的实验条件下, 模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS, 模型尾迹X波段RCS显著增强; 高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域. 根据弹道靶实验条件, 开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真, 仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 dB, 验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的有效性.
2022, 71 (8): 084102.
doi: 10.7498/aps.71.20212174
摘要 +
更宽的工作频带和更低的雷达散射截面(radar cross section, RCS)一直是低可探测领域研究的热点, 然而这两者往往难以兼顾. 鉴于此, 本文提出了一种幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面, 通过在宽带范围内同时设计两个单元的反射相位和反射幅度, 使目标RCS在空间域和能量域分别获得10 dB以上减缩, 从而通过叠加获得20 dB以上的宽带RCS减缩. 仿真和实验结果表明, 在两种极化下, 幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面可以在6.10—12.15 GHz频带范围内获得20 dB以上的RCS减缩效果, 同时10 dB减缩带宽为4.3—14.2 GHz. 所设计的超表面具有减缩幅度大、减缩频带宽、质量轻、单层结构、极化稳定性好、柔性易共形等优点, 有望为低可探测材料研制以及低可探测装备性能提升提供新的技术途径.
2022, 71 (8): 084103.
doi: 10.7498/aps.71.20211337
摘要 +
金属纳米结构应用于产生和调控结构色有巨大的潜力. 本文设计了一种基于银纳米非对称共轴腔的阵列结构, 研究环形腔在非对称情况下对于结构色产生和调控的影响, 通过时域有限差分的方法对非对称共轴腔有序阵列进行仿真计算, 得到了结构几何参数对结构色的影响. 结果表明, 调节共轴腔深度、开口大小和厚度都能产生丰富的结构色. 实验与仿真结果基本一致. 相比对称式结构的共轴腔, 本文提出的非对称金属纳米结构在颜色显示方面具有更好的可调性, 在彩色成像、高分辨率成像、防伪等方面有潜在应用.
2022, 71 (8): 084104.
doi: 10.7498/aps.71.20212335
摘要 +
采用900 eV能量的电子对直玻璃管进行了穿透实验, 测量了玻璃管在倾角为–0.15°, –0.4°和–1.15°时充电过程角分布的时间演化, 以及平衡态下出射电子能谱. 发现穿透率随时间先下降后上升最后趋于平稳, 下降的时间随倾角的增大而减小. 当倾角为–0.4°和–1.15°时, 电子穿透率下降到最低点时几乎看不到穿透电子(穿透率小于3‰), 这种穿透率最低点状态保持时间随倾角增大而增大. 穿透电子的角分布中心随着时间变化. 在平稳状态时, 发现穿透电子的能量损失随倾角增大而增大. 采用蒙特卡罗方法模拟了电子经过管壁不同次数反射后的能谱, 与测量能谱进行对比, 发现–0.15°, –0.4°和–1.15°倾角下, 穿透电子分别经历了管壁的一次、两次和三次与表面的反射过程. 基于此, 本文对电子穿越玻璃管的充电过程动力学给出了物理解释. 实验结果和理论分析表明, 在小倾角下玻璃管内能形成宏观负电荷累积, 排斥后续电子形成反射, 增加电子出射概率, 这对应用绝缘体微结构, 例如玻璃锥管产生稳定的电子微束具有重要的参考意义.
2022, 71 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.71.20212086
摘要 +
多普勒差分干涉仪是近年来发展起来的一种适用于中高层大气风场星载测量的干涉仪, 它依靠对干涉图相位的精确反演计算气辉谱线的多普勒频移得到大气风速. 环境温度的变化导致干涉仪光机组件发生热变形, 造成成像面在干涉方向上的热漂移, 改变相位的像元分布, 直接引入相位误差从而影响风速反演. 为了减小这种成像热漂移对多普勒差分干涉仪相位反演的影响, 本文用分段拟合的方法检测光栅的标尺刻槽在干涉图中成像图案的边缘, 定位刻槽图案的亚像元位置并依此监测成像热漂移. 在近红外多普勒差分干涉仪样机的热稳定实验中, 像面热漂移检测结果与环境温度在高频振荡变化趋势上表现出较高一致性, 二者相关系数经去基线后可达0.86, 而干涉图相位漂移经成像热漂移校正后其高频振荡也得到大幅抑制, 证明了该算法的有效性. 为了进一步验证该算法精度, 计算了数据信噪比以及拟合所用各项数据分布特征参数误差对边缘检测的影响, 结果表明, 边缘检测精度主要受数据信噪比和条纹频率参数准确性的制约, 当拟合用条纹频率参数误差小于0.5%而其他数据分布特征参数误差在1%以内, 数据信噪比在约35倍以上时, 本文算法可以实现高于0.05像元的检测精度.
2022, 71 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.71.20212090
摘要 +
在吸收光谱技术中, 使用光学腔增长激光与气体介质的作用路径, 可提升探测灵敏度. 然而, 高反射率腔镜会存在双折射效应, 导致光学腔产生两个本征偏振态, 入射光在两个偏振方向相移的不同会导致腔模的分裂, 会引起腔增强光谱信号以及腔衰荡光谱信号的扭曲. 本文观测到了双折射效应下腔增强信号的频率分裂现象, 并给出了函数模型, 拟合结果表明其可以准确得到透射腔模中不同偏振光的比例. 根据上述比例, 可给出考虑不同耦合效率、双折射效应下的腔衰荡信号模型, 实验结果表明相较于传统e指数模型, 本文模型可更精确描述腔衰荡信号, 得到拟合残差的标准偏差最大抑制了9倍. 该分析有利于改善腔衰荡信号信噪比和不确定性, 提升其浓度反演准确度.
2022, 71 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.71.20212162
摘要 +
报道了用于光腔衰荡光谱测量的多支路掺铒光纤飞秒光梳系统. 该系统以“9”字型全保偏掺铒飞秒光纤激光器为激光源. 利用自制的锁相环电路, 获得的重复频率和载波包络相移频率秒级稳定度分别为5.85 × 10–13和4.95 × 10–18. 为了满足CO, CH4等分子吸收光谱测量, 利用啁啾放大和非线性光谱展宽技术, 采用多支路结构, 将飞秒光梳直接输出光谱由1500—1600 nm分别扩展至8个目标波长(1064, 1083, 1240, 1380, 1500, 1600, 1750和2100 nm)处, 各目标波长处的单模功率均大于300 nW, 满足光腔衰荡光谱测量实验的需求.
2022, 71 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.71.20211181
摘要 +
首先建立(2+1)维(二维空间和一维时间)Zakharov方程的自相似变换, 并将该系统转换为(1+1)维非线性薛定谔(nonlinear Schrödinger, NLS)方程; 然后基于该相似变换和已知的(1+1)维NLS方程有理形式解, 通过选择合适参数得到了(2+1)维Zakharov方程在x-y平面上丰富的线怪波簇激发, 发现产生线怪波簇最大辐值时的传播距离$ z $ 值完全不同, 而且形状和幅度可以得到有效调控; 最后借助图示展现了二维怪波的传播特征. 此外, 发现在x-y平面上, 当参数$ \gamma = 1 $ 时, 呈现线怪波; 而当参数$ \gamma \ne 1 $ 时, 线怪波转变为离散的局域怪波. 随参数$ \gamma $ 的增大, 可以在x-y平面限定区域获得时空局域的怪波, 这与Peregrine在(1+1)维NLS方程中发现的“Kuznetsov-Ma孤子”(Kuznetsov-Ma soliton, KMS)或“Akhmediev呼吸子”(Akhmediev breather, AB)极限情形的“Peregrine 孤子”(Peregrine soliton, PS)类似. 本文提出的(2+1)维Zakharov方程怪波方法可以作为获得高维怪波激发的有效途径, 并推广应用于其他(2+1)维非线性系统.
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2022, 71 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.71.20211953
摘要 +
具有单(纯)色上转换荧光发射特性的发光材料, 有望在三维显示、照明、生物成像、促进植物生长以及提高太阳能电池光电转换效率等领域得到应用, 受到研究人员的广泛关注. 本研究通过玻璃热处理析晶的方法, 在稀土离子Yb3+/Er3+共掺的氟硅酸盐玻璃中原位生长出了钙钛矿型的KMnF3氟化物纳米晶体, 并观测到了显著增强的高单色性上转换红色发光. 采用具有高分辨率的透射电子显微测试分析技术和第一性原理计算相结合, 研究了稀土离子在KMnF3纳米晶复合微晶玻璃中的掺杂机制, 并讨论了稀土离子微观分布和能量传递效应对其上转换发光性能的影响. 实验结果表明: 稀土离子将通过优先取代KMnF3晶体中K+格位的方式选择性富集在具有低声子能量的氟化物纳米晶体中, 并由此获得显著增强的上转换发光强度.
2022, 71 (8): 084302.
doi: 10.7498/aps.71.20212150
摘要 +
基于磁流体管内单泡的动力学模型, 通过引入泡间次级声辐射并考虑磁流体黏度的磁场效应, 建立了管内“泡对”系统在磁声复合场中的动力学方程, 分析了磁场强度、泡对尺寸、泡间相互作用(包括次级Bjerknes力FB和磁吸引力Fm)及流体特性等对双泡振动特性的影响. 结果表明, 磁场增大了泡对的振幅, 对大泡的影响远大于对小泡的影响. 当两泡中心间距一定、两泡相对尺寸越大时, 或是当两泡尺寸一定、两泡表面间距越小时, 双泡之间的相互作用越强. 磁声复合场中, 磁场会影响FB, Fm, 磁压Pm及黏滞阻力等, 且影响程度各不相同; FB和Fm及Pm和黏滞阻力之间均存在竞争关系, 与作用在微泡上的所有力共同影响泡的运动. 通过研究“泡对”系统的动力学行为, 为实际应用中调节磁声场, 提高微泡对生物组织的靶向调控治疗效果提供了一定的理论依据.
2022, 71 (8): 084303.
doi: 10.7498/aps.71.20212257
摘要 +
为分析超声空化的薄层液体中稳定的环状气泡链结构, 本文考虑气泡间次级声辐射影响, 得到了表征气泡间相互作用的气泡基本动力学方程以及次Bjerknes力的表达式, 数值分析了气泡平衡半径、声波频率和声压对纯液体区可能出现的单气泡所受的次Bjerknes力, 发现环形泡链能够吸引液体区内的新生的半径小于2 μm的气泡, 这可能是一定条件下环形气泡链能够稳定存在的原因. 随着驱动声波压力增加, 气泡数密度增加, 气泡间的耦合作用增强, 液体区内的环形泡链结构可能被液体区内出现的大气泡或者气泡团破坏, 进而导致环形结构演变成柱状、雾状乃至整个液体区均充满空化泡的情况发生. 通过高速摄影机观察了强声场作用下换能器辐射面外侧液体薄层内空化初生至形成空化云团簇的整个过程, 在空化云团簇中发现了局部同步崩溃并形成类纯液体薄层的现象, 该液体薄层边界随时间振荡持续约4个声周期后被空化云团簇吞没, 局部类纯液体区出现的位置具有随机性. 实验观察结果和理论预测具有很好的一致性.
2022, 71 (8): 084304.
doi: 10.7498/aps.71.20211742
摘要 +
在复杂浅海波导中, 环境参数的不确定性影响检测的稳健性, 故稳健检测是浅海检测中的重要问题. 本文结合简正波模型, 定义和估计了不确定环境中的水平阵角度域子空间, 提出了水平阵角度域子空间检测器及其稳健形式. 角度域子空间利用了不同环境参数条件下的水平阵远场观测模型, 包含了不确定环境参数信息, 估计过程中利用了硬海底条件下传播模态的水平波数与水体、沉积层声速之间的关系, 具有较少的先验信息要求和较低的实现复杂度. 在此基础上提出的水平阵角度域子空间检测器实现简单, 在不确定环境中具有一定的稳健性, 但其检测性能随目标方位角起伏. 将角度域子空间变换到维数恒定的子空间中, 得到角度域子空间检测器的稳健形式, 即稳健水平阵角度域子空间检测器, 该检测器在不确定环境中具有一定的稳健性, 同时检测性能在各目标方位上一致. 不确定浅海环境中的仿真结果表明, 稳健水平阵角度域子空间检测器具有和能量检测器近似的稳健性, 同时提高了检测能力.
2022, 71 (8): 084501.
doi: 10.7498/aps.71.20211647
摘要 +
绝缘颗粒系统的摩擦带电现象是一种普遍现象, 但至今仍未得到很好的认识. 月球及火星表面漂浮着大量尘埃颗粒, 这将严重影响探测设备的太阳能帆板、散热和观察系统等的正常工作. 近年来, 电帘除尘方法被认为是在月表进行尘埃防护的有效手段, 研究表明颗粒表面摩擦带电对月尘静电来源贡献最大, 因此正确理解颗粒摩擦带电的机理对分析尘埃颗粒的运动规律至关重要. 本文建立了一个基于高能态电子假定的分析模型来预测颗粒间的摩擦电荷分布. 计算了颗粒摩擦生电与颗粒粒度的依赖关系, 以及粒度范围对摩擦电荷产生的概率大小的影响. 揭示了电荷分布的一个上限, 并讨论了可能的原因. 对粒子碰撞过程中的电荷转移进行了粒子动力学模拟, 验证了理论预测结果.
2022, 71 (8): 084701.
doi: 10.7498/aps.71.20212171
摘要 +
针对经典圆柱绕流问题, 采用深度强化学习方法, 提出了基于壁面压力反馈的圆柱绕流减阻闭环主动控制方法, 并比较分析了施加控制前后圆柱阻力系数、升力系数及流场的差异. 控制系统中, 以圆柱壁面上均匀分布的压力探针测得的信号作为反馈, 利用多层感知机建立压强信号与吹/吸射流及控制效果的映射关系, 即控制策略; 通过在圆柱上下表面狭缝施加连续可调的吹/吸射流来进行主动控制. 同时, 利用深度强化学习中的近端策略优化方法, 在大量的学习过程中对该控制策略进行不断调整和优化, 以实现稳定减阻效果. 在圆柱绕流流动环境搭建方面, 采用格子Boltzmann方法建立与深度强化学习模型之间的交互式框架, 模拟提取非定常流场条件下圆柱表面的压强信号, 并计算实时调整吹/吸射流强度时圆柱表面升力、阻力数据, 以评估所选控制策略的优劣. 研究表明: 雷诺数为100时, 主动控制策略能减少约4.2%的圆柱阻力, 同时减少约49%升力幅度; 同时施加主动控制后圆柱的减阻效果与圆柱回流区长度呈现强相关趋势. 此外, 不同雷诺数下智能体习得的策略减阻效果不同, 雷诺数为200和400时, 该主动控制策略能依次减小圆柱阻力17.3%和31.6%. 本研究可为后续开展基于壁面压力反馈的圆柱流动主动控制实验以及其他复杂环境下钝体流动智能控制提供参考.
气体、等离子体和放电物理
2022, 71 (8): 085201.
doi: 10.7498/aps.71.20212115
摘要 +
随着高超声速飞行器速度增大, 激波层空气等离子体中的原子发射谱线成为辐射加热主要来源, 因此研究原子激发非常重要. 考虑到处于热非平衡态的空气等离子体, 平衡态统计理论不适用. 精细物理模型(如碰撞辐射模型)虽然可以处理热非平衡问题且准确度高, 但计算量太大, 难于工程应用. 本文采用束缚态特征温度法, 结合FIRE II激波管实验中的非平衡空气等离子体, 对原子激发进行了分析. 计算得到的原子能级布居与碰撞辐射模型符合, 说明简化计算是合理的, 计算效率提高了2000倍以上, 且能够保证一定的精度.
2022, 71 (8): 085202.
doi: 10.7498/aps.71.20212044
摘要 +
为了增强临近空间超高声速飞行器中的北斗天线的辐射性能, 采用了施加静态强磁场削弱特定区域等离子体电子密度的方案, 开展多物理场时域建模分析方法研究. 首先利用具有谱精度的时域谱元(SETD)法对静态强磁场作用下等离子鞘套中北斗天线周围电子浓度的削减程度进行分析, 再利用共形时域有限差分(CFDTD)方法对临近空间高超声速飞行器的北斗天线辐射特性进行建模仿真分析. 本文所提方法预测了真实流场空间中静态强磁场对飞行器中北斗天线辐射性能的影响. 仿真结果表明, 施加静态强磁场能够对电子浓度起到“吹散”作用, 从而提升等离子鞘套中北斗天线的辐射性能, 为减弱等离子鞘套对临近空间高超声速飞行器中北斗天线辐射性能的影响提供理论指导.
2022, 71 (8): 085203.
doi: 10.7498/aps.71.20212151
摘要 +
2 cm电子回旋共振离子推力器具有高比冲、长寿命的特点, 其应用于引力波探测的可行性已经过初步探索. 然而, 在探究离子源推力下限的过程中发现, 在极低功率(0.5 W)和极低流量(0.1 sccm, 1 sccm = 1 L/min)的极限工作状态下, 过度施加栅极电压可能引发离子源猝灭. 采用实验手段对猝灭现象进行观测的难度很大, 一方面因为猝灭现象具有随机性和瞬时性; 另一方面, 介入式诊断对弱放电水平的等离子体干扰很大, 而光学诊断又有栅极系统阻挡. 为此本文采用全粒子数值模型对离子源进行了一体化模拟, 复现了猝灭现象. 模拟结果表明, 天线和放电室之间的双极扩散是导致离子源猝灭的最根本原因. 明晰了猝灭机理后, 本文提出了相应的改进措施, 并用一体化模拟进行了理论验证. 对猝灭机理的研究将为离子源的设计和应用提供理论依据, 保障离子源安全稳定工作, 满足引力波探测任务的推力需求.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2022, 71 (8): 086101.
doi: 10.7498/aps.71.20212025
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作为潜在的功能及结构材料, 高熵非晶合金在凝聚态物理和力学领域引起广泛的研究兴趣. 高熵非晶合金宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的关联是当前重要的科学问题之一. 本文选取非晶形成能力良好的Pd42.5Cu30Ni7.5P20非晶合金和Pd20Pt20Cu20Ni20P20高熵非晶合金作为模型体系, 借助于动态弛豫行为及应力松弛实验建立了温度和物理时效对非晶合金高温变形机制与微观结构非均匀性之间的关联. 研究结果表明Pd基非晶合金表现出“肩膀峰”β弛豫形式. 玻璃转变温度以下物理时效非晶合金体系原子移动性导致β弛豫肩膀峰往更高的温度迁移. 在应力松弛过程中, 由于高构型熵的引入降低吉布斯自由能, 这是高熵非晶合金具有较高激活能的原因. 高熵非晶合金更难被激活, 需要突破更高的能量势垒. 物理时效时间增加, 高熵非晶合金流变单元更小, 这也得益于多主元高熵非晶合金慢扩散效应. 高熵非晶合金激活体积的改变在物理时效下应力松弛过程中的敏感性低于对应的非晶合金.
2022, 71 (8): 086102.
doi: 10.7498/aps.71.20211999
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利用磁控溅射技术沉积了Ta/BaTiO3/Al2O3/ITO多层薄膜, 观察到该结构中的电阻开关现象受到限制电流的调控. 在限制电流大小为10–2 A时, 器件中的电阻开关现象达到最优. Ta/BaTiO3/Al2O3/ITO多层薄膜的电阻开关具有良好的可重复性和稳定性. 本文使用空间限制电流的传导模型对Ta/BaTiO3/Al2O3/ITO器件中受限制电流调控的电阻开关传导机理进行了解释.
2022, 71 (8): 086103.
doi: 10.7498/aps.71.20211981
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石墨烯在新基材上的生长一直是被关注的焦点, 而在以金刚石多晶体为基底沉积石墨烯的成核机理方面的研究对石墨烯大规模的制备具有重要的现实意义. 本文采用反应性分子动力学仿真技术, 模拟了镍催化双晶金刚石辅助石墨烯沉积生长的过程, 研究了金刚石晶界对石墨烯成核生长过程中动力学行为的影响. 研究结果表明晶界碳原子可作为补充碳源扩散至镍自由表面, 参与石墨烯的成核生长. 论文探究了温度对碳原子扩散行为的影响, 发现当沉积温度为1700 K时, 利于晶界碳原子在镍晶格中扩散, 有效提高石墨烯成核密度; 探究了沉积碳源流量对石墨烯表面质量影响, 发现1700 K下采用较低的碳沉积速率1 ps–1有利于获得最佳的石墨烯表面质量. 本文的研究结果不仅为金刚石晶界辅助石墨烯沉积生长提供了有效的理论模型和机理解析, 还揭示了沉积温度和沉积碳源流量对生长石墨烯表面质量的影响规律, 为石墨烯/金刚石多晶体异质结构在超精密制造和微电子领域的实际应用提供理论基础.
2022, 71 (8): 086201.
doi: 10.7498/aps.71.20211753
摘要 +
镁合金因其低密度被视为最轻的工程结构金属材料, 但因较差的塑性变形行为限制了其广泛应用, 因此增强镁合金的综合力学性能已经成为当前材料领域的研究热点. 本文采用分子动力学模拟方法, 研究了在拉伸载荷下石墨烯对金属镁变形行为和力学性能的影响. 研究结果表明, 石墨烯的嵌入能够明显提升金属镁的强度和杨氏模量, 并对其塑性变形阶段的第二次应变强化产生较大影响. 研究指出, 石墨烯镁基(GR/Mg)复合材料和纯镁的塑性变形行为相同, 在塑性变形过程中均发生了从密排六方到体心立方再到密排六方结构的相变. 石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料上下两部分镁基体的塑性变形行为有较大的影响. 当石墨烯嵌入高度较小时, 石墨烯下方的镁基体塑性变形能力较强, 容易发生位错滑移, 而当石墨烯嵌入高度较大时, 石墨烯上下方的两部分镁基体的塑性变形能力相当, 它们的塑性变形行为趋于同步. 此外, 本文对镁基体的相变机制也进行了详细分析. 本文的研究结果对于设计高性能的石墨烯金属基复合材料具有一定的理论指导意义.
2022, 71 (8): 086301.
doi: 10.7498/aps.71.20212144
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超高强度马氏体钢的力学性能强烈依赖于逆变奥氏体的形状、尺寸及含量. 通常, 提高逆变奥氏体含量, 有助于改善超高强度钢的塑韧性. 对含Cu马氏体淬火钢时效处理时, Cu粒子会在马氏体组织边界沉淀, 并作为质点促进逆变奥氏体形核. 为了探索不同合金元素对逆变奥氏体在Cu沉淀上异质形核的影响, 本文利用第一性原理方法研究了合金元素X (X = Cr, Al, Mo, W, Ni, Co, Mn)对Cu/γ-Fe界面性质的影响, 并分析了合金原子替换界面处Cu和Fe原子前后界面的黏附功、界面能和电子结构. 研究结果表明, 合金元素Cr, Mo, W, Mn替换Cu/γ-Fe界面处Cu原子时, Cu/γ-Fe界面处产生强烈的X—Fe共价键, 黏附功增大且界面能减小, 显著提高界面稳定性, 促进γ-Fe在Cu沉淀上异质形核. 而替换界面处Fe原子时, 界面稳定性变化很小, 掺杂原子与相邻的其他原子成键较弱.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2022, 71 (8): 087201.
doi: 10.7498/aps.71.20212068
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本文把同分异构体3,3'-Di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl (mCBP)和4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)作为给体, PO-T2T作为受体, 以质量比1∶1制备了两种激基复合物器件, 并在不同温度和偏压下测量了器件的发光磁效应(magneto-electroluminescence, MEL). 发现室温下mCBP为给体的器件, 其MEL的低磁场部分表现出反向系间窜越(reverse intersystem crossing, RISC)过程, 降温时该RISC转变为系间窜越(intersystem crossing, ISC)过程; 而CBP为给体的器件则表现出ISC过程, 且降温时ISC过程先减弱后增强. 室温下两种器件MEL的高磁场部分都体现为三重态激子与电荷的猝灭, 但在20 K下CBP为给体的器件还出现了三重态-三重态激子湮灭. 两种完全相反的低磁场线型与mCBP和CBP不同的结构导致三重态激子能量的高低有关. 低温下微观过程的改变是因为低温不利于RISC过程、ISC过程和能量损失等演化通道. 此外, 当mCBP:PO-T2T质量比从1∶4到1∶1再到4∶1时, 器件中的RISC过程越来越强, 这是由于器件更趋平衡有利于RISC过程的结果. 当以两种激基复合物为主体掺入TBRb荧光客体材料, 在mCBP:PO-T2T为主体的器件中得到了更高的外量子效率. 本工作为制备高效率激基复合物发光器件提供了实验和理论参考.
2022, 71 (8): 087501.
doi: 10.7498/aps.71.20212128
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本研究通过高真空退火法制备了钾掺杂三(二苯甲酰甲基)铁分子晶体的粉末样品. X-射线衍射测试结果表明, 合成样品与纯三(二苯甲酰甲基)铁的晶体结构明显不同, 平均晶粒尺寸约为20.5 nm. 直流磁化率和交流磁化率的测试结果表明, 合成的样品具有阻塞温度(TB)约为8.0 K的超顺磁性, 这与纯有机物在1.8—300 K整个测试温区的顺磁性存在本质的差异. 根据拉曼光谱测试结果可以确认, 掺杂材料中钾的4 s电子转移到了三(二苯甲酰甲基)铁的苯环上, 引起了拉曼模式的红移, 同时电荷转移也导致苯环上局域磁矩的形成. 本研究工作对碱金属掺杂芳香烃分子晶体的合成和物性研究具有重要的意义, 并为寻找新型的有机铁磁体提供了一条新的途径.
封面文章
2022, 71 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.71.20212358
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过渡金属硫化物单层具有直接带隙, 可产生较强的光致发光, 这一特殊的性质使其在光电器件、光电探测等领域具有广泛的应用前景. 由于只有原子级别的厚度以及存在激子的非辐射复合, 其光致发光效率仍有待提高. 本文设计了一种金膜-二氧化钛光栅-过渡金属硫化物单层组合结构, 可大幅提升过渡金属硫化物单层光致发光效率. 利用Purcell效应对自发辐射速率进行控制, 得到峰值为3.4倍的发光增强. 研究了单层二硫化钨以及单层二硒化钨在设计结构上的光致发光信号, 通过实验证实了过渡金属硫化物单层与亚波长光栅耦合结构中光致发光增强的可行性, 为二维材料在光电器件中的应用提供了一个新思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (8): 088101.
doi: 10.7498/aps.71.20212156
摘要 +
L12-Al3Sc纳米析出相的热稳定性对于Al-Sc合金的耐热性意义重大. 不同溶质原子在L12-Al3Sc界面的偏析行为可能对Al-Sc合金中L12-Al3Sc析出相的热稳定性造成影响. 本文针对过渡族微合金化元素Cu和Ti的L12-Al3Sc/Al界面偏析, 开展第一性原理能量学计算研究. 结果表明, Cu和 Ti均倾向于以替换方式偏析在界面Al侧, 但偏析驱动力和偏析占位有明显差异. 在给定温度下, 基体浓度对界面偏析量也有重要影响. 基体浓度越高, 偏析驱动力越大, 界面平衡偏析量或最大界面覆盖率越大. 温度为600 K、基体原子浓度为1%时, Ti对偏析界面的最大覆盖率可达80% (0.8 单原子层), 而Cu不超过4% (0.04 单原子层).
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2022, 71 (8): 088102.
doi: 10.7498/aps.71.20211447
摘要 +
超宽禁带半导体金刚石材料在高温、高压电路中具有重要的应用潜力. 本研究采用微波等离子体化学气相沉积生长的单晶金刚石衬底制备了原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)的Al2O3栅介质的氢终端金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)器件, 并与负载电阻互连, 成功制备了金刚石反相器. 4 μm栅长的氢终端金刚石器件实现了最大113.4 mA/mm的输出饱和漏电流, 器件开关比高达109, 并在不同负载电阻条件下均成功测得金刚石反相器的电压反转特性, 反相器的最大增益为10.
2022, 71 (8): 088901.
doi: 10.7498/aps.71.20212106
摘要 +
随着网络科学的发展, 静态网络已不能清晰刻画网络的动态过程. 在现实网络中, 个体之间的交互随时间而快速演化. 这种网络模式将时间与交互过程紧密联系, 能够清晰刻画节点的动态过程. 因此, 如何更好地基于时间序列刻画网络行为变化是现有级联失效研究的重要问题. 为了更好地研究该问题, 本文提出一种基于时间序列的失效模型. 通过随机攻击某时刻的节点, 分析了时间、激活比例、连边数、连接概率4个参数对失效的影响并发现网络相变现象. 同时为验证该模型的有效性与科学性, 采用真实网络进行研究. 实验表明, 该模型兼顾时序以及传播动力学, 具有较好的可行性, 为解释现实动态网络的级联传播提供了参考.
地球物理学、天文学和天体物理学
2022, 71 (8): 089101.
doi: 10.7498/aps.71.20211463
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弹性波在非饱和孔隙介质中传播时, 孔隙流体会发生宏观Biot流、微观喷射流以及由于孔隙流体不同(气、液双相)导致的介(中)观流. 将非饱和孔隙介质等效为含液相孔隙流体的背景介质中嵌入含气相孔隙流体的包裹体, 在非饱和双重孔隙介质模型基础上, 引入微观喷射流, 建立了包含宏观、微观和介观三种尺度波至流的非饱和孔隙介质波传播方程. 数值分析表明该模型可以更好地预测更宽频带内的波速频散和衰减.
2022, 71 (8): 089202.
doi: 10.7498/aps.71.20211792
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本文基于实测的热力湍流探空数据, 使用WR95方法识别低云的垂直结构, 对比分析了低云与晴空天气下大气折射率结构参数$ C_n^2 $ 、气象条件和大气稳定度的平均统计结果. 结果表明, 低层薄云对$ {C}_{n}^{2} $ 起伏变化的影响微乎甚微, 仅仅表现出轻微增大的趋势, 云底$ {C}_{n}^{2} $ 相对于晴空天气平均增大1.6倍, 云顶之上最大程度增大2.5倍. 低层中厚云在云顶处$ {C}_{n}^{2} $ 相对于晴空天气增大了3.80—6.61倍, 且云顶区域$ C_n^2 $ 增大的幅度大于云底区域. 云底区域大气湍流特性受到地面热力驱动与低云冷却的联合作用, 沉降气流与地面向上气流发生了耦合, 增强了风切变, $ C_n^2 $ 在这一高度附近也出现了增强. 综合对比晴空和有云天气$ C_n^2 $ 大小可知, 云对$ C_n^2 $ 的增强效应大致在10–16量级. 一方面, 风切变在云顶处或者云顶之上达到最大值; 另一方面, 因为云顶短波辐射增温和长波辐射冷却的共同作用, 云顶之上会形成不同厚度的逆温层, 致使云顶处位温变化率急剧增大, Brunt-Vaisala频率$ {N^2} $ 值较晴空天气下增大了0.5—3.0倍; 而云底区域$ {N}^{2} $ 均小于晴空天气. 由于云层多尺度活动引发的湍流效应, 势必会引起对激光传输大气效应评估和订正的偏差. 正确掌握不同相态云层及边界处湍流的变化规律, 也可以为进一步建立云层周围大气湍流的变化规律模型奠定基础.
