专题: 太赫兹自旋光电子
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2022, 71 (9): 090702.
doi: 10.7498/aps.71.20201139
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自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来, 电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生. 利用逆Rashba-Edelstein效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi界面得到证实, 而LaAlO3/SrTiO3界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi界面约一个数量级, 但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究. 本文制备了NiFe/LaAlO3//SrTiO3(001)系列样品, 在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应, 并通过改变LaAlO3层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性, 观察到了在LaAlO3/SrTiO3界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱, 为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.
综述
2022, 71 (9): 094207.
doi: 10.7498/aps.71.20212063
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基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点. 相比传统解调方法, 基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势, 在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势. 近年来, 随着光子集成技术的发展, 各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化. 本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理, 结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展, 归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景, 从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议, 为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考.
2022, 71 (9): 097503.
doi: 10.7498/aps.71.20212354
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近年来, 随着物联网、仿生机器人、移动式医疗健康等领域的兴起, 柔性电子材料和器件受到广泛关注. 基于磁性材料构建的传感器和存储器是电子器件的重要组成部分. 随着柔性薄膜材料制备技术的发展, 人们已经制备出高质量的柔性乃至可拉伸的磁性金属和氧化物薄膜, 它们展现的不仅是更强的变形能力, 还有新的物理效应与响应规律. 研究结果表明, 柔性磁电子器件在非接触传感、高灵敏应变探测、超分辨触觉感知等方面展现出独特的优势, 具有广阔的应用前景. 本文主要从柔性磁性材料的制备、物性调控规律和器件应用方面综述这一新兴领域的发展动态, 并对其未来的发展趋势进行展望.
总论
2022, 71 (9): 090301.
doi: 10.7498/aps.71.20212168
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研究了玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学特性, 其中玻色子位于对称双势阱中, 费米子位于对称双势阱中心的简谐势阱中. 采用双模近似方法得到描述双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的动力学特性方程组, 并将其与简谐势阱中分子玻色-爱因斯坦凝聚的Gross-Pitaevskii方程进行耦合. 通过对不同参数下玻色-费米混合体系中的隧穿现象进行数值研究, 发现简谐势阱中费米子与双势阱中玻色子的相互作用使双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的隧穿动力学特性更加丰富. 不但驱使双势阱中玻色-爱因斯坦凝聚从类约瑟夫森振荡转变为宏观量子自囚禁, 而且宏观量子自囚禁表现为三种不同的形式: 相位与时间呈负相关并随时间单调减小的自囚禁、 相位随时间演化有界的自囚禁以及相位与时间呈正相关并随时间单调增大的自囚禁.
2022, 71 (9): 090501.
doi: 10.7498/aps.71.20211474
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多物理耦合计算在众多领域都有重要应用. 如果其包含粒子输运过程, 用蒙特卡罗方法模拟粒子输运常占据大部分的计算时间, 因此多物理耦合计算中动态输运问题的高效蒙特卡罗模拟方法意义重大, 其不可避免地依赖于大规模并行. 基于动态输运问题的特点, 本文提出了两种新方法: 一是针对输运燃耗耦合计算的新型计数规约算法; 二是动态输运计算样本数自适应算法. 两种算法都能在保持计算结果基本不变的前提下使计算时间大幅减少, 从而提高了效率.
2022, 71 (9): 090601.
doi: 10.7498/aps.71.20212029
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量子参数估计在量子度量学中有着重要的应用, 量子Cramer-Rao下界表明量子参数估计精度极限与量子Fisher信息是直接相关的. 本文利用量子参数估计理论对光场与原子失谐很大(大失谐)的Jaynes-Cummings模型耦合常数进行估计. 制备探测初态为Qubit系统与光场的直积态, 光场分别为Fock态、热态和相干态, 分别计算了这三种探测态经大失谐Jaynes-Cummings模型哈密顿量演化后复合系统以及Qubit和光场系统的量子Fisher信息. 通过分析发现, 复合系统的量子Fisher信息随平均光子数单调递增, Qubit基态与激发态的等权叠加态为最优探测态, 此时量子Fisher信息达到最大值; 当探测态的光场为Fock态和热态时, 关于被估计参数的信息都包含于Qubit系统; 对于大失谐Jaynes-Cummings模型耦合常数的估计, 光场为热态或相干态时耦合常数的估计精度高于光场为Fock态时的精度.
2022, 71 (9): 090602.
doi: 10.7498/aps.71.20212073
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利用法布里-珀罗标准具对光纤光频梳的重复频率(重频)进行倍增, 使光频梳重频从最初的250 MHz提升至10 GHz, 对应的脉冲间距从1200 mm缩减至30 mm, 极大地降低了脉冲互相关测距方法对参考臂扫描范围的需求. 建立了重频倍增光频梳的时域互相关干涉信号数学模型, 通过数值模拟分析了光源参数(重频、起始偏移频率)和法布里-珀罗标准具参数(色散、腔长、中心波长)对滤出光谱形状以及互相关信号的影响. 在实验中, 使用重频倍增后的光频梳进行脉冲互相关干涉绝对测距, 与参考干涉仪对比, 在210 mm范围内获得优于4 μm的测距精度.
2022, 71 (9): 090701.
doi: 10.7498/aps.71.20212195
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活体小动物成像系统是疾病研究、新药开发的重要组成部分. 其中, X射线微型锥束计算机断层成像(X-ray micro cone-beam computed tomography, Micro-CBCT)能实现数十至数百微米空间分辨率的解剖结构成像研究. Micro-CBCT成像仪的一个关键挑战是其空间和对比度分辨率主要取决于X射线源焦斑大小、探测器分辨率和系统几何结构等因素. 为提高Micro-CBCT的空间分辨率、对比度分辨率和成像均一性, 本文基于毛细管X光透镜研制了一款能够调控照射X射线束斑孔径的Micro-CBCT扫描仪, 用于小动物成像研究. 此系统由微焦斑X射线源、非晶硅平板探测器、旋转工作台和控制电脑组成, 并采用Feldkamp-Daivs-Kress算法重建投影图像. 对该系统的性能进行了测试, 结果表明, 系统在10%调制传递函数下的空间分辨率为9.1 lp/mm, 提高了1.35倍. 同时, 由于毛细管X光透镜对低能X射线的吸收和散射抑制作用, 实现了2倍以上的对比度增强, 减轻了多色X射线束硬化效应引起的图像均一性恶化问题. 应用该Micro-CBCT系统对麻醉小鼠进行了活体成像, 验证了该系统在小动物成像研究中的实用性.
基本粒子物理学与场
2022, 71 (9): 091401.
doi: 10.7498/aps.71.20211653
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随着国际核裁军的深入推进, 针对核材料的属性认证愈发受到关注. 快中子多重性测量技术作为一种无损检测技术, 采用闪烁体探测器进行测量, 在军控核查体系中发挥着越来越重要的作用. 目前对于钚材料的快中子多重性测量方法发展较为成熟, 对于铀材料的快中子多重性分析模型和测量方程还处于发展中. 为建立铀材料的有源快中子多重性测量方程, 本文在中子多重性分析方程推导过程的基础上, 根据铀钚材料二者物理过程的区别, 不考虑$ (\alpha , n) $ 反应, 考虑快中子散射串扰的影响, 利用概率母函数完成铀材料快中子多重性测量方程的推导. 在此基础上, 为检验测量方程的有效性, 利用Geant4搭建一套3 × 8的井型探测系统进行模拟测量. 通过分析对比耦合系数与增殖系数的拟合函数关系、多重计数率、质量求解偏差, 证实了测量方程的可靠性和准确性, 对快中子多重性技术的发展具有重要意义.
原子和分子物理学
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2022, 71 (9): 093101.
doi: 10.7498/aps.71.20212108
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针对较大分子振动频率的量化计算, 提出了一个节省计算成本的方法. 含N个原子的分子的振动频率的计算通常需要计算3N维势能超曲面及其二阶导数构成的Hessian矩阵, 然后解其特征方程得到全部简正振动模式的振动频率. N越大, 计算成本越大. 本文提出, 针对那些由平衡结构和对称性就能完全确定的振动模式, 可以逐个计算其振动频率. 当仅考虑一个振动模式时, 3N维的Hessian矩阵的计算转化为一维的势能曲线的计算. 基于简谐振子近似推导单一振动模式下分子势能曲线的表达式, 接着量化计算势能曲线, 将势能曲线拟合到表达式中以获得振动频率. 相比计算3N维势能超曲面及其二阶导数的Hessian矩阵, 仅计算一维势能曲线而节省下来的计算资源可以允许选择更高级别的计算方法和采用更为完备的基组, 提高计算的精度. 本文首先以计算水分子的B2振动模式的振动频率为例, 说明了这种方法的可行性. 接着将这种方法应用到SF6分子中. 多参考组态相互作用(MRCI)方法是计算电子相关能的有效方法, 本文采用MRCI/6-311G*基组分别计算了SF6的A1g, Eg, T2g和T2u四个振动模式的振动频率, 通过与其他方法的结果以及实验结果相比较, 本文计算的四个频率的相对误差最小.
2022, 71 (9): 093102.
doi: 10.7498/aps.71.20211451
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构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构. 采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响, 重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响. 结果表明: 由于声子的“桥接”机制, 2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率, 但是在多周期体系中, 具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率; 界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运, 一定程度引起热导率降低; 完美界面超晶格具有明显的温度效应, 而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.
2022, 71 (9): 093201.
doi: 10.7498/aps.71.20212366
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傅里叶红外光谱仪检测和定量气态化合物的最小量取决于所测气体光谱的信噪比. 为了使用傅里叶变换红外吸收光谱测量CO2, CO, CH4和N2O等温室气体, 对混合气体的信噪比和仪器检测限进行了研究. 提出通过HITRAN模拟光谱计算仪器的气体检测限并分析波段等因素的影响. 此外, 搭建实验平台来验证基于HITRAN模拟光谱计算的检测限近似作为仪器实际测量检测限的精确程度, 并分析了两者具有误差的原因和现有实验平台的不足及优化方案.
2022, 71 (9): 093202.
doi: 10.7498/aps.71.20212226
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利用数值求解含时薛定谔方程和强场近似理论研究了反向旋转双色椭偏光场中氩原子隧穿电离电子的干涉. 固定两脉冲的椭偏率均为0.3, 当两椭偏场的相对相位为0.25π时, 光电子动量谱中周期内干涉、叉状全息干涉和弧形全息干涉相互重叠. 当两椭偏场的相对相位为0时, 光电子动量谱中弧形全息干涉消除, 并且周期内干涉和叉状全息干涉被彻底分离到动量谱的左右部分, 从而得到一个在空间上独立的叉状全息干涉条纹. 进一步研究表明, 通过改变两椭偏光场的椭偏率还可以增强或抑制该独立叉状全息干涉条纹. 这为干涉条纹的控制和分离提供了一个有效的手段, 同时也有利于从全息干涉条纹中提取靶材结构信息和电子超快动力学信息.
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2022, 71 (9): 093401.
doi: 10.7498/aps.71.20212202
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利用反应显微成像谱仪开展了50-keV/u Ne8+ 离子与C3H4分子碰撞实验, 研究了丙二烯(CH2CCH2)和丙炔(CH3CCH)两种同分异构分子形成${{\text{C}}_3}{\text{H}}_4^{2 + }$ 二价离子并解离产生H+ + ${{\text{C}}_3}{\text{H}}_2^ + $ + H的过程. 实验获得了H+ 和${{\text{C}}_3}{\text{H}}_2^ + $ 的动量, 进而通过动量守恒得到第3个碎片的动量. 通过分析3个碎片的动能及解离的动能释放鉴别出未被探测的碎片为中性H原子的事件. 借助Dalitz图、Newton图以及碎片产物的角分布等分析了该通道的动力学机制. 结果表明, 次序解离是该解离通道的主要机制, 在碎裂过程中二价母体离子先解离成H+ 和${{\text{C}}_3}{\text{H}}_3^ + $ , 中间体的${{\text{C}}_3}{\text{H}}_3^ + $ 离子再进一步解离成${{\text{C}}_3}{\text{H}}_2^ + $ 和H原子.
2022, 71 (9): 093402.
doi: 10.7498/aps.71.20212241
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采用一种明显依赖于电子-电子距离的多参考组态相互作用方法, 结合ACVQZ基组进行了${\rm CH}_2^+ $ 体系的从头算计算. 采用置换不变多项式神经网络方法对从头算得到的18222个单点能进行了拟合. 此外, 将势能面的特征与可得到的实验结果和理论结果进行了比较. 结果表明新构建的势能面比以往的势能面更加精确. 基于新构建的势能面, 采用准经典轨线方法进行了C+ + H2反应的动力学计算, 报道了积分截面和微分截面等动力学信息, 并与之前的理论结果进行了比较. 动力学结果表明在反应过程中插入反应机理占据主导地位.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (9): 094201.
doi: 10.7498/aps.71.20211977
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哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下, 通过多通道复用的方法增加光学系统光通量, 使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术. 本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题, 建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型, 提出以Lucy-Richardson (L-R)算法为核心的重构数据修正算法, 提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度. 通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验, 数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程, 并验证了本文所采用修正方法的有效性. 经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296, 图像相似度评价因子优于0.85, 相比修正前的重构数据质量有较大提升, 表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.
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2022, 71 (9): 094202.
doi: 10.7498/aps.71.20212380
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Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场是实现基于光纤的连续变量量子信息处理的重要量子光源, 其在光纤信道分发时会与信道相互作用发生解纠缠, 影响量子信息处理的性能. 本文利用部分转置正定判据分析了Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场在单通道和双通道光纤信道分发方案中, 其初始态的关联正交分量对称性、模式对称性、纯度和光纤信道额外噪声对传输距离、纠缠态光场的纠缠特性及鲁棒性的影响. 在单通道和双通道方案中, 光纤信道的额外噪声都会引起纠缠态光场的解纠缠, 随着噪声的增大, 传输距离迅速减小. 要保持Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态光场在光纤损耗信道中的纠缠鲁棒性, 双通道方案比单通道方案对初始态的关联正交分量对称性和纯度方面的要求更为苛刻. 而且单光纤噪声通道分发方案对模式对称性参数不敏感, 模式对称性参数变化不会引起解纠缠, 也不影响最大传输距离和纠缠鲁棒性特征; 在双光纤噪声通道分发时, 模式不对称参数降低会减小最大传输距离, 并出现纠缠突然死亡.
2022, 71 (9): 094203.
doi: 10.7498/aps.71.20211727
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正交偏振双波长激光在精密测量、太赫兹产生、差分雷达、光谱分析等领域有着重要的应用前景. Nd:YLF晶体具有两个发射截面相近的正交偏振发射峰, 加上优异的储能性能和热性能, 是适合产生正交偏振双波长激光的优良增益介质. 本文采用低掺杂浓度的Nd:YLF晶体作为激光增益介质产生1047 nm和1053 nm的正交偏振双波长基频光, 通过适当增大抽运光斑降低Nd:YLF晶体热裂的风险, 利用BaWO4晶体的腔内拉曼频移, 实现了高峰值功率的1159.9 nm和1167.1 nm正交偏振双波长脉冲拉曼激光输出. 在40 W的总入射抽运功率和5 kHz的脉冲重复频率下, 获得平均输出功率为2.67 W的双波长拉曼激光输出, 相应的光光转换效率为6.7%. 1159.9 nm和1167.1 nm拉曼激光输出功率分别为1.31 W和1.36 W, 最窄脉冲宽度分别为1.50 ns和1.53 ns, 对应的峰值功率分别高达174.7 kW和177.8 kW. 结果表明, 降低掺杂浓度和增大抽运光斑可有效解决Nd:YLF晶体在高抽运功率下发生热裂的问题, Nd:YLF/BaWO4是实现正交偏振双波长拉曼激光输出的一种较有前途的晶体组合.
2022, 71 (9): 094204.
doi: 10.7498/aps.71.20212204
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2018年第26届国际计量大会召开后, 伴随着国际单位制的重新定义, 真空量值加速了其量子化进程. 在超高/极高真空测量领域, 可基于囚禁在磁光阱中的冷原子与背景气体碰撞的损失率以及损失率系数反演真空度. 本文从磁光阱中冷原子真空测量的基本原理出发, 基于量子散射理论小角近似和冲激近似计算了6Li冷原子与背景气体碰撞的损失率系数, 并利用光缔合法测定了在一定磁场和光场条件下的磁光阱阱深, 基于两级磁光阱装置通过拟合冷原子数的衰减曲线精确提取出了碰撞损失率. 最后在1 × 10–8—5 × 10–6 Pa压强范围内将真空反演量值与电离计示数对比, 分析了制约测量精度提高的因素并提出了改进措施.
2022, 71 (9): 094205.
doi: 10.7498/aps.71.20211534
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针对少模多芯光纤中存在的纤芯内模式间的耦合及芯间模式耦合等问题, 提出一种阶跃型环形芯组成的7芯结构光纤, 每个纤芯可支持5个模式. 各纤芯具有一个中心低折射率区域和一个高折射率环, 保证纤芯内模式间均具有较大的折射率差, 从而减小模式间耦合问题. 运用有限元法模拟分析了中心纤芯和外纤芯的弯曲损耗、模式间的串扰特性及纤芯参数对串扰性能的影响. 数据模拟结果表明, 当波长为1.55 μm, 这种多芯光纤在弯曲半径为50 mm时, 弯曲损耗远低于光纤衰减损耗, 且纤芯中5个模式的相邻纤芯之间串扰均小于–20 dB/100 km, 因而这种多芯光纤在小弯曲半径下仍可实现纤芯间独立的长距离信息传输.
2022, 71 (9): 094206.
doi: 10.7498/aps.71.20212198
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基于少模光纤的模分复用技术可使传输容量增加数倍, 是目前光纤通信系统的研究热点. 当复用模式数量较多时, 模式之间的串扰可在接收端采用多输入多输出数字信号处理算法解决. 差分模式群时延(DMGD, $\tau_{\rm DMGD}$ )越大, 算法复杂度越高, 为了降低接收机的复杂度需要使用低DMGD的少模光纤. 本文提出了使用变分法分析任意芯层折射率高于包层的少模光纤, 推导出了这类光纤中基模的模斑尺寸、各个模式归一化传播常数、相对于基模的DMGD的解析表达式, 以及它们与归一化频率和光纤制造参数的关系. 在此基础上, 以梯度型少模光纤为研究对象, 优化了光纤参数, 得到能够传输前6个LP模, 在C和L波段|$ \tau_{\rm DMGD} $ |<15 ps/km的少模光纤的优化参数为: 最大芯层折射率与包层折射率之差n1 – n2 = 0.01, 纤芯半径a = 14 μm, 折射率分布指数α = 1.975. 最后讨论了光纤制造误差对DMGD的影响.
2022, 71 (9): 094301.
doi: 10.7498/aps.71.20212229
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仿蝇耳声传感器是一种对声压梯度敏感的指向性微型麦克风. 本文设计制备了桥连耦合双翼形硅基微电子机械系统仿蝇耳振膜, 利用该振膜制作了光纤Fabry-Pérot干涉式麦克风, 并对这种麦克风的特性进行了理论与实验研究. 仿真结果指出: 这种仿生振膜具有摇摆和弯曲两种振动模态, 单位声压下摇摆模态的振幅依赖于入射声波的频率与传播方向, 频率越接近摇摆模态本征值, 振幅越大; 摇摆模态振幅随传播方向在三维空间的变化呈纺锤形分布, 纺锤的长轴平行于振膜的长轴, 意味着传播方向平行于振膜长轴时麦克风灵敏度最高. 实验测得的光纤仿生麦克风的摇摆模态本征频率略小于仿真值, 其输出信号振幅随声源水平方位角的变化呈“8”字形分布, 在0°—± 60°方位角范围二者呈线性关系, 由此得出麦克风的方向灵敏度为39.98 mV/(°).
2022, 71 (9): 094701.
doi: 10.7498/aps.71.20211155
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Kelvin-Helmholtz 不稳定性(KHI)增长的动力学分析是一个活跃的研究领域. 本文解析研究了流体在横截面不同的直管道中流动时, 热传导对KHI的影响. 结果表明: 管道中上下流体的界面相对切向速度会随着波数的增加先增加后减小, 并且小的界面热传导系数导致相对切向速度随波数的减小更多, 不同于横截面相同的直管道结果. 另外, 热传导会提高KHI的增长率, 与横截面相同的直管道一致. 研究结果可以为实际管道中流体不稳定性的分析以及管道的通风设计和供暖等工程研究提供一定参考.
气体、等离子体和放电物理
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2022, 71 (9): 095201.
doi: 10.7498/aps.71.20212136
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强激光烧蚀低密度有机材料形成等离子体射流碰撞, 可以对材料进行准等熵加载, 比激光冲击加载应变率低, 相同压强下可以获得更高的压缩度和更低的温升, 在状态方程、飞片加速等方面有很强的应用前景. 在星光III置上首次开展了等离子体射流驱动小尺寸铝飞片及姿态诊断联合实验. 通过调控有机材料厚度和真空间隙长度, 获得了厚度20 μm、直径约400 μm的铝飞片, 飞片加速时间长达200 ns. 基于ps拍瓦激光的高能X光背光照相结果显示铝飞片在飞行约400 μm距离后仍然保持了很好的飞行姿态和完整性.
封面文章
2022, 71 (9): 095202.
doi: 10.7498/aps.71.20212435
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具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引, 这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用. 本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验. 通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布, 在长度为3 cm、内径为300 μm的毛细管中实现了轴向均匀, 径向呈抛物线型的等离子体密度分布. 通过改变放电延时和喷气时长, 确定和优化了产生等离子体通道的参数区间, 得到的最大通道深度为28 μm, 与实验中使用的激光焦斑半径匹配. 在此基础之上, 开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究, 结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时, 激光可以不散焦地在通道中传输, 实现激光导引. 这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.
2022, 71 (9): 095203.
doi: 10.7498/aps.71.20210902
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研究了由尘埃颗粒、电子和非热离子所组成的非磁化热尘埃等离子体中(2 + 1)维非线性尘埃声孤波的传播特征. 首先, 利用约化摄动法推导得到了用来描述(2 + 1)维非线性尘埃声孤波的Kadomtsev-Petviashvili (KP)方程, 并采用行波解法进行了定性分析, 从而获得了该系统的相图及Sagdeev势方程; 然后, 利用数学软件的数值模拟分析方法讨论了等温和绝热两种状态下, 热尘埃等离子体系统中不同参数对KP方程的非线性系数、色散系数、系统相图、Sagdeev势函数及孤立波解的影响. 最终, 研究结果表明: 等温和绝热状态下, 尘埃颗粒的质量、电子和非热离子的温度、数密度及分布状态等多种系统参数对非线性尘埃声孤波的振幅、宽度及波形等传播特征均存在重要影响.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (9): 096101.
doi: 10.7498/aps.71.20212276
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采用水热合成法制备了锐钛矿相TiO2纳米线, 并通过原位高压阻抗谱测量技术研究了TiO2纳米线晶粒和晶界性质及电输运行为随压力的变化关系. 研究结果表明: 在0—34.0 GPa压力区间, 锐钛矿TiO2纳米线的传导机制为电子电导. TiO2纳米线晶粒和晶界电阻以及弛豫频率在8.2—11.2 GPa压力区间均出现了不连续变化行为, 此压力区域对应着由锐钛矿相到斜锆石相的结构转变, 并且相变从晶粒表面逐渐延伸到晶粒内部. 晶粒激活能和晶界激活能均随压力的增加而减小, 说明压力对样品电导率的贡献为正. 在所测压力范围内, 空间电荷势始终为正值, 表明在空间电荷区阴离子缺陷更易形成, 氧缺陷是TiO2纳米线相变的主要诱因.
2022, 71 (9): 096102.
doi: 10.7498/aps.71.20212278
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采用晶体相场法研究了外加应变作用下, 不同取向差的四方相对称倾侧小角度晶界的位错运动与反应及反应过程中的位错组态, 通过采用几何相位法对位错周围应变场进行了表征. 结果表明, 凝固弛豫达到稳态后, 晶界两侧位错平行且方向相反, 随晶界两侧晶粒取向差增大, 位错数目增加, 距离减小, 且体系自由能增加. 在外加应变作用下, 晶界位错经历攀移、发射、反应湮灭等阶段, 体系自由能呈现波动. 当取向差增大时, 位错运动方式由攀移向攀滑移转变, 产生更多类型的位错组构型, 并发生相应的位错与位错组之间的反应. 对于不同构型的位错反应, 正切应变驱动位错靠近, 负切应变驱动位错湮灭.
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2022, 71 (9): 096103.
doi: 10.7498/aps.71.20212316
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近年来, 作为一种自旋电子学领域的关键材料, 具有高温本征铁磁性的稀磁半导体受到了广泛的关注. 为探索能够提高本征铁磁性居里温度(Curie temperature, TC)的方法, 本文运用第一性原理LDA+U方法研究了应变对Mo掺杂GaSb的电子结构、磁学及光学性质的影响. 研究结果表明: –6%—2.5%应变范围下GaSb半导体材料具有稳定的力学性能, 压应变下GaSb材料的可塑性、韧性增强, 有利于GaSb半导体材料力学性能的提升; 应变对Mo替代Ga缺陷(MoGa)的电子结构有重要的影响, –3%至–1.2%应变范围下MoGa处于低自旋态(low spin state, LSS), 具有1${\mu _{{\rm{B}}}}$ 的局域磁矩, –1.1%—2%应变范围下MoGa处于高自旋态(high spin state, HSS), 具有3${\mu _{{\rm{B}}}}$ 的磁矩; 不管是LSS还是HSS, MoGa产生局域磁矩之间的耦合都是铁磁耦合, 但铁磁耦合的强度和物理机制不同, 适当的压应变可有效提高铁磁耦合强度, 这有利于实现高TC的GaSb基磁性半导体; Mo可极大提高GaSb半导体材料的电极化能力, 这有利于光生电子-空穴对的形成和分离, 提高掺杂体系对长波光子的光电转化效率; Mo引入的杂质能级使电子的带间跃迁对所需要吸收光子的能量变小, 掺杂体系光学吸收谱的吸收边发生了红移, 拉应变可进一步提升(Ga,Mo)Sb体系在红外光区的光学性能.
2022, 71 (9): 096401.
doi: 10.7498/aps.71.20211737
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原位反应法制备金属基复合材料具有增强体与基体间无杂质、无污染、颗粒分布均匀等优点, 已成为制备金属基复合材料的一种重要方法, 揭示其动力学机制及规律具有重要的理论及工业价值. 然而, 原位反应过程具有反应时间短、随机发生、温度高等特点, 目前采用原位实验观测其反应过程仍存在较大困难. 本文采用相场法模拟金属熔体内的原位反应过程, 首先建立了能够描述双束金属熔体界面反应形核的相场模型, 并采用该模型模拟了不同参数下相界反应形核过程. 结果表明, 形核率随着曲率半径及噪声强度的增大而增大, 小曲率半径及强噪声条件下新相颗粒尺寸分布更加均匀, 形核率随着过冷度的增大而先增大后减小.
2022, 71 (9): 096801.
doi: 10.7498/aps.71.20212095
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静电力显微镜(electrostatic force microscopy, EFM)具有较高的灵敏度和空间分辨率, 在新能源材料静电性质的测量中被广泛应用. 时间分辨静电力显微镜技术主要用于材料的动态电学性质测量, 该技术中常用的泵浦探测方法存在设备装置复杂、成本昂贵、测量存在不确定性等问题. 本文采用直接时域测量方法, 减小了测量的实现复杂度, 通过应用多频激励或者激励悬臂高阶模态的方法实现了EFM多种参数同时测量和时间分辨率的提高, 达到了微秒级的时间分辨率, 并应用小波变换对测量得到的探针信号进行分析, 实现了对材料动态电学性质的提取. 通过应用该技术进行仿真实验, 实现了对模拟样品电势衰减过程中的动态电势变化和模拟电池放电过程中的离子运动特征时间等性质的测量.
2022, 71 (9): 096802.
doi: 10.7498/aps.71.20212228
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通过添加不同比例的十二烷二酸(DDDA)配体, 在室温下采用配体辅助再沉淀法制备CsPbBr3钙钛矿纳米晶. 利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外分光光度计、荧光光谱仪等对纳米晶的相结构、微结构和光学性质进行了表征. 结果显示: 所有纳米晶产物均为立方相结构; 而纳米晶形貌会随着DDDA浓度的增加从纳米立方块逐渐转变为厚度均一的纳米片, 同时光致发光光谱从绿光区移至蓝光区. 结合实验室搭建的具有超高时间分辨率(约100 ms)的原位光致发光装置, 实时监测了不同形貌纳米晶在形成过程中光致发光光谱的演变. 结果表明: 未使用DDDA时前驱体经历了快速成核和尺寸分布聚焦生长后生成纳米立方块; DDDA的出现促进了纳米晶在形成早期生成各向异性的纳米片, 然而随着反应时间的延长, 具有不对称结构的纳米片会通过溶解-再结晶方式转变为热力学稳定的纳米立方块. 本工作对形貌可控的钙钛矿纳米晶的精准合成具有一定参考价值.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (9): 097301.
doi: 10.7498/aps.71.20212261
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采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了GaN/g-C3N4异质结的稳定性、电子结构、光学性质及功函数, 同时考虑了电场效应. 结果表明: GaN/g-C3N4范德瓦耳斯异质结的晶格失配率(0.9%)和晶格失配能极低(–1.230 meV/Å2, 1 Å = 0.1 nm), 说明该异质结稳定性很好, 且该异质结在很大程度上保留了GaN和g-C3N4的基本电子性质, 可作为直接带隙半导体材料. 同时, GaN/g-C3N4异质结在界面处形成了从GaN指向g-C3N4的内建电场, 使得光生电子-空穴对可以有效分离, 这有利于提高体系的光催化能力. 进一步分析可知, 外加电场使GaN/g-C3N4异质结的禁带宽度有着不同程度的减小, 使得电子从价带跃迁至导带更加容易, 有利于提高体系的光催化活性; 此外, 当外加电场高于0.3 V/Å以及低于–0.4 V/Å时, 异质结的能带排列由I型向II型过渡, 更好地实现光生电子-空穴对的分离, 进一步提高了体系的光催化活性. 因此, 本文提出的构建异质结及施加外电场是提高体系光催化活性的有效手段.
2022, 71 (9): 097302.
doi: 10.7498/aps.71.20211922
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采用一种简单、绿色、低成本的等离子增强化学气相沉积(PECVD)法, 在950 ℃下成功制备了高结晶质量的GaN薄膜. 为了提高GaN薄膜结晶质量和弄清GaN薄膜光响应机制, 研究了GaN缓冲层制备温度对GaN薄膜结晶质量和光电性能的影响. 研究表明, 随着GaN缓冲层制备温度的增加, GaN薄膜的结晶质量先提高后降低, 在缓冲层温度为875 ℃ 时, 结晶质量最高, 此时计算得出的总位错密度为9.74×109 cm–2, 载流子迁移率为0.713 cm2/(V·s). 经过退火后, GaN薄膜的总位错密度降低到7.38×109 cm–2, 载流子迁移率增大到43.5 cm2/(V·s), 此时GaN薄膜光响应度为0.20 A/W, 光响应时间为15.4 s, 恢复时间为24 s, 可应用于紫外光探测器. 通过Hall测试和X射线光电子能谱仪分析得出, GaN薄膜内部存在着N空位、Ga空位或O掺杂, 它们作为深阱能级束缚和复合光生电子和空穴, 使得光响应度与偏压呈抛物线关系; 另外, 空位和O掺杂形成的深阱能级也是导致GaN薄膜的光电流响应和恢复缓慢的根本原因.
2022, 71 (9): 097501.
doi: 10.7498/aps.71.20212253
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作为评估铁磁材料性能及应力状态的重要无损检测技术之一, 磁巴克豪森噪声方法可实现对材料早期结构损伤及相关应力状态的定量评价, 应用前景广阔. 此方法能否准确评估材料内部损伤及应力状态, 关键在于能否建立合理有效的检测信号与材料内部应力分布之间的关系. 为此, 本文以铁磁板为例, 沿板厚度方向激发信号, 根据磁巴克豪森信号传播过程中的强度衰减效应, 建立了铁磁板表面磁巴克豪森信号与材料内部应力定量关系的解析模型. 基于已有实验结果的研究证实, 本文理论模型能准确反映不同检测频率下铁磁板内部均匀应力值差异对检测信号的影响. 而且, 对于铁磁板内存在应力分布的情形, 采用本文解析模型, 研究得到了板内应力分布、铁磁板厚度、磁导率和电阻率等主要参数对铁磁板表面检测信号的影响规律. 本文理论模型不仅揭示了基于磁巴克豪森噪声方法的铁磁材料应力检测机理, 同时也为发展磁巴克豪森无损检测技术提供了合理有效的理论依据.
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2022, 71 (9): 097502.
doi: 10.7498/aps.71.20212384
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磁性半导体材料在自旋电子器件领域具有重要的应用前景. 本文设计了一些基于磁性半导体NiBr2单层的纳米器件结构, 并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法, 研究了其自旋输运和光电性质. 结果表明, 在不同的输运方向(扶手椅形和锯齿形), NiBr2单层PN结二极管表现出明显的整流效应及自旋过滤效应, 这两种效应在其亚3 nm PIN结场效应晶体管中也同样存在. NiBr2单层PIN结场效应晶体管的电子传输受到栅极电压的调控, 电流随着栅极电压的增大受到抑制. 另外, NiBr2单层对蓝、绿光有较强的响应, 其光电晶体管在两种可见光的照射下可以产生较强的光电流. 本文研究结果揭示了NiBr2单层的多功能特性, 为镍基二卤化物在半导体自旋电子器件和光电器件领域的应用提供了重要参考.
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2022, 71 (9): 097701.
doi: 10.7498/aps.71.20220234
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无铅 K1–xNaxNbO3 薄膜作为传感器以及机电和电卡冷却装置的候选者越来越受到关注. 但是(111)取向K1–xNaxNbO3薄膜的相变与电卡效应的内在关联还并不清楚. 本文首先推导出基于八阶朗道自由能多项式的(111)取向铁电薄膜的热力学势, 并在此基础上建立了K0.5Na0.5NbO3薄膜温度-错配应变相图和室温错配应变-面外应力相图. 重点研究了(111)取向K0.5Na0.5NbO3 薄膜的室温电卡效应的应变和取向控制, 这对于实际的电卡制冷应用至关重要. 研究发现, 在无面外应力和零错配应变下, 三方铁电-顺电相变附近, 30 MV/m电场下K0.5Na0.5NbO3薄膜在居里温度附近(约673 K)最大电卡绝热温变 ΔT 可高达18 K. 施加约–6.7 GPa 的面外应力可以有效地将居里温度降低至室温, 但代价是最大绝热温变ΔT降低至7.5 K. 本工作为应变和取向工程调控 K1–xNaxNbO3基薄膜的相变和电卡性能提供了理论指导.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2022, 71 (9): 098101.
doi: 10.7498/aps.71.20211870
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二元单晶稀土六硼化物(REB6)具有丰富的物理性质, 其中单晶LaB6具有优异的电子发射特性, 影响二元REB6发射性能的物理机理及其他二元REB6是否具有良好的发射特性, 需要进一步研究. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对典型二元单晶REB6 (RE = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd)的电子结构、功函数进行了理论分析, 并对区熔法制备的高质量单晶REB6的热发射性能进行了测试. 电子结构计算结果表明, 二元REB6费米能级附近具有很高的态密度, 宽域分布的稀土元素的d电子决定了REB6优异发射性能的电子态, 局域分布的f轨道对发射性能不利. 功函数理论计算表明具有d态价电子的二元REB6 (RE = La, Ce, Gd)具有较低功函数. 热发射测试结果表明, 以上单晶REB6 (100)晶面功函数热发射测试值与理论计算值基本相符. 最终理论计算结合实验结果表明, LaB6和CeB6具有良好的热发射和场发射性能, GdB6具有良好的场发射性能.
2022, 71 (9): 098201.
doi: 10.7498/aps.71.20212148
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周期性驱动是控制斑图最有效的方式之一, 因此一直是斑图动力学研究的一大热点. 自然界中的斑图形成系统大多是多层耦合的非线性系统, 周期性驱动对这些多层耦合系统的作用机理人们还不甚了解. 本文通过耦合Brusselator (Bru)系统和 Lengyel-Epstein (LE)系统, 并给LE系统施加一个空间周期性驱动来研究外部驱动对多层耦合系统中图灵斑图的影响. 研究发现, 只要外部驱动与Bru系统的超临界图灵模(内部驱动模)两者中的一个为长波模时, 就可以将LE系统中的次临界图灵模激发, 3个模式共同作用从而形成具有3个空间尺度的复杂斑图. 若外部驱动和内部驱动模均为短波模, 则无法激发此系统的本征次临界图灵模, 但满足空间共振时也可以产生超点阵斑图. 若LE系统的本征模为超临界图灵模, 其自发形成的六边形斑图只有在外部驱动强度较大的情况下才能够产生响应, 且其空间对称性受到外部驱动波数的影响.
2022, 71 (9): 098301.
doi: 10.7498/aps.71.20211954
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采用同步辐射技术研究了温度对马氏体和铁素体晶格常数的影响规律. 研究结果表明, 马氏体和铁素体的晶格常数均随着温度的升高而逐渐增大, 但马氏体的衍射峰有分峰现象, 而铁素体的衍射峰没有分峰现象. 对马氏体的{110}和{200}衍射峰进行分峰处理, 得到马氏体晶格常数a和c随温度升高逐渐增大, 但晶格常数a的增大速度要大于c的速度, 即马氏体的正方度逐渐降低. 当温度升至500 ℃时, 马氏体正方度c/a = 1. 铁素体的晶格常数随温度的变化规律与马氏体晶格常数a的基本相同, 而与马氏体晶格常数c的明显不同, 表明了温度对马氏体晶格常数的影响本质. 除此以外, 通过对同步辐射数据的分析, 建立了马氏体和铁素体晶格常数随温度变化的数值方程.
地球物理学、天文学和天体物理学
2022, 71 (9): 099101.
doi: 10.7498/aps.71.20212012
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连通孔隙空间被有别于骨架固体的另一种固相介质充填而形成的双组分连通固体孔隙介质, 简称固-固孔隙介质. 推导出了固-固孔隙介质的声波动力学方程和本构关系, 利用平面波分析的方法研究了各种波的频散和衰减特性. 在此基础上, 提出了基于一阶速度-应力方程的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法, 对其中的声场演化特点进行了模拟计算, 分析了各种波的产生机制和能量分布, 并详细讨论了两种固体间的摩擦系数和声源频率对各种波传播特性的影响. 数值模拟表明: 固-固孔隙介质中存在两种纵波(P1和P2)和两种横波(S1和S2), 其中P1和S1波能量主要在骨架固体中传播; P2和S2波是骨架固体和孔隙固体之间相对运动产生的慢波, 能量主要在孔隙固体中传播. 固体骨架和孔隙固体之间的摩擦主要影响慢波(P2和S2)的衰减, 且低频时衰减大于高频.
