特邀综述
封面文章
2023, 72 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.72.20222012
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介质电容器具有充放电速率快、低损耗以及柔性易加工等优点, 广泛应用于电子电力系统中的关键储能器件, 但介质电容器储能密度较低, 难以适用于现阶段电气工程更高的应用需求, 聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物因具有较高的介电常数与较高的击穿强度得到广泛关注, 因此本文着重介绍了以PVDF为基体的储能复合材料, 归纳和讨论包括介电常数、击穿强度和充放电效率3个提高储能密度的机理及其优化策略. 最后对高储能PVDF基复合材料现阶段存在的问题以及将来所需要研究的重点进行总结与展望.
总论
2023, 72 (1): 010201.
doi: 10.7498/aps.72.20221745
摘要 +
基于矢量光场调制与图像处理的偏振测量技术是一种新型的空间调制型偏振检测技术, 快速高精度的偏振解算方法是该技术走向实用的关键. 为探索快速高精度的偏振方向解算方法, 在简要介绍基于矢量光场空间调制的偏振方向检测技术原理的基础上, 分析了空间偏振调制型光强分布图像的基本特征, 设计并实现了Radon变换、光强调制曲线检测、径向积分和图像相关检测四种偏振方向解算方法, 详细阐述了他们的工作原理和物理思想. 为进行算法性能对比, 搭建实验系统并采集图像进行了实验验证, 分别对四种解算方法的稳定性、速度和精度等进行了对比研究, 结果表明, 四种方法均可实现稳定可靠的偏振方向检测, 光强调制曲线检测、径向积分和图像相关检测三种方法可获得优于0.01度的角度检测精度, 光强调制曲线检测和径向积分法的检测速度较快, 综合性能最优, 是最有潜力实现实时高精度偏振方向检测的两种方法.
2023, 72 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.72.20221524
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在前文(2019 Int. J. Mod. Phys. B 33 1950197 ; 2020 Int. J. Mod. Phys. B 34 2050022 )中, 我们提出了一种判断2量子比特系统纠缠的方法, 2量子比特系统可分的充分必要条件是相关系数为正且主密度矩阵可分, 否则系统纠缠. 在本文中, 通过数值计算与讨论, 先将2量子比特系统纠缠判据的方法推广到3量子比特系统中去; 接着, 继续将3量子比特系统推广到N量子比特系统中去. 这是一个复杂而有趣的问题.
2023, 72 (1): 010302.
doi: 10.7498/aps.72.20221293
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量子关联作为量子力学的奇特资源已经被应用在很多方面, 相对熵作为研究量子关联的关键概念之一, 总是被用来度量物理系统状态所包含的不确定性. 本文在已知min相对熵的一些基本性质的前提下, 分别提出了在两体和k体分划下基于min相对熵的关联测度的定义. 除此之外, 本文证明了该定义满足量子关联测度的一些基本性质, 包括非负性、在酉算子操作下保持不变性以及在完全正的保迹线性映射(CPTP)下的单调性. 介绍了量子信道的概念, 并且讨论了量子信道对k体分划下基于min相对熵的关联测度的影响. 通过提出新的关联测度以及证明量子信道对该测度的影响, 能够更好刻画物理系统状态所包含的不确定性.
2023, 72 (1): 010401.
doi: 10.7498/aps.72.20221415
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由于$ {\rm{S}\rm{L}}\left(n,R\right) $ 户田黑洞具有很好的数学结构, 是研究黑洞物理较为理想的场所. 本文主要研究其黑洞的霍金辐射, 以及相关信息丢失问题. 为了简单, 只考虑在四维静态球对称$ {\rm{S}\rm{L}}\left(n,R\right) $ 户田黑洞下, 通过计算静止质量为零的粒子在事件视界附近隧穿效应来研究霍金辐射. 在粒子的隧穿过程中, 利用能量守恒并考虑了隧穿粒子对背景时空的反作用. 获得粒子通过事件视界的隧穿概率取决于粒子出射前后黑洞熵的变化, 并在此基础上讨论了其信息丢失问题, 在满足一定条件下, 我们的结果与RN黑洞和施瓦茨黑洞的结果一致.
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2023, 72 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.72.20221498
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负微分热阻效应是指在一个热输运系统中增大热流驱动力热流反倒减小的现象. 理解和控制非平衡热输运系统中的负微分热阻效应, 并利用其设计制造新功能热器件是科学技术的前沿挑战, 有着重要的理论意义和应用前景. 相对晶格模型中的负微分热阻研究而言, 流体模型中的负微分热阻性质还亟待认知. 本文选用由多粒子碰撞动力学描述的二维气体模型为研究对象, 理论证明了热库对气体粒子运动的约束是诱导负微分热阻的一个新机制, 并通过非平衡分子动力学方法揭示了该机制仅适用于弱相互作用的小尺寸系统. 这些结果为气体模型能表现出负微分热阻现象提供了微观机制的支持, 同时也为开发新的应用提供了新思路.
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2023, 72 (1): 010701.
doi: 10.7498/aps.72.20221725
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本文对波长调制光谱(WMS)技术进行了改进, 并以其为基础测量了高吸收度的甲烷气体. WMS常被用于气体浓度测量, 其依赖于二次谐波幅值与气体浓度之间的线性关系, 但是传统的WMS技术只适用于气体吸收度远小于1的情况, 这是因为在传统WMS理论的推导中, 需要对朗伯比尔定律进行一阶近似, 而一阶近似仅在低吸收度下成立, 所以在高吸收度下二次谐波与气体浓度的线性关系不成立. 在本文的改进方案中, 不需要对朗伯比尔定律做任何近似处理. 将激光分为测量光与参考光两路, 测量光被待测气体充分吸收后由光电探测器收集光强信号, 参考光的光强信号不被吸收直接由另一个光电探测器直接探测, 两个光电探测器的输出信号经模数转换后传输至上位机, 上位机对两路信号均先取自然对数, 然后根据参考信号确定二次谐波的解调相位, 这样解调出来的二次谐波信号即使在高吸收度下也与气体的浓度保持线性关系. 本文介绍了传统WMS理论与改进后的WMS理论, 并分别测量了一系列浓度梯度的甲烷气体, 对比了传统WMS和改进WMS的实验结果, 证实了在高吸收度下, 传统WMS理论中的线性不再成立, 但改进的WMS仍能保证二次谐波与甲烷浓度之间的线性关系, 验证了改进方案的优势; 最后通过艾伦标准差分析, 得到该甲烷测量系统在平均时间103.6 s时稳定性达到最优, 对应的艾伦标准差为26.62×10–9分之一体积.
核物理学
2023, 72 (1): 012401.
doi: 10.7498/aps.72.20221617
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针对增强型共栅共源(Cascode)级联结构和耗尽型AlGaN/GaN功率器件, 利用60 MeV能量质子开展辐射效应研究. 获得了经质子辐照后器件电学性能的退化规律, 并与常规耗尽型HEMTs器件辐照后的电学性能进行了比较, 发现增强型Cascode结构器件对质子辐照更加敏感, 分析认为级联硅基MOS管的存在是其对质子辐照敏感的主要原因. 质子辐照使硅基MOS管栅氧化层产生大量净的正电荷, 诱导发生电离损伤效应, 使其出现阈值电压负向漂移及栅泄漏电流增大等现象. 利用等效(60 MeV能量质子, 累积注量1×1012 p/cm2)剂量的${}_{}{}^{60}\rm{C}\rm{o}~\rm{\gamma }$ 射线辐射器件得到电离损伤效应结果, 发现器件的电学性能退化规律与60 MeV能量质子辐照后的退化规律一致. 通过蒙特卡罗模拟得到质子入射在Cascode型器件内诱导产生的电离能损和非电离能损, 模拟结果表明电离能损是导致器件性能退化的主要原因.
原子和分子物理学
2023, 72 (1): 013101.
doi: 10.7498/aps.72.20221544
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SrSnO3是一种钙钛矿结构的宽带隙半导体, 透明性高、无毒且价格低廉, 是一种有前景的透明导电氧化物的候选者. 本文通过第一性原理计算, 获得了SrSnO3的电子结构, 着重讨论了SrSnO3的本征缺陷、外界元素掺杂的缺陷形成能及过渡能级, 筛选出适宜的掺杂元素并指出了对应的实验制备环境, 进一步根据带边能量位置对其电导性能机制进行了探讨. 计算结果表明, SrSnO3是一种基础带隙为3.55 eV、光学带隙为4.10 eV的间接带隙半导体, 具有良好的透明性, 电子的有效质量轻, 利于n型电导. 在富金属贫氧条件下, As, Sb掺杂SrSnO3可以提升n型电导率; SrSnO3的价带顶位于–7.5 eV处, 导带底位于–4.0 eV处, 其价带顶和导带底的能量位置均相对较低, 解释了其易于n型掺杂而难于p型掺杂, 符合宽带隙半导体材料的掺杂规律. 最后, Sb掺杂SrSnO3被提出为有前景的廉价n型透明导电材料.
2023, 72 (1): 013102.
doi: 10.7498/aps.72.20221441
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类石墨烯氮化碳结构(C3N)作为一种全新的碳基二维半导体材料, 由于其优异的机械和电子性能引起了研究者们的广泛关注, 不同结构C3N的热输运和声子输运机制还待进一步研究. 本文构造了4种不同结构的C3N, 采用非平衡分子动力学与晶格动力学方法对不同结构的C3N的热传导机理进行了研究. 研究结果表明: 1)在4种结构中M3热导率最高, M1次之, M4热导率最低; 2)不同结构的C3N的热导率具有明显的尺寸效应和温度效应. 当样本长度较短时, 声子主要以弹道输运的方式进行传输; 当样本长度增大, 扩散输运占主导地位; 随着温度的升高, Umklapp散射在热输运中占据主导地位, 使得热导率与温度具有1/T的依赖性. 3)与M3相比, M1和M4结构中都存在更大的声子带隙, 色散曲线进一步软化, 低频和高频声子同时出现了局域化的特征, 对热导率产生了显著的抑制作用. 本文为更好地设计热管理材料提供了思路.
2023, 72 (1): 013401.
doi: 10.7498/aps.72.20221728
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稀有气体原子和水分子组成的范德瓦耳斯复合物是研究水和其他原子分子之间相互作用的典型模型. 本文利用中红外连续外腔量子级联激光器结合脉冲超声分子束吸收光谱技术, 在D2O弯曲振动带(v2 = 1←0)附近测量了Ar-D2O复合物4个新的振动转动子带. 基于赝双原子分子有效哈密顿量, 本文对测量到的振动转动谱线和前人报道的下能级所涉及的纯转动谱线进行了最小二乘法全局拟合, 得到了包括振动子能级能量、转动常数和离心畸变常数等在内的精确的基态和激发态分子参数. Ar-D2O的D2O弯曲振动激发的振动带头被精确确定为1177.92144 (32) cm–1, 该值比D2O单体的带头红移了约0.458 cm–1. 将从实验得到的振动子能级能量与基于四维势能面的理论计算结果进行了比较, 检验了理论计算方法的精度.
2023, 72 (1): 013402.
doi: 10.7498/aps.72.20221628
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在玻尔速度附近能区, 测量了H+, He2+和I22+, Xe20+离子作用于Al靶时碰撞激发靶的K壳层X射线. 得到了相应X射线的发射截面, 并与不同理论模型进行对比. 研究表明, 单核子能量相同时, 轻离子入射激发的X射线产生截面比高电荷态重离子轰击时小了大约4个数量级. 质子、He2+离子激发的实验截面可以由ECPSSR理论来很好的估算, 而I22+, Xe20+的实验结果与考虑有效电荷、低速库仑偏转修正的BEA理论计算符合较好.
2023, 72 (1): 013701.
doi: 10.7498/aps.72.20221674
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离子阱中囚禁的离子在满足库仑耦合条件下, 会形成库仑晶体, 其结构分布和运动轨迹由离子阱的参数和离子种类决定. 本文采用分子动力学模拟软件LAMMPS和(py)LIon程序包, 仿真了40Ca+在线型离子阱中库仑晶体的形成过程, 以及不同位置离子的微运动和宏运动轨迹. 另外, 本文还对混入少量同位素离子(44Ca+)和氢化钙离子(CaH+)后的40Ca+晶体结构进行了仿真, 并对混入前后形成的库仑晶体结构变化进行对比和分析, 期望能对离子阱实验中形成的暗离子进行识别和处理.
2023, 72 (1): 013702.
doi: 10.7498/aps.72.20221363
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氢原子钟利用氢原子基态超精细能级跃迁信号进行精确计时, 具有中短期频率稳定度优异、频率漂移率低的特点. 氢原子钟需要通过磁选态将高能态原子选出, 目前广泛应用的磁选态方案中, 既有原子钟跃迁所需要的$ |F = 1, m_{\rm F} = 0\rangle $ 态, 还有钟跃迁所不需要的$ |F = 1, m_{\rm F} = 1 \rangle $ 态氢原子, 这使得氢原子钟的中长期频率稳定性难以进一步提高. 为了进一步提高氢原子钟原子跃迁谱线质量和整机性能, 通过计算和仿真, 构建了基于Majorana跃迁的氢原子钟双选态束光学系统, 优化了一级选态区、态反转区、二级选态区等关键部件的参数, 进一步排除了$ |F = 1, m_{\rm F} = 1 \rangle $ 态原子. 选态后的$ |F = 1, m_{\rm F} = 0\rangle $ 态原子纯度达到99%, 利用率为58%, 工程应用较为理想. 有效地提升了进入原子储存泡内$ |F = 1, m_{\rm F} = 0\rangle $ 态氢原子的占比, 同时原子的利用率处于可控范围. 通过实验对该方案的有效性进行了验证, 通过开启双选态系统, 可以观察到氢原子钟信号的增强; 通过调整双选态系统的线圈电流, 可以观察到信号随线圈电流的变化, 这验证了双选态系统的有效性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.72.20221643
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磁光克尔效应是指处于磁场中的光束在磁体表面发生反射时, 反射光的偏振面相对入射光发生旋转的物理现象, 它反映了磁化强度对磁性材料光学性质的影响. 磁性介质的磁光克尔效应则由含磁光常数的介电张量表征, 因此对磁光常数进行精确测量具有重要的科学意义. 光子自旋霍尔效应表现为光束在折射率不同的介质界面上传输时由于自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 过去大多数研究利用光子自旋霍尔效应的横向空间位移来表征磁光常数. 然而, 现有工作只考虑了单个磁场方向的磁光克尔效应, 并且由于微小的自旋空间位移而需要引入复杂的弱测量技术. 本文从理论上全面探究了3种磁光克尔效应条件下的面内自旋角位移, 发现通过改变磁场方向和磁性材料的厚度(考虑块状和超薄)可以实现对光子自旋霍尔效应的有效操纵. 同时, 该研究提出了一种直接测量磁光常数的新方法, 即通过直接观测巨大的面内自旋角位移来表征磁光常数的振幅与相位. 该方法不需要引入弱测量系统, 不仅为磁光常数的测量提供了直接有效的探针, 并且扩展了自旋光子学的相关研究.
2023, 72 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.72.20221533
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通过合理选取等间距采样点的数目, 利用快速傅里叶变换算法解释了有限通光光阑产生的“内密外疏”菲涅尔衍射条纹. 基于菲涅尔衍射, 在静态曝光、动态扫描条件下分别实现了约190 nm最小特征尺寸图形制备, 以及约350 nm线宽线条直写. 菲涅尔衍射光刻无需复杂的光学透镜组合, 无需任何微纳衍射光学元件, 且具有较大的聚焦容差. 该方法有望成为一种新型的, 低成本、高灵活度的亚波长图形制备手段.
2023, 72 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.72.20221383
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InAs/GaSb超晶格是量子级联激光器(quantum cascade lase, QCL)和带间级联激光器 ( interband cascade lasers, ICL ) 结构中重要的组成, 特别是作为 ICL的上下超晶格波导层是由大量的超薄外延层(纳米量级)交替生长而成, 细微的晶格失配便会直接导致材料晶体质量变差, 而且每层的厚度和组分变化会强烈影响材料结构性能. 论文研究验证了 InAs/GaSb超晶格材料生长的最佳温度约在420 ℃. 通过在衬底旋转的情况下生长40周期短周期GaSb/AlSb和InAs/GaSb超晶格, 并采用XRD测量拟合获得了GaSb和AlSb层厚分别为5.448 nm和3.921 nm, 以及InAs和GaSb层厚分别为8.998 nm和13.77 nm, 误差在10%以内, 获得了 InAs/AlSb超晶格的生长最优条件. 在GaSb衬底上生长晶格匹配的40周期的InAs/AlSb超晶格波导层, 充分考虑飘逸As注入对InAs/AlSb超晶格平均晶格常数的影响, 在固定SOAK时间为3 s的条件下, 通过变化As压为1.7×10–6 mbar来调整个超晶格的平均晶格常数, 实现了其与GaSb衬底晶格匹配. 实验结果表明超晶格零阶卫星峰和GaSb衬底峰重合, 具有完美的晶格匹配, 尖锐的次阶卫星峰和重复性良好的周期结构也表明优异的超晶格材料结构质量.
2023, 72 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.72.20221422
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厄米-高斯光束在诸多前沿科学领域都有着重要的应用. 不同于目前普遍采用的晶体端面离轴泵浦方式, 本文提出了一种利用板条激光器产生厄米-高斯激光束的方法. 采用半导体激光阵列大面正交泵浦板条激光介质, 具有大模场特性. 根据预先设计的谐振腔模场, 在板条厚度和宽度方向分别采用尺寸可调的光阑限模. 由于高阶模式对谐振腔腔镜不对准的灵敏度弱于低阶模式, 可通过耦合输出镜倾斜量的控制, 实现不同阶数模式腔内损耗的差异化调控, 从而产生各阶次的高纯度厄米-高斯光束. 利用Nd:YAG板条激光器, 获得了0—9阶一维厄米-高斯光束, 其光强分布与理论值的相关系数$ \rho $ 高于0.95, 光束质量因子$ {M}^{2} $ 与理论值符合良好. 最高阶HG09模式的输出功率为 244 mW. 在此基础上, 进一步利用柱透镜对组成的像散模式转换器, 实现了各阶厄米-高斯光束向对应拉盖尔-高斯光束的转换. 结合板条放大器结构, 基于本方案产生的厄米-高斯光束具备功率定标放大的前景.
2023, 72 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.72.20221530
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在光腔衰荡技术中, 腔失调与腔损耗观测值之间存在复杂的非线性映射关系, 导致调腔过程易陷入局部寻优, 对测量准确性造成影响. 本文基于角谱传播理论, 建立了一种衰荡腔高斯光场传输模型, 对典型调腔评价准则进行对比, 并以模型仿真与实验研究相结合的方式, 验证模型合理性. 在仿真模型和实验系统中对特定腔镜施加二维倾斜角度扫描, 获取两种典型调腔评价准则(即光强峰值和衰荡时间)的二维扫描分布. 对比光强最大峰值和最长衰荡时间所对应的腔损耗观测状态. 仿真结果表明光强最大峰值对应的腔损耗观测误差更小, 观测重复性更高. 实验结果同样表明光强最大峰值评价准则具有更好效果. 模型仿真和实验研究的结果验证光强最大峰值评价准则在仿真和实验中具有更好的调腔重复性精度. 同时, 仿真与实验结果基本吻合, 初步验证了本衰荡腔光场传输模型的合理性. 本光场传输仿真模型对光腔衰荡技术在测量应用、光场响应及自动化调腔技术等方面的研究具有一定参考意义.
2023, 72 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.72.20221232
摘要 +
涡旋光束在低密度等离子体传输过程中出现的非线性物理效应与光子携带的轨道角动量 (拓扑荷) 存在密切关联. 基于亥姆霍兹方程理论获得描述涡旋光束传输的旁轴近似方程, 解析求出涡旋光束在低密度等离子体中传输的自聚焦临界功率表达式. 利用分步傅里叶数值方法, 针对不同参数条件下涡旋光束的自聚焦和成丝现象进行了模拟分析. 研究结果表明, 涡旋光束的拓扑荷数决定了自聚焦临界功率大小. 涡旋光束发生成丝不稳定性现象的功率阈值和最大成丝数目与拓扑荷数存在密切关联.
2023, 72 (1): 014207.
doi: 10.7498/aps.72.20221709
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光学频率梳由一组等间距的离散频率成分组成, 在计量学、光谱学、太赫兹波产生、光通信、任意波形产生等领域有着广泛的应用. 本文提出了一种基于光注入下脉冲电流调制1550 nm 垂直腔面发射激光器获取宽带可调谐光学频率梳的实验方案. 在该方案中, 首先采用脉冲信号电流调制激光器, 使其输出的光谱呈现出无明显梳状线的宽噪声谱; 进一步引入光注入, 获取宽带可调谐光学频率梳. 当注入功率为18.82 µW、注入波长为1551.8570 nm、调制电压为10.5 V、调制频率为0.5 GHz、脉冲宽度为200 ps时, 获取了带宽约为82.5 GHz, 信噪比约为35 dB的光学频率梳, 且该光学频率梳的单边带相位噪声低至–123.3 dBc/Hz@10 kHz. 此外, 本实验也系统研究了注入波长、调制频率、脉冲宽度对光学频率梳性能的影响. 实验结果表明: 改变调制频率可以获得不同梳距的光学频率梳, 当调制频率在0.25—3 GHz范围内, 选择优化的注入波长和脉冲宽度, 可获取带宽超过60 GHz的光学频率梳.
2023, 72 (1): 014208.
doi: 10.7498/aps.72.20221752
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本文提出并设计了一种由简单微元结构组成的超透镜, 可同时实现长红外双波长共聚焦功能. 基于广义斯涅耳定律和传输相位调制机理, 通过建立科学评价函数选取最优的微元结构排列组成超透镜. 设计结果表明, 该超透镜实现了波长为10.6和9.3 μm的双波长共聚焦, 且具有较高聚焦效率、聚焦光斑接近于衍射极限, 并定量分析了超透镜微元结构参数冗余度, 得到其对聚焦效率的影响趋势. 本文设计的超透镜有望满足长红外光学共聚焦系统集成化、微型化的需求, 在激光外科手术、工业切割焊接等领域有着重要的应用价值.
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2023, 72 (1): 014209.
doi: 10.7498/aps.72.20221290
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全球气候变化与南极臭氧空洞的形成促使人们关注大气臭氧含量的变化. 臭氧通常通过天底卫星实现全球连续观测, 进而获得全球柱浓度, 但随着对臭氧的深入研究, 全球臭氧分层观测问题也随之出现. 本文将加权乘代数算法与辐射传输模型SCIATRAN相结合, 采用2011年Chappuis-Wulf波段的SCIAMACHY临边辐射数据, 反演出15—40 km高度之间的平流层臭氧廓线, 解决了全球臭氧分层观测问题. 在全球臭氧分层图中, 观测到全球臭氧传输从低纬度地区的形成上升到中高纬度地区的消耗下降的整个过程, 这与布鲁尔-多布森环流直接相关. 在9—10月南极臭氧空洞最严重时期, 南极极地环流对臭氧传输的阻碍作用明显, 极地环流出现“透明墙”效果. 一方面赤道臭氧难以传输至南极地区进行补充, 另一方面南极地区上空存在的臭氧消耗物质滞留导致臭氧消耗加速, 低补充和高消耗共同造成南极臭氧空洞. 全球臭氧分层观测为全球臭氧研究提供了新的视角, 将会促进人们对臭氧形成、传输以及消耗过程的研究.
2023, 72 (1): 014210.
doi: 10.7498/aps.72.20221600
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非视域成像是对探测器视线外被遮挡的物体进行光学成像的新兴技术, 基于光锥变换反演法的非视域成像可以看作是一个反卷积的过程, 传统维纳滤波反卷积方法是使用经验值或者反复尝试得到瞬态图像的功率谱密度噪信比(power spectral density noise-to-signal ratio, PSDNSR)进行维纳滤波反卷积, 但非视域成像每个隐藏场景的PSDNSR都不同, 先验估计难以适用. 因此本文提出使用捕获瞬态图像的中频域信息来估计PSDNSR进行维纳滤波从而实现非视域成像. 实验表明, 基于中频域维纳滤波的非视域成像算法估计的PSDNSR能够落在一个重建效果较好的量级上. 相比其他方法, 本文算法能一步直接估计出PSDNSR, 没有迭代运算, 计算复杂度低, 能够在保证重建效果的前提下提升重建效率.
2023, 72 (1): 014301.
doi: 10.7498/aps.72.20221547
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超声悬浮被广泛应用于多个领域, 目前主要有驻波式和相控阵式悬浮系统. 基于共焦点排列的聚焦换能器结构, 本研究提出了一种单边式超声悬浮系统. 其基本原理是利用反相激励成对聚焦换能器在空间构建具有势阱结构的特定声场, 实现微粒的捕获与悬浮. 针对4个共焦点排列的聚焦换能器, 基于有限元仿真研究了换能器轴夹角及激励相位模式对声场分布的影响; 利用实验演示了系统的粒子捕获效果, 验证了其势阱分布情况. 结果表明, 换能器轴线与结构中轴线夹角为45°时, 势阱强度最高; 换能器的激励相位分别为0, 0, π, π时, 声场中存在1处主势阱、2处次级势阱, 可以捕获3处粒子团; 换能器的激励相位分别为0, π/2, π, 3π/2时, 声场中仅存在1处势阱, 只可捕获1处粒子团. 该系统具有成本低、自由度高、稳定性强、操作便捷的优点, 且能够实现单个位置或多个位置粒子团的捕获与悬浮, 可以用于流体中高密度物体操控.
2023, 72 (1): 014302.
doi: 10.7498/aps.72.20221748
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水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题, 在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义. 针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法, 探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性. 首先, 基于运动介质的波动方程, 通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项, 并对流声耦合项进行频域分析处理, 揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理; 其次, 采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟, 分析了低马赫数条件下, 不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律, 并结合理论分析模型对其特性进行了解释. 研究表明: 低马赫数下, 振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场, 且随着入射声波频率、涡核尺度的增大, 散射调制声场强度增强, 总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣, 且主瓣方位角趋近于入射波传播方向; 在频率比远大于1条件下, 涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (1): 015201.
doi: 10.7498/aps.72.20221197
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激光驱动惯性约束聚变中壳层材料和聚变燃料的混合是影响聚变点火燃烧性能的关键物理问题, 聚变过程中混合物形态的演化及相应热核反应速率的物理建模直接影响数值模拟的置信度, 具有重要的科学意义和应用价值. 本文以扩散混合机制下混合形态随时间的演化规律及其对热核反应速率的影响为研究对象, 基于热力学平衡与理想气体物态方程假设, 通过解析分析与一维球几何扩散方程数值解的对比研究, 揭示了扩散混合主导下热核反应速率随混合形态演化的物理规律. 研究发现, 混合量主要通过影响燃料的体积份额直接影响热核反应速率, 由混合非均匀尺度和扩散系数共同决定的扩散时间直接影响热核反应速率的时间演化行为. 进一步利用蒙特卡罗方法直接模拟扩散过程得到的互扩散系数, 定量分析了燃料中混入低Z、高Z材料时热核反应速率随时间演化的差异, 通过与美国非均匀混合效应实验典型数值模拟结果进行对比分析, 验证了理论评估的可靠性. 本工作对我国惯性约束聚变混合效应实验的设计和改进具有重要参考意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (1): 016801.
doi: 10.7498/aps.72.20221630
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石墨烯的氟化是改善石墨烯涂层腐蚀防护能力的有效方法之一. 本文使用NEB过渡态搜索方法研究了O原子在完全氟化石墨烯(CF)和部分氟化石墨烯(C4F)上的扩散和穿透行为, 分析F原子对石墨烯薄膜抗腐蚀能力的影响. 计算结果显示, F原子的吸附能有效抑制O原子在石墨烯上的扩散, C4F上O原子的表面扩散能垒显著提高, CF内O原子的水平扩散能垒更是高达2.69 eV. 而且F原子的增加使得C原子层对O原子穿透的阻隔能力减小, 在CF中, O原子的穿透主要受到F原子层的阻隔. 此外采用第一性原理计算方法计算了纯石墨烯、CF和C4F薄膜与Cu(111)表面的界面粘附功以及电子结构. 计算表明, 相比于纯石墨烯, CF和C4F能更好地与基底结合, 界面粘附功随着F原子的吸附浓度增大而提高. Cu/C4F和Cu/CF界面的电荷转移均增加, 其中Cu/C4F界面的电荷转移更多, C4F与Cu(111)表面的部分Cu原子生成Cu—C键.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.72.20221653
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本文在固定Ga原子含量为8%的情况下, 结合高分辨率X射线光电子能谱和拉曼散射光谱对硫系玻璃GexGa8S92–x (x = 24%, 26.67%, 29.6%, 32%和36%)的结构进行了研究. 通过分析玻璃结构中各单元结构的演变情况, 发现玻璃内部网络结构主要为S原子桥接GeS4和GaS4四面体结构. 随着Ge含量的逐渐增大, S链状或环状结构单元迅速减少, 并消失于Ge26.67Ga8S65.33玻璃组分中; 而类乙烷结构S3Ge-GeS3中的Ge—Ge同极键和S3Ge/Ga-Ga/GeS3结构中的M—M (Ge—Ge, Ga—Ga或Ge—Ga)同极键同时出现于Ge29.6Ga8S62.4玻璃中, 并且其结构数量随着Ge含量的增大而逐渐增加. 由此可以判定, 首先, 在硫系玻璃GexGa8S92–x结构中Ge和Ga原子均主要以4配位的形式出现, 而S原子则主要以2配位的形式出现. 其次, M—M键的存在导致纳米相分离, 玻璃网络结构的有序化程度降低.
2023, 72 (1): 017201.
doi: 10.7498/aps.72.20221183
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钇铁石榴石(yttrium iron garnet, YIG)的自旋输运特性一直是自旋电子学的研究重点之一. Bi作为YIG最常见的掺杂元素, 其薄膜BixY3–xFe5O12的磁光特性已经被广泛研究. 但Bi3+取代Y3+对YIG自旋输运的影响规律还没有被系统地研究过. 本文利用溶液旋涂法制备了不同掺杂比的BixY3–xFe5O12薄膜, 并研究Bi掺杂对YIG薄膜形貌结构和自旋输运性能的影响. 结果表明Bi掺杂没有改变YIG的晶体结构, 掺杂比上升令薄膜的吸收强度增大, 带隙减小. XPS表明了Bi3+和Bi2+的存在. Bi掺杂在自旋输运上的调控体现在BixY3–xFe5O12薄膜的磁振子扩散长度相比纯YIG薄膜有所减小. 同时研究发现Pt/ BixY3–xFe5O12薄膜中依然可以检测到明显的自旋霍尔磁电阻, 并在x = 0.3时振幅最大.
编辑推荐
2023, 72 (1): 017301.
doi: 10.7498/aps.72.20221512
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串联耦合三量子点(serial triple quantum dots, STQD)体系在近十年来受到人们的广泛关注, 这不仅是提高量子点集成度的一个必然过程, 更重要的是可以利用STQD中一些特定的电荷占据态来实现自旋量子比特的快速全电学调控. 本文运用常相互作用模型, 导出了与外部可观测物理量相关的STQD电化学势, 借助数值模拟计算得到STQD在不同中间栅电压下的线性输运二维电荷稳态图(简称二维稳态图), 着重研究STQD的各种电荷占据态之间的能量简并点(简称能量简并点), 结合实验将STQD中的能量简并点归纳为三种类型, 对这些能量简并点的深入理解可以指导实验高效地寻找STQD体系中适合量子计算的工作区.
2023, 72 (1): 017302.
doi: 10.7498/aps.72.20221253
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1/f噪声具有丰富的物理内涵, 既是科学研究的量化工具, 也是电子器件重要性能指标. 本文从通用数学形式和物理背景两个方面归纳总结1/f噪声模型. 首先介绍了基于马尔可夫过程和基于扩散过程的1/f噪声通用数学模型. 在此基础上, 溯源1/f噪声物理模型的发展历程, 总结五类典型物理模型, 包括Mc Whorter模型、Hooge模型、Voss-Clarker模型、Dutta-Horn模型、干涉模型以及Hung统一模型. 二维材料石墨烯让1/f噪声研究重归学术热点, 本文梳理了当前石墨烯1/f噪声研究中形成的共识性研究成果, 提出石墨烯低频噪声研究的三层次分类分析模型, 分析了不同层面噪声机理研究代表性成果, 归纳总结了各层面可能的主导机制. 通过比较不同团队报道的石墨烯1/f噪声栅极调控特征谱型及测试条件, 分析了复杂多变栅控谱型形成原因. 基于分析结论, 为避免非本征噪声干扰, 提出了石墨烯本征背景1/f噪声规范性测量方案, 为厘清和揭示石墨烯1/f噪声机制及特性探索可行技术途径.
2023, 72 (1): 017401.
doi: 10.7498/aps.72.20221252
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超导磁悬浮列车在加速启动的过程中, 载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中, 这会导致超导线圈发生磁通跳跃, 从而降低线圈的载流能力. 并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高, 严重时会导致超导线圈失超, 所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义. Nb3Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构. 本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应, 研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为. 通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响, 发现当磁场幅值不变时, 初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随频率非单调变化. 而当频率一定时, 初次发生磁通跳跃的磁场阈值Bth随交变磁场幅值单调变化. 此外, 随着幅值的减小, 发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小, 直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃. 本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.
2023, 72 (1): 017801.
doi: 10.7498/aps.72.20221341
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采用水热法制备了一系列稀土Dy3+, Tb3+, Eu3+掺杂的极性Gd2Te4O11(GTO)亚碲酸盐荧光粉. 对样品的物相结构、形貌和热稳定性等进行了表征, 测试了样品的发光性能. 结果显示, 所制样品均为单相, 呈短杆状形貌, 尺寸在微米量级, 热稳定性能良好. 对于GTO:Dy3+荧光粉, 在紫外光激发下的发光主要位于黄绿光区, 获得最强发光强度的掺杂浓度为2.5%, 色坐标为(0.39, 0.43); 荧光衰减曲线表明GTO:Dy3+样品发光寿命随着掺杂浓度增大逐渐减小, 与Dy3+离子间的交叉弛豫有关. 对于GTO:Eu3+荧光粉, 在紫外光激发下的发光主要位于红光和橙红光区, 其发射强度随着Eu3+掺杂浓度的增大而增强. 当掺杂浓度为10%时, 样品发光的色坐标为(0.62, 0.38), 位于橙红光区, 且样品的发光寿命几乎不受掺杂浓度影响. 对于GTO:Tb3+荧光粉, 随着Tb3+掺杂浓度的增大, 受Tb3+离子间交叉弛豫的影响, 荧光粉在紫外光激发下的发射从蓝紫区向黄绿光区转变; 其中, 当Tb3+浓度为0.5%时, 样品表现为白光发射, 色坐标为(0.33, 0.35), 显色指数达86. 变温荧光光谱测试结果显示, 上述荧光粉具有良好的发光热稳定性. 对三类荧光粉的内量子效率进行了测试, 其中GTO:Eu3+量子效率优于GTO:Dy3+和GTO:Tb3+, 各样品量子效率仍有较大提升空间.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (1): 018101.
doi: 10.7498/aps.72.20221640
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氧化镍作为一种低成本、高稳定性的空穴传输材料, 在近些年被广泛地应用在反式钙钛矿太阳能电池中. 制备氧化镍空穴传输层最常用的方法是旋涂氧化镍纳米颗粒分散液, 因此对氧化镍颗粒粒度以及溶液加工性能提出了很高的要求. 本文通过精确控制合成过程中体系pH值, 实现了对氧化镍纳米颗粒粒度的调控, 进而制备了高质量的氧化镍空穴传输层. 实验表明合成体系pH值为9.5—9.8时, 可以制得平均粒径为5—10 nm的氧化镍纳米颗粒, 并且纳米颗粒具有良好的分散稳定性. 此外, 通过对氧化镍纳米颗粒进行结构成分分析, 发现由pH值调控的粒径变化并不会引起颗粒物质结构和成分的改变. 通过表面形貌分析, 由pH值调控获得的颗粒可制成致密且具有较小的粗糙度的薄膜, 该薄膜展现出良好的空穴抽取能力. 基于该薄膜的钙钛矿太阳能电池(MAPbI3)获得了17.39%的光电转化效率, 并且几乎没有迟滞现象. 本文的实验结果表明, 通过pH值精细调控氧化镍纳米颗粒粒度可以有效提升钙钛矿太阳能电池的性能. 本文的研究有望促进基于高性能氧化镍空穴传输层的钙钛矿太阳能电池研究.
编辑推荐
2023, 72 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.72.20221584
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交换偏置效应影响磁敏传感器中的关键性能参数. 在外加磁场辅助下, 本文提出一种电流产生的焦耳热调控交换偏置效应的研究方法. 通过该方法, 系统调控了反转型垂直纳米多层膜结构(Co/Pt)n/Co/IrMn(简称垂直多层膜结构, n+1是Co层周期数)的面内交换偏置效应, 不仅连续改变了交换偏置场Heb大小, 而且实现了Heb的翻转. 在垂直多层膜结构中, 如果固定外加磁场Hp (脉冲电流IDC)后连续改变IDC (Hp)的大小可以连续调控Heb的数值; 如果固定Hp(IDC)后同时改变IDC(Hp)的大小和方向, 则在较大IDC时可实现Heb的翻转. 结果表明, 该方法可以用来原位调控磁敏传感器的线性磁场范围和灵敏度等关键性能参数, 对磁敏传感器的优化研究具有重要的借鉴意义.
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2023, 72 (1): 018801.
doi: 10.7498/aps.72.20221461
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近年来, CH(NH2)2PbI3(FAPbI3)由于其带隙接近理想值而受到了广泛关注, 成为钙钛矿太阳能电池中最具吸引力的光电功能材料. 然而由碘甲脒 (FAI) 和碘化铅 (PbI2)作为前驱体制备的传统钙钛矿层化学计量比不精准, 缺陷密度大, 稳定性差且结晶度较低, 导致钙钛矿太阳能电池性能很难进一步提高. 本文采用FAPbI3单晶制备的钙钛矿薄膜具有高结晶度, 高稳定性, 精确的化学计量比和低缺陷密度. 单晶钙钛矿薄膜的晶粒尺寸大, 晶界少, 导致晶界处缺陷较少, 提高了钙钛矿太阳能电池的短路电流密度(JSC)和开路电压(VOC), 使其光电转换效率有了大幅度的提高. 本文为制备高稳定性、高结晶度和低缺陷密度的钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.
2023, 72 (1): 018802.
doi: 10.7498/aps.72.20221120
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钙钛矿/有机集成太阳电池具有宽带隙的钙钛矿活性层吸收高能量的光子, 较低能量的光子可以透过钙钛矿层并被窄带隙的有机活性层吸收. 即通过引入可见光区的钙钛矿材料和近红外(near-infrared, NIR)有机半导体材料组成的体异质结(bulk heterojunction, BHJ), 在保持钙钛矿型器件高开路电压的同时, 也可以获得有机电池增强的短路电流密度. 将窄带隙有机活性层PC20BDTDPP:PC71BM直接沉积在CH3NH3PbI3上制备成钙钛矿/有机集成太阳电池. CH3NH3PbI3/PC20BDTDPP:PC71BM集成太阳电池可以扩宽钙钛矿的吸收光谱, 提高近红外光的吸收利用. 结果表明, 集成太阳电池的短路电流密度提升到23.90 mA/cm2, 光响应扩宽到920 nm, 外量子效率在可见光区达到85%, 在近红外区域(800—900 nm)亦接近55%, 器件能量转换效率高达20.30%, 最佳器件的积分电流密度和近红外区的外量子效率以及能源转换效率均是目前报导的钙钛矿/有机集成太阳电池中的最高值. 在室温25 ℃和湿度30%的环境下, 器件的效率经过350 h以后, 下降到初始效率的95%, 表现出极佳的器件稳定性. 研究结果表明: 通过材料组合和器件结构优化来提高钙钛矿太阳电池对于近红外光的吸收, 以及提升钙钛矿/有机集成太阳电池性能的策略是一种有效的方法. 为将来开发高效率和高稳定性的钙钛矿/有机集成电池提供了理论指导和实验基础.
