专题: 非线性系统理论及其前沿应用
2023, 72 (10): 100203.
doi: 10.7498/aps.72.20230063
摘要 +
本综述主要介绍了双线性约化方法在可积系统求解中的应用. 这一方法基于双线性方法和解的双Wronskian表示. 对于通过耦合系统约化而获得的可积方程, 先求解未约化的耦合系统, 给出用双Wronskian表示的解; 进而利用双Wronskian的规则结构, 施以适当的约化技巧, 获得约化后的可积方程的解. 以非线性Schrödinger方程族和微分-差分非线性Schrödinger方程为具体例证, 详述此方法的应用技巧. 除了经典可积方程, 该方法也适用于非局部可积系统的求解. 其他例子还包括Fokas-Lenells方程和非零背景的非线性Schrödinger 方程等可积系统的求解.
2023, 72 (10): 107502.
doi: 10.7498/aps.72.20230345
摘要 +
在亚皮秒到飞秒时间尺度下, 铁磁体中磁化强度的动力学中要考虑惯性效应, 它可以用惯性朗道-利夫希茨-吉尔伯特(inertial Landau-Lifshitz-Gilbert)方程来描述. 本文主要介绍了超快铁磁共振、磁矩翻转和惯性自旋动力学在理论和实验上的一些发展, 这些研究结果将有助于更好地理解超快退磁和翻转的基本机制, 加深对磁惯性微观机制的理解, 揭示未来的实验和理论研究的发展趋势.
2023, 72 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.72.20230241
摘要 +
Korteweg-de Vries (KdV)方程是一种数学模型, 用于描述色散介质中长波的传播. 而非线性薛定谔(NLS)方程模拟了由短色散波组成的窄带宽波包的动态, 它是描述许多物理系统的有用模型, 包括玻色-爱因斯坦凝聚、光纤和水波等. 将KdV和NLS方程耦合起来的系统可以模拟长波和短波的相互作用. 这个系统在物理和数学上很有吸引力, 它结合了两个模型的优点. KdV方程描述的长波可以影响NLS方程描述的短波的行为, 而短波反过来也可以影响长波的行为. 这样一个耦合系统在过去的几十年中得到了广泛的研究, 并为许多物理系统带来了重要的影响. 本文在Bernard等工作(Bernard D, Nghiem V N, Benjamin L S 2016 J. Phys. A: Math. Theor. 49 415501 )的基础上考虑了KdV非线性Schrödinger微扰系统柯西问题局部解的存在性, 并给出了解的存在空间.
2023, 72 (10): 100202.
doi: 10.7498/aps.72.20222381
摘要 +
近年来, 物理信息神经网络(PINNs)因其仅通过少量数据就能快速获得高精度的数据驱动解而受到越来越多的关注. 然而, 尽管该模型在部分非线性问题中有着很好的结果, 但它还是有一些不足的地方, 如它的不平衡的反向传播梯度计算导致模型训练期间梯度值剧烈振荡, 这容易导致预测精度不稳定. 基于此, 本文通过梯度统计平衡了模型训练期间损失函数中不同项之间的相互作用, 提出了一种梯度优化物理信息神经网络(GOPINNs), 该网络结构对梯度波动更具鲁棒性. 然后以Camassa-Holm (CH)方程、导数非线性薛定谔方程为例, 利用GOPINNs模拟了CH方程的peakon解和导数非线性薛定谔方程的有理波解、怪波解. 数值结果表明, GOPINNs可以有效地平滑计算过程中损失函数的梯度, 并获得了比原始PINNs精度更高的解. 总之, 本文的工作为优化神经网络的学习性能提供了新的见解, 并在求解复杂的CH方程和导数非线性薛定谔方程时用时更少, 节约了超过三分之一的时间, 并且将预测精度提高了将近10倍.
2023, 72 (10): 100204.
doi: 10.7498/aps.72.20222418
摘要 +
可积系统研究是物理和数学等学科的重要研究课题. 然而, 通常的可积系统研究往往被限制在(1+1)维和(2+1)维, 其原因是高维可积系统极其稀少. 最近, 我们发现利用形变术可以从低维可积系统导出大量的高维可积系统. 本文利用形变术, 将(1+1)维的Kaup-Newell (KN)系统推广到(4+1)维系统. 新系统除了包含原来的(1+1)维的KN系统外, 还包含三种(1+1)维KN系统的互反形式. 模型也包含了许多新的(D+1)维($ D\leqslant3 $ )的互反型可积系统. (4+1)维互反型KN系统的Lax可积性和对称可积性也被证明. 新的互反型高维KN系统的求解非常困难. 本文仅研究(2+1)维互反型导数非线性薛定谔方程的行波解, 并给出薛定谔方程孤子解的隐函数表达式.
2023, 72 (10): 100306.
doi: 10.7498/aps.72.20222289
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玻色-爱因斯坦凝聚中由于非线性相互作用引起的涡旋激发态一直是超冷原子研究的热点. 然而相关研究都集中在具有整数拓扑荷的正则涡旋态. 本文研究了具有幂指数、新型幂指数和振荡型三种相位分布的非正则涡旋光与凝聚体相互作用而产生的非正则涡旋态凝聚体的动力学性质. 研究表明非正则涡旋具有动力学不稳定性, 其密度分布显著依赖于光场相位结构参数. 不同非正则涡旋衰变形成具有不同分布的正则涡旋簇, 展现出丰富的动力学激发斑图. 特别是新型幂指数非正则涡旋态衰变后会在凝聚体内形成稳定的正多边形正则涡旋簇结构. 由于非正则涡旋光的相位结构破坏了凝聚体的旋转对称性, 凝聚体的角动量不再是量子化的, 且其随光场方位角幂次或振荡频率的变化与相应的非正则涡旋光场自身演化具有明显差别. 在动力学演化过程中, 具有新型幂指数相位的非正则涡旋态凝聚体质心保持不变, 而对于具有幂指数和振荡型相位的非正则涡旋态凝聚体, 两者的质心轨迹是一个中心为坐标原点的非标准椭圆.
2023, 72 (10): 100307.
doi: 10.7498/aps.72.20222292
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里德伯缀饰和自旋轨道耦合的实验实现极大地拓宽了冷原子作为量子模拟平台的研究视野. 本文研究了莫尔晶格中里德伯缀饰自旋轨道耦合玻色气体的基态结构, 探索了非局域里德伯相互作用和自旋轨道耦合强度对该系统基态的影响. 研究发现, 当出现非局域里德伯相互作用时, 系统不再具有平移对称性, 倾向于形成更多更规则的周期性结构; 当存在自旋轨道耦合相互作用时, 系统的基态在此周期性结构的基础上, 将呈现出更加丰富的内部结构.
2023, 72 (10): 100308.
doi: 10.7498/aps.72.20222195
摘要 +
数值研究了具有三体相互作用的均匀介质界面和半无限雅克比椭圆正弦势下准一维玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate, BEC)中的表面带隙孤子及其稳定性. 在平均场近似下, 其动力学行为可用3次-5次Gross-Pitaevskii方程描述. 首先用牛顿-共轭梯度法寻找表面带隙孤子, 发现表面亮孤子仅当化学势小于0时才可于带隙内激发, 但表面扭结孤子和气泡孤子既可存在于带隙中也可存在于能带中. 然后采用线性稳定性分析和非线性动力学演化研究了孤子的稳定性, 结果表明三体相互作用会明显影响表面亮孤子的稳定性, 表面扭结孤子既有稳定的也有不稳定的, 但表面气泡孤子均不稳定.
2023, 72 (10): 100309.
doi: 10.7498/aps.72.20222401
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研究了在二维自旋-轨道耦合的相互作用超冷玻色气体中存在一维光晶格时, 超流条纹相到超固相的非平衡动力学. 通过研究这一动力学过程中的缺陷(位相空间中的涡旋)及波函数的变化行为, 利用涡旋数及波函数的交叠等描述方法, 确定了考虑光晶格深度随时间线性变化的量子淬火动力学过程的转变时间. 发现在转变时间之前, 体系对于淬火过程没有响应. 当演化时间超过转变时间后, 系统开始迅速响应, 涡旋数及体系的波函数开始迅速变化. 当演化时间足够长时, 系统将达到稳态. 另外还发现, 在上述动力学过程中, 由于体系中自旋-轨道耦合的存在, 系统在空间中的密度分布与自旋在空间中的结构始终相伴生, 即具有拓扑结构的磁斯格明子(反斯格明子)的中心位置始终与体系密度分布的极小值位置相对应.
2023, 72 (10): 100501.
doi: 10.7498/aps.72.20222416
摘要 +
本文深入研究了孤子干涉过程中的相位演化特性及其背后的拓扑矢势. 基于一维非线性薛定谔方程的双孤子解, 发现波函数密度零点广泛存在于拓展的复平面内, 并且每一个密度零点对应狄拉克磁单极的矢势场. 矢势场是由周期排布的具有相反磁荷的狄拉克磁单极对组成. 通过观察磁单极子的运动, 可以方便地理解干涉过程中的相位演化特征. 特别发现, 一对正负磁单极对在实轴上的碰撞恰好对应波函数相位在节点处的π跃变. 此外，还对比讨论了线性波包干涉动力学中的狄拉克磁单极. 结果表明狄拉克磁单极势广泛存在于波场的干涉现象之中, 并且磁单极在拓展的复平面内分布特征可用于区分线性干涉和非线性干涉过程背后的拓扑性质.
2023, 72 (10): 100502.
doi: 10.7498/aps.72.20222284
摘要 +
本文构造了耦合自散焦饱和非线性薛定谔方程, 通过改变势函数参数再利用功率守恒的平方算符法, 得到偶极-偶极、三极-偶极以及偶极-三极矢量孤子解. 随着孤子功率的增大, 这3类矢量孤子均能存在, 它们的存在性明显受到势函数的调制. 本文给出了3类矢量孤子由势函数调制的存在区域. 3类矢量孤子的稳定区域受每个分量的孤子功率调制. 随着两分量孤子功率的增大, 3类矢量孤子的稳定域均逐渐扩大. 当饱和非线性强度增大时, 三极-偶极和偶极-三极矢量孤子由稳定状态到不稳定状态临界点对应的孤子功率值逐渐降低. 而偶极-偶极矢量孤子由稳定状态到不稳定状态临界点对应的孤子功率值并不会因为饱和非线性强度增大而变化.
2023, 72 (10): 100503.
doi: 10.7498/aps.72.20230172
摘要 +
Whitham调制理论自1965年被首次提出后, 由于其在研究色散流体动力学和处理间断初值问题上的独特优势得到了人们的广泛关注. 本文发展了散焦型非线性薛定谔方程的Whitham调制理论, 研究它的间断初值问题解的分类和演化, 并利用直接数值模拟验证结果的正确性. 具体地, 推导出稀疏波和色散冲击波解及其相应的Whitham方程, 详细讨论了每种分类中黎曼不变量和色散流体的密度分布. 最后, 分析了色散流体的活塞问题, 发现了新奇的波状涌潮结构.
2023, 72 (10): 100504.
doi: 10.7498/aps.72.20222430
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变系数3+1维三次-五次复金兹堡-朗道(CGL)方程作为光孤子传输模型, 不仅用五次项解释了现有模型所没有的物理意义, 还拥有高维系统较低维系统更为丰富的非线性动力学特性. 本文利用修正的Hirota方法, 得到了变系数3+1维三次-五次CGL方程的解析孤子解. 通过对非线性系数和光谱滤波项选取特定的参数, 得到了一种特殊的混合孤子. 分别讨论了改变非线性、光谱滤波和线性损失参数以及其他参数对孤子传输特性的影响, 实现了对亮孤子和混合孤子传输的有效控制. 本文结论对高维CGL系统在理论和实验研究方面具有一定的参考价值.
2023, 72 (10): 100505.
doi: 10.7498/aps.72.20230425
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在非保守非线性系统中, 产生孤子的基本物理机理是系统的动能与非线性、以及增益与耗散达到双动力学平衡. 如何在该系统中产生稳定的自由高维孤子是目前孤子理论具有挑战性的前沿课题. 本文提出了一种在激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚体中实现二维自由亮孤子理论方案, 即通过时间周期调制相互作用以及增益与耗散双平衡的物理机理产生稳定的二维自由空间亮孤子. 为此, 首先通过拉格朗日量变分法得到了二维亮孤子参数的动力学方程, 得到其动力学稳定的参数空间. 其次, 数值模拟广义增益耗散Gross-Pitaveskii方程的含时演化, 验证了二维亮孤子的稳定性. 最后, 加入高斯噪声模拟真实实验环境, 发现在实验可观测的时间范围内, 二维亮孤子是稳定的. 本文的实验方案打开了在非保守系统中研究高维自由空间亮孤子的大门.
2023, 72 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.72.20230096
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实现高维光孤子是非线性光学研究中一个长期的目标. 本文设计了一个里德伯冷原子与贝塞尔晶格势耦合的系统, 发现了一系列稳定的二维空间光孤子簇, 包括基极孤子、二级孤子、四级孤子和涡旋孤子. 研究表明, 光传播系数、非局域非线性系数、贝塞尔晶格常数可以用来调控光孤子的产生、空间分布及演化; 在系统参数的调控下, 该光孤子簇具备空间稳定性, 能够在一定距离内稳定传播. 本研究为高维空间光孤子的产生和调控提供了一种新的思路.
2023, 72 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.72.20222298
摘要 +
利用Kadomtsev-Petviashvili (KP)系列约束方法和双线性方法, 构造了空间位移宇称–时间反演($\mathcal{PT}$ )对称非局域非线性薛定谔方程的高阶怪波解. 任意$N$ 阶怪波解的解析表达式是通过舒尔多项式表示的. 首先通过分析一阶怪波解的动力学行为, 发现怪波的最大振幅可以大于背景平面三倍的任意高度. 分析了对称非局域非线性薛定谔方程中的空间位移因子$x_0$ 在一阶怪波解中的影响, 结果表明其仅改变怪波中心的位置. 另外，研究了二阶怪波解的动力学行为以及怪波模式, 然后给出了$N$ 阶怪波模式与$N$ 阶怪波解的解析表达式中参数之间的关系, 进一步展示了高阶怪波的不同模式.
2023, 72 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.72.20230082
摘要 +
研究了非宇称时间对称复数势下非线性耦合器中多类型非局域孤子的存在性和稳定性, 发现基态孤子、偶极孤子、多极孤子分别从线性谱中不同的离散特征值分叉出来形成孤子族, 其功率受非局域程度和传播常数的影响. 在相变以下, 各个类型孤子均在相对较低功率区间是稳定的. 随着非局域程度的增加, 基态孤子族的稳定区域变小, 其他孤子族的稳定区域则变大. 在相变以上, 基态孤子则在相对中功率区是稳定的, 并且从第二大离散特征值分叉出的偶极孤子不存在稳定区域. 孤子线性稳定性分析结果中的特征值总是以共轭对的形式出现. 此外, 还研究了耦合系数对孤子态的影响.
2023, 72 (10): 106701.
doi: 10.7498/aps.72.20222319
摘要 +
在旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中, 孤子态作为宏观量子效应的典型状态, 可以通过自旋-轨道耦合进行调控, 这使得对自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子的研究成为近年来超冷原子领域研究的重要课题之一. 本文研究了描述一维自旋-轨道耦合二分量玻色-爱因斯坦凝聚体Gross-Pitaevskii方程的精确求解, 利用直接假设及可积约化方法, 给出了系统多种类型的孤子解, 讨论了相应的孤子动力学以及自旋-轨道耦合效应对系统的量子磁化和自旋-极化态的影响.
专题: 量子计算新进展: 硬件、算法和软件
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2023, 72 (10): 100304.
doi: 10.7498/aps.72.20222349
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借助于电感型耦合器产生人造规范势(有效磁通), 本文研究了正方形传输子量子比特模型中的量子态输运性质. 理论计算发现, 单粒子本征态与单空穴本征态具有相同的本征能谱, 并且相同能量下, 两者的平均粒子流与平均空穴流受有效磁通正弦调制后互为相反数. 当初态为占据一个格点的单粒子与单空穴时, 如果系统时间反演对称(有效磁通为$4{\rm \pi}$ 的整数倍), 单粒子与单空穴的含时波函数各分量相等, 否则不等. 分析证明, 以上计算结果是由于对体系哈密顿量的粒子-空穴操作等价于对其做时间反演. 此外还发现, 有效磁通为π时, 单粒子或单空穴只在初始比特与两个相邻比特之间输运, 有效磁通为0时, 单粒子或单空穴通过两个相邻比特输运到对角比特, 然后再反向输运; 无论有效磁通如何取值, 两者具有相同的平均(粒子或空穴)流和格点占据概率.
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2023, 72 (10): 100305.
doi: 10.7498/aps.72.20222398
摘要 +
动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程, 因此在量子信息领域获得了广泛的应用. 传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系, 如量子比特, 施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果. 随着量子计算研发的深入, 对于像超导量子比特这种天然的多能级系统, 研究者不再局限于二能级子空间, 而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法. 目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究. 本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲, 构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列. 结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响. 此外, 通过计算滤波函数, 还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用, 并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释. 研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究, 包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等, 均具有启发意义.
总论
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2023, 72 (10): 100301.
doi: 10.7498/aps.72.20222413
摘要 +
给出了一种研究囚禁在微腔中类氢原子的内部无序性的一种方法, 即利用体系的量子信息熵和形状复杂度对囚禁体系的无序性进行表征和研究. 计算和分析了囚禁在InN电介质球形微腔中类氢原子的位置和动量空间中香农信息熵和形状复杂度, 重点探究了量子囚禁效应对体系无序性的影响. 计算结果表明: 当微腔半径较小时, 量子囚禁现象显著, 形状复杂度曲线中有一系列极值点, 这是由信息熵和空间不均匀性的共同作用引起的. 随着微腔半径增大, 囚禁现象减弱, 囚禁类氢原子的香农信息熵和形状复杂度趋近于自由空间类氢原子的情形. 为囚禁量子体系内部无序性的研究提供了一种有效方法, 对囚禁量子体系的信息测量提供了一定的参考.
2023, 72 (10): 100302.
doi: 10.7498/aps.72.20222192
摘要 +
相较于平面波, 贝塞尔涡旋波束作为典型的涡旋波束, 以其携带轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)、无衍射、自重建的特性, 使其在雷达检测、目标识别与成像等领域具有更加显著的竞争力 . 本文根据物理光学法和三角形面片建模, 并结合贝塞尔涡旋波束的角谱展开法, 导出了贝塞尔涡旋波束入射到任意金属目标的散射近场表达式, 通过与FEKO软件仿真结果对比验证了本文方法的正确性. 数值计算了简单和组合目标的散射近场的幅相和OAM分布以及雷达散射截面(radar cross section, RCS), 分析了波束参数、接收面的距离和目标偏移波束距离等因素的影响. 结果表明贝塞尔涡旋波束照射下的目标的近场幅相和OAM扰动与多种因素相关, 这为进一步利用近场散射特征获得更多的目标信息奠定了基础.
2023, 72 (10): 100303.
doi: 10.7498/aps.72.20222431
摘要 +
自测试是对所声称量子设备的一种高安全级别验证, 仅根据设备观测到的统计数据来确认设备中所制备的量子态和所执行的测量. 制备-测量场景下量子系统的自测试可依赖于测量统计关联来实现. 目前针对制备-测量场景量子系统自测试的研究比较单一, 只有当统计关联满足一定的不等式要求时才能实现其系统的自测试. 本文进一步提出了制备-测量场景下量子比特态制备集和测量集实现自测试的新标准, 实现了比BB84粒子更多的量子比特态集及测量集的自测试, 这有利于满足实际实验对不同量子态集制备的需求. 此外, 对所提出的标准进行了鲁棒性分析, 使新标准在实验噪声下具有实际意义. 本文的研究增加了量子比特态制备和测量系统自测试标准的多样性, 有利于实际不同非纠缠单量子系统的自测试.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2023, 72 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.72.20230199
摘要 +
由金属纳米粒子构成的周期性规则阵列, 可以通过粒子间的耦合来激发表面格点共振效应, 从而极大压缩单粒子的局域表面等离子体共振效应的线宽. 本文将该表面格点共振效应从二维周期性结构推广到轴对称的圆环结构中, 提出了双圆环金属纳米粒子阵列结构的电磁响应模型. 在此基础上, 得到了双圆环阵列发生表面格点共振效应的条件, 并发现当阵列结构参数满足特定条件时, 该阵列的所有偶极子分量会发生集体共振效应, 从而获得极高的近场增强因子.
2023, 72 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.72.20222464
摘要 +
在高功率光纤激光系统中, 常会出现激光照射到目标处产生的回光被重新耦合到激光器内部并得到放大, 从而损伤激光系统的现象. 对于高功率光谱合成光纤激光系统等缺乏有效回光防护的高功率激光系统, 该情况尤为严重. 为了解决上述问题, 有必要综合整个系统链路中的多种物理效应, 评估和分析反射回光对系统运转状态的影响, 在设计光纤激光器时优化光路布局和系统结构, 以尽量避免不必要的损失. 本文基于大气传输理论、光纤速率方程和介质热传导方程模型, 分析了反向回光对高功率光纤激光器的影响. 研究发现, 在大气条件一定的情况下, 回光功率与传输距离、光轴偏移角度、光束发散角和光束中心位置偏移量等因素有关, 并且会影响光纤激光器输出功率、光束质量因子、热效应和受激拉曼散射光谱信噪比. 研究结果对于优化高能光纤激光系统的外光路布局和激光器内部器件系统参数设计具有一定的指导意义.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.72.20222409
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经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性, 近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注. 但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少, 严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展. 本文利用一维粒子模型, 对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下, 间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究. 结果表明, 在空间电荷动力学行为的影响下, 板-板电极之间出现了增强电场区域, 使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式. 此外, 还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生, 随着二次电子崩与放电通道不断汇聚, 引导并加速了放电通道的发展, 最终导致气隙击穿. 本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理, 拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论, 为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.
2023, 72 (10): 105202.
doi: 10.7498/aps.72.20222090
摘要 +
基于二维非定常Euler方程, 对平面激波与不同界面组分分布下氦气气柱作用过程所引起的Richtmyer-Meshkov不稳定性现象进行了数值模拟, 探讨了激波冲击轻质气柱后气柱界面形态的演变及流场波系结构, 定量分析了气柱特征尺度(气柱长度、高度和中轴宽度)和气柱体积压缩率随时间变化. 此外, 结合流场压强、速度、环量和气体混合率, 多角度分析了激波驱动界面气体混合的流动机制, 获得了不同界面组分分布对界面不稳定性的影响. 结果表明, 随着气柱界面从完全扩散界面向间断界面的过渡, 界面两侧的声反射系数随之增大, 使入射激波与气柱界面的作用由常规透射转变为非常规透射, 反射激波逐渐加强, 透射激波逐渐减弱, 使得Richtmyer-Meshkov不稳定性随之增强; 同时, 界面两侧阿特伍德数的增大, 加强了Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展. 此外, 界面不稳定性的加强使得流场环量增大, 导致气体混合率的增长速率随之升高.
2023, 72 (10): 105203.
doi: 10.7498/aps.72.20222424
摘要 +
X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测, 是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术, 为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号. 随着XFEL向高重频、短脉冲发展, 对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求. 该技术通过泵浦探测和光学互相关实现, 当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间, 导致样品复折射率突变, 使XFEL到达时间编码于突变空间. 本文基于空间编码和光谱编码两种方法, 研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置; 并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟, 研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度, 完善了样品的分析选择模型; 对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析, 得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响. 该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2023, 72 (10): 106501.
doi: 10.7498/aps.72.20222400
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相变微胶囊悬浮液是一种新型的蓄热-传热功能流体, 目前对相变微胶囊与基液流固传递作用认识的欠缺, 导致宏观上对悬浮液流动传热性能的研究结果存在较大的差异. 为此, 本文采用任意拉格朗日-欧拉方法模拟相变微胶囊在液冷微通道内流固作用下的流动传热特性, 对比普通颗粒及相变胶囊对液冷微通道壁面温升的抑制作用, 考察胶囊位置、形状及数量对壁面温升抑制的影响. 结果表明: 胶囊及颗粒均对它们上游区域的壁面温升产生抑制作用, 而胶囊的相变使得抑制效果更加明显; 胶囊越靠近壁面自旋运动越快, 越有利于流体与壁面的换热, 对壁面温升抑制效果越强, 尤其是靠近受热面时; 相比椭圆形胶囊, 圆形胶囊自旋运动更激烈, 对壁面温升抑制效果更优; 随着加热区内胶囊数的增加, 最大抑制效果在逐渐提升.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (10): 107501.
doi: 10.7498/aps.72.20221995
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熵调控材料因其独特的设计理念和优于传统合金的性能而受到广泛关注. 本文将熵调控的设计理念引入金属间化合物中, 设计并通过真空电弧熔炼的方法制备了一系列熵调控的Gd2Co17金属间化合物, 期望通过熵调控的方法来稳定其结构, 改善其磁性能. 应用热力学理论预言熵调控的Gd2Co17系列金属间化合物具有稳定的单相, 其单相性被X射线衍射实验所证实. 通过组态熵调控原子尺寸因素, 获得了菱方和六方两种晶体结构. 熵调控改善了Gd2Co17系列金属间化合物的室温磁性能, 过渡族金属位的熵调控使磁各向异性发生由基面到易轴的转变, 稀土位的熵调控有助于提高其矫顽力, 所有熵调控样品室温时的饱和磁矩均比二元Gd2Co17显著提升, 可能是稀土或过渡族金属子晶格磁矩无序取向削弱了金属间化合物中稀土的4f电子与过渡族金属的3d电子磁矩之间的反平行交换作用所导致. 磁价模型研究表明: 熵调控设计导致Gd2Co17系列金属间化合物中$ {N}_{{\rm{s}}{\rm{p}}}^{\uparrow } $ (未极化$ {\rm{s}}{\rm{p}} $ 导带中的电子数目)增加, 增加了导带电子作为媒介引发过渡族金属子晶格的3d电子与稀土的4f 电子之间强磁交换作用的概率, 形成以游动的s电子为媒介, 使磁性原子中局域的4f电子自旋与其近邻磁性原子的3d电子自旋产生交换作用, 进而表现出饱和磁矩增大. 本研究有助于提高熵调控的Gd2Co17的潜在应用性.
2023, 72 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.72.20230253
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本文研究了热致变色微胶囊环氧绝缘材料的介电松弛特性及机理. 结果表明, 热致变色微胶囊环氧绝缘材料表现出非单调介电松弛特性, 即在58—66 ℃温度范围内, 介电松弛时间随温度升高而逐渐延长, 无法通过传统的Arrhenius或Vogel-Fulcher-Tammann方程进行描述. 分析认为, 该非单调介电松弛特性主要源于微胶囊内限域相变引发的自由体积变化. 随着温度的升高, 微胶囊有限空间内发生固-液相变, 使得微胶囊内的自由体积逐渐减小, 限制了偶极子随外电场的定向过程, 导致介电松弛时间逐渐延长. 采用限域介电松弛模型拟合了热致变色环氧试样的非单调介电松弛特性, 并得到了介电松弛活化能. 不同微胶囊含量的热致变色试样的介电松弛活化能均处于相同的数量级, 表明其非单调介电松弛过程均发生于热致变色微胶囊内, 验证了限域相变对非单调介电松弛特性的作用.
2023, 72 (10): 107702.
doi: 10.7498/aps.72.20230100
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GaN基半导体在光电子、电子器件已具有重要应用, 如何结合其良好的电学特性进行其他应用方面的理论或实验探索, 是当前新的研究课题. 本文利用 SCAPS-1D软件从理论上计算了GaN在FTO/GaN/ (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/HTL电池结构中电子传输的理论机制. 结果表明, 引入GaN后, 电池的开路电压, 转换效率明显提高. 通过进一步分析准费米能级分裂、界面电场、界面复合率、耗尽层厚度等因素的变化规律, 分析了GaN的厚度和掺杂浓度对电池开路电压等器件参数的影响, 并从GaN作为电子传输层的物理机制方面进行了讨论.
2023, 72 (10): 107901.
doi: 10.7498/aps.72.20222404
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空间大功率微波器件中的二次电子倍增现象会诱发微放电效应, 使得器件性能劣化或失效. 针对加载氧化铝的同轴低通滤波器进行建模, 并通过微放电阈值仿真验证了降低放电敏感表面的二次电子产额(SEY)可有效提升器件微放电阈值. 针对器件中易于发生微放电的氧化铝表面, 应用激光刻蚀制备表面微结构, 获得孔隙比例为67.24%、平均深宽比例为1.57的微孔结构, 氧化铝SEY峰值(δm)由2.46降低至1.10. 应用磁控溅射工艺研究氮化钛(TiN)薄膜低SEY特性, 当N2与Ar流量比为7.5∶15时, TiN薄膜δm低至1.19. 在激光刻蚀微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜, 实现表面SEY的剧烈降低, δm降至0.79. 通过仿真电子束辐照氧化铝表面带电特性, 分析了表面带电水平对SEY的影响规律, 以及低SEY表面抑制微放电的物理机制. 选取填充了纯度为99.5%氧化铝片的同轴滤波器进行验证, 结果表明: 微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜后, 器件微放电阈值由125 W增加至650 W. 研究对于介质填充微波器件微放电效应抑制机理分析具有重要科学意义, 对于提高微波器件微放电阈值具有工程应用价值.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (10): 108201.
doi: 10.7498/aps.72.20230146
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析氧反应 (OER) 在锌空气电池、燃料电池和电解水等能源储存和转换设备中都有至关重要的作用. 然而OER过程涉及四电子转移, 导致反应动力学缓慢. 尽管贵金属氧化物被认为是最先进的OER电催化剂, 但昂贵的价格以及稀缺性限制了其商业应用. 因此, 本工作结合水热和水浴法制备了NaCu5S3@NixFe-LDH (x = 1, 2, 3, 4) 纳米片阵列复合电催化剂. 对样品的结构进行了表征, 结果显示NaCu5S3和Ni2Fe-LDH充分混合, 形成紧密结合的界面, 有利于电荷的快速转移, 这将增强两相界面处的电子调控作用, 改变其局域结构特性, 促进OER电催化性能. 电化学测试结果显示, 当电流密度为20 mA·cm–2时, NaCu5S3@Ni2Fe-LDH在1.0 M KOH电解液中的氧析出过电位仅为227 mV, 电催化性能优于原始的NaCu5S3 (271 mV) 和Ni2Fe-LDH (275 mV), 并且具有长达72 h的稳定性. 此外, NaCu5S3@Ni2Fe-LDH复合电催化剂具有较小的电荷转移电阻, 较大的双层电容值 (10.0 mF·cm–2) 和电化学活性表面积 (250 cm2), 有利于OER的进行. 本工作为设计廉价、高效且稳定的OER复合电催化剂提供了切实可行的实践路径.
封面文章
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2023, 72 (10): 108701.
doi: 10.7498/aps.72.20230187
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转录终止是调节基因转录过程的重要步骤, 关系到基因表达调控过程的正常进行和基因组的稳定性. 酵母体系中, Sen1是一种解旋酶, 通过水解腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)获得能量来行使在核酸底物上的一维运动, 进而实现转录终止功能. 然而, Sen1的这种运动机制与转录终止功能的关联, 目前尚未清晰的表征. 本文应用凝胶电泳迁移方法表征Sen1解旋双链DNA和结合单链DNA的能力, 并且发现单个Sen1分子能够结合≤ 24 nt (nucleotide, nt)的单链DNA; 进一步, 在提供ATP的条件下, 应用单分子荧光共振能量转移技术表征了Sen1在单链DNA上的行走功能, 其行走速率随ATP浓度变化而变化, 符合经典米氏动力学模型; 考虑单链DNA底物的长度, 可以估算出Sen1的行走速率约为70 nt/s. 这些研究结果定量表征了Sen1的行走速率, 为理解真核转录终止机制提供了分子马达运动方面的实验数据.
