总论
2023, 72 (13): 130301.
doi: 10.7498/aps.72.20230381
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准一维混合自旋(1/2, 5/2) Ising-XXZ模型可以用来研究一些材料(如异质三金属化合物Fe-Mn-Cu)的磁性质, 该研究也有助于这类材料在量子信息等领域的应用. 本文利用转移矩阵法计算了该模型的量子相干和互信息, 讨论了Ising作用、温度和磁场对其的影响. 结果表明, 在极低温度下随Ising作用的增强量子相干逐渐减小, 而互信息在各向同性系统中存在一个极小值, 在各向异性系统$\left( {\varDelta = 4} \right)$ 中存在多个极小值. 进一步研究发现, 量子相干和互信息在量子临界点存在突变, 其一阶导数在该点存在奇异行为. 还研究了有限温度下的量子相干和互信息, 当磁场较弱时, 两者随温度的升高单调减小; 当磁场较强时, 热涨落与磁场的竞争使得两者随温度的升高先增大后减小. 相比于量子互信息, 量子相干存在于更大的磁场和温度范围内, 有利于在实验中对其进行调控.
2023, 72 (13): 130302.
doi: 10.7498/aps.72.20221972
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针对量子安全直接通信中身份认证的需要, 提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案. 通信开始前通信双方共享一串秘密信息, 先利用单光子来验证接收方的合法性, 再利用Bell态粒子验证发送方的合法性, 之后将Bell态粒子与单光子混合作为载体发送. 每一次发送量子态时都加入窃听检测粒子, 而一旦窃听者截获发送粒子, 由于得到的是不完整的粒子, 窃听者无法恢复原始信息, 并且窃听行为会立刻被发现, 从而终止通信. 本方案中单光子和Bell态充得到分利用, 且混合之后的通信能有效提高传输效率和编码容量以及量子比特利用率. 安全性分析证明, 本方案能抵御常见的外部攻击和内部攻击.
2023, 72 (13): 130303.
doi: 10.7498/aps.72.20230419
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研究了玻色-爱因斯坦凝聚体在不对称双势阱中, 随着两势阱局域基态能量差和非线性相互作用的变化而表现出的动力学特性. 对双模理论的解析分析可以发现, 在无相互作用情况下, 当双势阱能量差比较大时, 凝聚体会主要聚集在初始分布较多的势阱中, 而和高低势阱的位置无关. 数值计算表明, 当相互作用存在且逐渐增大时, 凝聚体的分布呈现出不同的变化. 当初始分布聚集在一个势阱时, 会呈现出先加强聚集, 然后促进隧穿, 最后又重新导致聚集的现象. 同时, 通过对相图的分析, 利用等效势概念为这些现象的出现给出了合理的解释. 为了验证上述现象, 还对Gross-Pitaevskii方程进行了直接数值模拟, 结果和上述采用双模理论得到的结论一致.
2023, 72 (13): 130501.
doi: 10.7498/aps.72.20222442
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在低气压、氮气环境及无外加磁场的情况下发现了一种新型等离子体, 因其具有规则的螺旋传播模式, 被称为螺旋等离子体. 尽管已经对该螺旋等离子体的关键特性进行了大量研究, 螺旋等离子体的形成机理仍未理清, 这影响其在材料、纳米技术上的应用. 通过在不同手性的螺旋等离子体外施加磁场, 研究外加磁场对螺旋等离子体的调控行为, 发现外加磁场将会使得螺旋等离子体发生收缩、拉伸等行为. 并且, 外加磁场还会影响螺旋等离子体的手性和螺旋形态的清晰度. 通过电磁波理论计算螺旋等离子体的径向电场, 理清外加磁场影响螺旋等离子体行为的机理, 发现洛伦兹力的磁场力分量是外加磁场调控螺旋等离子体行为的原因. 本文为理解螺旋等离子体的运动行为打下理论基础, 有利于将来在材料、纳米技术等领域的实际应用.
2023, 72 (13): 130701.
doi: 10.7498/aps.72.20230415
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本文研究一种具有大恒温区的新型四电极电弧放电装置, 用于制备高质量离轴螺旋长周期光纤光栅. 较大的恒温加热区更利于释放光纤应力, 使得光纤器件的离轴量小. 为了确定高质量离轴螺旋长周期光纤光栅的关键参数, 借助于光束传播法研究单模光纤在不同耦合长度、螺距、纤芯折射率、包层折射率、纤芯直径、包层直径、离轴量条件下对螺旋长周期光纤光栅透射光谱的影响. 由于传统方法难以对微小离轴量的螺旋长周期光纤光栅进行离轴量测量, 采用光谱对比反推离轴量的方法对螺旋器件的离轴量做出估计. 根据理论计算获得的透射光谱与实际光谱的对比, 得到螺旋光纤离轴量的估值分别为0.12, 0.13和0.16 µm. 最后, 对所研装置制备的离轴螺旋长周期光纤光栅的抗扭转性能及光栅制备的重复性进行实验, 实验表明, 制备的光栅有一定的抗扭转性及较好的光谱重复性.
核物理学
2023, 72 (13): 132101.
doi: 10.7498/aps.72.20230454
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近年来, 美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上正在进行着束流能量扫描实验, STAR国际合作组的研究人员发现$\pi$ 介子椭圆流劈裂与电荷不对称度存在着线性关系. 该现象被认为是手征磁波效应的重要信号. 本文基于拓展的多相输运模型, 利用三味Nambu-Jona-Lasinio (NJL)模型研究了构成$\pi^+$ 和$\pi^-$ 介子不同的夸克同位旋平均场势, 为解释$\pi$ 介子椭圆流劈裂与电荷不对称度线性关系的实验现象提供了新思路, 可为同质异素体碰撞以及致密星体中夸克物质同位旋效应研究提供理论依据.
原子和分子物理学
2023, 72 (13): 133301.
doi: 10.7498/aps.72.20230278
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苯乙腈广泛应用于医药、农药、染料、光电材料和喹啉衍生物的合成, 在相关领域备受关注. 本文采用超声分子束技术获得了苯乙腈的单色共振双光子电离光谱, 确定了该分子的激发能为(37646 ± 2) cm–1. 结合密度泛函理论计算和Franck-Condon模拟, 详细分析了测量的振动频率, 给出了尽可能准确的光谱归属. 理论和实验结果都表明, 光谱的低频区域信号强、背景低、分辨率好, 而高频范围表现出相反特征. 许多谱带被确认, 大部分属于芳香环平面内的振动, 理论计算表明这与跃迁过程中芳香环的扩张有关.
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2023, 72 (13): 133401.
doi: 10.7498/aps.72.20230214
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近玻尔速度能区高电荷态离子在稠密等离子体中的能量损失是强流重离子束驱动的高能量密度物理等前沿研究中的核心物理问题之一. 基于中国科学院近代物理研究所的320 kV实验平台, 新建立了一套近玻尔速度能区离子束与激光等离子体相互作用的实验研究装置, 用于开展高精度的离子能量损失和电荷态研究. 本文将详细介绍该装置的特点, 包括脉冲离子束(≥ 200 ns)的产生与调控、高密度(1017—1021 cm–3)激光等离子体靶的制备、等离子体参数诊断与离子的高精度测量(＜ 1%)等. 基于该装置已开展了百keV的质子束和4 MeV的 Xe15+离子束与激光Al等离子体靶相互作用的实验, 并取得了相应的结果. 本实验装置能够为中国在近玻尔速度能区高电荷离子与稠密激光等离子体相互作用研究提供高精度的实验数据, 以促进理论工作的发展.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (13): 134201.
doi: 10.7498/aps.72.20222405
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针对螺旋扭曲的单包层-少芯光子晶体光纤在生成轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)方面存在的不足, 首次将三芯和内外空气孔不均匀的双包层结构引入光子晶体光纤, 并通过螺旋扭曲实现了高阶OAM模式的生成. 该光纤通过引入特殊设计的双包层结构有望降低生成的OAM模式的损耗, 而围绕中心呈正三角分布的三个纤芯有望增加生成的OAM模式的数量. 在光学变换原理的基础上, 通过有限元方法对该光纤进行系统的分析, 结果发现, 当扭曲率α = 7853.98 rad/m时, 生成的OAM模式包括“OAM–4,1, OAM+9,1, OAM+10,1, OAM+11,1, OAM+13,1”, 其中+13阶是目前利用螺旋扭曲光纤生成的OAM模式中最高的阶数, 且OAM模式的损耗均小于1.64×10–3 dB/m, 比已有文献中最低的OAM模式损耗(Napiorkowski M, Urbanczyk W S 2018 Opt. Express 26 12131)至少降低2个数量级, 以及OAM模式纯度均大于93%. 进一步研究表明, 轨道角动量的生成依赖于纤芯超模与环形芯模式的共振耦合, 而生成的OAM模式阶数的奇偶性与纤芯超模和环形芯模式的极化方向有关.
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2023, 72 (13): 134202.
doi: 10.7498/aps.72.20230560
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利用分子在强激光中产生的高次谐波谱可以实现对分子结构及分子中电子迁移动力学过程的探测和研究. 本文采用Lewenstein模型, 计算了确定取向的CO分子在线偏振光与静电场组合作用下产生的高次谐波谱. 结果表明, 针对外加静电场相对分子朝向的两种不同指向, 高次谐波谱分别展现了双平台结构和拉长的单平台结构. 理论分析表明这些谐波谱的结构特点主要来自于不同跃迁通道贡献的相干叠加. 本文为极性分子在非对称场下的高次谐波的形成提供了一个清晰的物理图像, 对调控极性分子的高次谐波, 进而产生可控阿秒脉冲具有科学意义.
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2023, 72 (13): 134203.
doi: 10.7498/aps.72.20222242
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在经典波系统中, 赝磁场作为人工合成的规范场, 可以像真实磁场一样调控波的传输, 从而受到了人们的广泛关注. 本文利用在二维光子晶体中引入单向线性梯度形变的方式, 构建空间均匀分布的赝磁场. 强赝磁场的存在导致光子晶体出现朗道能级量子化. 与真实磁场不同, 光子晶体赝磁场在两个不等价的能谷中相反, 系统的时间反演对称性没有被打破. 设计的光子晶体支持边界态的输运, 并且能够使波束的传输路径发生弯曲. 将具有相反赝磁场的光子晶体构造在一起还能够实现有趣的“蛇态”传输, 为操控电磁波的传输并设计信息处理器件提供了良好的平台.
2023, 72 (13): 134401.
doi: 10.7498/aps.72.20230151
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将多孔介质和相变材料复合是提高固液相变储能系统传热性能的有效措施. 本文通过微型计算机断层扫描(micro computed tomography, Micro CT)三维重构得到泡沫铜的数值结构, 采用格子Boltzmann方法对填充泡沫铜复合相变材料的方腔融化过程进行孔隙尺度模拟研究, 讨论不同Rayleigh数以及热导率下, 泡沫铜骨架中空对泡沫铜内融化过程的影响. 结果表明, 中空骨架泡沫铜相比实心骨架泡沫铜, 融化前期换热强度更低、相变材料的融化更慢、储能效率η更高. 与泡沫铜骨架相比, 通过骨架中空区进入方腔的热流量可以忽略不计; 随Fourier数的增大, 泡沫铜的传热增强效率ζ会因为导热和自然对流的竞争而出现先上升后下降然后再上升的现象; 当Rayleigh数减小时, 储能效率η提高, 传热增强效率ζ随Fourier数的变化趋于平缓, 中空骨架泡沫铜和实心骨架泡沫铜对应的传热增强效率ζ的差距减小; 泡沫铜骨架和相变材料热导率之比越大, 融化结束时刻储能效率η越低, 中空骨架泡沫铜和实心骨架泡沫铜对应的传热增强效率ζ的差距越小.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (13): 135201.
doi: 10.7498/aps.72.20230385
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在大气压介质阻挡放电的实际应用中, 等离子体通常作用于非平滑表面. 其表面形貌导致的电场畸变和表面电荷分布不均匀, 会对放电的均匀稳定产生不利影响. 建立了下介质板为波浪状的大气压氦气介质阻挡放电仿真模型, 并采用正弦削波电压对放电均匀性进行调控. 结果表明: 相比于未削波情况下, 放电均匀性提高, 介质阻挡放电从柱状放电模式转换为准均匀放电模式. 这可以归因于气隙电压降低而产生的不完全放电消散; 随后的电子回流过程使残余空间电子与表面电荷中和, 限制了表面电荷积累. 随着削波比例增加, 表面电荷分布更为均匀, 进而导致电场分布在径向上波动减弱. 此外, 在一定削波范围内放电效率也有所提高. 本研究揭示了削波电压对非平滑表面介质阻挡放电的影响机理, 为介质阻挡放电均匀性调控提供了新的思路.
2023, 72 (13): 135202.
doi: 10.7498/aps.72.20230101
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以飞行器再入大气层时面临的通信“黑障”问题为研究背景, 考虑粒子动力学效应, 采用温等离子体介电常数模型, 理论分析了各向同性等离子体覆盖圆柱金属天线构型中角向对称电磁模式的色散特性、传播特性及辐射特性. 研究结果表明: 在低气压、电磁波频率 ω/(2π) = 1 GHz 参量条件下, 界于金属天线表面和主等离子体层之间的鞘层厚度约为几个德拜长度; 角向对称模在天线表面的传播属于快波(波的相速大于光速)辐射, 且存在一个临界等离子体密度, 超过此临界值电磁波变为消逝波; 存在一个临界归一化鞘层厚度(ι/λDe)pha (或(ι/λDe)att), 超过此临界值时, 相位常数(或衰减常数)幅值开始陡升(或陡降), 即波的传播特性发生显著改变; 当金属天线半径为3倍等离子体趋肤深度、鞘层厚度为整个等离子体层厚度的0.1倍时, 电场和功率出现“椭圆形轮廓”辐射增强现象, 其可能是由等离子体频率共振和等离子体-鞘层-天线系统阻抗共振引起, 这些结论为相控阵天线的高分辨率成像等问题提供了理论思路.
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2023, 72 (13): 135203.
doi: 10.7498/aps.72.20230347
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锯齿振荡是托卡马克装置上常见的磁流体不稳定性之一. 先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak, EAST)装置放电中观察到外加共振磁扰动(resonant magnetic perturbation, RMP)会影响锯齿振荡行为. 本文研究了环向模数n = 2的RMP对锯齿周期的影响. 通过RMP线圈相位差扫描实验发现, 当RMP上下线圈(n = 2)相位差$ \Delta {\phi }_{{\rm{U}}{\rm{L}}} $ 发生变化时, 扰动场的谱型发生变化, 锯齿周期和崩塌幅度也随之发生明显的改变. 单流体电阻磁流体力学 (MARS-F)程序分析表明, 在相同实验条件下, 当RMP上下线圈(n = 2)相位差为$\Delta {\phi }_{{\rm{U}}{\rm{L}}}=270^\circ$ 时, 等离子体芯部区域的响应最强, 此时锯齿周期和幅度最小. 锯齿行为的改变可能与RMP引起的快离子损失相关. 该研究利用RMP上下线圈(n = 2)实现对锯齿行为的有效调控, 有利于未来EAST发展高比压放电条件下的大锯齿自动控制技术.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (13): 136101.
doi: 10.7498/aps.72.20230181
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非晶合金动态弛豫、变形和微观结构非均匀性之间的关联是非晶态物理领域重要研究内容之一. 本文选取玻璃形成能力优良, 热稳定性好的Zr48(Cu5/6Ag1/6)44Al8块体非晶合金作为研究载体, 借助于动态力学分析及应力松弛实验探究了温度和结构弛豫对非晶合金动态弛豫和变形行为的影响. 研究结果表明非晶合金动态弛豫行为对温度极其敏感, 随温度升高表现为等构型、老化、玻璃转变和晶化4个阶段. 基于玻璃转变温度之下等温测试, 结构弛豫行为导致非平衡高能量状态非晶合金向低能量状态迁移, 内耗随时间演化规律可用Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)扩展指数方程描述. 此外, 基于KWW方程和激活能谱等方法分析了模型合金应力松弛过程中非均匀结构激活, 该过程涉及弹性变形向非弹性变形的转变. 由于非晶合金存在微观尺度的结构非均匀性与能量起伏, 变形单元的激活并非为单一特征时间, 而是服从一定分布. 通过考虑对数时间尺度和变形单元激活的特征时间分布分别为对称Gauss分布和非对称Gumbel分布, 可重构应力松弛响应的非均匀激活过程.
2023, 72 (13): 136401.
doi: 10.7498/aps.72.20230291
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本文建立了一种全新的将动力学Monte-Carlo粒子模拟与基于归一化Gauss函数基组的质量密度场空间粗粒化模型耦合的杂化模拟算法. 采用该杂化模拟算法, 系统对比研究了4种Cr原子含量分别为12.8%, 20.0%, 30.0%和40.0%的Fe-Cr合金中Cr相在温度为673 K下的时效析出动力学机制, 及其时效不同阶段微观组织形貌的演变规律. 研究得出Fe-Cr (12.8%)合金富Cr相时效组织形貌呈现孤立颗粒状空间分布形态, 时效机制属于形核-长大 (NG)机制; 对于Fe-Cr (30.0%)和Fe-Cr (40.0%), 富Cr相时效形貌在形核-生长及熟化阶段均呈现为三维蠕虫状空间分布特征, 时效机制属于条幅分解 (SD)机制; 对于Fe-Cr (20.0%)合金, 其富Cr相组织演化特征介于NG和SD机制之间. 研究进一步发现Cr原子短程序参量可用来分析富Cr相形核-生长阶段Fe-Cr合金原子尺度结构的演变, 但对于时效熟化阶段微观结构组织变化不敏感. 基于空间粗粒化后Fe-Cr合金微观组织形貌, 进一步分析了4种Cr原子含量下Fe-Cr合金相变动力学参数如富Cr相体积分数、平均粒径及相颗粒数密度随时效时间演变. 本文建立的质量密度场耦合动力学Monte-Carlo模拟方法, 为开发多尺度算法模拟合金时效动力学机制及微观组织形貌演变提供了新的思路和研究基础.
2023, 72 (13): 136801.
doi: 10.7498/aps.72.20221860
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GaAs晶体的高质量生长对于制造高性能高频微波电子器件和发光器件具有重要意义. 本文通过分子动力学方法对GaAs晶体沿[110]晶向的诱导结晶进行模拟, 并采用最大标准团簇分析、双体分布函数和可视化等方法研究应变对生长过程和缺陷形成的影响. 结果表明, 不同应变条件下GaAs晶体的结晶过程发生显著变化. 在初始阶段, 施加一定拉应变和较大的压应变后, 体系的晶体生长速率发生降低, 且应变越大, 结晶速率越低. 此外, 随着晶体的生长, 体系形成以{111}小平面为边界的锯齿形界面, 生长平面与{111}小平面之间的夹角影响固液界面的形态, 进而影响孪晶的形成. 施加拉应变越大, 此夹角越小, 形成孪晶缺陷越多, 结构越不规则. 同时, 体系中极大部分的位错与孪晶存在伴生关系, 应变的施加可以抑制或促进位错的形核, 合适的应变甚至可以使晶体无位错生长. 本文从原子尺度上研究GaAs的微观结构演化, 可为晶体生长理论提供理论指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2023, 72 (13): 137201.
doi: 10.7498/aps.72.20230285
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自旋轨道转矩器件实现快速高效的磁性操作, 需要提供自旋流的强自旋轨道耦合层具有高的电荷-自旋密度转换效率, 以及低的电阻率. 本文采用磁控溅射方法生长具有面内磁性的BiSePt合金/Co异质结构, 对比BiSePt合金采用共溅射及交替溅射两种生长方式, 研究了不同配比下的自旋轨道转矩效率(SOT效率)与合金电阻率. Pt掺杂提高了合金层的金属性, 但是逐渐破坏Bi2Se3非晶表面的拓扑序, 随着Pt组分的增加, 两种竞争的机制使得合金层的自旋霍尔电导率随浓度配比有非单调变化, 并且在Bi2Se3组分为67%的配比处达到了优值. 相比共溅射方式, 交替溅射方式生长合金层的电导率及自旋霍尔角较小, 这归因于界面散射的增强及Pt对自旋流的过滤效应. 相比于传统的纯重金属Pt和Ta等, 以及拓扑绝缘体Bi2Se3等材料, 我们的BiSePt合金实现了与工业匹配的生长条件, 较高的SOT效率, 以及适中的电阻率, 对于SOT器件的实际应用很有意义.
2023, 72 (13): 137301.
doi: 10.7498/aps.72.20230312
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喷墨打印工艺具有无接触、材料利用率高、成本较低, 以及可图案化等优势, 是制备全彩量子点显示的关键技术. 迁移率高、材料稳定性好的ZnO量子点薄膜作为电子传输层一直是制备量子点发光二极管的重要材料. 然而, 在ZnO薄膜干燥的过程中, 存在ZnO量子点团聚的问题, 破坏了ZnO薄膜的形貌和厚度均一性, 进而劣化了器件的发光性能. 通常在ZnO量子点合成后需要加入配体乙醇胺来将其稳定分散. 但是研究发现, 当ZnO量子点在空气中干燥成膜时, 其与乙醇胺配体连接的化学键容易断裂, 使ZnO量子点之间发生聚集. 同时氧含量随着时间不断上升, 表明外界的水氧结合在薄膜表面, 进一步加剧了ZnO量子点之间的团聚. 通过使用结合更加紧密的乙二胺四乙酸配体可有效地改善该现象, 制备出形貌良好、厚度均匀的ZnO薄膜, 进而制备出高效稳定的喷墨打印量子点发光二极管.
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2023, 72 (13): 137302.
doi: 10.7498/aps.72.20230410
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自LaAlO3/SrTiO3异质界面发现高迁移率的二维电子气以来, 其二维超导电性、界面磁性和自旋轨道耦合等诸多物理性质已经被广泛研究. 对于二维超导体, 零温下超导-反常金属相变的起源仍然是一个悬而未决的问题. 传统理论认为在超导-绝缘量子相变中只存在2种基态, 即库珀对的超导基态和绝缘基态. 然而在研究超导颗粒膜中超导电性的演化与厚度和温度的关系时发现, 存在一个中间金属态破坏了超导体和绝缘体之间的直接过渡. 这种中间金属态的标志性特征是, 在超导转变温度之下存在饱和的剩余电阻, 与之对应的基态称作反常金属态. 本文主要对在LaAlO3/SrTiO3(001)异质界面磁场诱导的超导-反常金属量子相变进行了系统的研究. 在没有外加磁场的情况下, 电阻-温度(R-T)曲线和电流-电压(I-V)特性曲线表明样品在超导转变温度之下处于超导态. 外加磁场会导致样品在低温下出现饱和电阻、正的巨磁阻和低电流范围内的线性I-V曲线. 另外, 霍尔电阻在一定的磁场之下会出现零电阻平台, 而此时纵向电阻不为零, 表现出明显的玻色金属态的特征. 研究结果表明, 磁场调节的LaAlO3/SrTiO3(001)异质界面可以成为一个可控研究反常金属态的理想平台.
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2023, 72 (13): 137501.
doi: 10.7498/aps.72.20222352
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软磁复合材料在光伏逆变器、新能源汽车及充电桩等新兴电力电子行业的应用前景广阔. 目前研究者们聚焦于开发新型软磁复合材料, 达到匹配以SiC和GaN为主的第3代高频宽禁带半导体的目标. 本文利用氨气氮化羰基铁粉制备得到高电阻率的γ'-Fe4N, 并证实其具备优异的软磁性能, 对γ'-Fe4N进行球磨处理使其成为静磁易面γ'-Fe4N粉体, 所获得的易面粉体与聚氨酯(PU)混合制成软磁复合材料. 与未球磨静磁易面化处理的非易面γ'-Fe4N复合材料相比, 静磁易面γ'-Fe4N软磁复合材料具有更高的磁导率, 更低的功率损耗. 与同类软磁复合材料相比, 通过氮化工艺降低磁性铁颗粒内涡流效应, 静磁易面γ'-Fe4N软磁复合材料具有优异的高频软磁性能. 静磁易面γ'-Fe4N为软磁复合材料匹配第3代宽禁带半导体的高频应用提供了一种新思路.
2023, 72 (13): 137701.
doi: 10.7498/aps.72.20230113
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本文探究了c面蓝宝石衬底上AlGaN三元合金的等离子增强原子层沉积生长, 同时结合量子点敏化太阳能电池的制备, 研究了AlGaN合金的作用. AlGaN三元合金在原子层沉积过程中, 薄膜与衬底的界面以及带隙都与Al组分有关. 高Al组分时, AlGaN合金薄膜与衬底之间有较好的界面, 然而Al组分降低时, 界面变得粗糙. 原子层沉积制备的AlGaN合金具有较高的带隙, 与薄膜内的氧含量有关. 随后, 将AlN/GaN循环比例为1∶1的AlGaN薄膜分别制备CdSe/AlGaN/ZnS和CdSe/ZnS/AlGaN结构电池并进行了量子点太阳能电池的制备和分析. 结果发现, AlGaN对量子点和TiO2有修饰钝化作用, 可以包裹和保护TiO2和CdSe量子点结构, 从而避免了光生载流子的复合. 这种修饰作用也体现在改善量子点太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和光电转化效率方面, 尝试从原子层沉积制备的AlGaN薄膜在改变载流子传输方面进行讨论.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (13): 138101.
doi: 10.7498/aps.72.20230097
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在传统逆温差结晶法基础上, 通过引入高质量籽晶, 采用籽晶诱导逆温差结晶法生长出尺寸为11 mm ×11 mm × 2 mm的CH3NH3PbCl3钙钛矿单晶. X射线衍射和Rietveld精修结果表明, 室温下CH3NH3PbCl3单晶是立方相, 其空间群为Pm$\bar{3}$ m, 晶格常数a = 0.56877 nm. 偏光显微镜研究结果表明, CH3NH3PbCl3单晶的生长机理遵循光滑界面的台阶横向长大机制, 并沿着台阶的外法线方向长大. 变温拉曼光谱研究表明CH3NH3PbCl3单晶在温度160 K发生了正交-四方相转变, 但四方相结构不稳定, 存在的温度区间非常狭窄, 故再次转变为立方相(Pm$\bar{3}$ m). 紫外-可见-近红外吸收光谱和光致发光谱研究表明, CH3NH3PbCl3单晶的吸收截止边约在波长442 nm, 光致发光峰为450 nm, 通过拟合计算得到其带隙值约为2.93 eV, 稍大于第一性原理计算的理论帯隙值(2.55 eV), 分析认为这与籽晶的引入有关, 因为籽晶作为异质形核的核心被引入晶体生长过程中, 使晶格对称性下降, 引起CH3NH3PbCl3帯隙增大.
2023, 72 (13): 138501.
doi: 10.7498/aps.72.20230207
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为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程, 本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程, 建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型. 仿真了不同栅极偏压下, 器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应, 并提取了Si/SiO2界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化. 仿真发现, 随着累计总剂量的上升, 两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和. 当辐照中栅极偏压为正时, 器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度. 无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压, 都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势. 栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响, 在退火过程中如果栅极偏压不为零, 器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.
封面文章
2023, 72 (13): 138502.
doi: 10.7498/aps.72.20230480
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Ti3C2Tx作为新型二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)中的一类, 具有丰富的表面官能团(—OH, —F和—O等), 并能够通过进一步的表面功能化调控表现出半导体特性. 目前将Ti3C2Tx半导体性质应用在红外光电探测器中的研究还很少. 本文研制了一种基于C14H31O3P-Ti3C2/Au肖特基结的自驱动近红外光电探测器. 通过膦酸基团与Ti3C2Tx表面羟基的缩合反应, 制备了改性的C14H31O3P-Ti3C2二维纳米半导体; 并采用滴涂法构建了C14H31O3P-Ti3C2/Au肖特基结光电探测器. 该器件在近红外波段(808—1342 nm)显示出良好的检测性能和循环稳定性, 1064 nm近红外光照射下最高响应度为0.28 A/W, 比探测率为4.3×107 Jones, 经10次I-t循环后器件性能保持稳定. 由于C14H31O3P-Ti3C2/Au肖特基结光电探测器具备自驱动特性和简单的制备工艺, 因此在弱光信号检测方面表现出良好的应用潜力, 例如在天文学和生物医学领域. 这为基于MXene的近红外探测器的设计和研制提供了新思路.
2023, 72 (13): 138503.
doi: 10.7498/aps.72.20230283
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作为航空航天导航系统的重要器件, 高灵敏度的光学陀螺仪一直是国内外科研工作者的研究重点. 经典光学陀螺仪因真空零点波动使其灵敏度受到散粒噪声极限的制约, 无法满足日益发展的量子导航需求. 本文提出了基于频率纠缠源及Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的量子陀螺仪方案, 利用SSA-BP神经网络模型模拟不同的泵浦光和非线性晶体参数, 以预测HOM干涉图谱的特性参量干涉可见度及干涉宽度. 结合量子Fisher信息理论, 获得时延差的最大量子Fisher信息可达1.999, 计算得出时延差的不确定度与散粒噪声极限的最小比值为0.707, 并依据量子陀螺仪时延差与旋转角速度的关系, 验证出旋转角速度的测量灵敏度较经典光学陀螺仪提高了2个数量级. 证明上述方案可以实现超越散粒噪声极限的测量灵敏度, 能为后续量子陀螺仪的实验验证提供理论支持.
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2023, 72 (13): 138504.
doi: 10.7498/aps.72.20230267
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在分子自旋电子学中, 向非磁性的分子器件中注入自旋引起了广泛关注. 在此提出一个新颖的策略, 将磁性引入到与两个扶手椅形石墨烯纳米带电极耦合的单个苯分子器件中, 即将这两个扶手椅形石墨烯纳米带电极的末端切割成锯齿形边缘的三角形石墨烯. 利用第一性原理方法研究了分子结的自旋相关输运性质. 结果表明, 由于锯齿形边缘的三角形石墨烯向扶手椅形石墨烯纳米带电极和苯分子的自旋转移, 导致锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性减弱. 有趣的是, 虽然锯齿形边缘三角形石墨烯的本征磁性衰减了, 但仍对分子结的自旋输运有显著的贡献. 输运计算表明, 在自旋平行构型下, 可以获得较大的电流自旋极化率. 然而, 在自旋反平行构型下, 电流的自旋极化率发生了反转. 器件隧穿磁电阻的正负可以通过偏压来调控. 这项工作提出了一个在新型分子自旋电子器件中设计和应用石墨烯纳米带的有趣方法.
2023, 72 (13): 138801.
doi: 10.7498/aps.72.20230357
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相对于3D钙钛矿材料, 二维(2D)有机-无机杂化钙钛矿材料具有更好的稳定性. 然而由于载流子输运性差, 2D钙钛矿太阳电池效率较低. 为了提高2D钙钛矿太阳电池的效率, 制备了铯掺杂的具有反梯度结构的二维(CMA)2MA8Pb9I28薄膜. 研究结果发现: CsI掺杂能够改善(CMA)2MA8Pb9I28薄膜的形貌、增加晶粒尺寸、降低缺陷态密度, 并且提高了(CMA)2MA8Pb9I28钙钛矿薄膜的热稳定性. 最后, CsI掺杂浓度为10%时制备(CMA)2MA8Pb9I28钙钛矿太阳电池效率最高, 达到了14.67 %, 相对于未掺杂的电池效率(10.06%)提高了45.8%.
2023, 72 (13): 138802.
doi: 10.7498/aps.72.20222100
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针对钙钛矿太阳能电池 (PSCs)的空间应用, 研究了动能为0.1—20.0 MeV的质子在CH3NH3PbI3 (简称MAPbI3)薄膜及其太阳能电池中引起的损伤效应. 结果表明, PSCs具有良好质子辐照稳定性, 当0.1 MeV (2.0 MeV)质子的注量超过1×1013 p/cm2 (1×1014 p/cm2)时, 才会引起电池光电性能的降低. PSCs载流子传输层的辐照退化可能是造成电池性能降低的主要原因. MAPbI3中的有机成分MAI会在质子辐照作用下发生分解, 分解产生的气态产物(NH3和CH3I)将最终导致PSCs表面金电极的剥落. 对于具有更大离子射程的10 MeV和20 MeV质子, 入射质子会在PSCs的玻璃基底中产生色心缺陷, 造成玻璃对可见光透射率的降低. 色心缺陷可以在室温或100 ℃条件下发生热退火, 降低玻璃的透射损失.
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2023, 72 (13): 138803.
doi: 10.7498/aps.72.20230352
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柔性Ⅲ-Ⅴ薄膜太阳电池通常被作为空间电源在航天器上使用, 而在实际应用中适宜的封装材料可以保护电池免受水分、氧化、污染物等环境因素的影响. 因此, 探究合适的柔性封装方案和电池性能的长期稳定性至关重要. 本文利用电阻焊方法将制备好的柔性双结GaInP/GaAs太阳电池进行焊接, 之后采用具有高透光性的薄膜材料和热熔胶与柔性电池进行层压封装并研究了其在恶劣储存条件下的性能稳定性和环境耐受性. 研究结果表明, 柔性封装太阳电池在1000 h以上的温度为85 ℃, 相对湿度85% (85 ℃/85% RH)的湿热试验以及108次温度范围为–60 ℃—75 ℃的冷热循环老化试验后仍然保持了很好的稳定性, 表明封装工艺对柔性太阳电池具有较好的保护作用. 此外, 基于二极管模型的电学仿真结果表明, 柔性封装后电池性能的改变是由于载流子复合增强, 从而降低了开路电压.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2023, 72 (13): 139501.
doi: 10.7498/aps.72.20230218
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针对隐式蒙特卡罗方法模拟高温热辐射输运问题时存在的“辐射强度计算误差时间空间分布严重不均匀”现象, 通过理论分析和数值模拟手段, 找到决定误差大小的主要因素为“网格内的辐射径迹长度记录数”. 据此提出“隐式蒙特卡罗全局降方差方法”并推导相应的计算公式. 该方法主要包含如下3个关键技术: 1)针对辐射输运蒙特卡罗模拟的自适应动态分配源粒子方法; 2)与自适应动态分配源粒子相匹配的动态权窗设计技术及粒子权无偏估计算法; 3)辐射强度的解析估计降方差方法. 针对这3个关键技术, 设计蒙特卡罗数值模拟方案, 编写相应的数值模拟程序模块. 典型辐射输运问题模拟结果显示: 隐式蒙特卡罗全局降方差方法能够使网格辐射强度计算误差在整个时空范围内分布相对比较均匀, 最大误差可控, 计算效率提升10倍左右. 新方法在激光惯性约束聚变的黑腔辐射输运模拟应用中取得了显著效果.
2023, 72 (13): 139502.
doi: 10.7498/aps.72.20230290
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在自适应光学系统中, 最优模式控制方法首先通过对波前像差进行模式分解, 再分别施加不同带宽的比例积分控制以实现较统一带宽模式控制更优的闭环效果. 最优模式增益通常需要基于自适应光学系统的传递函数模型、实测的扰动和噪声的功率谱密度进行遍历求解获取, 这一过程通常需要较长的时间. 由于大气湍流统计特性的时变性, 所求解的最优模式增益的时效性难以保证. 为此, 本文提出了一种基于二次曲线拟合的最优模式增益快速估计方法, 仅通过3个数据点的闭环残差计算来估计单项模式的最优增益. 仿真和实验结果表明, 所提方法可以较准确地求解最优模式增益, 有效抑制高阶波前像差. 同时, 由于算法的时间复杂度降低, 相比于基于参数遍历的方法, 最优模式增益估计过程所花费的时间缩短了约95.3%, 有利于保证最优模式增益的时效性.
