Vol. 72, No. 14 (2023)
2023年07月20日
专题: 二维转角莫尔超晶格
封面文章
范德瓦耳斯材料相对扭转到特定角度时, 会出现几乎零色散的莫尔平带, 从而产生一系列关联电子物态, 例如非常规超导、关联绝缘态和轨道磁性等. 在转角双层-双层石墨烯(TDBG)体系中, 能带带宽和拓扑性质可以通过栅极施加的电位移场原位调控, 使该体系成为良好的研究拓扑相变和强关联物理的量子模拟平台. 在一定的电位移场作用下, TDBG中$ {C}_{2x} $ 对称性破缺, 中性点附近的导带和价带会获得有限的陈数. 能带的拓扑性质与强相互作用驱动的对称性破缺使得可以在低磁场下实现并调控陈绝缘态. 本工作通过制备高质量TDBG器件, 在有限磁场下, 在莫尔原胞填充因子$ \nu $ =1处发现了陈数为4的陈绝缘态. 同时还发现纵向电阻出现电阻峰并随平行磁场或温度升高而增强的现象, 这类似于3He中的Pomeranchuk效应, 推测$ {\rm{\nu }} $ =1处的陈绝缘态或许源于同位旋的极化.
刘义俊,
陈以威,
朱雨剑,
黄焱,
安冬冬,
李庆鑫,
甘祺康,
朱旺,
宋珺威,
王开元,
魏凌楠,
宗其军,
刘硕涵,
李世伟,
刘芝,
张琪,
徐瑛海,
曹新宇,
杨奥,
王浩林,
杨冰,
Andy Shen,
于葛亮,
王雷
物理学报.2023, 72(14): 147303.
专题: 二维转角莫尔超晶格
封面文章
2023, 72 (14): 147303.
doi: 10.7498/aps.72.20230497
摘要 +
范德瓦耳斯材料相对扭转到特定角度时, 会出现几乎零色散的莫尔平带, 从而产生一系列关联电子物态, 例如非常规超导、关联绝缘态和轨道磁性等. 在转角双层-双层石墨烯(TDBG)体系中, 能带带宽和拓扑性质可以通过栅极施加的电位移场原位调控, 使该体系成为良好的研究拓扑相变和强关联物理的量子模拟平台. 在一定的电位移场作用下, TDBG中$ {C}_{2x} $ 对称性破缺, 中性点附近的导带和价带会获得有限的陈数. 能带的拓扑性质与强相互作用驱动的对称性破缺使得可以在低磁场下实现并调控陈绝缘态. 本工作通过制备高质量TDBG器件, 在有限磁场下, 在莫尔原胞填充因子$ \nu $ =1处发现了陈数为4的陈绝缘态. 同时还发现纵向电阻出现电阻峰并随平行磁场或温度升高而增强的现象, 这类似于3He中的Pomeranchuk效应, 推测$ {\rm{\nu }} $ =1处的陈绝缘态或许源于同位旋的极化.
总论
2023, 72 (14): 140201.
doi: 10.7498/aps.72.20230595
摘要 +
光波导模式分析是先进波导器件和光波线路设计中的一项基本任务. 如何处理电磁异质界面和吸收边界问题是光波导高效数值分析面对的两大困难. 现有高阶精度有限差分模式分析方法均未考虑吸收边界条件, 导致漏模和辐射模难以精确模拟. 本文基于浸入界面方法和完美匹配层吸收边界条件, 提出一种具有二阶和四阶精度的有限差分方法. 利用该方法对单界面等离子波导、平面对称波导和一维光子晶体波导进行模式分析, 数值实验结果表明二阶和四阶算法对于导模、漏模和辐射模的收敛速度均与期望的阶数相符, 二阶算法约在归一化步长$10^{-4}$ 时提供有效折射率相对误差约为$10^{-9}$ 的极限精度, 四阶算法约在归一化步长$10^{-3}$ 时提供有效折射率相对误差约为$10^{-10}$ 的极限精度. 对一维光子晶体波导中导模和包层模场分布进行的研究表明, 界面处横电模式的场及其一阶导数的连续, 横磁模式的场的连续及其一阶导数的不连续, 均可以被精确解析. 本文提出的方法只需利用折射率的值而不依赖于模场的特定函数表示, 即可用于计算任意折射率剖面下的任意模式, 为阶跃折射率平面波导模式分析提供一种简单而高效的工具.
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2023, 72 (14): 140202.
doi: 10.7498/aps.72.20230334
摘要 +
基于热中子探测器实验模拟数据, 使用决策树(decision tree, DT)、随机森林(random forest, RF)和BP神经网络(back-propagation neural network, BPNN)构建了宇宙线粒子鉴别机器学习模型, 对每种粒子分别使用不同的机器学习算法基于模拟数据进行模型训练, 并针对算法进行超参数调整, 将每种算法的AUC值和Q品质因子作为粒子成分鉴别的评价指标. 实验结果表明, 不同机器学习模型对粒子预测精度影响很大. 在测试检验中, 经过交叉网格搜索方法调参后的决策树鉴别模型对中成分(碳氮氧和镁铝硅)比较敏感, 鉴别模型AUC值均在0.95以上, Q品质因子均大于6; 经交叉网格搜索方法调参后的随机森林鉴别模型对于宇宙线粒子鉴别的效果最好, 所有粒子鉴别模型的AUC值均大于0.92且Q品质因子均在4以上; BP神经网络算法只对质子和铁核比较敏感. 本研究对宇宙线粒子鉴别和筛选提供了新的方法和选择, 可为热中子探测器后续开展宇宙线能谱测量提供新思路.
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2023, 72 (14): 140301.
doi: 10.7498/aps.72.20230152
摘要 +
拓扑无能隙系统作为不同量子相的连接, 目前已经成为备受关注的前沿科学. 超导量子电路作为一个重要的全固态量子器件是宏观调控量子效应的优秀平台. 本文在超导量子电路中构建了双链的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型并发现了拓扑非平庸的节点. 首先设计了电容耦合的双链transmon比特, 之后用两个交流微波驱动每一个transmon比特, 从而实现比特间耦合强度的独立调控, 最后通过选择比特间合适的耦合参数实现交错的双链SSH模型. 接下来探索了交错双链SSH模型的拓扑性质, 首先计算了k空间中双链SSH模型的本征能量, 并发现了两种类型的相边界. 之后在参数空间中画出了拓扑相图, 发现了两类拓扑绝缘相, 其拓扑数分别为1和–1, 对应有两类边界态. 拓扑相图也进一步给出了两类相边界的分布以及它们两侧拓扑数的值. 最后分析了两类相边界的拓扑性质, 发现其中一类拓扑相边界对应的能带有两个拓扑非平庸的节点. 本文的工作为探索链条型物理系统、拓扑物态以及节点型拓扑半金属提供了新的途径.
2023, 72 (14): 140302.
doi: 10.7498/aps.72.20230652
摘要 +
经典相位匹配量子密钥分发要求信道对称, 而实际应用中非对称信道应用场景更加普遍. 为研究信道非对称性对相位匹配协议性能的影响, 基于经典相位匹配协议框架提出非对称相位匹配协议, 建立相关数学仿真模型, 并对信道非对称情况下诱骗态和统计波动等对系统的影响进行仿真分析. 结果表明: 信道非对称性对系统性能影响巨大, 随着信道衰减差异的增大系统性能减小, 且减小速度逐渐加快, 超过4 dB时已无法生成密钥; 诱骗态方案不能改变系统对信道衰减差异的容忍度, 但在信道衰减差异较大时, 增加诱骗态可以显著提升系统性能; 随着数据长度的增大, 系统对信道衰减差异的容忍度逐渐提升, 当数据长度大于1012时, 这种提升不再明显, 与对称信道相比, 当信道衰减差异为2 dB时, 随着数据长度的增大, 系统性能提升更加明显.
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2023, 72 (14): 140501.
doi: 10.7498/aps.72.20230106
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有限温度下自旋半经典系统的随机动力学行为通常由随机Landau-Lifshitz方程描述. 本文在朗之万随机微分方程的框架内, 推导出有效朗之万方程的一般形式, 及其对应的Fokker-Planck方程的表达式. 该有效朗之万方程能正确描述正则系综下自旋半经典系统的统计物理性质, 并且在阻尼项和随机项消失时能退化到自旋半经典运动方程, 因此是随机Landau-Lifshitz方程的一种推广. 在笛卡尔坐标系和球坐标系中, 分别给出有效朗之万方程的一般形式和对应的Fokker-Planck方程的显式表达式. 在球坐标系中, 讨论了朗之万方程中的纵场效应, 并从方程采取的形式中给出是否包含纵场效应的判断依据. 最后, 有效朗之万方程在一个单自旋、定值外磁场的体系中进行应用. 对方程采取特定的形式进行简便的求解, 并成功得到玻尔兹曼稳定分布, 该结果也检验了有效朗之万方程的准确性.
核物理学
2023, 72 (14): 142801.
doi: 10.7498/aps.72.20230559
摘要 +
极化中子散射技术是中子散射实验技术中的一种, 是当前探索物质微观结构的有力手段. 在极化中子散射实验中, 磁场是重要的环境因素直接影响中子极化率的传播和样品所处的环境. 用于极化中子的零磁场环境是实现完全极化分析和精确极化调控的必要条件, 需要通过精确的磁场屏蔽和约束实现. 针对目前前沿的混合材料磁屏蔽原理, 开展磁场屏蔽的有限元分析, 同时通过中子极化动力学计算进行验证. 研究展示经过优化的极化中子零磁场屏蔽体的屏蔽效果, 以及设计参数与屏蔽效果的关系, 并对屏蔽体的实际磁场约束效果进行了测量验证.
原子和分子物理学
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2023, 72 (14): 143101.
doi: 10.7498/aps.72.20221990
摘要 +
利用相对论组态相互作用模型势方法计算了B2+和B+离子的波函数、能级和振子强度, 进一步得到B2+离子2s1/2, 2p1/2, 2p3/2, 3s1/2态的电偶极极化率和基态2s1/2的超极化率, 以及B+离子2s2 1S0与2s2p 3P0态的电偶极极化率. B2+离子2p1/2和2p3/2的偶极极化率为负值, 基态2s1/2的超极化率的贡献主要来自于与极化率相关的$ {{\rm{\alpha }}}^{1}{{\rm{\beta }}}_{0} $ 项. 对于B+离子, 钟跃迁2s2p 3P0 → 2s2 1S0在室温下的黑体辐射频移是0.01605 Hz, 该黑体辐射频移比碱土金属原子的钟跃迁黑体辐射频移小1—2个数量级.
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2023, 72 (14): 143201.
doi: 10.7498/aps.72.20230520
摘要 +
长程里德伯分子由一个里德伯原子与一个或多个基态原子组成, 此类分子通过里德伯电子与基态原子间的低能电子散射相互作用束缚形成. 本文采用双光子光缔合的实验方案成功制备了由一个铯里德伯原子与一个铯基态原子形成的31D5/2+6S1/2(F = 4)双原子长程里德伯分子. 实验采集的光缔合光谱在原子共振线负失谐–162.8 MHz和–66.6 MHz处有两个明显的分子信号, 分别是由s-波纯三重态散射和s-波单重态-三重态混合散射形成. 使用Fermi赝势理论对实验结果进行模拟, 计算得到分子的绝热势能曲线, 并由分子哈密顿理论获得了v = 0分子振动基态波函数和束缚能. 理论计算与实验测量值符合得很好, 并由此得到s-波纯三重态和单重态零能散射长度为$ {a}_{{\rm{s}}}^{{\rm{T}}}\left(\text{0}\right)=-\text{19.16}\text{}{a}_{0} $ 和$ {a}_{{\rm{s}}}^{{\rm{S}}}\left(0\right)=-\text{1.92}\text{}{a}_{0} $ . 此类分子具有尺寸大、振动能级丰富和永久电偶极矩大等优良性质, 是研究低能碰撞极好的候选介质. 对此类分子的研究将进一步加深和丰富对长程里德伯分子特殊束缚机制和奇异性质的认识.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.72.20230449
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在冷原子研究中, 通常采用吸收成像的方式来进行冷原子状态的探测, 然而该成像方式受探测过程中光学平面干涉、激光功率、频率、空间位置抖动等方面的扰动, 最终形成的冷原子图像总是会出现残余部分空间结构噪声, 导致成像质量的下降. 尤其是对于冷原子密度稀薄的区域或者飞行时间较久的情况, 往往需要大量的重复和平均才能得到理想的信噪比, 然而这样不仅导致时间周期大幅度增加, 还会引入大量随机噪声. 本文基于机器学习提出了一种单拍冷原子成像方案, 在该方案中仅需对冷原子进行单次吸收成像, 对应背景图片可以通过自动编码器的神经网络来进行生成, 有效地降低了成像的空间条纹噪声, 大幅度提高成像质量, 可以用于冷原子单循环多次成像.
2023, 72 (14): 144202.
doi: 10.7498/aps.72.20222317
摘要 +
鬼成像技术已有几十年的发展历史, 目前正逐渐呈现多元化的趋势, 但相互之间的相关性较弱, 研究进展较以往缓慢. 研究鬼成像理论的本质, 是探索鬼成像未知领域的可行方向. 本文证明了傅里叶鬼成像和正弦鬼成像这两种鬼成像方法在原理上是等价的, 前者可以采用N步相移的方法来实现, 而后者则可等效为两步相移的方法. 同时结合正弦散斑成像的空间分解特性, 对结构散斑成像与传统鬼成像的关系进行分析, 并对以往在这两者基础上所构建的部分方法进行原理说明. 应用于边缘检测的仿真分析结果表明, 将两种方法结合起来可以同时具有傅里叶鬼成像的较好抗噪性能以及正弦鬼成像的较高成像效率.
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2023, 72 (14): 144203.
doi: 10.7498/aps.72.20222407
摘要 +
在光力学系统中, 辐射压力引起的非线性可导致系统产生混沌等多种丰富的动力学行为. 从有序转变到混沌有各种各样的途径, 本文研究了回音壁式耦合光力系统中两种不同途径通往混沌的现象——倍周期分岔道路和准周期道路. 两个全同的光力学子系统通过光学倏逝波进行耦合, 调控子系统间的耦合强度, 可以有效地改变系统的动力学行为. 采用分岔图、李雅普诺夫指数以及相空间轨迹的变化分析系统从有序到混沌的转变. 研究表明, 较强的耦合强度会迫使两个子系统的振荡产生完全同步, 子系统间相互耦合的作用可等效于子系统光学模频率与外加控制场频率失谐量的增加, 耦合光力学系统的动力学行为等效于单个光力学系统的动力学, 可实现倍周期分岔道路通往混沌的转变. 而对于相对较弱的耦合, 耦合系统的动力学将在高维相空间展开, 极限环发生Hopf分岔, 形成环面吸引子. 选取合适的失谐量, 耦合系统可实现从准周期道路进入混沌的现象.
2023, 72 (14): 144204.
doi: 10.7498/aps.72.20230014
摘要 +
本文对1342 nm波长的电光腔倒空调Q的Nd:YVO4激光器进行理论与实验研究. 理论计算了电光开关下降沿时间对腔倒空激光器输出脉宽的影响. 在实验中, 采用880 nm准连续激光二极管同带泵浦Nd:YVO4激光器, 在1 kHz重复频率下, 通过电光腔倒空方式, 得到最大平均功率210 mW (单脉冲能量0.21 mJ)、脉冲宽度2.8 ns的1342 nm激光输出, 光束质量因子M 2优于1.2. 通过周期极化铌酸锂晶体(periodically poled lithium niobate, PPLN) 进行腔外倍频, 获得脉冲宽度1.8 ns的671 nm波长可见激光. 这是目前1.3 μm波长主动调Q的Nd固体激光器产生的最窄脉冲宽度.
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2023, 72 (14): 144205.
doi: 10.7498/aps.72.20230746
摘要 +
采用了Herriott型多通腔对高平均功率皮秒激光进行非线性压缩产生飞秒激光的脉冲宽度压缩系统, 并通过ABCD矩阵对腔内本征模式分布进行了求解计算. 实验上通过利用多通腔脉冲压缩装置将100 W钕离子激光器输出的脉冲光谱宽度从0.20 nm展宽到2.75 nm, 光谱展宽比为13.75, B积分累积总量接近15.6. 利用透射光栅将补偿色散后脉冲宽度从12.5 ps压缩到了780 fs, 脉冲压缩比为16, 最终输出功率为71.3 W, 装置整体效率为71.3%. 该装置提供了一种更加结构简单, 成本廉价的高平均功率飞秒激光产生方式.
2023, 72 (14): 144206.
doi: 10.7498/aps.72.20230478
摘要 +
多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义, 开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标. 为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)的多参量传感器结构和原理复杂、制作成本高等问题, 本文基于保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)设计并制作了一种结构简单且高灵敏度, 单点可同时测量多个参量的新型传感器. 该传感器通过传感臂可以同时测量某一点在两个垂直方向上的位移和扭转变化, 并具有温度自补偿功能. 实验结果表明: 该传感器的快轴和慢轴对于温度的响应不同, 其线性灵敏度分别为11.4 pm/℃和10.6 pm/℃, 温度补偿系数为0.8 pm/℃, 平均扭转灵敏度为0.20 dB/(°); 该传感器的快轴和慢轴对位移/弯曲的响应相同, 线性灵敏度为31.5 pm/mm. 当改变传感器周围的温度场, 其位移和扭转传感性能不受影响, 可实现3个参量的同时测量. 本文研制的PM-FBG新型多参量传感器可以保证高精度的温度、位移和扭转测量, 同时具有较低的制作成本, 有望为多参量动态检测提供一种新的手段.
2023, 72 (14): 144207.
doi: 10.7498/aps.72.20230099
摘要 +
声波可以非接触、无损伤地操控微粒, 其在细胞操纵、材料组装等领域具有广阔的应用前景. 然而, 如何高通量、灵活且快速操控微粒仍然面临挑战. 在本工作中, 利用二维声子晶体板的周期局域梯度场实现了大规模微粒的并行操控. 其主要机制是由于黄铜平板刻蚀周期分布的正方体凸起构成的二维声子晶体板可激发板子固有的Lamb波零阶反对称模式; 其周期局域梯度场在平行于声子晶体板表面为驻波声场、在垂直于声子晶体板表面为局域梯度声场; 该周期分布的局域声场可以对微粒产生平行于表面的声停驻力、垂直于表面的声吸引力. 我们进一步构建了操控实验装置, 利用压电陶瓷片激励二维声子晶体板, 在实验中观察到了玻璃微球的捕获和排列现象, 实现了大规模微粒的二维排列操控. 该工作为高通量、快速、灵活操控微粒和细胞等提供了物理基础和技术支持.
2023, 72 (14): 144301.
doi: 10.7498/aps.72.20230346
摘要 +
水下目标体在密度分层流体中航行时会激发内波, 这种内波常被称为源致内波, 具有难以消除的特性. 本文对声波穿过运动球体激发内波后产生的起伏进行研究, 结果表明源致内波对声场的影响范围远大于目标体, 声场变化的强度与覆盖范围均与目标穿越角度呈反比. 进一步提出了一种基于滑动窗主分量分析的处理方法, 通过短时窗信号子空间重构对声场微弱起伏进行增强处理, 并用湖上实验证明了所提方法具有稳健性. 研究结果表明, 基于源致内波声起伏的探测方法可以对目标进行探测, 具有覆盖范围广、稳健性高的优点.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (14): 145201.
doi: 10.7498/aps.72.20230308
摘要 +
在磁约束聚变等离子体中, 本文将超电阻引入气球模模型, 采用解析理论的方法研究其对气球模线性不稳定性的影响. 推导了包含超电阻、电阻和抗磁效应的非理想气球模本征方程, 分析不同条件下超电阻对气球模的作用. 结果表明, 超电阻会增强气球模的不稳定性, 其物理机制是超电阻导致的电流扩散效应使得磁力线弯曲项对气球模的稳定作用减弱; 超电阻与电阻对气球模的去稳效应存在竞争关系, 当超电阻与电阻的比值较大时, 超电阻的作用占主导, 反则反之. 超电阻的去稳效应随着环向模数增加而增强, 当环向模数大于某阈值时, 超电阻会使原本稳定的气球模变得不稳定, 且该阈值与超电阻和电阻的比值成反比. 研究结果对未来聚变堆中低碰撞率边缘等离子体中的输运改善和边缘局域模控制具有重要参考价值.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (14): 146101.
doi: 10.7498/aps.72.20230161
摘要 +
本文基于海拔为4300 m的拉萨羊八井国际宇宙射线观测站, 开展了14 nm FinFET和28 nm平面互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工艺静态随机存取存储器(static random-access memory, SRAM)阵列的大气辐射长期实时测量试验. 试验持续时间为6651 h, 共观测到单粒子翻转(single event upset, SEU)事件56个, 其中单位翻转(single bit upset, SBU) 24个, 多单元翻转(multiple cell upset, MCU) 32个. 结合之前开展的65 nm工艺SRAM结果, 研究发现, 随着工艺尺寸的减小, 器件的整体软错误率(soft error rate, SER)持续降低. 但是, 相比于65和14 nm工艺器件, 28 nm工艺器件的MCU SER最大, 其MCU占比(57%)超过SBU, MCU最大位数为16位. 虽然14 nm FinFET器件的Fin间距仅有35 nm左右, 且临界电荷降至亚fC, 但FinFET结构的引入导致灵敏区电荷收集和共享机制发生变化, 浅沟道隔离致使电荷扩散通道“狭窄化”, 另一方面灵敏区表面积减小至0.0024 μm2, 从而导致14 nm工艺器件SBU和MCU的软错误率均明显下降.
2023, 72 (14): 146401.
doi: 10.7498/aps.72.20230033
摘要 +
铀钼合金在贮存、运输等过程中, 易受到小分子的表面腐蚀作用, 其中影响最大的是氢蚀和氧化作用. 为进一步探究该反应机理, 基于密度泛函理论和过渡态计算程序, 本文开展了H2分子在Mo原子掺杂和Mo涂层γ-U (100)的解离吸附, H和O原子在上述表面的表面扩散、体相扩散的第一性原理研究. 主要计算了H2分子在上述表面解离的最小能量路径; 开展了H和O原子在最稳定吸附位点间扩散的过渡态研究; 分析了H和O原子体相扩散中吸附能与吸附高度的联系. 研究结果表明, 当H2分子在顶位平行吸附后, 需跨越能量势垒, 诱发H—H键断裂, 之后体系能量降低, 两个氢原子与近邻原子成键, 稳定吸附在表面的桥位, 同时H2在Mo涂层表面解离所需能垒高于Mo原子掺杂表面; O原子在Mo-U表面扩散所需的能垒较低, 能够在铀钼合金表面迅速吸附、解离、扩散, 进而在表面形成氧化膜; H原子和O原子向体相内扩散首先均需要跨越能垒, 进而与体相原子形成化学键, 最后稳定吸附于体相中. 本文利用理论模拟方法, 较为全面地分析了铀钼合金氢蚀和氧化初始阶段的相关机理, 完备了小分子在铀钼合金表面吸附的研究. 研究结果为从理论上探究铀钼合金表面腐蚀机理奠定基础, 为探究铀钼合金腐蚀老化、预估极端环境和特殊环境下铀钼合金的材料性能提供理论支持, 并为进一步指导铀合金的抗腐蚀研究提供参考和帮助.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (14): 147101.
doi: 10.7498/aps.72.20230452
摘要 +
以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体正促使着固态微波功率器件向着更高功率、更高效率、集成化的方向不断发展, 但这会导致器件内部电磁场分布效应更为显著, 单一的路仿真已无法满足分析设计的精度需求, 亟需建立有源GaN器件与无源电磁结构的一体化协同仿真技术. 针对这一需求, 本文提出基于时域不连续伽辽金技术的GaN基高功率微波器件高效场路协同仿真方法, 将所提取的GaN HEMT (high electron mobility transistor)器件大信号紧凑模型引入电磁场方程中, 采用局部时间步进技术以消除非线性紧凑模型及多尺度网格对全局算法稳定性条件的限制, 实现有源器件-无源电磁结构、多尺度粗细网格的高效自适应求解. 通过数值仿真算例与实验测试及软件计算结果对比展示了本文所提方法准确性和高效性, 可为先进大功率微波器件的高可靠研发提供理论基础与设计参考.
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2023, 72 (14): 147102.
doi: 10.7498/aps.72.20230528
摘要 +
采用基于格林函数的GW方法计算发现: 孤立二维单层硒化铟(InSe)和碲化铟(InTe)具有吸收可见光的理想带隙, 高的电子迁移率以及适合光解水的电子能带结构, 电子自旋轨道耦合(SOC)效应使单层InTe从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体. 在准粒子能级计算的基础之上, 通过求解Bethe-Salpeter方程 (BSE)发现, 孤立单层InSe和InTe的激子结合能远大于常温下激子的自发解离能. 另一方面, 实际应用的二维半导体为了维持其力学稳定性, 大都需要依附在衬底上, 另外, 不同实验室样品自身原子层厚度也各异, 这些因素必然改变二维半导体的介电环境. 进一步的计算发现, 二维InSe和InTe的激子结合能随自身原子层厚度以及衬底厚度的变大而减小, 这说明可以通过调控二维半导体自身原子层以及衬底厚度的方式实现对激子结合能的精确调控, 本文结果能够为将来精确调控二维InSe和InTe的激子结合能大小提供重要的理论依据.
2023, 72 (14): 147103.
doi: 10.7498/aps.72.20230440
摘要 +
基于经验基EEHEMT等效电路模型, 针对AlGaN/GaN HEMTs提出一种可缩放大信号模型, 以准确获取宽栅多指器件的电学性能. 所提出的模型从器件的栅宽、栅指个数角度出发, 分别对器件模型的本征参数漏源电流、栅源电容和栅漏电容制定了相应的缩放规则. 为了验证所提缩放大信号模型的准确性, 通过总栅宽为14.4 mm的L频段GaN高效率功率放大器进行比对验证, 仿真与测试结果在1120—1340 MHz频带内功率值不低于46.5 dBm, 漏极效率值不低于70%, 结果高度吻合. 此外, 利用该模型在对大栅宽GaN HEMTs基波信息进行准确仿真的基础上能很好预测器件的高次谐波信息, 可为先进大功率、高效率的微波功率放大器的设计提供重要支撑.
2023, 72 (14): 147301.
doi: 10.7498/aps.72.20230464
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基于范德瓦耳斯力的异质结构为设计和研究高性能光电器件提供了无限的可能. 本文报道了一种基于MoS2/MoO3的光伏型光电探测器, 为了实现光伏性能, 实验构建Au/MoS2的非对称肖特基接触. 为提高其光电性能, 实验采用超薄的MoO3作为覆盖层构建MoS2/MoO3异质结, 利用MoO3可见光吸收特性及良好的光透过性增加MoS2材料内参与导电的电子. 实验通过原子层沉积(ALD)法制备MoO3, 并通过调控厚度来优化器件的光响应性能. 研究结果表明, 覆盖层MoO3越薄异质结光吸收效率越高, 且抑制暗电流增益的效果越显著. 相比单一的MoS2基光伏型光电探测器, MoS2/MoO3异质结器件光响应度增强近10倍, 响应度高达916.121 A/W, 探测率约2.74×1011 Jones, 响应时间约73 μs, 有效解决平面型光伏器件响应度低的问题. 本研究通过异质结构设计及其覆盖层的厚度优化, 成功实现对平面型MoS2基光伏器件的光电性能改善, 为未来开发高性能MoS2/氧化物异质结光电探测器提供参考方案.
2023, 72 (14): 147302.
doi: 10.7498/aps.72.20230318
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基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结既可以调节石墨烯的电子特性, 还可以保留原始单层材料的优越特性. 利用第一性原理, 本文系统地研究了石墨烯/C3N范德瓦耳斯异质结的结构、电接触类型及光学性质. 研究表明, 平衡态下异质结中存在仅为0.039 eV的准p型欧姆接触. 外加电场能调控异质结界面的接触类型, 实现p型肖特基接触到欧姆接触的转变. 垂直应变可以同时调控石墨烯和C3N的投影能带, 甚至为石墨烯打开了一个不可忽视的带隙 (360 meV). 外加电场和施加垂直应变这两种物理方法都能对异质结中石墨烯层的载流子掺杂类型和浓度进行有效调制. 石墨烯层的载流子掺杂浓度的增大通过电场的调制更显著. 与单层石墨烯和C3N相比, 两者构成的范德瓦耳斯异质结的光学响应范围和光吸收率均得到了提高. 光谱中的主吸收峰高达106 cm–1. 这些结果不仅为基于石墨烯/C3N范德瓦耳斯异质结器件的设计提供了有价值的理论指导, 还为异质结在光电纳米器件和场效应晶体管器件应用提供了新的思路和设计.
2023, 72 (14): 147701.
doi: 10.7498/aps.72.20230203
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脉冲电场消融(pulsed field ablation, PFA)以其非热、消融边界清晰等优势成为肿瘤和组织消融的关注重点. 然而, 组织生物物理特性和脉冲参数的多样性导致PFA效果难以预测. 本研究考虑PFA消融阈值和两个常用电导率模型参数的不确定性, 评估其对消融深度的影响. 从模型复杂度、参数敏感度分布、模型鲁棒性给出了模型选择的指标. 结果表明单因素决定的模型具有更强的鲁棒性. 消融阈值和组织初始电导率依次是影响消融深度评估的两个最敏感参数. 该策略可用于多种数学物理和仿真模型, 以增强模型可信度和简化模型.
编辑推荐
2023, 72 (14): 147801.
doi: 10.7498/aps.72.20230450
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单分子表面诱导荧光衰逝(single molecule surface-induced fluorescence attenuation, smSIFA)技术是一种基于二维材料受体、用于研究生物大分子法向运动的精密测量方法, 该方法不受二维平面运动的干扰. 作为受体的二维材料, 其特征淬灭距离决定法向上探测的距离和精度. 近年来以氧化石墨烯(graphene oxide, GO)和石墨烯作为介质受体的SIFA技术在生物大分子的研究中发挥了重要作用, 但石墨烯和GO具有固定的特征淬灭距离, 探测范围有限. 调整探测范围需要更换介质材料, 面临材料选择与制备的困难, 亟需开发用于技术的可调控材料. 本文改良了以GO为介质受体的单分子SIFA技术, 利用热还原的方法对GO进行还原, 通过控制还原温度, 制备出了还原程度不同的还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO), 调控特征淬灭距离, 利用荧光标记的DNA测量rGO的特征淬灭距离. 将rGO用于单分子SIFA技术, 对Holliday junction构象变化的观察, 论证了rGO的探测范围.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (14): 148101.
doi: 10.7498/aps.72.20230457
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本文提出了一个超薄的4-bit双极化编码超表面, 通过正交线极化波的独立操控来实现双模式涡旋波束的生成. 提出的超表面从顶至下依次由“H”形的金属贴片、介质基板层和金属接地层组成. 为了证明所提出的概念, 设计并制造了一个编码超表面. 制造的编码超表面, 在正交线极化波的入射下被设计为携带不同拓扑荷的涡旋波束, 工作中心频率为24.0 GHz. 实验测试结果表明, 理论设计与仿真结果吻合, 从而证实了所提出的4-bit双极化编码超表面具有生成双模式涡旋波束的能力. 这种超薄双模式涡旋生成器有着广泛的应用前景, 特别是在图像和微波领域的无线通信系统中.
2023, 72 (14): 148102.
doi: 10.7498/aps.72.20230212
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相比块体材料, 多孔材料中孔洞的存在影响形状记忆合金马氏体相变的演化过程, 包括马氏体变体形貌、分布以及自协调效应. 实验结果表明, 引入金属-空气界面可以细化马氏体变体组织, 从而可提升合金的阻尼性能. 本文在实验观察中发现界面周围没有出现马氏体变体的浮凸, 且存在非相变组织, 分析认为多孔材料中存在的金属-空气界面并不是自由表面. 基于与时间相关的金茨堡-朗道方程构建了不同界面约束下的三维相场模型, 研究了多孔材料中约束界面对马氏体变体自协调效应的影响. 在金属-空气界面附近模拟得到了细小的马氏体变体自协调形貌, 与实验结果一致. 在界面约束条件下, 体系主要以降低应变能的方式实现总能量的最小化. 不同界面条件下的模拟结果表明, 提高多孔材料的比表面积是得到更多细小马氏体变体组织的有效手段.
2023, 72 (14): 148401.
doi: 10.7498/aps.72.20230331
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采用磁控溅射制备了沿$\langle100\rangle $ 晶向择优生长的NiOx薄膜, 并与多晶HfO2薄膜组装成HfO2/NiOx/HfO2堆栈器件, 研究其电阻开关特性和导电机制. 微结构分析表明, NiOx薄膜主要成分为NiO和Ni2O3, 薄膜整体富含氧空位. HfO2/NiOx/HfO2堆栈器件初期呈现两电阻态的双极性电阻开关特性, 高低电阻比约为105; 但中后期逐步演变为具有“两级置位过程”的三电阻态开关特性. 器件循环耐受性大于3×103个周期, 数据持久性接近104 s. 器件高低电阻态满足欧姆导电机制, 而中间电阻态遵循空间电荷限制电流导电机制. NiOx薄膜中的氧空位导电细丝和上层HfO2薄膜中的空间电荷限制电流共同作用使得HfO2/NiOx/HfO2堆栈器件表现出稳定的三电阻态开关特性, 有望应用于多级非易失性存储器和类脑神经突触元件.
2023, 72 (14): 148501.
doi: 10.7498/aps.72.20230550
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屏蔽栅沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(SGT-MOSFET)在体内引入了纵向接源电极的屏蔽栅极, 可以辅助耗尽漂移区, 其耐压原理与沟槽MOSFET(VUMOSFET)不同. 本文以110 V左右结构的SGT-MOSFET为研究对象, 通过数值仿真、理论分析以及解析建模, 研究了不同结构的耐压原理以及结构参数与电场强度分布的相关性; 建立了与器件各个结构参数相关的电场解析模型, 为器件结构设计提供了理论依据; 并引入雪崩载流子对小电流下的电场解析模型进行了修正, 使得解析结果和仿真结果吻合较好; 通过修正后的电场解析模型提取了最优电场下的场氧厚度, 使得相应产品的静、动态特性得到明显改善, 从而极大地提升了器件的性能.
2023, 72 (14): 148502.
doi: 10.7498/aps.72.20230485
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针对极微弱信号提取及探测需求, 研发高调制深度、低功耗、低半波电压的谐振型电光相位调制(RPM)以及微瓦级、高信噪比谐振型光电探测(RPD)功能器件. 基于单端楔角铌酸锂晶体、低噪声光电二极管及低损高Q电子元件组成谐振电路, 利用谐振增强原理实现低功耗、高调制深度电光调制及高增益光电探测等; 所研发的RPM在最佳调制频点为10.00 MHz时, 带宽为225 kHz, Q值为44.4, 调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为8 V; RPM在最佳调制频点为20.00 MHz时, 带宽为460 kHz, Q值为43.5, 调制深度为1.435时所需射频驱动电压峰值为13 V; 将自研的RPD最佳探测频点调节为20.00 MHz, 带宽为1 MHz, Q值为20, 增益为80 dB@100 μW; 利用自研RPM和RPD组成极微弱信号提取链路, 在500 mV峰值电压驱动RPM下(调制深度约为0.055), 可实现直接输出误差信号信噪比为5.088@10 μW, 34.933@50 μW以及58.7@100 μW. 极微弱信号提取链路经过比例积分微分参数优化提升整个反馈控制环路性能及稳定性, 为制备高稳定量子光源及超稳激光等领域提供关键器件及技术途径.
2023, 72 (14): 148701.
doi: 10.7498/aps.72.20230461
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X射线光栅干涉仪成像需要高条纹可见度以获得高信噪比图像. 最近的报道证实, X射线双矩形相位光栅干涉仪实验测量的条纹可见度较低. 为此, 提出了基于双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度研究. 利用X射线双相位光栅干涉仪的强度变化规律, 对比研究了单色照明和不同多色照明下, 双三角形相位光栅X射线干涉仪与双矩形相位光栅干涉仪的条纹可见度随光栅间距的变化规律. 结果表明: 无论是单色照明还是多色照明, 双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度的峰值随相移量的增加而增大. 当相移量为5π/2时, 双三角形相位光栅X射线干涉仪的条纹可见度在单色照明下比双矩形相位光栅干涉仪的条纹可见度提高约21%, 在多色照明下提高至少23%. 而在多色照明下, 随着X射线平均能量偏离光栅设计能量的增加或光源焦点尺寸的增加, 双相位光栅干涉仪条纹可见度的峰值均会单调下降. 这些结果可作为X射线双相位光栅干涉仪的参数设计和性能优化的理论指导.
地球物理学、天文学和天体物理学
2023, 72 (14): 149501.
doi: 10.7498/aps.72.20221941
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弱光锁相是星间激光干涉测距的重要环节, 通过锁相环跟踪外差干涉光信号相位. 受散粒噪声、激光频率噪声等各类噪声限制, 锁相环内部本地振荡器信号与外差信号间存在一定相位差, 而锁相环的鉴相范围只有正负半个周期, 若相位差某时刻超过鉴相范围, 则本地振荡器在反馈调节下可能会进入错误的工作点, 出现周跳, 导致后续相位重构出错. 本文提出了基于引力波探测背景的一种周跳诊断方法, 在原锁相环基础上引入一个具有更大鉴相范围的辅助分频相位计, 可以对锁相环是否出现周跳提供判断依据. 结合已有的锁相环及噪声理论, 建立了分频相位计的理论模型, 以此数值模拟了分频相位计工作, 模拟结果表明, 分频相位计可以实现大范围鉴相, 具有判断弱光锁相周跳的能力.
