专题: 二维转角莫尔超晶格
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2023, 72 (2): 027102.
doi: 10.7498/aps.72.20222145
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极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子, 可以极大地压缩光波长, 提供一种突破衍射极限的光调制方式, 为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持. 范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台, 通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度, 从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性. 本文以近场光学为主要研究方法, 对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述. 综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等. 最后, 对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.
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2023, 72 (2): 027802.
doi: 10.7498/aps.72.20222080
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通过转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格, 可以对二维材料的能带结构进行有效调控并产生平带, 为研究量子多体物理提供了全新的平台. 转角过渡金属硫族化物(TMDs)半导体莫尔超晶格中的平带存在于较大的转角范围, 并且具有自旋-能谷互锁的能带结构以及优异的光学特性, 受到了广泛的关注. 本文聚焦于转角TMDs半导体, 介绍了近年来实验上发现的多种新奇物态, 包括莫特绝缘态、广义维格纳晶体、非平庸拓扑态、莫尔激子等; 还进一步讨论了对这些新奇物态的调控及其机制, 并展望了莫尔超晶格这一新兴领域未来的研究方向.
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2023, 72 (2): 027302.
doi: 10.7498/aps.72.20222046
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近些年来引起广泛关注的二维半导体莫尔超晶格系统中存在着莫尔激子、强关联电子态和面外铁电性等新奇物理现象, 电子的层间耦合对于理解这些现象至关重要. 本文研究了二维半导体双层莫尔超晶格中的层间耦合随位置和动量的变化. 外势场导致的局域布洛赫波包的层间耦合与波包宽度以及中心位置处的层间平移有着密切关系. 同时, 层间耦合随动量的变化使得基态$ \rm{S} $ 型波包和激发态$ {\rm{P}}^{\pm } $ 型波包有着截然不同的随中心位置变化的层间耦合形式: 在两个$ \rm{S} $ 型波包的层间耦合消失的位置, $ \rm{S} $ 和$ {\rm{P}}^{+} $ 型(或$ \rm{S} $ 和$ {\rm{P}}^{-} $ 型)波包之间的层间耦合达到最强. 利用该性质, 可以通过外加光电场来调控特定谷的基态波包的层间输运. 此外, 双层系统中发现的面外铁电性可以归结为不同层导带和价带间的耦合导致的电子在两层中的再分配现象. 将本文得到的层间耦合形式与单层紧束缚模型相结合, 可计算出垂直平面的电偶极密度, 其随层间平移的变化形式和数量级与实验观测相符.
总论
2023, 72 (2): 020301.
doi: 10.7498/aps.72.20221661
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在大规模量子通信网络应用研究中, 人们一般通过构建虚拟业务网络并将其映射到实际物理空间来实现资源的分配. 在该映射过程中, 为简化模型常常做一些假设, 比如假定物理拓扑中的密钥资源为某一固定值, 即忽略实际物理条件以及不同协议对密钥供给带来的性能差异. 这种忽略实际物理条件的假设可能导致该网络在实际应用中无法正常运行. 为解决以上问题, 本文从链路映射的角度出发, 以量子密钥分发光网络为底层网络, 提出了改进的虚拟业务映射模型和虚拟业务映射算法, 使其更加接近于实际应用场景. 一方面通过增加地理位置的约束, 对虚拟节点到可映射的物理节点范围做合理限制; 另一方面, 从硬件成本和实际密钥生成速率角度出发, 提出了性价比的评估指标对资源进行分配管理. 此外, 我们通过结合3种主流的量子密钥分发协议(BB84、测量设备无关、双场), 构建了普适的虚拟业务在量子密钥分发光网络中的映射模型, 实现了最优协议的推荐和资源的优化配置管理.
2023, 72 (2): 020302.
doi: 10.7498/aps.72.20221684
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针对传统量子安全直接通信方案中需提前假设通信双方合法性的问题, 提出一种带身份认证的基于GHZ态(一种涉及至少三个子系统或粒子纠缠的量子态)的量子安全直接通信方案. 该方案将GHZ态粒子分成三部分, 并分三次发送, 每一次都加入窃听检测粒子检测信道是否安全, 并在第二次发送的时候加入身份认证, 用以验证接收方的身份, 在第三次发送完粒子之后, 接收方将所有检测粒子抽取出来, 之后对GHZ态粒子做联合测量, 并通过原先给定的编码规则恢复原始信息. 本方案设计简单、高效, 无需复杂的幺正变换即可实现通信. 安全性分析证明, 该方案能抵御常见的内部攻击和外部攻击, 并且有较高的传输效率、量子比特利用率和编码容量, 最大的优势在于发送方发送信息的时候不需要假设接收方的合法性, 有较高的实际应用价值.
2023, 72 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.72.20221841
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本文利用六面顶压机, 在5.6 GPa, 1250—1450 ℃的高压高温条件下, 分别选用FeNiCo和NiMnCo触媒合金开展了金刚石大单晶的生长实验, 系统地考察了触媒组分对金刚石单晶裂纹缺陷的影响. 首先, 通过对两种组分触媒晶体生长实验对比发现, 金刚石大单晶裂纹缺陷出现的概率与触媒组分相关联. 同NiMnCo触媒相比, FeNiCo触媒生长的金刚石单晶更容易出现生长裂纹. 我们认为, 这与FeNiCo触媒黏度高、流动性差、碳素输运能力差、生长中晶体比表面积大, 进而导致其对生长条件稳定性的要求较高有关. 其次, 两种触媒极限增重速度和生长时间的关系曲线表明, 相同生长时间条件下, NiMnCo触媒生长金刚石单晶的极限增重速度相对较大. 再次, 扫描电子显微镜测试结果表明, 裂纹缺陷的出现与否同晶体表面平整度的高低无必然联系, 表面平整度高的金刚石单晶内部也可能存在裂纹缺陷. 最后, 经对金刚石单晶傅里叶微区红外测试结果进行分析, 得出了氮杂质含量的高低与金刚石单晶裂纹缺陷的出现与否无内在关联性的研究结论.
基本粒子物理学与场
2023, 72 (2): 021201.
doi: 10.7498/aps.72.20221660
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吸收组合低频外场提供的多个不同能量的光子发生跃迁可以在真空中激发正负电子对. 本文探究了在组合振荡场作用下, 不同的外场频率对正负电子对产生的影响, 研究结果表明：与单个振荡场类似, 当双振荡场的频率和约为$2.3 m_{{\rm{e}}}c^2$ 时, 电子对产量达到极值. 在双振荡场的频率和固定为$2.3m_{{\rm{e}}}c^2$ 的情况下, 对不同组合频率下正负电子对的产量以及能谱分布进行了研究, 发现当两场频率差较小时, 电子对产量随时间演化会出现显著的“拍”现象. 还发现两个振荡场频率差越小, 电子对的单能性越好; 场频率差越大时, 电子对的产量越高、能谱范围越宽. 通过对跃迁概率分布图的比较和分析, 发现主要原因是频率差较大时能够发生显著跃迁的多光子跃迁形式数量增加, 从而促进正负电子对(尤其是高能端电子对)的产生.
2023, 72 (2): 021401.
doi: 10.7498/aps.72.20221792
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缪子透射成像方法是一种基于宇宙线缪子穿过目标物体前后的通量变化, 进而获得其内部密度结构的无损探测成像方法. 缪子透射成像方法假设缪子在低原子序数物质中沿直线运动, 但实际上多重库仑散射作用会使缪子路径一定程度上偏离直线, 有可能对成像精度造成影响. 为此, 本文使用Geant4软件包开展了缪子透射成像蒙特卡罗模拟, 针对数米尺度多种密度结构的模型, 定量分析了打开和关闭多重库仑散射物理过程时对成像精度的影响. 结果表明: 对于数米尺度标准岩石物质, 缪子透射成像方法能够很好地恢复内部密度异常几何特征；但多重库仑散射作用对目标物体内部区域近垂向缪子通量造成的偏差可达5%, 而在目标物体边界区域的偏差可达13%. 因此, 需要宇宙线缪子透射成像中考虑多重库仑散射作用的影响, 以获得数米尺度目标物体更准确的绝对密度值成像结果.
核物理学
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2023, 72 (2): 022601.
doi: 10.7498/aps.72.20221599
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开展中子星宏观性质的研究, 对于揭示中子星内部组成和结构具有重要意义. 本文基于相对论平均场理论模型, 研究了 δ 介子对传统中子星和超子星物态方程、最大质量、勒夫数和潮汐形变能力的影响. 结果表明, 对于中小质量传统中子星(或超子星), δ介子使其潮汐形变能力变强; 随着传统中子星(或超子星)质量的增加, δ介子对其潮汐形变能力影响逐渐减弱; 尤其对于大质量超子星, 含有δ介子的超子星潮汐形变能力相比不含δ介子的超子星变弱. 此外, 在相同质量下超子的存在会降低星体的潮汐形变能力, 在本文所选的参数下, 含有δ介子的星体中, 仅同时含Λ, Σ和Ξ超子的超子星潮汐形变能力能同时满足GW170817和GW190814天文观测约束. 随着与中子星相关的引力波数据逐渐增加, 将为人们判断超子星内超子种类提供一个可能的途径.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.72.20221588
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像素编码曝光成像技术是一种先进的高速成像技术, 其利用数字微镜器件(digital micromirror device, DMD)对相机每个像素的曝光进行编码, 将多帧图像信息融入到单帧编码图像中, 然后再利用解码算法进行图像重构, 将低帧频相机的图像采集速率提升数倍, 实现低帧频相机的高速成像. 在该技术中, DMD的像素与相机像素之间的精确匹配是实现编码曝光成像的前提, 因此, 相关研究人员主要关注于如何实现像素的精确匹配. 然而, 两者之间中继成像系统的分辨率作为编码曝光成像的另一重要影响因素, 却鲜有人研究和分析. 为此, 本文从理论上分析了中继成像系统的分辨率对解码图像重建效果的影响, 并结合模拟和实际成像实验对理论分析进行验证. 在此基础上, 搭建了像素编码曝光成像系统, 提出了一种基于条纹相位的成像系统点扩散函数估计方法, 并将Richard-Lucy反卷积算法引入到编码图像的重构过程中, 有效改善编码曝光成像的质量, 对于像素编码曝光成像技术的发展具有重要的意义.
2023, 72 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.72.20221438
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本文结合空间编码单像素成像技术和扩频时间编码扫描成像技术, 提出一种时空域联合编码扩频单光子计数成像方法. 该方法具备可避免距离模糊、大时宽带宽积的优势, 并且在噪声干扰下, 能够准确恢复距离像. 本文推导了基于单光子探测的时空域联合相关非线性探测模型、成像正向模型和信噪比模型, 并通过凸优化反演算法恢复深度图像, 理论模型和仿真实验均证明, 与传统的基于空间编码的单像素成像方法相比, 本方法提高了重建的质量. 其中, 采用m序列作为时间编码, 成像的噪声鲁棒性更高. 和传统的空间编码单像素成像技术相比, 本文提出方法的成像均方误差降低了4/5, 引入二次相关方法后, 成像均方误差降低了9/10. 本文所提出的成像架构为非扫描激光雷达成像方法提供了新思路.
2023, 72 (2): 024203.
doi: 10.7498/aps.72.20221690
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纯相位型计算全息图舍弃全息面上的振幅信息, 降低了全息显示的图像质量. 迭代法通过多次正、逆向的波前传播计算, 优化了纯相位型计算全息图的相位轮廓, 提升了全息再现的图像质量. 然而, 传统迭代法可能存在迭代发散、收敛速度偏慢以及再现质量受限等问题. 本文提出了一种基于角谱传播模型的自适应混合约束迭代算法, 通过在迭代中加入自适应的反馈机制和频带约束策略, 增加了迭代优化的自由度, 提升了迭代的收敛性和全息再现的图像质量. 仿真和实验结果表明, 提出的算法能够在较短的计算时间内获得更高重建质量的纯相位型计算全息图, 对于高质量的全息显示具有重要应用价值.
2023, 72 (2): 024204.
doi: 10.7498/aps.72.20221711
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采用电光调制技术产生冷原子干涉所需要的拉曼光, 虽然可以使激光系统更加紧凑和稳定, 但其产生的残余边带会引入附加干涉相移, 从而影响冷原子干涉测量精度. 为了降低激光调制边带对冷原子干涉相移的影响, 构建了一种用于冷原子干涉的双边带抑制激光系统. 基于该系统, 详细分析了激光双边带的产生原理和双边带抑制效果; 研究了当残余边带存在时, 拉曼反射镜的初始位置、相邻拉曼脉冲的间隔时间、调制深度和原子团初速度等一系列参数与冷原子干涉相移之间的关系, 并优化相关参数, 降低了残余边带对冷原子干涉相移的影响. 当拉曼反射镜与冷原子团之间的距离为105 mm, 相邻拉曼脉冲的间隔时间为82 ms时, 相移可以优化到0.7 mrad. 该研究结果为减小拉曼边带效应对冷原子干涉相移的影响提供了一个思路, 相应的激光系统可用于其他惯性传感器, 如原子重力仪或原子重力梯度仪等.
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2023, 72 (2): 024205.
doi: 10.7498/aps.72.20221855
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硫化氢(H2S)作为一种强腐蚀性且具有剧毒的气体, 在化工、能源、环境等多个领域都是重要的中间产物或排放污染物, 在线精确测量其浓度对工艺过程控制、安全生产具有重要意义. 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)作为一种定量吸收光谱技术, 适用于大气环境监测、工业过程控制等领域H2S浓度高精度在线测量. 考虑到HITRAN2020数据库中H2S的谱线参数主要来自基于半经验理论模型的计算, 且缺乏实验数据验证, 本文首先采用直接吸收(DAS)法扫描获得H2S分子6320—6350 cm–1波段内谱线吸收截面, 选取其中6组吸收较强、相对独立、具有应用潜力的特征谱线作为实验测量的目标谱线; 然后采用免标定、高信噪比的波长调制-直接吸收(WM-DAS)法测量了该6组谱线在不同压力下的吸收截面并用Voigt, Raution等线型函数对吸收截面进行最小二乘拟合, 对谱线的碰撞展宽系数、线强度、Dicke收敛系数等光谱常数进行高精度测量, 其中吸收截面拟合的残差标准差低至7×10–5, 谱线线强度的测量不确定度小于2%, 碰撞展宽系数、Dicke收敛系数、速率依赖系数的测量不确定度小于10%. 完善了H2S光谱数据库, 为H2S浓度高精度测量提供基础光谱数据.
2023, 72 (2): 024206.
doi: 10.7498/aps.72.20221783
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在外腔反馈半导体激光谱合束系统中, 由于半导体激光阵列的“smile”效应、外腔中光学元件制作误差等因素, 激光阵列一子单元发射光束经过外腔返回注入其他子单元, 在两子单元之间形成光束串扰并影响合束特性. 本文从耦合腔光束谐振角度出发, 基于光反馈半导体激光器速率方程, 构建了耦合腔谐振模型, 推导了激光器稳态输出时能在耦合腔中起振的光束模式. 结合耦合腔模式竞争机制与耦合腔谐振模型分析由两子单元间距变化引起的不同串扰对锁定光谱和合束效率的影响. 结果表明子单元间的串扰行为会造成光谱峰值下降、光谱偏移、边缘毛刺以及合束效率劣化. 相比距离更远的两子单元之间的高阶串扰, 距离更近的两子单元间的低阶串扰对合束特性的劣化程度更大. 最后, 为证明该模型的正确性和有效性, 对所得分析结果进行了实验验证, 实验观测到在串扰影响下的光谱结构与理论分析一致.
2023, 72 (2): 024207.
doi: 10.7498/aps.72.20221606
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上转换白光材料在固态照明、液晶显示器和生物成像等领域展现出其他光源无法比拟的优势, 倍受研究者们广泛关注. 为此, 本文采用水热法合成了一系列掺杂不同离子浓度的NaYF4∶Yb3+/Re3+/Tm3+ (Re3+ = Ho3+, Er3+)微米晶体. 在980 nm近红外光激发下, 通过调控掺杂离子的浓度, 研究Ho3+/Tm3+及Er3+/Tm3+共掺杂单颗粒NaYF4微米晶体的白光发射特性. 研究表明: 在NaYF4∶Yb3+/Ho3+/Tm3+微米晶体中, 通过调控Yb3+离子的掺杂浓度易于实现其白光发射; 而在NaYF4∶Yb3+/Er3+/Tm3+微米晶体中, 通过调控Er3+离子的掺杂浓度易于实现其白光发射. 根据不同掺杂体系中微米晶体的发光特性, 揭示了白光发射调控的物理机理, 即主要是借助掺杂离子间交叉弛豫及能量反向传递过程而实现. 同时, 通过包覆NaYF4惰性壳进一步有效增强了微米棒上转换白光发射. 结果表明，通过离子掺杂技术及构建核壳结构不仅可实现微米棒的上转换白光发射, 且可为进一步增强微米棒发光特性提供重要的实验参考, 拓展微米晶体在显示、光电子技术及防伪等领域中的应用.
2023, 72 (2): 024208.
doi: 10.7498/aps.72.20221303
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SiC以优异的物理性能和良好的工艺性能, 逐渐成为大型空间成像光学系统主镜的首选轻量化光学材料. SiC镜坯制备及加工过程中引入的亚表面缺陷会严重影响最终的镜面质量以及光学系统的成像品质. 针对SiC材料亚表面缺陷的检测问题, 本文采用光热辐射技术进行分析: 分别建立均匀样品的单层理论模型和含空气层缺陷的三层理论模型, 用于计算无缺陷和存在缺陷区域的光热辐射信号. 通过对三层理论模型信号的相位仿真分析, 提出利用相位差-频率曲线的特征频率估算缺陷深度的经验公式; 利用光热辐射装置测量存在亚表面缺陷的SiC样品, 分析缺陷区域的光热辐射信号分布, 利用经验公式计算缺陷深度, 并与缺陷实际深度分布进行对比分析. 实验与计算结果显示, 光热辐射技术能有效探测SiC镜坯的亚表面缺陷及其形貌, 并且对于界面与样品相对平行且较为平缓的亚表面缺陷, 其缺陷深度可通过经验公式准确确定.
2023, 72 (2): 024209.
doi: 10.7498/aps.72.20221696
摘要 +
相位梯度超构光栅为自由操控光或者电磁波传播, 以及设计新型功能光子器件提供新的思路. 基于突变相位概念和梯度超构光栅中的异常衍射规律, 本文设计和研究了一种亚波长金属超构笼子. 通过数值模拟和严格的解析计算发现超构笼子囚禁光的能力与周期内单元个数$m$ 的奇偶性有关. 当单元个数为奇数时, 放在超构笼子中的点源几乎可以无阻碍地辐射至笼子外面; 而当单元个数为偶数时, 放在超构笼子中的点源几乎无法辐射到笼子外面, 即所有能量都被局域在笼子中. 本研究可以为新型雷达天线罩和光子隔离器件提供新的思路和理论指导.
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2023, 72 (2): 024301.
doi: 10.7498/aps.72.20221793
摘要 +
声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动, 其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景. 传统声操控微粒技术一般采用自由声场, 如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等. 然而, 一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒; 而阵列换能器的驱动系统复杂, 导致操控器件成本高昂且难以微型化; 因此, 亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控. 本工作中, 采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场, 实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控. 其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合, 在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场, 导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力, 在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力, 实现了微粒周期排列在声栅表面上. 该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.
2023, 72 (2): 024302.
doi: 10.7498/aps.72.20221771
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无砟轨道是典型的非连续阻抗粘接结构, 在重载、环境恶化等因素的影响下, 脱粘现象频发, 严重危及列车运行安全. 本文提出一种高精度阵列超声快速成像方法, 建立考虑层间声速差异的非连续阻抗粘接结构声速理论模型, 采用射线追踪方法获取声波在介质中的传播路径和时间. 基于实数编码设计高自由度稀布阵列, 构建稀布阵列合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique, SAFT)成像, 提高检测效率. 在无砟轨道结构上的实验结果表明: 射线追踪方法能够准确计算超声波的传播路径和传播时间, 提高检测精度; 优化设计的稀布阵列方向图主瓣宽度窄, 旁瓣增益低, 可提高检测效率和声场指向性; 脱粘缺陷成像误差在±5%以内时, 稀布阵列SAFT成像方法效率提高了30.9%, 可为该类缺陷检测提供理论支撑.
2023, 72 (2): 024303.
doi: 10.7498/aps.72.20221571
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为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟, 本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发, 在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型, 对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟, 并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性. 结果显示: 在超声波驱动下, 球形气泡先缓慢扩张, 扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭; 耦合双气泡间存在相互作用力, 使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长; 空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强, 相比单气泡声空化, 耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大. 本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.
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2023, 72 (2): 024401.
doi: 10.7498/aps.72.20221400
摘要 +
添加高导热填料的有机聚合物是最常用的一种热界面材料. 其中一种提升热导率的方式是采用不同形貌填料复合添加, 结合各种填料的优点, 取长补短. 然而, 由于有效介质理论的局限性, 以及热逾渗理论的滞后研究, 对于不同形貌填料的协同机制依旧缺乏探索. 为了剔除不同材料的耦合影响, 本文采用不同形貌的同种氧化铝作为填料, 分别制备了添加氧化铝球、氧化铝片以及球/片1∶1混合的环氧树脂复合材料. 通过稳态法测量样品的热导率, 发现球/片1∶1混合样品热导率得到显著提升. 结合热逾渗理论, 以及对填料微观分析的观测, 发现片状和球状填料复合添加的协同作用对热逾渗网络有促进作用.
2023, 72 (2): 024701.
doi: 10.7498/aps.72.20221472
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固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象, 针对楔形体上的复合液滴, 采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究. 通过理论分析和数值模拟, 发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大, 液滴也越容易分裂. 处于理论分裂临界状态附近的液滴, 在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂. 基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图, 比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂. 另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.
2023, 72 (2): 024702.
doi: 10.7498/aps.72.20221562
摘要 +
通过固体表面改性可对液滴热毛细迁移过程进行调控. 基于润滑理论和滑移模型建立了均匀温度梯度作用下液滴在润湿性受限轨道上运动的数学模型, 通过将基底划分成亲水区域和疏水区域构建了润湿性受限轨道. 结合接触线动力学提出了三维液滴在不同方向上接触线移动速度的计算方法, 得到了液滴热毛细迁移的演化历程, 分析了轨道宽度和润湿性对液滴迁移特性的影响. 研究表明: 液滴主体受温度梯度作用由高温区向低温区迁移, 液滴后缘在移动过程中与主体部分间形成一层薄液膜, 即薄液膜拖尾. 液滴在垂直于轨道方向上的铺展受到抑制, 收缩到轨道边缘后保持定扎状态. 前进接触线移动速度开始时迅速减小, 后缓慢降低趋于平稳; 前进接触线移动速度与轨道宽度呈负相关. 垂直于轨道方向上的壁面润湿性限制导致的排挤作用, 在初始的短暂时刻对液滴在轨道上的热毛细迁移具有加速作用. 液滴前进接触线移动速度与轨道润湿性呈正相关. 增强轨道润湿性使得后退接触线移动速度的初始值增大, 但对其稳定值影响不大. 相比于改变轨道润湿性, 改变轨道宽度更易于调控液滴热毛细迁移过程.
气体、等离子体和放电物理
封面文章
2023, 72 (2): 025201.
doi: 10.7498/aps.72.20220861
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在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究. 采用传统充气直柱金壁黑腔设计, 在激光脉冲作用后期, 腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动, 导致靶丸赤道驱动偏弱, 形成不可接受的扁圆内爆. 本文采用新型的花生腔设计, 通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置, 补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响, 获得球对称的靶丸辐射驱动. 在靶丸驱动辐射温度相同的条件下, 由于驱动对称性得到显著改善, 实验观测到花生腔内爆热斑接近球形, 中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%; 而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%. 模拟计算和实验结果一致表明, 在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中, 花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素, 增强辐射驱动和内爆对称性调控, 并提高内爆性能.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (2): 026101.
doi: 10.7498/aps.72.20221553
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铁基非晶合金因其低矫顽力、高磁导率和低铁耗等被广泛应用于变压器、电抗器等电力电子领域, 然而, 较低的饱和磁感值限制了其进一步应用. 铁含量增大可有效提高合金的饱和磁感, 但相应非磁性元素含量的降低又将引起合金非晶形成能力的下降, 导致后续纳米晶带材的软磁性能及弯折韧性的恶化. 针对上述问题, 文章基于金属-类金属间的杂化作用, 通过原子百分比为7%的B替代P, 利用单辊甩带法制备了厚度约为25 μm的FePBCCu非晶薄带, 并研究了B添加对薄带非晶形成能力、磁性能和力学性能的影响. 热动力学行为揭示出小原子B添加能够降低合金结构的异质性, 有效提高非晶基体的热稳定性; 熔化与凝固曲线表明B元素能够促使合金系接近共晶成分且具有较大的过冷度. 因此合金的非晶形成能力显著提高, 其临界厚度从基体的约21 μm 提高到约30 μm. B添加促使合金系磁性原子有效磁矩的增大, 导致非晶薄带的饱和磁感值增大. 纳米压痕实验结果表明, B添加合金的约化模量值较大且在一个较小范围内波动, 这与合金的结构均匀性密切相关.
2023, 72 (2): 026102.
doi: 10.7498/aps.72.20220125
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利用计算机辅助设计(technology computer aided design, TCAD)软件针对N型阱电阻的单粒子效应开展仿真研究, 结果表明单个重离子入射到N阱电阻中会造成器件输出电流的扰动. 经过对电阻的工作机理和单粒子效应引入的物理机制进行分析, 结果表明重离子在N阱电阻中产生的电子-空穴对中和了N阱电阻中的空间电荷区, 使得N阱电阻的阻抗瞬间减小、电流增大, 且空间电荷区被破坏的面积越大瞬态电流的峰值越高. 随着阱结构中的高浓度过剩载流子被收集, 单粒子效应的扰动会消失. 但N阱电阻独特的长宽比设计导致器件中的过剩载流子收集效率低、单粒子效应对阱电阻的扰动时间长. 文中还对影响N阱电阻单粒子效应的其他因素开展了研究, 结果表明重离子的线性能量传输(linear energy transfer, LET)值越高、入射位置距离输入电极越远, N阱电阻的单粒子效应越严重. 此外, 适当缩短N阱电阻的长度、提高阱电阻的输入电压、降低电路电流可以增强其抗单粒子效应表现.
2023, 72 (2): 026801.
doi: 10.7498/aps.72.20221676
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建立了基于第一性原理方法研究二维材料界面摩擦的高通量计算程序, 该程序实现了自动化批量建模、批量提交任务、多任务并发计算, 以及计算结果自动收集、处理和图像绘制, 使用该程序可以节省时间. 采用此程序计算了不同层间距离下双层氮化硼和双层石墨烯的滑移势能面, 及层间界面摩擦力和摩擦系数. 研究发现, 随着层间距离减小, 双层氮化硼界面的平均摩擦力近似线性增大, 摩擦系数为0.11—0.17, 双层石墨烯界面摩擦力先增大后减小再增大, 其摩擦系数在12 nN载荷下达到最小值(0.014), 这些结果与已有研究结果一致, 验证了该计算程序的可靠性. 此外还研究了表面氢化和氟化对双层氮化硼界面摩擦的影响, 发现氟化氮化硼/氮化硼界面的摩擦系数更低.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (2): 027101.
doi: 10.7498/aps.72.20221842
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太阳能光电催化分解水制氢气和氧气是获得可再生能源的可行方案之一, 利用密度泛函理论计算, 对比了替位掺杂和表面吸附过渡金属Al原子对BiVO4 (010)晶面析氧(OER)性能的影响. 结果表明, 两种方式都能有效调控BiVO4的电子结构进而调节其OER性能, 而表面吸附因能改善BiVO4的导电性和光吸收, 降低电子-空穴复合, 增强OER过程中活性位点与含氧中间体之间的相互作用, 降低决速步的过电势, 被认为是提高(010)晶面析氧性能的有效手段. 本工作为设计高效的二维半导体析氧反应的光催化剂提供了重要参考.
2023, 72 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.72.20221738
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鉴于紫外探测器在诸多领域的重要应用, 探寻自供电型探测器以及挖掘其内在运行机理显得尤为关键. 本文制备的Ga2O3/Al0.1Ga0.9N异质结紫外探测器能够实现对254 nm波长(UVC波段)和365 nm(UVA波段)波长紫外光的敏感探测, 并在不同方向的偏压驱动下能够实现耗尽模式和光电导模式的光探测. 这里介绍的基于Ga2O3/Al0.1Ga0.9N异质结的双波段、双模式紫外光电探测器具有理想的暗电流和光响应特性; 在5和–5 V偏压下, 在254 nm光照射下的光响应度分别为2.09和66.32 mA/W, 在365 nm光照射下的光响应度分别为0.22和34.75 mA/W. 并且仅在内建电场的作用下能够自供电运行, 对254和365 nm波长紫外光的光响应度为0.13和0.01 mA/W. 进一步, 除对材料与器件性能的表征与解析, 本文还从异质结探测器的运行机理上分析了其双波段与双模式探测特性.
2023, 72 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.72.20221479
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纳米双相复合稀土永磁材料, 利用硬磁相高磁晶各向异性和软磁相高饱和磁化强度的优点, 通过铁磁交换耦合作用获得优异的磁性能. 但是如何解决软硬磁双相纳米微结构不匹配的问题, 控制软硬磁相同时达到理想的纳米尺度复合是关键. 本文研究了掺杂合金元素Ti对熔体快淬法制备的Nd2Fe14B/α-Fe快淬薄带晶化过程的影响. 结果表明, 掺杂合金元素Ti能影响Nd2Fe14B/α-Fe交换耦合磁体整个晶化动力学过程, 使α-Fe相的晶化激活能升高, 抑制其从非晶相中析出. 同时, 降低1∶7亚稳相的晶化激活能, 起到稳定亚稳相的作用. 而且随着晶化温度的进一步提高, α-Fe和Nd2Fe14B两相由1∶7亚稳相分解产生, 从而有效避免了α-Fe相的优先析出. 显微组织观察表明, 掺杂Ti的样品晶粒细小、分布均匀, 平均晶粒尺寸在20 nm左右, 没有特别大的α-Fe粒子出现. 当Ti的掺杂量原子百分数为1.0%时, 获得了最佳磁性能(BH)max = 12 MG·Oe (1 G = 10–4 T, 1 Oe = 79.57795 A/m).
2023, 72 (2): 027801.
doi: 10.7498/aps.72.20221794
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为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能, 本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案. 首先基于低损耗相变材料Sb2S3设计了可控超透镜双阱光镊, 并对两个半径为250 mm的SiO2粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析. 仿真实验结果表明, 当Sb2S3在晶态下时, 超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度$ {k}_{x}\rm{分}\rm{别} $ 达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W), 轴向光阱刚度$ {k}_{z} $ 均约为10.0 pN/(μm·W); 而当Sb2S3在非晶态下时, $ {k}_{x} $ 和$ {k}_{z} $ 值均降低到其对应晶态下的1/10, 且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获, 从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获. 进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊. 通过调控相变材料Sb2S3的晶态和非晶态, 能形成不同组合粒子的三维捕获方案. 这些新型可控光镊可实现多种方式的三维空间粒子捕获, 提高了光镊的灵活性, 为超透镜在光镊领域中的应用提供了一种新思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
编辑推荐
2023, 72 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.72.20221736
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数据驱动下, 基于大量的实验数据, 建立混合特征与力学性能之间非线性规律实现合金新成分的配比和工艺设计一直是一个挑战. 本文基于机器学习的方法, 提出一种面向性能的Al-Si-Mg系合金“成分-工艺-性能”的设计策略. 将同一体系不同牌号合金的成分、熔炼及热处理工艺等混合因素作为特征, 通过随机森林寻找特征与抗拉强度之间的非线性规律. 之后将数据集中部分合金的成分、工艺参数设置为目标空值, 使用链式方程多重插补算法对目标缺失数据进行预测插补. 通过该策略进行性能预测或指导设计的合金抗拉强度的实验值和预测值的误差均保持在±5%之内; 而且经实验证实, 其中Al-6.8Si-0.6Mg-0.05Sr的成分配比和540 ℃×10 h+170 ℃×10 h工艺方案使合金综合拉伸性能优异, 质量指数QDJR达到517.3, 高于同类合金低于500QDJR值的水平. 这一结果表明该策略有助于改善高强度Al-Si-Mg系合金传统设计方法周期长、成本高、效率低的问题.
2023, 72 (2): 028201.
doi: 10.7498/aps.72.20221808
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Li3xLa(2/3)–x†(1/3)–2xTiO3 (LLTO)是一类颇具前景的锂离子电池固态电解质. 本文采用第一性原理结合分子动力学方法对贫锂相和富锂相两种类型的LLTO表面进行研究, 分析表面Li含量对其稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响. 结果表明, 具有La/O/Li-原子终端的(001)面为最稳定晶面. 对于LLTO (001)面, 当贫锂相/富锂相终端Li含量为0.17/0.33, 0.29/0.40, 0.38/0.45时, 其表面结构更为稳定. 电子结构分析表明, 随着Li含量的增大, 不论是贫锂相还是富锂相, 其(001)表面均发现金属至半导体的转变. Li离子输运性质的研究结果表明, 贫锂相和富锂相LLTO (001)表面均具有沿ab平面的二维扩散通道, 且当终端Li含量分别达到0.38和0.40时具有最大的Li离子扩散系数及最低的Li离子扩散能垒, 最低扩散能垒分别为0.42 eV和0.30 eV. 因而, 改变终端Li含量有利于提高LLTO(001)表面稳定性、打开表面带隙、改善Li离子迁移性能, 这有助于抑制LLTO表面锂枝晶的生长.
2023, 72 (2): 028301.
doi: 10.7498/aps.72.20221633
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传播速度是内孤立波的重要参数之一, 如何通过光学遥感图像准确快速地获得内孤立波速度是目前需要解决的重要科学问题. 本文在实验室建立了模拟内孤立波光学遥感成像系统, 开展了系列综合实验, 获取实验数据库, 并利用最小二乘法和支持向量机两种方法分别建立基于单景光学遥感图像的内孤立波速度反演模型. 利用中国南海的MODIS图像和GF-4图像数据对速度反演模型进行精度检验. 研究结果表明: 最小二乘法内孤立波速度反演模型能够给出回归方程, 物理意义更为直观, 且在300—399 m水深范围精度更高, 而支持向量机内孤立波速度反演模型在水深400—1200 m和83—299 m的范围内精度高. 因此两种内孤立波速度反演模型各有优势, 都可以应用于真实海洋中内孤立波速度的反演.
2023, 72 (2): 028501.
doi: 10.7498/aps.72.20221545
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β-Ga2O3具有禁带宽度大、击穿电场强的优点, 在射频及功率器件领域具有广阔的应用前景. β-Ga2O3 ($ \bar 201 $ )晶面和AlN (0002)晶面较小的晶格失配和较大的导带阶表明二者具有结合为异质结并形成二维电子气(two-dimensional electron gas, 2DEG)的理论基础, 引起了众多研究者关注. 本文利用AlN的表面态假设, 通过求解薛定谔-泊松方程组计算了AlN/β-Ga2O3异质结导带形状和2DEG面密度, 并将结果应用于玻尔兹曼输运理论, 计算了离化杂质散射、界面粗糙散射、声学形变势散射、极性光学声子散射等主要散射机制限制的迁移率, 评估了不同散射机制的相对重要性. 结果表明, 2DEG面密度随AlN厚度的增加而增加, 当AlN厚度为6 nm, 2DEG面密度可达1.0×1013 cm–2, 室温迁移率为368.6 cm2/(V·s). 在T < 184 K的中低温区域, 界面粗糙散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制, T > 184 K的温度区间, 极性光学声子散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制.
2023, 72 (2): 028502.
doi: 10.7498/aps.72.20221716
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采用射频磁控溅射法在石英基底上制备Ga2O3薄膜, 并在氩气气氛中控制不同的退火温度进行后退火, 通过对样品的晶体结构、透射率、表面形貌和光学带隙等性质进行测试分析, 发现退火工艺可以提升薄膜的结晶质量, 但同时高温退火也容易使得薄膜中的氧元素逸出薄膜外形成氧空位, 选取800 ℃ 退火后样品制备成金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal, MSM)型光电探测器件, 并与未退火样品器件对比发现在1.1 V的反向偏压下, 800 ℃ 的光暗电流比为 1021.3、响应度为0.106 A/W、比探测率为1.61 × 1012 Jones, 分别是未退火器件的7.5, 195和38.3倍, 外量子效率相较于未退火样品提升了51.6%, 上升时间(0.19/0.48 s)相较于未退火样品(0.93/0.93 s)减小, 下降时间(0.64/0.72 s)与未退火样品(0.45/0.49 s)相比有所增大, 表明氧空位的增加可以减缓光生载流子的复合来达到延长载流子寿命的效果, 最后详细分析了退火后氧空位的增多导致探测器性能参数提高的机理.
2023, 72 (2): 028503.
doi: 10.7498/aps.72.20221381
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利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长, 形成层状半导体纳米结构. 在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合, 能有效消除半导体中电子的自旋简并, 导致电子自旋极化效应, 在自旋电子学领域中具有重要的应用. 本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应. 由于Rashba型自旋-轨道耦合, 相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中. 自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关, 尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控. 因此, 该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.
2023, 72 (2): 028901.
doi: 10.7498/aps.72.20221374
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随着人工智能的发展, 机器学习在材料计算中的应用越来越广泛. 将机器学习应用到材料性质预测等任务中首要实现的是获得有效的材料特征表示. 本文采用一种原子特征表示方法, 研究一种低维、密集的分布式原子特征向量, 并用于材料带隙预测任务. 按照材料化学式中原子种类和原子个数, 使用Transformer编码器作为模型结构, 通过训练大量的材料化学式数据, 从而提取参与训练元素的特征. 利用该方法预测Janus结构过渡金属硫族化合物MXY (M代表过渡金属, X, Y是不同硫族元素)二维材料带隙. 基于深度学习得到的原子特征向量比传统的Magpie方法和Atom2Vec方法的预测平均绝对误差更小. 可视化分析和材料性质预测数值实验表明, 本文提出的基于深度学习提取的原子特征表示方法, 可以有效表征材料特征, 并且应用到材料带隙预测任务中.
地球物理学、天文学和天体物理学
2023, 72 (2): 029501.
doi: 10.7498/aps.72.20221645
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宇宙射线缪子具有穿透力强、对重核材料敏感的特点, 近年来被广泛应用于核材料检查等领域. 缪子与不同原子序数材料发生的多重库仑散射效果不同, 利用这点可以对被测物体进行成像以及材料鉴别, 而在该过程中引入缪子的能量信息可以提高材料鉴别的准确度. 本文基于原子能院研制的缪子成像装置开展了5种样品的材料鉴别实验, 使用离散能量拟合近似连续能量的缪子散射角分布, 进而测量出各材料的辐射长度并以此作为特征量进行材料鉴别. 实验结果表明, 在约1400个有效缪子事例下, Al-Fe和Fe-Pb可以在95%的置信水平下有效区分, 该方法相比于不引入缪子能量信息对Pb-W鉴别的准确率提高了18.5%.
编辑推荐
2023, 72 (2): 029601.
doi: 10.7498/aps.72.20221170
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针对当前InSight数据无法检测火星固态内核是否存在的问题, 提出利用火星平均密度和平均惯性矩因子估算火星固态内核的大小及其密度组成. 根据火星高阶重力场模型JGMRO120f和GMM3-120以及最新火星岁差率, 推导了观测数据下的火星平均密度和平均惯性矩因子; 参考火星内部结构的4层模型以及不同自由参数(壳层密度、幔层密度、外核密度、内核大小和内核密度), 求解了火星平均密度和平均惯性矩因子的模型值. 利用观测值与模型值最小残差平方和作为约束条件, 大批量统计结果表明: 1)两个重力场模型求解的自由参数具有相同的分布特征, 自由参数的最优值基本一致; 2)火星壳层密度、幔层密度和外核密度接近其他研究结果, 表明统计结果有一定的参考价值; 3)火星可能存在840 km左右的固态内核, 其密度约为6950 kg⋅m–3. 内核密度大小表明火星内核不由纯铁物质组成, 该结果与火星核富集轻元素物质的近期研究一致, 计算结果具有一定的参考价值. 由于反演结果的非唯一性, 未来随着InSight火星星震数据处理技术的提高, 有望进一步约束火星内核的大小及其组成.
