专题: 生物分子模拟中的机器学习
2023, 72 (24): 248701.
doi: 10.7498/aps.72.20231319
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过渡态是物理化学家理解和调控生物大分子相关功能微观机制的关键. 因其存在时间极短, 难以被实验手段捕捉, 全面刻画其结构必须通过物理定律驱动的模拟计算搜索予以实现. 然而, 与化学反应过程只涉及少量原子不同, 生物大分子的功能性构象变化所涉的原子和坐标数量巨大, 搜索其过渡态将不可避免地遭遇维数灾难, 即反应坐标问题, 因而催生了多种应对策略和算法. 同时, 随着近年来新型机器学习算法的大量涌现和日臻成熟, 融入机器学习范式的过渡态搜索算法也已出现. 本文首先回顾和梳理过渡态搜索代表性算法的设计思想, 包括依赖集合变量的温和爬升动力学(gentlest ascent dynamics, GAD)、有限温度弦方法(finite temperature string, FTS)、快速断层扫描法(fast tomographic)、基于旅行商的自动路径搜索算法TAPS, 以及过渡路径采样法(transition path sampling, TPS). 然后, 重点介绍TPS与强化学习融合而成的新型路径采样算法, 解析强化学习在其中的作用, 并厘清其适用场景. 最后, 我们提出一种将降维算法与GAD深度融合的新构想, 讨论研发可保留过渡态信息的新型降维算法的必要性及可行性.
2023, 72 (24): 248702.
doi: 10.7498/aps.72.20231071
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蛋白质模型质量评估方法是蛋白质结构预测的关键技术, 自CASP7以来一直是结构生物信息学领域的研究热点. 模型质量评估方法不仅可以指导蛋白质结构模型的精修, 还能够从多个候选构象中筛选出最佳模型, 具有重要的生物学研究和实际应用价值. 本文首先回顾了国际蛋白质结构预测关键评估竞赛(CASP)、全球持续蛋白质结构预测竞赛(CAMEO)以及单体蛋白和复合物的模型评估指标, 主要梳理了近5年来包括共识方法(多模型方法)、准单模型方法和单模型方法在内的模型质量评估方法的发展历程, 并介绍CASP15中的复合物模型评估方法; 鉴于深度学习在蛋白质预测领域所取得的巨大进展, 重点分析了深度学习在单模型方法数据集生成、蛋白质特征提取以及网络架构构建方面的深入应用, 并进一步介绍了本课题组近年来在模型质量评估方面开展的工作; 最后, 总结分析了目前蛋白质模型质量评估技术的局限性及所面临的挑战, 并对未来发展趋势进行了展望.
2023, 72 (24): 248704.
doi: 10.7498/aps.72.20231356
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pH表征溶液的酸碱性, 是许多与人类重大疾病密切相关的生命活动的调控因子. $ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 决定可滴定基团在一定pH条件下的去质子化平衡, 是研究pH调控的生物化学过程的重要参量. 然而, 由于蛋白质结构的复杂性以及实验条件的限制, 蛋白质$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 通常需要借助理论预测. 近30年, 研究者们开发了各种基于先验知识的$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 预测模型. 随着近几年人工智能技术的快速发展, 人们开始尝试将人工智能算法应用于蛋白质$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 预测工具的开发. 本文介绍$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 理论预测近年来的一些重要研究进展, 主要包括恒定pH分子动力学以及基于泊松-玻尔兹曼方程、经验函数和机器学习的$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 预测模型. 在此基础上, 讨论蛋白质$ {\mathrm{p}}{K}_{{\mathrm{a}}} $ 预测模型的未来发展方向和应用前景.
2023, 72 (24): 248708.
doi: 10.7498/aps.72.20231624
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分子模拟技术已成为人们从分子层次探究生命原理的强有力工具. 经过近50年的发展, 生物分子模拟能够实现对蛋白折叠、构象运动和蛋白-蛋白分子相互作用等复杂分子体系的生物过程的动力学和热力学性质进行定量表征. 近年来, 以深度学习为代表的机器学习算法的应用进一步推动了生物分子模拟技术的发展. 本文对生物分子模拟中的机器学习方法进行综述, 重点讨论机器学习算法在提高生物分子力场精度、分子模拟构象采样效率、以及高维生物分子模拟数据处理等方面取得的重要进展. 在此基础上, 对未来研究中基于机器学习技术进一步克服生物分子模拟的精度和效率瓶颈、扩展生物分子模拟适用范围、实现计算模拟与实验测量的深度融合做了展望.
2023, 72 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.72.20231068
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针对PD-1/PD-L1免疫检查点的单克隆抗体抑制剂逐渐进入市场并在多种类型的肿瘤治疗中取得一定的积极效果. 然而, 随着应用范围的不断扩展, 抗体药物的局限性以及过多同质化研究等问题逐渐显现出来, 小分子化合物抑制剂成为了研究者们关注的新焦点. 本文旨在利用基于配体和基于结构的结合活性预测方法实现针对PD-L1靶点的小分子化合物虚拟筛选, 从而帮助加速小分子药物的开发. 通过从相关研究文献及专利收集PD-L1小分子抑制活性数据集, 根据不同分子表征方法和算法构建机器学习活性判定分类模型和活性强度预测回归模型, 两类模型从大型类药小分子库(ZINC15)中筛选获得68种高PD-L1抑制活性候选化合物. 其中10种化合物不仅具备良好的药物相似性和药代动力学, 还在分子对接中与已报道的热点化合物表现出同等水平的结合强度和相似的作用机制, 这一现象在后续分子动力学模拟和结合自由能估计中得到进一步验证. 本文提出了一个融合基于配体方法和基于结构方法的计算机辅助药物研发工作流程, 其在大型化合物数据库中有效筛选出有潜力的PD-L1小分子抑制剂, 有望助力加速肿瘤免疫治疗的应用.
2023, 72 (24): 240502.
doi: 10.7498/aps.72.20231058
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高分子的塌缩和临界吸附是高分子科学中的两个重要相变现象, 两者均伴随着高分子构象的显著变化 . 本文利用朗之万动力学方法和动力学Monte Carlo方法分别模拟了高分子的塌缩和临界吸附, 同时获得了不同温度下大量的高分子构象数据. 机器学习方法利用模拟得到的大量伸展无规线团态和塌缩液滴态、脱附态和吸附态构象数据训练神经网络, 学习高分子不同状态的特征, 快速准确地分析不同温度的高分子构象信息, 得到对应的塌缩相变温度和临界吸附温度. 结果表明机器学习能正确给出高分子体系的相变温度, 这为机器学习技术研究高分子的相变提供了新的思路和方法.
2023, 72 (24): 248703.
doi: 10.7498/aps.72.20231069
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RNA分子三级结构模建是分子生物物理学研究的基本问题之一, 对理解RNA的功能和设计新的结构有重要意义. RNA三级结构主要由主链和侧链上的7个扭转角确定, 准确预测这些扭转角是RNA分子三级结构模建的基础. 目前只有个别采用深度学习模型预测RNA分子扭转角的方法, 要用于模建RNA分子的三级结构其预测精度还有待进一步提高. 本文提出了一种预测RNA分子扭转角的深度学习方法1dRNA, 采用了考虑相邻核苷酸的卷积模型(DRCNN)和考虑全链核苷酸的超长短期记忆模型(DHLSTM)两种不同的深度学习模型. 结果显示, 与现有方法相比, 这两种模型都能提高RNA分子大部分扭转角的预测精度, DRCNN预测精度提高在5%到28%之间, DHLSTM预测精度提高在6%到15%之间. 结果还显示, α和γ角是最难预测的, 环区扭转角比螺旋区的扭转角难预测, 模型对预测序列长度的变化不敏感, 模型预测角度与decoys的角度偏差可用于模型质量评估.
专题: 生物分子模拟中的机器学习 • 封面文章
封面文章
2023, 72 (24): 248705.
doi: 10.7498/aps.72.20231060
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蛋白质的功能往往与其结构和动态变化密切相关. 分子动力学模拟是研究蛋白质结构变化的有效方法, 然而使用分子动力学模拟对蛋白质的构象空间进行采样需要花费很长的时间. 近年来的一些研究表明, 使用简单的机器学习模型——自编码器及其改进型, 可以在有限采样的情况下, 快速完成对蛋白质构象空间的探索. 该模型通过训练神经网络, 完成对隐变量的提取, 同时根据其产生构象, 但是由于提取出的隐变量没有直观的含义, 探索构象空间的方向会受到影响. 本工作通过引入反应坐标(如质心距离等), 建立了一个中间层受监督的自编码器模型, 以解决上述问题. 该模型应用于噬菌体T4溶菌酶和腺苷酸激酶两个蛋白质分子, 结果表明, 仅使用短时间分子动力学模拟作为训练数据, 就可以探索到这两种蛋白分子的多种典型构象. 有监督(合理的反应坐标或者实验数据等)的自编码器模型有望成为探索蛋白质构象空间的有效工具.
专题: 二维及拓扑自旋物理
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2023, 72 (24): 247501.
doi: 10.7498/aps.72.20231229
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二维磁性材料是近年来发展起来的新兴材料, 在单层或者少层的原子厚度中以其独特的磁性特性和结构特征而备受关注. 其中铁磁性材料在信息存储和处理等方面有着广泛的应用, 所以当前研究主要集中在丰富二维铁磁数据库以及开发磁调制的修饰策略上. 本文通过常压化学气相沉积法在云母片衬底上成功生长出了二维钒掺杂Cr2S3纳米片, 获得了钒源温度765 ℃和质量0.010 g为纳米片生长情况最适中条件, 并通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、X射线能谱、X射线光电子能谱对纳米片进行表征. 同时掺杂样品的磁性表征表明钒掺杂后样品居里转变温度变为105 K, 由亚铁磁性变为铁磁性, 矫顽力也显著增大, 证明钒掺杂可以有效地调控Cr2S3纳米片的磁性. 这些研究结果将有望推动钒掺杂Cr2S3材料向着实际应用的的可能性, 成为下一代自旋电子应用的理想候选材料之一.
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2023, 72 (24): 247503.
doi: 10.7498/aps.72.20231163
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具有本征磁性的二维半导体材料在实现低功耗、小尺寸和高效率的自旋电子学器件方面具有重要应用前景. 一些拥有特殊晶格结构的二维材料, 如笼目晶格结构, 凭借其在磁性和电学方面的新颖性质而受到研究者的青睐. 最近, 一种新的具有笼目晶格结构的二维磁性半导体材料Nb3Cl8单层被成功制备出来, 为探索具有笼目结构的二维磁性半导体器件提供了新机会. 本文通过第一性原理方法研究了Nb3Cl8单层的电子结构、磁各向异性, 构造了其p-n结二极管结构, 并研究了其自旋输运性质. 结果表明, Nb3Cl8单层易磁化轴在平面内, 沿x轴方向, Nb原子对磁各向异性起主要贡献, 且相关磁性可通过应力应变进行调控. 此外, 基于Nb3Cl8单层的p-n结二极管纳米器件表现出整流效应、自旋过滤效应以及负微分电阻现象. 这些结果表明了Nb3Cl8单层在下一代高性能自旋电子器件方面具有较大的应用潜力.
总论
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2023, 72 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.72.20231144
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在实际量子密钥分发系统中, 实际器件不理想可能导致系统存在安全性隐患. 比如, 光源端的编码设备不理想, 可能导致量子态存在误差; 探测端的探测器存在缺陷, 可能产生后脉冲或死时间效应, 从而影响系统的实际安全性. 因此, 本文提出了一种同时考虑光源端和探测器缺陷的实用化态制备误差容忍参考系无关量子密钥分发协议. 本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算. 本协议通过利用虚拟态方法估算相位误码率, 降低了态制备误差对密钥率的影响; 同时对探测器端的缺陷进行相应参数刻画, 具有较强的鲁棒性, 为参考系无关量子密钥分发协议的实际应用提供了重要参考价值.
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2023, 72 (24): 240601.
doi: 10.7498/aps.72.20231292
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采用多普勒非对称空间外差仪(Doppler asymmetric spatial heterodyne, DASH)被动遥感探测高层大气风速, 目前有傅里叶级数法和流行的傅里叶变换两种测风方法. 本文提出“四强度法”测风. 比较研究了傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”测风的原理、正演、噪声和反演等内容, 3种测风方法均从DASH斐索干涉条纹的相位差变换而来. 假设风速为0—100 m/s, 利用傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”得到正演的斐索干涉图后, 再对应得到正演风速的误差分别为2.93%, 4.67%和3.00%. 人为添加均值为0、标准差为0.1的高斯噪声后, 假设风速是0—100 m/s, 用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”分别对平场后的数据正演, 得到相对误差对应分别为2.30%, 11.66%, 2.27%. 人为添加高斯噪声后, 假设风速为31—39 m/s和30.1—30.9 m/s, 用傅里叶级数法和“四强度法”得到正演风速值, 两种情况的傅里叶级数法的测风误差是3.55%和4.15%, 均高于“四强度法”的测风误差2.20%和2.69%. 利用GBAII-DASH野外拍摄西安上空98 km的O(1S) 557.7 nm气辉, 得到天顶角为0°和45°的成像干涉图, 再用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”得到反演风速分别为32.21 m/s, 43.55 m/s和32.17 m/s. 从DASH的正演、反演结果看, 本文提出的“四强度法”探测高层大气风速的结果较好, 计算简便, 测风精度相对较高.
原子和分子物理学
2023, 72 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.72.20231230
摘要 +
石墨烯的层间键合是一种石墨烯的改性方式, 能够改变石墨烯的机械和导电等性能, 同时也会对其热学性质产生影响. 本文采用非平衡分子动力学方法, 以层间局部碳原子sp3杂化(层间形成共价键)的双层石墨烯纳米带为研究对象, 研究了层间共价键呈链状分布时, 其浓度、角度以及拉伸应变对双层石墨烯纳米带热导率的调控, 并通过声子态密度对具有层间共价键的双层石墨烯纳米带热导率变化的原因进行机理分析. 研究发现: 双层石墨烯纳米带的热导率随层间共价键浓度的增加而减小, 且依赖于共价键链的分布角度. 随着层间共价键浓度的增加, 层间共价键链与热流方向平行时, 双层石墨烯纳米带热导率下降的速率最慢, 层间共价键链与热流方向呈现一定角度时, 热导率下降的速率变快, 且角度越大, 热导率下降的速率越快. 此外研究还发现, 拉伸应变会导致具有层间共价键的双层石墨烯纳米带的热导率进一步降低. 研究结果表明, 可以通过层间键合和拉伸应变共同对双层石墨烯纳米带的热导率进行调控. 这些结论对石墨烯基纳米器件的设计及热管控具有重要的意义.
2023, 72 (24): 243301.
doi: 10.7498/aps.72.20231170
摘要 +
光热传感对于智能穿戴设备的开发至关重要. 然而, 设计合成具有合适多波长发射的发光材料, 并在单一材料体系中利用多组探针构建宽温度范围的高灵敏温度传感器是一个巨大挑战. 本研究采用高温固相法成功制备了Li0.9K0.1NbO3:Pr3+/Er3+单掺及双掺荧光粉. 通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光光谱仪以及自制的加热装置对其结构、形貌及激发波长和温度依赖的荧光特性进行了表征. 详细研究了Er3+单掺与Pr3+, Er3+共掺样品的上/下转换荧光及Er3+的双模荧光温度传感特性. 结果表明: Pr3+掺杂优化了Li0.9K0.1NbO3:Er3+荧光粉中源自于Er3+离子热耦合能级的双模光学测温性能. 本研究为温度探测提供了材料基础和光学测温技术.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.72.20230639
摘要 +
水体介质对光线产生的随机散射事件是水下图像发生退化的主要原因, 水下偏振成像技术利用背景散射光和目标信息光的偏振信息差异可有效提升成像信噪比. 然而随着水体中散射事件增多, 光的偏振特性难以保持, 这使得基于偏振特性去除散射的效果也随之降低. 目前水体中背景散射光的偏振规律尚不明晰, 同时缺少对散射光偏振特性定量描述的数据, 因此研究水下散射光的偏振传输特性对水下偏振成像的去散射工作具有重要意义. 为了明确水下背景散射光的偏振特性, 尤其是偏振角信息, 本文提出一种基于Stokes矢量差分法的背景光偏振方向研究方法. 本方法基于Stokes矢量差分法分析了最优权重系数和Stokes矢量差分结果的图像增强测度(EME)值的耦合关系, 基于最优权重系数计算背景光偏振角度; 结合实验确定不同浊度水体中最优权重系数与Stokes矢量差分法结果的EME分布趋势, 探究散射抑制极限, 分析背景散射光偏振方向随水体浊度变化的趋势. 研究结果表明, 所提方法可得到不同水体环境中背景散射光的确切偏振角度, 揭示了背景散射光的偏振方向随水体浊度的上升呈现与入射光偏振方向正交的趋势. 本文研究为确定水下成像背景散射光的偏振方向提供了方法依据.
2023, 72 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.72.20231084
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红外隐身与可见光隐身对光谱响应的诉求不同, 导致两者功能耦合材料设计难以调和, 因此发展光学特征选择性调控技术至关重要. 基于FTO/Ag/FTO堆叠膜层结构提出一种可见光与红外兼容隐身超构薄膜, 建立可见光高透射与红外低辐射一体化协同设计方法, 诠释微结构特征对可见光透射光谱与红外反射光谱的影响机制, 进而优化设计高透明红外隐身薄膜, 并对其兼容性隐身性能测试表征. 研究表明, 可见光透射取决于半导体介质层与金属层耦合匹配作用, 而红外辐射抑制主要取决于金属层. 经优化设计的FTO/Ag/FTO膜层结构厚度为40/12/40 nm时, 具备高水平的背景透视复现与高温红外辐射抑制能力. 该研究可为可见光与红外兼容隐身材料设计及应用提供新途径.
2023, 72 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.72.20230994
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应用介电泳原理, 设计了一种基于平行平板电极的非球面双液体透镜, 具有结构简单和易于实现的优点. 利用Comsol, Matlab和Zemax软件, 建立了相应的非球面双液体透镜光学模型, 仿真分析了其在不同电压下的焦距变化及成像特性, 并与球面双液体透镜模型进行了比较分析. 非球面双液体透镜的变焦范围大于球面的, 前者的成像质量亦优于后者. 而且, 实验制备了该非球面双液体透镜器件, 结果表明, 在工作电压为0—280 V时, 焦距变化为54.2391—34.5855 mm, 与仿真结果基本相符, 而且该器件的成像分辨率最大可达45.255 lp/mm.
2023, 72 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.72.20231321
摘要 +
提出了基于超导微波腔的一维晶格理论方案, 其中包含两种不同的微波腔晶胞, 通过磁通量子比特调控晶胞之间的耦合, 使反旋波项与拓扑超导体中的p-波超导配对项相映射, 实现具有p-波超导配对项的一维超导微波腔晶格系统, 进而模拟和研究其中的拓扑绝缘体特性. 结果发现, p-波超导配对项可以对系统的拓扑量子态进行调制, 可以实现四个边缘态的拓扑量子信息传输通道. 此外, 当p-波超导配对项和次近邻作用调制时, 可以发现能带发生波动现象, 从而诱导产生新的能带, 但边缘态的简并性保持稳定, 这可以实现多个拓扑量子态传输路径; 然而, 当调控超过阈值时, 系统的能隙将闭合, 使边缘态湮灭在新的能带中. 另外, 当考虑系统存在缺陷时, 可以发现缺陷强度较小时, 边缘态产生微小的波动, 但可以清晰地区分, 说明其具有鲁棒性; 当缺陷强度超过阈值时, 边缘态和能带将导致无规则波动, 使边缘态融入能带中. 本文的研究结果具有重要的理论价值和实际意义, 未来可以应用在量子光学和量子信息处理中.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (24): 245201.
doi: 10.7498/aps.72.20231215
摘要 +
受密度及温度等环境效应影响, 温稠密物质的电子结构显著变化, 其理论描述非常复杂, 精密实验数据亦非常缺乏. 本文通过发展主动探测的X 射线荧光光谱方法, 从实验上定量研究了密度效应对温稠密物质电子结构的影响, 有助于深入理解温稠密物质的电子结构变化, 并为相关理论模型提供实验验证. 在万焦耳激光装置上, 设计特殊构型黑腔加载约2 倍固体密度、2 eV的Ti样品. 利用激光辐照V产生的热发射线泵浦Ti的荧光, 并采用高效高分辨的晶体谱仪诊断样品的X射线荧光光谱. 实验结果显示, 2倍固体密度Ti样品荧光谱线${\mathrm{K}}_{\text{β}} $ 与$ {\mathrm{K}}_{\text{α}} $ 的能量差($\Delta E_{{\mathrm{K}}_{\text{β}}\text{-}{\mathrm{K}}_{\text{α}}}$ )相对于冷样品红移约2 eV. 理论上采用两种方法进行计算并与实验结果比较, 其中有限温度相对论密度泛函方法高估了密度效应对谱线移动的影响, 而“two-step Hartree-Fock-Slater”方法低估了密度效应的影响.
2023, 72 (24): 245202.
doi: 10.7498/aps.72.20231077
摘要 +
螺旋波是一种快磁声波, 在托卡马克等离子体中通过电子朗道阻尼和渡越期磁泵效应能够高效地离轴驱动等离子体电流. 依托HL-2M装置, 根据快波等离子体色散关系, 分析获得了螺旋波强阻尼条件下对应的波参数范围; 然后, 通过联合GENRAY/CQL3D计算程序, 针对HL-2M装置稳态运行模式下的螺旋波和低杂波协同电流驱动开展了模拟研究. 研究结果表明: 高比压等离子体参数下的螺旋波和低杂波都可呈现波射线能量强吸收的现象; 双波协同使得波驱动的等离子体电流分布在较大的径向位置范围($\rho = $ 0.2—0.9)内; 同时, 螺旋波在平行磁场方向加速电子, 导致了更多的电子进入低杂波共振区, 从而有效地增大了两支波的总驱动电流. 此外, 在强阻尼条件下, 系统地研究了螺旋波平行折射率对双波协同电流驱动的影响, 结果表明双波总是呈现正协同效应, 协同因子高达1.18.
2023, 72 (24): 245203.
doi: 10.7498/aps.72.20231043
摘要 +
碘化铯(CsI)光阴极响应灵敏度是软X射线条纹相机用于X射线能谱定量诊断的重要参数, 其理论计算具有重要指导意义. 目前的理论解析模型基于薄膜光阴极产生次级电子的一维随机行走模型发展而来, 具体包括X射线正入射、能量大于1 keV条件下的Henke模型, 以及变角度入射、光阴极厚度大于100 nm条件下的Fraser模型, 都存在一定局限性. 本文进一步引入次级电子输运概率的基础表达式, 推导了CsI光阴极在更大参数范围内(X射线能量0.1—10 keV、光阴极厚度10—200 nm)响应灵敏度随X射线能量E、光阴极厚度t、X射线与阴极表面夹角θ变化的一般表达式. 最后, 将本文的理论计算结果与Henke模型、Fraser模型、文献及北京同步辐射的实验数据分别进行了比较和讨论分析, 验证了计算模型的准确性和普适性, 并且为高时间分辨光谱定量测量实验中CsI光阴极的优化设计提供了理论参考.
2023, 72 (24): 245204.
doi: 10.7498/aps.72.20230651
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在聚变辐照环境下, 面向等离子体材料钨的近表层中会产生位错环缺陷, 影响材料的力学性能和氢/氦滞留. 本文通过分子动力学方法, 从原子层次研究了半径1 nm的$\langle 100\rangle $ 间隙位错环在W-$(010)$ 近表面的迁移行为, 分析取向、温度、深度因素和间隙原子对的存在对位错环运动的影响. 结果表明: $ {\boldsymbol{b}}/ / {\boldsymbol{n}} $ ( b 代表柏氏矢量, n 代表表面法线方向)位错环易向表面移动, $ {\boldsymbol{b}} \bot {\boldsymbol{n}} $ 位错环倾向滞留在材料内, 移动过程中伴随着惯习面翻转和内应力释放; $ {\boldsymbol{b}}/ / {\boldsymbol{n}} $ 位错环在温度高于800 K且深度小于5 nm时逸出表面的概率超过90%, 其他模拟情况下基本全滞留; $ {\boldsymbol{b}} \bot {\boldsymbol{n}} $ 位错环可在温度800 K且深度小于2 nm时逸出表面, 而在更深处位错环不易移动, 但会在温度升高时发生$\langle 100\rangle $ 环分解为${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. } 2}\langle 111\rangle $ 位错的现象; 氦原子对的存在阻碍位错环迁移, 延长其在材料内的滞留时间, 同时内应力场的变化导致氦在近表层分布不均匀.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (24): 246101.
doi: 10.7498/aps.72.20231153
摘要 +
金属玻璃是液态金属在某种程度上的“冻结”, 探明液态金属的结构特征及其在快凝过程中的演化特性, 有助于理解玻璃转变和玻璃形成能力的微结构机制. 为此, 本文采用分子动力学, 模拟研究了液态金属Ta的快凝过程. 并用双体分布函数、最大标准团簇、遗传跟踪等方法, 对快凝Ta的微结构特征及其演化特性进行了表征和分析. 结果表明, 快凝金属Ta的原子组态是各种Kasper团簇及变形结构, 其中占比最高的是Z13 Kasper团簇. 连续遗传起始温度和阶段遗传分数均可用来表征团簇结构遗传能力的大小. 最大标准团簇的对称性可以采用局域对称性参数(LSP)来定量表征, 局域五次对称参数(LSP5)越大其遗传能力越强. 各类团簇在能量区间出现的频率均服从高斯分布, 其平均原子势能期望值($ {E}_{{\mathrm{e}}{\mathrm{x}}{\mathrm{p}}}^{j} $ )与LSP呈近似线性关系, 且$ {E}_{{\mathrm{e}}{\mathrm{x}}{\mathrm{p}}}^{j} $ 随LSP5的增大而降低. 高的局域五次对称性降低了团簇的平均原子势能, 从而增强了这类团簇的结构遗传能力.
2023, 72 (24): 246601.
doi: 10.7498/aps.72.20230204
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对于集成在光纤中的离散光学系统来说, 各个分立波导的光场会相互耦合和关联. 本文研究了如何通过热扩散对离散波导的折射率进行调控来加强离散波导之间的耦合. 文中构建了离散波导热扩散模型和双芯、三芯光纤的热扩散耦合模型. 使用氢氧焰对多芯光纤进行不同时间的高温加热, 同时监测纤端的出射光场. 通过对热扩散后多芯光纤三维折射率分布的测量结果, 验证了热扩散技术改变离散波导的折射率进行耦合的可行性. 热扩散技术可应用于制备多芯光纤耦合器, 借助于该耦合器, 结合多芯光纤和逐芯刻写光纤布拉格光栅技术, 实现了多光栅的单通道传感测量. 热扩散对离散波导的折射率调控方法具有高集成度、高稳定性和可批量化制造的优点. 对离散波导热扩散的研究有助于促进多芯光纤器件制备能力的发展, 有益于促进离散波导结构光纤在光通信、光感测、生物医学、人工智能等领域的广泛应用.
2023, 72 (24): 246801.
doi: 10.7498/aps.72.20231120
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在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象, 目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究. 对于这种面外变形行为, 不论是在实验观测, 还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中, 石墨烯的尺寸都需要达到微米级. 先前的研究表明, 传统分子动力学适用于纳米尺度石墨烯的计算与分析, 由于其计算方法的限制, 在处理微米级模型时容易出现计算效率低、耗时长等问题. 为了研究微米级尺寸石墨烯膜镜面屈曲现象, 本文使用粗粒化分子动力学方法, 首先验证该方法的适用性, 然后分别施加不同大小的机械载荷和温度载荷在扇形截面不同高跨比的石墨烯膜上以分析各因素带来的影响. 计算结果表明机械载荷作用下各个高跨比石墨烯均可以发生镜面屈曲现象, 且临界载荷随高跨比的增大而增大; 温度载荷作用下, 高跨比较小的石墨烯能够发生完全翻转现象, 大高跨比情况下温度升高使中心高度下降, 但完全翻转较难发生. 研究分析各因素对于石墨烯镜面屈曲现象的影响, 可以加深对这一特殊现象了解的同时, 为能量收集系统的设计提供理论指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (24): 247101.
doi: 10.7498/aps.72.20230909
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基于密度泛函理论的第一性原理计算, 本文对单层1T-CoI2的原子、电子结构和磁性进行了理论研究. 使用广义布洛赫条件结合自旋螺旋方法计算了单层1T-CoI2自旋螺旋的能量色散关系$ E\left(\boldsymbol{q}\right) $ , 计算结果表明单层1T-CoI2的基态呈现螺旋反铁磁, 体系中含有键相关的各向异性作用, 即Kitaev作用. 计算了含有自旋-轨道耦合作用(spin orbital coupling, SOC)和不含有SOC的色散关系, 分别将色散关系映射到Heisenberg-Kitaev模型, 成功分解了多近邻海森伯作用参数J、Kitaev作用的K和非对角项Γ. 单层1T-CoI2以Heisenberg作用为主导, 同时存在着较强的Kitaev相互作用, 其中Γ1达到了1.09 meV. 可预测Kitaev作用在具有1T结构过渡金属三角格子中具有普遍适用性, 表明单层1T-CoI2是Kitaev的备选材料, 并且为探索其他二维磁性材料的Kitaev作用奠定了理论基础.
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2023, 72 (24): 247301.
doi: 10.7498/aps.72.20231286
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在非互易Su-Schrieffer-Heeger (SSH)链中, 电子在胞内的跳跃振幅依赖于其跳跃方向, 因而, 该非厄米SSH链同时存在非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应. 相应地, 如何探测非厄米SSH链的边缘态和趋肤效应成为非厄米物理学的一个重要课题. 本文研究了非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应对其零能附近电子输运特性的依赖关系. 研究发现当电子在零能附近透射率峰的峰值远小于1时, 非厄米SSH链具有左趋肤效应; 反之, 零能附近电子透射率峰的峰值远大于1时, 非厄米SSH链则具有右趋肤效应. 特别是, 在非平庸拓扑边缘态区域内, 非厄米SSH链的趋肤效应被进一步增强. 另外, 当非厄米SSH链与左、右导线之间的电子隧穿耦合强度由弱到强改变时, 零能附近电子反射率谷的数目将从2个变为0, 此特性可以用来探测非厄米SSH链具有非平庸拓扑边缘态. 上述结果在理论上为探测非厄米SSH链的非平庸拓扑边缘态和非厄米趋肤效应类型提供了一种可选择的方案.
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2023, 72 (24): 247502.
doi: 10.7498/aps.72.20230921
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过渡金属酞菁分子作为二维有机金属框架材料的重要构建单元, 在光学、电子学、磁学等领域展示了潜能. 经理论预测, 一系列具有kagome晶格的二维磁性过渡金属酞菁框架材料(kag-TMPc)在自旋电子学、光电子学领域具有应用前景. 本文采用第一性原理计算, 研究了叠状kag-TMPc基异质结中层间耦合对电磁性质的影响. 结果表明kag-MnPc基异质结能够保持单层材料的带隙特性, 带隙在0.17 eV左右, 其中AA和AB堆垛的kag-MnPc/ZnPc为铁磁性半导体, 磁交换能量在40 meV以上; kag-MnPc/MnPc在从AA堆叠转变至AB堆叠的过程中, 由磁性半金属变成为磁性半导体. 特别地, AB堆叠的kag-CuPc/CoPc异质结具有亚铁磁半导体特征, 并且能带排列方式与层间距相关: 层间距在平衡位置时, 两个自旋方向能带排列均为I型; 当层间距增大0.2 Å时, 在自旋向上能带为I型能带排列, 自旋向下为II型能带排列, 具备自旋相关的光电“开关”特性. 本文的结果表明, 层间耦合效应是调控二维磁性有机材料电子性质的有效方式, 为设计磁场调制的新型电磁和光电器件提供了理论参考.
2023, 72 (24): 247801.
doi: 10.7498/aps.72.20230775
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对斜入射电磁波产生包含逆反射通道的双反射通道, 对于提高目标识别性能、导航性能等具有重要意义. 在双通道反射中, 控制逆反射与镜像反射占比则是实现反射功率分配的关键. 为实现双通道反射功率占比的可控, 本文提出了一种双通道反射超表面微结构拓扑优化设计方法. 构建了包括逆反射的双通道反射超表面实现机理及物理模型, 建立了具有特定逆反射与镜像反射幅值比值或占比的超表面微结构拓扑优化模型. 作为数值算例, 针对TE模式下频率为10 GHz俯仰角$-30^\circ$ 方向入射平面波, 对逆反射与镜像反射功率比1∶1的双通道反射器进行设计, 所设计超表面在$ \pm 30^\circ $ 方向表现出较强的方向性, 两方向反射幅值大小相等. 同时, 对具有最大逆反射占比的反射超表面进行设计, 逆反射功率占总功率比值为0.093, 无镜像反射及其他方向奇异反射, 超表面强反射集中在$-30^\circ $ , 主波束功率占总反射功率比为0.900. 仿真及实验测试结构均验证了所提方法的可行性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (24): 248501.
doi: 10.7498/aps.72.20231232
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以Arrhenius定律和电化学金属化器件中离子运动的超势理论作为离子运动的基础, 本文建立了修正的Mott-Gurney微分方程组. 虽然Mott-Gurney方程没有解析解, 但采用该方程可求出离子的平均位移. 再通过基于Cell的几何模型, 求出平均位移与导电细丝生长长度的关系. 得到电压与Forming/Set时间方程和导电细丝生长方程. 本文提出了一个提取离子的动力学参数的算法, 采用该算法计算了Ag/γ-AgI/Pt, Ag/TiO2/Pt, Ag/GeS2/W和Cu/SiO2/Au四种器件的电压-Forming/Set时间特性, 其计算结果与实验数据一致. 计算结果表明Ag+离子在单晶电介质γ-AgI, TiO2和GeS2 中的跃迁步长是晶胞的某一个晶格常数, 而Ag离子在无定形SiO2的跃迁步长是O—O键的1.57倍. 导电细丝生长时, Ag+离子在γ-AgI和TiO2中的导电隧道是间隙隧道, 而在GeS2和SiO2 中也存在阳离子的导电隧道, 这些导电隧道可以用周期势垒表示. 还计算了这4种器件的离子激活频率、势垒高度、迁移率、扩散系数和导电细丝生长长度与时间特性, 讨论了ECM器件电介质材料选择的标准.
2023, 72 (24): 248502.
doi: 10.7498/aps.72.20231382
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减小空间电荷效应及扫描偏转系统边缘场效应引起的时间弥散是实现百飞秒级时间分辨条纹管的关键. 本文提出并设计了一种新型飞秒条纹管, 结合超高加速电场、高扫描速度和后加速电场的设计, 可在光电阴极4 mm×10 μm的范围内实现100 fs量级的时间分辨率. 通过优化设计加速电极结构, 使光电阴极有效探测范围内的电子均可在15 kV/mm量级的强电场中加速运行, 有效地抑制了电子脉冲的物理时间弥散; 在阳极入口处放置窄狭缝以减小大角度光电子引起的时空弥散对性能的影响; 最后在荧光屏处设置+5000 V的高电位, 以缩短光电子在等位区的渡越时间, 进一步减小空间电荷效应引起的时间弥散. 最终, 此设计方法能够将条纹管的时间分辨率提高至百飞秒量级.
2023, 72 (24): 248706.
doi: 10.7498/aps.72.20231037
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实验发现, 在觉醒时学习导致了突触强度的净增强, 并伴随着神经元从强直性发放向阵发性发放的转变; 在睡眠时突触强度净减弱到基准值, 并且神经元的阵发性发放重新转变为强直性发放. 本文提出了一种突触可塑性模型, 并在由Hindmarsh-Rose神经元组成的神经网络中, 实现了觉醒-睡眠周期中这种突触强度的变化和神经元发放动力学的转变. 通过数值模拟和理论分析进一步发现, 神经网络的平均突触权值在长时间的觉醒或睡眠后可以达到一个稳定值, 该稳定值取决于模型中一些特定参数的比值. 特别地, 当平均突触权值达到稳定值时, 突触权值的分布呈现出稳定的真实神经系统中观察到的对数正态分布, 并且这种分布的波动性与突触可塑性模型中噪声的波动性呈正相关. 本文提出的突触可塑性模型及其动力学的研究结果可为觉醒-睡眠周期中突触可塑性及其神经元发放的生理机制研究提供理论参考, 并在睡眠障碍治疗或干预措施的开发中具有潜在的应用价值.
2023, 72 (24): 248707.
doi: 10.7498/aps.72.20230989
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基于几何相位的编码超表面对太赫兹(THz)波的偏振状态进行多维度、多自由度调控, 具有重要的应用前景. 本文提出了一种由反“S”形状的金属图案编码粒子构建的超表面, 垂直入射情况下, 在0.50—1.80 THz范围内的太赫兹波振幅反射率高于80%; 结合Pancharatnam-Berry几何相位理论, 通过旋转所设计单元的角度, 获得8种编码粒子, 设计了3种不同序列排布的1-bit, 2-bit和3-bit编码超表面, 并操控反射THz波分别产生不同角度的分束和偏折. 此外, 采用正入射和变角度的THz时域光谱仪分别对各个编码子单元结构阵列的反射特性(包括振幅反射率、相位、相位覆盖范围等)和设计的2-bit超表面的角度偏折现象进行测试; 对比理论数值、模拟结果和实验结果, 分析理论数值和实验数值之间存在偏差的原因, 对满足实际需求的超表面逆向设计具有一定的借鉴意义.
2023, 72 (24): 248801.
doi: 10.7498/aps.72.20231220
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薄膜太阳电池技术中研究的热点之一是寻找能够替代碲化镉和铜铟镓硒的吸收层材料, 近来具有优异材料和光电特性的硒化亚锗(germanium selenide, GeSe)进入了科研人员的视野. 影响异质结太阳电池性能的主要是各功能层材料的材料特性和构筑的器件结构以及结构中异质结界面处的界面特性. 本文以GeSe为吸收层, 配备了性能稳定的无机材料TiO2和Cu2O分别作为太阳电池的电子输运层和空穴输运层, 构筑了结构为FTO/TiO2/GeSe/Cu2O/Metal的异质结太阳电池. 选用TiO2和Cu2O作为载流子输运层是因为两者分别与吸收层GeSe形成小的尖峰状的导带带阶和价带带阶, 不会妨碍多子输运的同时能有效抑制界面处载流子的复合. 接着利用wxAMPS软件模拟分析了有关功能层材料参数和异质结界面特性以及工作温度对太阳电池性能参数的影响, 结合实际应用选定相关材料参数, 优化后300 K温度下GeSe异质结太阳电池的开路电压Voc为0.752 V, 短路电流Jsc为40.71 mA·cm–2, 填充因子FF为82.89%, 转换效率η为25.39%. 研究结果表明结构为FTO/TiO2/GeSe/Cu2O/Au的太阳电池有成为高效、低毒和低成本的太阳电池的潜力, 同时模拟分析也为设计和制备异质结太阳电池提供一定借鉴.
2023, 72 (24): 248802.
doi: 10.7498/aps.72.20231055
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传统的高效率钙钛矿太阳能电池, 需要在具有氮气保护的严苛条件下方可实现. 高湿度(55%)空气环境中, 大面积钙钛矿成膜工艺开发及器件结构优化对模组器件效率和稳定性的提高至关重要. 本工作采用一种真空抽气萃取方法在空气中实现了高质量钙钛矿薄膜的制备, 并研究了双端可低温光聚合单体分子对钙钛矿薄膜内封装的可行性. 研究发现, 当抽气时间为60 s, 在空气中可以形成均匀、致密的钙钛矿薄膜. 通过调控单体分子浓度, 能够在内封装的同时, 实现对钙钛矿表面缺陷的钝化, 当浓度为1 mg/mL时, 对应钙钛矿薄膜的形貌及荧光强度达到最优. 最终, 基于聚合物内封装修饰的刚性和柔性模组(有效面积: 18 cm2)器件分别实现了19.51%和18.17%的室外光电转化效率(34.5%和30.2%的室内弱光转化效率). 此外, 聚合物内封装提升器件湿度稳定性及抑制铅泄漏的同时, 也显著提升了柔性模组的耐弯折稳定性. 聚合物内封装技术为未来大面积模组器件的发展及进一步产业应用提供了新的方向和可能.
