总论
2023, 72 (4): 040301.
doi: 10.7498/aps.72.20221902
摘要 +
在实际的量子通信系统中, 连续变量量子密钥分发的信源安全可能会因为器件的缺陷或隐藏的攻击而受到威胁. 针对这个问题, 本文提出了基于不可信纠缠源的高斯调制连续变量量子密钥分发方案, 通过将高斯纠缠源置于不可信的量子信道来模拟纠缠源被攻击者所控制的场景, 从而验证实际复杂环境下高斯调制连续变量量子密钥分发的安全性. 本文详细分析不可信纠缠源对系统安全性的影响并引入了两种光学放大器来辅助提升所提方案的实际性能. 仿真实验结果表明, 本文所提方案即使在高斯纠缠源不可信的情况下仍然能够产生安全的量子密钥, 同时, 光学放大器也能够有效提升接收端探测器的量子效率. 该工作旨在推动高斯调制连续变量量子密钥分发系统的实用化进程, 为高斯调制连续变量量子密钥分发系统的实际部署和应用提供理论指导.
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2023, 72 (4): 040501.
doi: 10.7498/aps.72.20221741
摘要 +
本文主要研究二维耦合布朗粒子在非保守外力作用下的定向输运问题. 研究发现, 非保守外力有促进二维耦合棘轮定向输运的效果. 同时, 在保守力(弹簧弹力)和非保守外力的相互协作与竞争中耦合布朗粒子的反向输运能够获得增强. 特别地, 随着弹簧原长或弹性系数的改变, 二维耦合布朗粒子的定向运动都能够产生反向, 这意味着耦合作用能够诱导二维布朗棘轮流反转的产生. 实验上, 通过选取不同种类的外力(保守力及非保守力), 能够对二维耦合布朗粒子的分离技术提供新的方案.
原子和分子物理学
2023, 72 (4): 043101.
doi: 10.7498/aps.72.20221946
摘要 +
通过数值计算, 研究了强短波($ 400—600{\text{ nm}} $ )激光场中${\text{H}}_2^+$ 分子高次谐波辐射的椭偏率性质. 研究表明, ${\text{H}}_2^+$ 分子在不同激光强度、不同激光波长、不同核间距及不同取向角下高次谐波的椭偏率性质是不同的; 特别是在两中心干涉区, 激发态在高次谐波产生中起着重要作用, 但在不同取向角下, 激发态对谐波椭偏率的影响不同; 分析表明, 这些不同的影响源于沿平行和垂直于激光偏振方向辐射的高次谐波的相对产量, 以及激发态对平行和垂直谐波产量的影响; 此外, 椭偏率的测量检验了强场近似和平面波近似在强短波激光场中是成立的, 并对强短波激光场中分子动力学做了更充分的研究.
2023, 72 (4): 043301.
doi: 10.7498/aps.72.20221957
摘要 +
本文推导了BrF振动基态(X1Σ, v = 0)下J = 1←0的转动超精细光谱的跃迁偶极矩, 总结了跃迁选择定则为: ΔJ = ±1; ΔF1 = 0, ±1和ΔF = 0, ±1; 而且, 当ΔF1 = ΔF时谱线强度很强, 反之很弱. 当能级之间存在微扰相互作用时, 某些谱线由电偶极和核磁偶极跃迁共同产生, 然而磁偶极仅仅贡献大约十亿分之一的光谱强度. 计算所得光谱线宽和相对强度与实验结果一致. 同时, 在|JI1F1I2F$\rangle $ 基矢下对Hamilton量矩阵对角化确定了转动超精细光谱的位置, 与实验误差小于1/50谱线宽度(<10–8). 最后模拟了微波转动超精细光谱, 所得结果有助于超精细分子光谱实验和其他相关应用研究.
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2023, 72 (4): 043302.
doi: 10.7498/aps.72.20221851
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H2S作为一种有毒且腐蚀性较强的气体污染物, 实现其浓度的准确测量意义重大. 实际工业过程中, H2S测量常受其他排放产物的干扰, 本文基于腔衰荡吸收光谱技术(CRDS)通过扫描6336—6339 cm–1范围内的吸收光谱, 实现了H2S/CO2/CO三组分物质浓度的同步测量, 为实际工业过程中物质干扰下的H2S浓度测量提供新思路. 首先, 对不同采样长度下提取衰荡时间的准确性进行分析, 发现衰荡信号的采样长度约为衰荡时间的8倍时, 衰荡时间提取效果最好; 通过不同压力对比实验确定最佳实验压力工况为50 kPa, 并将最佳采样长度与压力工况应用于H2S浓度测量. 随后, 改变H2S浓度对CO2/CO干扰下系统对痕量H2S浓度的测量效果进行检验, 并对不同稀释比例下浓度测量结果的线性度进行分析. 最后, 对本文CRDS系统的检测限进行分析, 通过对4组低浓度H2S光谱的信噪比进行分析, 得到H2S的检出限为6.9 ppb (1 ppb = 10–9); 通过对系统长期测量结果进行Allan方差分析, 得到系统对H2S物质浓度的检测下限约在2 ppb左右.
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2023, 72 (4): 043401.
doi: 10.7498/aps.72.20221875
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基于HIRFL加速器装置的低能束实验平台, 实验测量了1.07 MeV(~66.9 keV/u)高电荷态O5+离子穿过中性氢气和部分电离的低密度氢等离子体靶后的能量损失, 观测到等离子体中离子能损减小的新实验现象. 分别考虑部分电离等离子体对炮弹离子的电荷屏蔽效应以及靶区原子的极化效应(Barkas修正), 重新计算了离子能损, 讨论了离子能损减小的可能物理机制. 研究结果表明: 在部分电离的低密度等离子体中, 靶区的原子极化效应将显著影响Bohr速度能区离子的能量损失过程.
2023, 72 (4): 043402.
doi: 10.7498/aps.72.20221952
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离子辐照可以改变二氧化硅(SiO2)的晶体结构和光学性质. 采用 645 MeV Xe35+离子辐照SiO2单晶, 在辐照过程中, 利用光栅光谱仪测量在200—800 nm范围内的光发射. 在发射光谱中, 观测到中心位于461和631 nm的发射带. 这些发射带是弗伦克尔激子辐射退激产生的, 其强度与辐照离子能量和辐照离子剂量密切相关. 实验结果表明: 发射光强随离子在固体中的电子能损呈指数增加. 由于离子辐照对晶体造成损伤, 发射光谱强度随辐照剂量的增加而降低. 文中讨论了这些与晶体结构有关的发射带, 结合能量损失机制讨论了激子形成和退激过程. 快重离子辐照过程中发射光谱的原位测量对研究辐照改性具有重要意义, 有助于揭示离子辐照引起晶体损伤的物理机制.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (4): 044101.
doi: 10.7498/aps.72.20221984
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本文提出了一种在共面波导(coplanar waveguide, CPW)上加载沙漏形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons, SSPPs)和交指电容结构的双通带滤波器. 首先, 在共面波导传输线上引入了沙漏形SSPP单元结构和交指电容结构, 以获得高分数带宽、低插损的通带特性. 然后, 通过加载交指电容环路谐振器激发陷波, 形成双通带滤波器. 仿真结果表明, 所提出的双通带滤波器具有良好的上边带抑制和双通带滤波性能. 两个通带的相对带宽分别为46.8%(1.49—2.40 GHz)和15.1%(2.98—3.63 GHz), 可在4.77—7.48 GHz的范围内实现超过–40 dB的抑制, 且可通过改变相应的结构参数独立调控两个通带的上、下截止频率. 为深入了解双通带滤波器的工作原理, 给出了相应的色散曲线和电场分布、LC等效电路分析. 最后, 根据优化后参数数值, 加工出滤波器原型实物. 实验结果与仿真结果吻合良好, 由此表明提出的双通带滤波器在微波频率的集成电路应用中具有重要意义.
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2023, 72 (4): 044201.
doi: 10.7498/aps.72.20221928
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高效地产生相互正交的各阶轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)模式具有重要的研究价值. 目前全光纤系统中高效地产生高阶轨道角动量模式的方法主要是基于二氧化碳激光器加工的长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPFG). 然而产生高阶模式的光栅需要强的折射率调制与小的光栅周期, 因此二氧化碳激光器高的功率和大的聚焦光斑不利于其刻写的重复性、成功率和延展性. 为了解决这一问题, 本文首次提出并制作了基于飞秒激光加工的三阶OAM模式转换器, 在六模光纤上加工出了非对称的长周期光纤光栅, 实验结果表明其在1550 nm附近能将基模转换为三阶的角向线性偏振模式LP31模式, 模式转换效率为98%, 该模式可进一步被叠加转化为三阶OAM模式. 与此同时, 在1310 nm附近, 该光栅还能够产生角向一阶径向二阶的OAM模式. 本文证明了飞秒激光加工提供了一种可用于全光纤系统, 具有高重复刻写性的长周期光纤光栅来产生高阶OAM模式的思路.
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2023, 72 (4): 044202.
doi: 10.7498/aps.72.20221894
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纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件. 激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小, 其损耗迅速增大. 连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗. 本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures, RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值. 将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式. 本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性. 结果表明: TE偏振光照射下, 基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%. TM偏振光照射时, 阈值比传统RWG结构降低了3.3倍. 而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级, 这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内, 增强了光与增益材料的相互作用, 从而降低了纳米激光的阈值.
2023, 72 (4): 044203.
doi: 10.7498/aps.72.20221956
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利用具有逆反射特性的光学元件构成激光器的谐振腔, 能够赋予激光器大范围免调试工作的潜力. 本文讨论了谐振激光自适应无线传能/通信等新兴应用对激光器免调试工作范围的要求, 设计了基于猫眼逆反射器的大范围免调试激光器, 采用腔内望远镜系统和复合腔结构分别拓展激光器的工作距离范围和提升激光安全性. 通过对激光谐振腔的稳定性分析和对猫眼逆反射器的像差分析, 明确了球差和场曲导致的猫眼离焦分别是限制免调试激光器工作距离和视场的关键因素. 实验中通过优化光学设计补偿像差, 实现了端面泵浦Nd:GdVO4激光器的大范围免调试运转. 16.6 W泵浦功率下, 激光器接收端在1—5 m工作距离范围内移动和在±30°接收端视场范围内转动时输出功率保持在5 W以上, 功率波动小于10%, 无需重新准直调节. 5 m工作距离下, 在4.6°发射端视场内输出功率保持在其最大值的50%以上, 对应接收端横向移动范围达到40 cm. 本工作明确了猫眼腔免调试激光器的设计优化原则, 为相关研究提供了实验结果参考.
2023, 72 (4): 044301.
doi: 10.7498/aps.72.20221495
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会聚区是深海水声传播重要的物理现象, 对其准确建模和计算是深海远程水声探测与通信的基础. 但深海会聚区缺乏明确的数学描述, 特别是对于地球曲率所导致的系统误差, 目前主要采用近似计算与曲率修正相结合的方法, 尚无精确会聚区数学模型. 本文基于水声射线黎曼几何建模基础理论研究, 在弯曲球体流形上开展深海会聚区建模, 在分析总结会聚区物理特征的基础上, 给出深海会聚区黎曼几何描述, 得到深海会聚区位置、距离的分析形式和基于黎曼几何概念的计算方法, 为深海会聚区—这一重要的深海声学现象探索赋予黎曼几何学意义. 以Munk声速剖面为例, 对比分析深海会聚区在曲率修正和采用黎曼几何方法在球体流形上建模两种情形的时空分布, 验证了本文提出的深海会聚区黎曼几何模型的有效性, 结果显示近海面处的会聚区宽度随声传播呈现先变大后变小的规律, 最大约20 km, 最小约4 km.
2023, 72 (4): 044302.
doi: 10.7498/aps.72.20221451
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水声建模一般采用外嵌描述, 即以欧氏空间固定坐标系等要素刻画水声信道. 黎曼几何是弯曲空间上的内蕴几何学, 更能反映流形的本质性质. 水声学高斯波束模型借鉴自地震学, 可有效避免传统射线追踪的弊端, 在以Bellhop为代表的水声模型中得到广泛应用, 是水声射线建模与应用的主流方法之一. 传统水声射线建模的欧氏空间底流形假设, 难以有效刻画高斯波束的弯曲特性. 本文通过建立水声射线传播的黎曼几何基本理论, 得到程函方程、动态射线方程及高斯波束模型的黎曼几何内蕴形式, 分析了水声射线几何拓扑性质, 指出水声射线模型中的焦散点等价于黎曼几何中的共轭点, 高斯波束几何扩展是测地线沿雅可比场的偏离, 波束声线会聚体现为声场正截面曲率作用下偏离的测地线在共轭点的交汇. 为验证理论正确性与适用性, 本文以水平分层距离相关环境为例, 给出特定环境和坐标系下应用前序理论建模的具体方法. 3个典型水声传播算例的仿真对比分析, 表明水声传播黎曼几何理论模型是准确有效的, 相比Bellhop模型所采用的计算方法, 具有更为清晰的数学物理含义. 本文基础理论可方便推广至曲面、三维各向异性等情形,为后续在三维弯曲球体流形、四维时变伪黎曼流形等声传播环境下的黎曼几何射线建模研究奠定了理论基础.
2023, 72 (4): 044401.
doi: 10.7498/aps.72.20222085
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瞬态条件下的热整流有广阔的实际应用背景, 本文建立了一维板状复合结构热整流器的瞬态热整流模型, 并利用有限元方法研究了不同恒定热阻、不同界面间隙、周期性温度边界条件以及材料和几何参数对瞬态热整流效果的影响规律. 研究结果表明, 界面热阻的存在可以提高系统的瞬态热整流系数, 而初始界面间隙的引入让瞬态热整流系数实现了量级的飞跃. 通过几何以及材料参数的合理设置有利于优化结构的热整流效果, 针对周期性高温边界条件, 温差和频率的变化可进一步提升复合结构的热整流系数. 本文所提出热整流机制可以指导瞬态下热整流器的优化设计.
2023, 72 (4): 044701.
doi: 10.7498/aps.72.20221967
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基于多组分相场理论提出了一类模拟三相流体流动的轴对称格子Boltzmann模型. 该模型利用两个粒子分布函数来捕捉三种不同流体之间的相界面, 另一个粒子分布函数来求解流体动力学方程以获得流场信息. 为了刻画坐标变换引起的轴对称效应, 巧妙地设计了演化方程中平衡态分布函数和外力项分布函数, 从理论上保证本文模型可以正确恢复三相流体系统的宏观控制方程, 并且轴对称效应产生的源项中不包含任何复杂的梯度项, 从而比现有的轴对称格子Boltzmann模型更加简单高效. 首先通过模拟一系列轴对称多相流的基准算例, 包括静态的双液滴、液体透镜的扩展和二元流体Rayleigh-Plateau不稳定性, 来验证本文模型的有效性与正确性. 接下来, 利用该模型研究了三相流体的Rayleigh-Plateau不稳定性的增长过程, 定量分析了波数和液柱半径比对复合液体线程破裂过程中界面动力学行为、界面破裂时间以及生成子液滴尺寸的影响. 可以发现复合的液体线程在波数较大时破裂生成一个复合主液滴和卫星液滴, 而在波数较小时可以生成更多数量的卫星液滴, 这导致复合主液滴和卫星液滴的尺寸随着波数的增加呈现先增大而后减少的趋势. 另外, 我们发现内部流体优先于中间流体发生界面破裂, 并且流体界面的破裂时间均随着波数的减小而增加. 最后发现, 增大液柱半径比可以促进内部液体线程的破裂, 而延缓中间液体线程发生破裂, 并且复合主液滴的尺寸随着液柱半径比的增加而增大, 而复合卫星液滴的尺寸对液柱半径比的变化不显著.
2023, 72 (4): 044702.
doi: 10.7498/aps.72.20221879
摘要 +
主动流动控制是降低流动噪声的新型途径, 近年来吸引了研究者的广泛关注. 利用二维格林函数, 推导得到了忽略四极子影响的声比拟方程的二维时域解. 在此基础之上, 基于格子Boltzmann方法为核心的流场求解器以及声比拟方程为核心的声场求解器, 在低雷诺数(Re = 100)下, 开展了合成射流频率和相位差对圆柱绕流近壁流场和声辐射远场影响的数值模拟研究. 结果表明, 在利用合成射流减小圆柱阻力时, 出现了两种频率锁定状态, 且远场辐射噪声会发生明显变化. 提高射流频率或减小相位差会增强射流的自噪声, 导致远场辐射声压进一步增大, 并使得指向性由偶极子类型转变为单极子类型. 在各个控制参数组合下, 远场的总辐射噪声增加, 与未施加控制时相比声功率增加了4到18 dB, 同时, 阻力方向的噪声始终增强. 本研究可为探索低辐射噪声的合成射流控制策略提供参考数据.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (4): 045201.
doi: 10.7498/aps.72.20221305
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表面等离子体波的存在可以显著改变激光与等离子体的耦合效率, 这在激光驱动粒子加速、强X射线产生、温稠密物质态等领域研究有重要应用. 本文利用二维粒子模拟程序, 研究了强激光入射双层等离子体靶激发的表面等离子体波. 模拟结果表明, 不同于单层靶情形, 大角度入射的强激光脉冲达到一定强度阈值后, 可驱动等离子体表面中的电子形成周期结构, 激发静电波, 其波长与入射波波长相近, 传播速度接近光速; 表明双层等离子体更有利于表面波的激发, 传播范围更大; 双层靶的表面波强度与入射激光强度的比值明显不同于单层靶的理论结果, 呈现非线性关系; 表面波的存在可以显著增强后续激光脉冲的透射, 使后续激光脉冲突破稠密等离子体形成的“黑障”, 在远高于临界密度的薄靶后被观察到.
2023, 72 (4): 045202.
doi: 10.7498/aps.72.20221951
摘要 +
10厘米电子回旋共振离子推力器(ECRIT)可以多类型气体工作, 应用于吸气式电推进系统具有可行性, 研究氮气工质ECRIT的ECR中和器是研究氮氧工质ECRIT的基础. 当传统氙气工质10厘米ECRIT的ECR中和器以氮气为工质工作时, 由于氮气分子量较低, 离子容易漂移出中和器, 引出电子电流减小, 已不适合以氮气为工质工作. 本文基于10厘米传统ECR中和器, 以抑制离子漂移出中和器、提升电子引出性能为目的, 实验研究适用于氮气工质工作的双极ECR中和器. 结果表明, 在气体质量流率0.04 mg/s、输入功率10 W的条件下, 以氮气为工质工作, 引出电子电流134 mA时, 传统ECR中和器所需的阳极电压为150 V, 而双极ECR中和器仅需50 V的阳极电压, 下降了约67%; 阳极电压40 V时, 传统ECR中和器的功率损耗为1204.82 W/A, 而双极ECR中和器的功率损耗为95.23 W/A, 约为前者的8.3%. 氮气工质双极ECR中和器的离子屏蔽效果显著, 电子引出性能得到改善.
2023, 72 (4): 045203.
doi: 10.7498/aps.72.20222138
摘要 +
托卡马克实验中已经实现了负三角形变位型下的高约束放电, 其特点是具有较低的台基, 并伴随幅值较小且频率较高的边界局域模. 本文基于不同三角形变的托卡马克平衡, 研究了负三角形变位型条件下剥离气球模的非线性演化特征. 研究发现, 由于弱场侧坏曲率区域增大, 负三角形变位型会使剥离气球模失稳; 在非线性阶段, 负三角形变位型下的剥离气球模压强扰动分布在极向截面上扩展到了弱场侧的顶部和底部区域, 使得边界局域模更早发生崩塌, 同时, 在负三角形变位型下, 多种环向模数的扰动被激发并增长, 故而具有更明显的湍流输运特性.
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2023, 72 (4): 045204.
doi: 10.7498/aps.72.20222059
摘要 +
在磁光阱中利用冷原子温度低, 多普勒展宽小的优势获得了窄线宽的里德堡电磁感应透明(EIT)谱峰, 结合Autler-Townes分裂效应(EIT-AT分裂)分别测量了多个频率的微波电场强度. 结果显示, EIT-AT分裂间距与微波电场强度呈很好的线性关系, EIT-AT分裂方法可测量的微波电场强度线性区的下限可达222$ {\text{μ}}{\rm{V}}/{\rm{c}}{\rm{m}} $ , 这个下限比传统热原子蒸汽池中EIT-AT分裂线性区的下限5 $ {\rm{m}}{\rm{V}}/{\rm{c}}{\rm{m}} $ 提高了大约22倍, 这对极弱微波电场的绝对校准非常有帮助. 我们进一步利用EIT共振处探测光透过率的变化测量微波电场强度, 对应的最小测量值可以小于$ 1\;{\text{μ}}{\rm{V}}/{\rm{c}}{\rm{m}} $ , 相应的灵敏度可达到1 μV·cm–1·Hz–1/2. 这些结果展示了冷原子样品在微波电场测量及其绝对校准方面的优势.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2023, 72 (4): 046101.
doi: 10.7498/aps.72.20221776
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高温超导薄膜因其微波表面电阻低, 可用于尖端高温超导微波器件的制作. 然而由于高温超导材料特殊的二维超导机制和极短的超导相干长度, 高温超导材料的微波表面电阻对微结构特别敏感. 为了探究高温超导材料微结构和微波电阻的联系, 采用脉冲激光沉积(PLD)技术在(00l)取向的MgO单晶衬底上生长了不同厚度的YBa2Cu3O7 –δ (YBCO)薄膜. 电学测量发现不同厚度的样品超导转变温度、常温电阻差别不大, 但超导态的微波表面电阻差异很大. 同步辐射三维倒空间扫描(3D-RSM)技术对YBCO薄膜微结构的表征表明: CuO2面平行于表面晶粒(c晶)的多寡、晶粒取向的一致性是造成超导态微波表面电阻差异的主要原因.
2023, 72 (4): 046201.
doi: 10.7498/aps.72.20221815
摘要 +
硫硒化钼(MoSSe)是一种新型二维“双面神”半导体材料, 具有丰富的物理、化学、力学与电学性质. 本文基于Stillinger-Weber势函数, 采用分子动力学模拟方法对不同温度下的完美和含晶界MoSSe单层结构展开详细的力学行为分析. 结果表明: 完美单层MoSSe结构的力学性能呈现明显的各向异性; 在单向拉伸作用下, 其杨氏模量、强度极限和极限应变均随温度的升高而降低; 当温度低于100 K时, 沿锯齿形手性方向受拉伸作用的单层MoSSe结构发生由六环蜂窝相向四方相的相变, 新四方相的杨氏模量约为原相结构的1.3倍且强度显著提升; 当温度高于100 K时, 沿锯齿形手性方向拉伸呈现脆性断裂; 含晶界单层MoSSe结构受拉伸作用首先在晶界处产生裂缝, 并逐步扩展至整个结构后断裂. 锯齿形偏向晶界结构的强度随倾斜角度的增大而降低, 扶手椅形偏向晶界结构也呈下降趋势. 本研究对基于单层MoSSe的电子器件的强度设计和性能优化具有重要指导意义.
2023, 72 (4): 046301.
doi: 10.7498/aps.72.20222037
摘要 +
Ni-Mn-Ti基全d族Heusler合金因具有良好的力学性能和弹热效应而成为金属功能材料领域的研究热点, 然而此类合金具有临界应力和滞后较大的问题限制了其实际应用. 有研究学者发现Ni-Mn基合金掺杂Fe不仅可以降低相变滞后, 还可以大幅提高合金力学性能. 鉴于此, 本文采用第一性原理计算系统地研究了Fe掺杂对Ni50–xMn37.5Ti12.5Fex(x = 3.125, 6.25, 9.375)全d族Heusler合金的相稳定性、马氏体相变和磁性能的影响. 结果表明随着Fe掺杂量的增多, 奥氏体的晶格常数逐渐减小; 相稳定性随着Fe掺杂量的增加而逐渐降低, 但在不同成分下, 马氏体始终比奥氏体更稳定, 表明合金可以发生马氏体相变. 合金的奥氏体相为铁磁性, 磁矩主要由Mn原子提供, 而马氏体相由于正常占位的Mn(MnMn)原子与占据Ti位的富余Mn(MnTi)原子的磁矩反平行排列而表现为反铁磁性. Fe取代Ni使Ni50–xMn37.5Ti12.5Fex合金系奥氏体和马氏体之间的能量差ΔE、电子浓度e/a和电子密度n都呈现减小趋势, 表明合金的马氏体相变温度随着Fe原子掺杂量的增多而下降. 本文旨在为新型Ni-Mn-Ti-Fe合金的成分设计和性能优化提供指导.
2023, 72 (4): 046401.
doi: 10.7498/aps.72.20221567
摘要 +
MoSSe材料是一种非常有前途的光电材料, 它的应用环境会接触到水溶液, 但目前尚未有关MoSSe材料在水溶液中电化学稳定性的研究. 本文基于密度泛函理论构建不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe的Pourbaix图, 研究在不同pH和电极电位条件下的热力学稳定性和电化学腐蚀行为. 对MoSSe的Pourbaix图研究表明, 一部分MoSSe的免蚀区域存在于Pourbaix图中水的稳定区域内, 说明MoSSe在水环境中可以稳定存在; 相比较碱性溶液来说, MoSSe在酸性和中性溶液中的耐腐蚀性更好. 对Mo4S2Se6, Mo4S6Se2, Mo4S7Se和Mo4SSe7的Pourbaix图研究表明, 在不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe中硫的物质的量浓度较高的情况下, 材料在水溶液中可以稳定存在的条件范围变大, 耐腐蚀性变好; 在不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe中硒的物质的量浓度较高的情况下, 材料在水溶液中可以稳定存在的条件范围变小, 耐腐蚀性变差. 本文对不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe在水溶液中的稳定性和腐蚀行为进行预测, 更加深入地探究了MoSSe材料在水溶液中的降解行为, 可以对钼硫硒材料在光电领域的应用提供理论指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (4): 047101.
doi: 10.7498/aps.72.20221380
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本工作确定了一种新型的Ga2S3-Sb2S3-Ag2S硫系玻璃体系的玻璃形成区, 研究了玻璃的热稳定性和光学性能、稀土离子掺杂玻璃的中红外发光特性以及玻璃的成纤性能, 评估了该玻璃在中红外波段的应用潜力. 实验结果表明, Ga2S3-Sb2S3-Ag2S体系的玻璃形成区为 ~10%—30% Ga2S3, ~60%—80% Sb2S3和~0—15% Ag2S（均为摩尔分数）; 该玻璃具有较宽的红外透过范围 (~0.8—13.5 μm)、较高的线性折射率 (~2.564—2.713@10 μm)和较大的三阶非线性折射率 (~9.7×10–14—15.7×10–14 cm2/W @1.55 μm); 使用1.32 µm激光抽运, 稀土离子Dy3+在该玻璃中表现出较强的2.91 μm和4.41 μm中红外发射, 发射量子效率分别达76.6%和70.8%; 拉制的 20Ga2S3-75Sb2S3-5Ag2S: Dy3+(质量分数为0.05%)/20Ga2S3-70Sb2S3-10Ag2S (纤芯/包层)光纤在2—8 μm具有良好的传输性能, 最低损耗为~3.5 dB/m (@5.7 μm). 这些优异的性能使得该玻璃或光纤有望应用于红外热成像、非线性光学、中红外光纤激光器等领域.
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2023, 72 (4): 047201.
doi: 10.7498/aps.72.20222135
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由于结构巨大的自由度, 缺陷石墨烯纳米带热电转换性能的优化设计是材料研究领域的难点之一. 本文利用非平衡格林函数结合贝叶斯算法, 对5-7环缺陷石墨烯纳米带热电性能进行了优化设计. 研究结果表明, 在搜寻具有高热电转换效率5-7环缺陷石墨烯纳米带的过程中, 贝叶斯算法具备有效性和优越性. 计算发现, 利用贝叶斯算法能快速且准确地从32896个候选结构中搜索到具有最佳热电转换性能的唯一构型. 即使在效率最低的一轮优化中, 也仅需要计算1495个候选结构(约占所有候选结构的4.54%)即可寻找到最佳构型. 研究还发现, 在室温下的最佳构型5-7环缺陷石墨烯纳米带(长和宽分别为21.162 nm和1.23 nm)的热电优值ZT (约1.13)较完美石墨烯纳米带(约0.14)提升了近一个量级. 这主要归因于5-7环缺陷有效抑制了系统的电子热导率, 使得功率因子的减弱作用和热导率的抑制作用(正效应)之间达到了最大平衡. 研究结果为设计和制备具有优异热电转换效率的石墨烯纳米带热电器件提供了一种新的可行性方案.
2023, 72 (4): 047301.
doi: 10.7498/aps.72.20222159
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基于量子点输运理论与Bures角度量的方法, 研究了耗散环境下单量子点系统输运过程中的量子速度极限特性. 结果表明: 由于隧穿过程存在库仑阻塞效应与量子相干效应,系统可加速能力随左侧隧穿概率有微小的变化; 然而, 系统可加速能力随右侧隧穿概率变化明显, 归因于动力学通道阻塞与共隧穿的共同效应. 能级差的增大使系统向目标态演化需要更长的时间, 从而改变系统的加速潜力以及随时间演化的震荡频率. 耗散环境中弛豫速率对系统可加速能力的影响不是单调的,存在一个有趣的转折点,当弛豫速率小于该点时,系统的可加速能力产生震荡变化,当弛豫速率大于该点时,加速潜力的变化受到了弛豫速率的单调抑制,弛豫速率的增大总体上抑制了系统的可加速能力.
2023, 72 (4): 047401.
doi: 10.7498/aps.72.20222091
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里德堡原子利用其电磁诱导透明效应可以实时响应微弱的微波电场信号, 实现空间微波电场信号的下变频, 作为超外差接收机使用. 里德堡原子超外差接收机是由里德堡原子、光电探测器以及电子信息处理模块等组成的新体制接收系统. 目前, 国内外学者对里德堡原子超外差接收技术的物理响应机理进行了深入研究, 然而在缺乏完整的接收链路分析模型的指导下, 不利于系统性能优化. 本文从里德堡原子响应微波电场的物理机理出发, 引入内禀增益系数的概念, 建立并实验验证了里德堡原子超外差接收机的接收链路模型, 简要讨论了内禀增益系数对系统灵敏度和响应特性的影响, 为里德堡原子超外差接收系统性能优化提供理论指导. 最后对里德堡原子接收链路和电子学接收链路的灵敏度性能进行了讨论和对比.
2023, 72 (4): 047801.
doi: 10.7498/aps.72.20221548
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本文采用透射式太赫兹时域光谱技术研究0.3—2.5 THz范围内本征GaSe, S掺杂质量分数为2.5 % GaSe(GaSe: S(2.5%))和S掺杂质量分数为7% GaSe(GaSe: S(7%))晶体的电导率特性, 并利用Drude-Smith-Lorentz模型对复电导率进行拟合. 研究发现GaSe晶体的电导率实部随S掺杂浓度的增大而减小, 主要是由于S掺杂使GaSe晶体的费米能级逐渐向电荷中性能级转移, 载流子浓度下降引起的. 本征GaSe和GaSe: S(2.5%)在约0.56 THz处有明显的晶格振动峰, 而GaSe: S(7%) 在0.56 THz附近无晶格振动峰, 这主要是由于S掺杂提高了晶体的结构硬度, 减弱了晶体的层间刚性振动. 且3个样品均在约1.81 THz处存在明显的窄晶格振动峰, 强度随S掺杂浓度的增大先减小再增大, 主要是由于S掺杂降低了GaSe的局部结构缺陷, 减弱了窄晶格振动峰强度, 而过量的S掺杂生成β型GaS晶体, 进而增加晶体的局部结构缺陷, 窄晶格振动峰强度随之增强. GaSe晶体约在1.07 THz和2.28 THz处的宽晶格振动峰强度随S掺杂浓度的增大而减弱甚至消失, 主要是由于S掺杂产生替位杂质(S取代Se)和GaS间隙杂质, 降低了基频声子振动强度, 从而减弱了晶体二阶声子差模引起的晶格振动. 结果表明, S掺杂可以有效抑制GaSe晶体的晶格振动, 降低电导率, 减少在THz波段的功率损耗. 此研究为低损耗THz器件的设计和制作提供重要的数据支撑和理论依据.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (4): 048501.
doi: 10.7498/aps.72.20221507
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本文报道了一种基于1,2-二氰基苯 (O-DCB) 与聚 (3-己基噻吩) (P3HT) 复合薄膜的高耐久性有机阻变存储器 (ORSM). ORSM表现出非易失型和双极性存储特性, 电流开关比 (Ion/off) 超过104, 耐久性高达400次, 保持时间为105 s, Vset和Vreset分别为–6.9 V和2.6 V. 器件的阻变机理是陷阱电荷的俘获与去俘获, 即负偏压或正偏压诱导电荷陷阱的填充和抽离过程, 导致电荷传输方式的改变, 从而产生高低电阻间的切换. 器件的高耐久性一方面是由于O-DCB较小的分子尺寸和较好的溶解性形成了均匀分布且稳定的电荷陷阱, 另一方面是由于O-DCB较好的分子平面促进了其与P3HT共轭链的相互作用. 该研究为高耐久性ORSM的实现提供了一种有效途径, 加快了ORSM的商业化应用进程.
2023, 72 (4): 048502.
doi: 10.7498/aps.72.20222004
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为了提高AlGaN基深紫外发光二极管(light emitting diode, LED)的内量子效率(internal quantum efficiency, IQE), 本文采用了基于InAlGaN/ AlGaN超晶格的电子阻挡层(electron blocking layer, EBL)结构, 结果表明与传统的单层和双层电子阻挡层结构相比, 超晶格EBL结构能够有效提高LED的内量子效率. 在此基础上, 本文提出了基于JAYA智能算法的LED结构优化方法, 应用该方法以最大化内量子效率为目标, 对InAlGaN/AlGaN超晶格EBL结构进行优化设计. 结果表明, 采用优化超晶格EBL结构后电子泄露和空穴注入问题都有所改善, 在200 mA电流注入时深紫外LED的内量子效率比采用单层结构EBL提高了41.2%.
2023, 72 (4): 048503.
doi: 10.7498/aps.72.20221831
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无载流子注入型发光二极管(简称无注入型LED)因其简单的器件结构有望应用于Micro-LED、纳米像元发光显示等新型微显示技术. 由于没有外部载流子注入, 无注入型LED的内部载流子输运行为无法直接用传统的PN结理论进行描述. 因此, 建立无注入型LED的载流子输运模型对于理解其工作机理和提高器件性能具有重要意义. 本文根据无注入型LED的器件结构, 结合PN结理论建立无注入型LED的载流子输运数学模型. 基于该数学模型解释器件的工作原理, 获得器件的载流子输运特性, 揭示感应电荷区长度、内部PN结压降与外加驱动电压频率的关系. 根据建立的数学模型提出了针对无注入型LED器件设计的建议: 1)减小感应电荷区掺杂浓度, 可有效提高内部LED的压降; 2)利用PN结的隧穿效应, 可有效提高器件内部LED的压降; 3)使用正负方波驱动可以获得比正弦驱动更大的内部LED压降. 本文有关无注入型LED的载流子输运模型的研究有望为改善无注入型LED器件结构、优化工作模式提供理论指导.
2023, 72 (4): 048504.
doi: 10.7498/aps.72.20222081
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利用基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法计算了4, 4′-二吡啶分子与不同构型金电极之间的作用过程, 研究了分子在外力作用下逐渐远离金电极过程中分子与电极间界面结构特有的演化过程以及体系能量与作用力的变化特征. 结果显示, 分子在远离锥形电极过程中很容易出现近于垂直地连接到锥形电极第二层金原子上的特有连接构型, 同时由于吡啶末端的排斥作用, 电极尖端的金原子偏向一侧. 分子从第二层金原子上断开并连接到尖端金原子上需要1.3—1.5 nN的拉力作用, 明显大于分子从尖端电极上断开所需要的0.8—1.0 nN的作用力, 从而揭示了实验中二吡啶分子结在形成过程中作用力与界面构型变化之间的对应关系. 4, 4′-二吡啶分子与平面金电极的作用较弱, 只需要不到0.5 nN的作用力就可断开, 而当分子连接到吸附在平面电极表面的孤立金原子上时, 可以承受约1.7 nN的作用力. 以上研究表明基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法不仅可以揭示分子与电极之间的界面结构演化过程, 而且通过作用力的计算可以很好地识别实验中分子与电极间的特有界面结构.
2023, 72 (4): 048701.
doi: 10.7498/aps.72.20221174
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本文提出了新的基于圆环孔阵列超材料的钽酸锂热释电太赫兹探测器, 以提高0.1—1 THz频段太赫兹波探测性能. 仿真分析了内外径、周期、厚度等特征参数对圆环孔阵列超材料太赫兹波透射带宽及透射率的定量影响关系, 阐明了圆环孔阵列超材料与热释电探测器的不同结合方式对探测器的带宽及噪声等效功率的作用机理; 制备了两种圆环孔阵列超材料钽酸锂热释电太赫兹探测器; 测试了圆环孔阵列超材料的透射特性和两类热释电探测器的噪声等效功率. 结果表明, 所制备的圆环孔阵列超材料在0.25—0.65 THz频段透射率大于40%, 实现了带通滤波. 当圆环孔阵列超材料与热释电探测器保持足够间距时, 在0.315 THz点频其噪声等效功率为11.29 μW/Hz0.5, 是带通波段外0.1 THz噪声等效功率的6.3%, 实现了带通探测; 当圆环孔阵列超材料与热释电探测器贴合时, 在0.315 THz点频其噪声等效功率为4.64 μW/Hz0.5, 是无圆环孔阵列超材料探测器噪声等效功率的29.4 %, 实现了窄带探测. 上述结论可用于生物成像、大分子探测等领域中特定太赫兹波段的带通与窄带探测.
2023, 72 (4): 048901.
doi: 10.7498/aps.72.20221878
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在复杂网络的研究中, 如何有效地衡量节点的重要性一直都是学者们关心的问题. 在节点重要性研究领域, 基于拓扑学信息来判断节点重要性的方法被大量提出, 如K-shell方法. K-shell是一种寻找可能具有重要影响力节点的有效方法, 在大量的研究工作中被广泛引用. 但是, K-shell过多地强调了中心节点的影响力, 却忽视了处于网络外围节点作用力的影响. 为了更好地衡量网络中各个节点对传播的促进作用, 本文提出了一种基于迭代因子和节点信息熵的改进方法来评估各个层次节点的传播能力. 为评价本文方法的性能, 本文采用SIR模型进行仿真实验来对各节点的传播效率进行评估, 并在实验中将本文算法和其他算法进行了对比. 实验结果表明, 本文所提方法具有更好的性能, 并且适合解决大规模复杂网络中的节点重要性评价问题.
地球物理学、天文学和天体物理学
编辑推荐
2023, 72 (4): 049201.
doi: 10.7498/aps.72.20221986
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分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征. 在某一固定高度真实光学湍流$ C_n^2 $ 值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏. 以观测数据建立的湍流廓线模式, 是一个统计平均的结果. 既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征, 也没有预报功能, 不能完全满足光学工程需求. 受限于计算机的容量和速度, 无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流, 解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF, 预报出常规气象参数, 再由湍流参数化方案计算出$ C_n^2 $ . 本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层$ C_n^2 $ 预报方法和研究成果, 从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式, 归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件. 重点介绍了神经网络预报$ C_n^2 $ 和$ C_n^2 $ 估算和预报方法在南极天文选址的最新研究进展. 分析了以实验数据拟合的经验模式、建立在Kolmogorov湍流理论基础之上含有常规气象参数的参数模式、与中尺度气象模式有关的预报模式、基于数据驱动的神经网络方法等不同模式的特点和差异. 强调Kolmogorov湍流理论是现有大气光学湍流参数模式的理论基础.
2023, 72 (4): 049401.
doi: 10.7498/aps.72.20221759
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等离子体原位成像探测器是中国空间站的第一批舱外空间环境科学载荷, 安装在问天舱的舱外暴露平台, 将首次在空间站平台上开展电离层等离子体原位、成像、充电电位等多要素综合探测任务. 其中, 原位探测要素包括空间站轨道等离子体的密度、温度以及问天舱表面电位强度等. 成像探测要素包括离子能量、运动方向和成像时间分辨率等. 等离子体原位成像探测器采用多传感器的一体化设计, 集成了朗缪尔探针、阻滞势分析仪、参考电位计和离子成像仪等技术. 其中, 离子成像技术是首次应用于我国的空间环境探测领域. 等离子体原位成像探测技术在中国科学院国家空间科学中心定标实验室完成了测试验证, 探测器已随问天舱成功发射, 即将开展中低纬电离层的精细化探测, 为完善空间站轨道电离层模型提供等离子体探测数据. 通过探测累积长周期的充电电位数据, 为研究等离子体对空间站的充电效应, 促进空间站充电评估体系的建立提供支持.
封面文章
2023, 72 (4): 049501.
doi: 10.7498/aps.72.20221976
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HADAR (High Altitude Detection of Astronomical Radiation)是一个基于大气切伦科夫成像技术的地面望远镜阵列, 其采用大口径折射式水透镜系统来收集大气切伦科夫光, 以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测. HADAR具有低阈能和大视场的优势, 因此可以对天区进行连续扫描和观测, 在观测活动星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)等银河系外伽马射线源方面具有明显优势. 本文研究了HADAR实验对AGN的探测能力. 基于费米望远镜(Fermi Large Area Telescope, Fermi-LAT)的AGN源能谱信息, 将观测能量外推至甚高能能段, 同时加入河外背景光的吸收效应, 以计算HADAR对AGN源观测的统计显著性. 研究结果显示, HADAR运行一年时间, 预计将有31个Fermi-LAT AGN源以高于5倍显著性被观测到, 其中大部分为蝎虎状天体类型.
2023, 72 (4): 049502.
doi: 10.7498/aps.72.20222119
摘要 +
引力波探测打开了探索宇宙的新窗口, 开启了多信使天文学时代. 大型激光干涉仪作为空间及地基引力波探测装置, 需要使用低噪声激光光源, 通过光电负反馈降噪技术可以抑制激光噪声, 提高大型激光干涉仪的灵敏度. 光电负反馈控制需要将光电探测器信号与电压基准源信号相减, 之后经过比例积分微分器得到误差信号, 来控制泵浦电流驱动器的输出功率, 从而实现激光噪声抑制. 由于光电探测器信号受激光强度影响, 其输出电压在一定范围内变化, 这就需要电压基准源信号的输出电压可变; 另外, 电压基准源的性能直接影响反馈控制环路的整体性能, 是激光噪声抑制的下限. 本文通过选定低噪声基准芯片及数模转换芯片, 设计外控电路、采用低温漂系数元件、通过精密布板及电磁屏蔽等方案, 研发高精度低噪声程控电压基准源; 并通过可编程逻辑门阵列模块编程控制数模转换, 实现程控电压基准源输出电压精密变化. 结果表明: 所研发的电压基准源输出电压范围为–10 V—＋10 V, 输出电压分辨率达20 bit, 在空间引力波频段输出电压的相对噪声谱密度低于9.6 ×10–6 Hz–1/2, 基准源噪声性能均优于相应引力波探测中对激光强度噪声要求, 为引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑.
