《物理学报》创刊 90 周年
观点和展望
2024, 73 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.73.20231795
摘要 +
20世纪初, 以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命, 促进了物质文明的巨大进步, 从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌. 自20世纪90年代以来, 量子调控技术的巨大进步, 使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进, 标志着第二次量子革命的兴起. 量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面, 为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案, 可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑. 经过近30年的发展, 我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃, 在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位; 在量子计算方面牢固占据国际第一方阵; 在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平. 当前, 需要根据国家战略需求和国际竞争态势, 做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判, 率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.
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2024, 73 (1): 017503.
doi: 10.7498/aps.73.20231940
摘要 +
稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性, 是破解摩尔定律难题的候选材料之一. 我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制, 探索并研制了新一代稀磁半导体材料, 为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案. 以(Ba,K)(Zn,Mn)2As2等为代表的新一代稀磁半导体, 通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷, 成功实现了230 K的居里温度, 刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录. 本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制. 我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究, 开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域, 充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景 .
专题: 二维及拓扑自旋物理
观点和展望
2024, 73 (1): 017103.
doi: 10.7498/aps.73.20231711
摘要 +
磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科, 二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础. 磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物, 为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度. 磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态, 通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应; 而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力. 当前, 新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征, 而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野. 这两个阶段的深入发展, 将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试. 本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段, 讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面, 阐述当前领域内的热点内容和发展趋势, 并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望, 以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.
封面文章
2024, 73 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.73.20231589
摘要 +
霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域, 其起源可以追溯到数百年前. 1879 年, 霍尔发现将载流导体置于磁场中时, 磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累, 这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应. 之后, 一系列新的霍尔效应被发现, 包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等. 值得注意的是, 霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化, 因此在信息传输过程中扮演着重要的角色. 在玻色子体系(如磁子)中, 相应的一系列磁子霍尔效应也被发现, 他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展. 本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应, 简述其现代半经典的处理方法, 包括虚拟电磁场理论和散射理论等. 并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源, 概述了不同类型磁子的霍尔效应. 最后, 对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.
2024, 73 (1): 017502.
doi: 10.7498/aps.73.20231244
摘要 +
信息技术的高速发展对信息处理与存储器件的性能提出了更高的要求. 同时, 随着器件尺寸不断减小, 传统基于电子电荷属性的半导体器件面临热耗散和量子尺寸效应的难题与挑战, 半导体技术也由此进入后摩尔时代. 区别于传统基于电荷的电子器件, 基于自旋属性的非易失性自旋电子器件不但具有较高的集成度、读写速度及读写次数, 而且可有效避免热耗散, 为信息存储、处理和通信等领域的发展构建了新的技术平台. 近年来, 二维材料凭借其独特的能带结构和丰富的物理性质而备受关注, 特别是二维磁性材料体系在自旋电子学领域展现出极大的研究潜力和应用价值. 本文首先介绍了二维材料常见制备方法, 聚焦概述了二维磁性材料在自旋轨道电子学领域中的研究进展, 最后对本领域研究进行了展望.
2024, 73 (1): 017504.
doi: 10.7498/aps.73.20231612
摘要 +
拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势, 有望提高数据读写精度、降低功耗, 从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件, 为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持. 但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点, 严重阻碍了其在实际器件中的应用, 因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键. 本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来, 利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作. 首次在范德瓦耳斯 Fe5–xGeTe2 二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链, 研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为, 揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制. 在该机制指导下, 设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜, 不仅获得了磁畴壁麦纫, 验证了生成机制的普适性, 还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变, 开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.
2024, 73 (1): 017505.
doi: 10.7498/aps.73.20231166
摘要 +
拓扑材料和二维材料等新型量子材料, 为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机. 这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面, 从而改善器件表现, 更由于它们丰富的相互作用和耦合关系, 能提供新奇物理现象和新的物性调控机制, 在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值. 拓扑材料和二维材料, 尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究, 取得了丰硕的成果, 兼顾了启发性与及时的实用性. 本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果: 首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破; 其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用; 最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.
2024, 73 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.73.20231836
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外尔半金属WTe2有强自旋轨道耦合且能产生新奇非常规面外极化的自旋流, 是近几年的新兴热点. 同时WTe2还具有高的电荷-自旋转换效率, 能在无外磁场辅助的情况下实现垂直磁矩确定性的翻转, 这对于高密度集成低功耗磁随机存取存储器至关重要. 本文回顾了近几年WTe2与铁磁层组成异质结构中自旋轨道矩研究的最新进展, 包括用不同方法制备的WTe2 (例如机械剥离和化学气相沉积)与铁磁层(例如FeNi和CoFeB等)、二维磁体(例如Fe3GeTe2等)组成异质结的自旋轨道矩探测和磁矩翻转的电调控研究进展. 最后, 对相关研究的发展提出展望.
2024, 73 (1): 011201.
doi: 10.7498/aps.73.20231473
摘要 +
磁性斯格明子是一种非平庸的拓扑磁结构, 它能够在具有Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的手性磁体中稳定存在, 其静态以及动态特性与其结构特征息息相关. 然而, 一般情况下斯格明子结构解析式并不存在. 因此, 许多研究者给出了近似解析式. 本文介绍了使用符号回归算法探索磁性斯格明子结构解析式的新方法, 在考虑DM相互作用和外部磁场对磁性斯格明子结构的影响下, 使用符号回归算法得到了两个较为合适的近似解析式, 其适用范围与占主导地位的相互作用有关. 研究结果验证了符号回归算法在探索磁性斯格明子结构解析式的强大能力, 为磁结构的解析式探索提供了新思路.
总论
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2024, 73 (1): 010401.
doi: 10.7498/aps.73.20231233
摘要 +
重点讨论了薄盘吸积与渐近安全 (asymptotically safe, AS)引力修正参数对黑洞阴影和光环的影响. 对于薄盘吸积, 黑洞的暗区就是黑洞的阴影, 而明亮的光环则是由直接像、透镜环和光子环组成的. 对于吸积盘辐射源比强度, 考虑了3个不同辐射轮廓模型. 对辐射起始于最内圆轨道的二阶衰减函数模型, 直接像、透镜环和光子环可以明显区分. 直接像对黑洞光环亮度贡献最大, 透镜环对光环亮度贡献很小, 而光子环的贡献几乎可以忽略, 且对应观测强度的峰值随AS引力参数的增加而减小, 即对应光环亮度随修正参数的增大而变暗. 对于辐射起始于光子球半径的三阶衰减函数模型, 透镜环和光子环叠加在直接像上, 使观测强度出现新的极值. 这一极值随AS引力修正参数的增加而增加, 且使得黑洞光环的亮度更亮. 对辐射起始于事件视界的反三角衰减函数模型, 透镜环和光子环在直接像上的叠加范围更大, 观测到的光环更宽, 且AS引力参数值越小, 透镜环和光子环越难区分, 黑洞光环的亮度越大. 总之, 研究表明, 黑洞阴影半径的大小随AS修正参数的增加而减小, 对于不同的AS引力修正参数, 辐射源光强度、尤其是观测强度的辐射轮廓存在显著差异, 导致黑洞的阴影和亮环明显不同.
2024, 73 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.73.20231211
摘要 +
物理忆阻器具有不对称的紧磁滞回线, 为了更加简便地模拟物理忆阻器的不对称紧磁滞曲线, 本文提出了一种含有偏置电压源的分数阶二极管桥忆阻器模型, 其具有可连续调控磁滞回线的能力. 首先, 结合分数阶微积分理论, 建立了含有偏置电压源的二极管桥忆阻器的分数阶模型, 并对其电气特性进行分析. 其次, 将其与Jerk混沌电路相融合, 建立了含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路模型, 研究了偏置电压对其系统动态行为的影响. 再次, 在PSpice中搭建了分数阶的等效电路模型, 并对其进行电路仿真验证, 实验结果与数值仿真基本一致. 最后, 在LabVIEW中完成了电路实验, 验证了理论分析的正确性与可行性. 结果表明, 含有偏置电压源的分数阶忆阻器, 可以通过调控偏置电压源的电压, 连续获得不对称紧磁滞回线. 随着偏置电源电压的改变, 非齐次分数阶忆阻混沌系统由于对称性的破环, 表现出由倍周期分岔进入混沌的行为.
2024, 73 (1): 010701.
doi: 10.7498/aps.73.20231246
摘要 +
二维铁电材料因具有自发极化特性, 在铁电场效应晶体管、非易失性存储器和传感器中具有广泛的技术和器件应用. 特别是第Ⅳ主族单硫属化合物具有最高的理论预测热电特性和本征的面内铁电极化特性, 适合作为探索二维铁电极化特性的模型材料. 然而, 由于相对大的解理能, 目前不容易获得高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物, 严重阻碍了这些材料应用到快速发展的二维材料及其异质结研究中. 本文采用分子束外延方法在Cu(111)衬底上成功制备单层GeS. 通过高分辨扫描隧道显微镜, 原位X射线光电子能谱和角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算, 对单层GeS原子晶格和电子能带结构进行了系统表征. 研究结果表明: 单层GeS具有正交晶格结构和近似平带的电子能带结构. 单层GeS的成功制备和表征使得制备高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物成为可能, 有利于该主族材料应用到快速发展的二维铁电材料以及异质结研究中.
原子和分子物理学
2024, 73 (1): 013101.
doi: 10.7498/aps.73.20231236
摘要 +
NO2、NH3、芥子气和沙林是具有代表性的化学毒剂, 它们扩散快毒性强, 因此实现学术界和工业界对它们的快速检测极为重要. 本文使用密度泛函理论研究发现过渡金属Mo原子可以稳定掺杂在二维VS2结构中的S空位上, 且掺杂结构与NO2、NH3、沙林和芥子气之间具有较强的相互作用, 进一步影响VS2对NO2、NH3、沙林和芥子气的气敏性. 本文通过吸附能、吸附距离、Mulliken电荷, 差分电荷密度, 能带图与态密度分析等进一步揭示了影响机理, 并依据电导率、能带等计算结果对4种气体进行区分. 因此Mo原子掺杂的VS2结构可以有效吸附有毒气体, 该研究可以为实验研究者提供充足的理论依据.
2024, 73 (1): 013701.
doi: 10.7498/aps.73.20231243
摘要 +
在精密测量领域中, 高效地制备冷原子团具有重要的意义. 在光晶格钟里, 缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声, 从而提高光晶格钟的稳定性. 本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率, 并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度, 实现了用于199Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备. 实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数, 将三维磁光阱的199Hg冷原子装载率增强了51倍, 提升至3.1×105 s–1, 然后使用压缩磁光阱技术将199Hg冷原子团的温度降低至45 μK, 低于多普勒冷却理论温度. 这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益, 有效地缩短了冷原子团的制备时间, 同时也降低了原子团的温度, 有利于提高光晶格的转移效率, 为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (1): 014101.
doi: 10.7498/aps.73.20230653
摘要 +
本文提出利用级联声光效应器和耦合回音壁模式微球腔的方案来实现非对称传输效果, 并进行理论和实验验证. 实验中利用加热拉锥的方式制备了两段式光纤, 可同时实现声光效应的激发和回音壁模式的耦合. 利用光纤中声光效应将纤芯基模中的矢量模式转换到包层高阶模式, 由于基模中不同矢量模式转换包层模式的矢量模式也不同, 从而产生类似双折射效果, 使输出的包层模式产生偏振变化. 而后通过耦合回音壁模式微腔将包层模式转换回纤芯基模. 由于回音壁模式的偏振选择效果, 使得相反方向入射光能量具有不同的透射特性, 其传输隔离度可达17 dB. 此外, 对两个方向传输的透射率随偏振角度变化进行测试, 测得声光效应带来的偏振变化约为80°. 本文的非对称传输方案继承了声光器件响应迅速、调谐性良好的优势, 同时具有全光纤结构和无工作阈值的特点, 在光开关、光隔离器等场景具有重要的应用潜力.
2024, 73 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.73.20231212
摘要 +
基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应, 提出了一种无磁光学非互易的理论方案. 利用实验可得的合适参数, 实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移. 此外, 将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪, 选择适当的参数, 可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器, 以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器. 半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势, 此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.
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2024, 73 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.73.20231030
摘要 +
采用实时傅里叶变换光谱探测技术, 研究了基于泵浦强度调制的超快掺铒光纤锁模激光器中孤子分子光谱的脉动动力学. 结果表明, 在一定的泵浦强度调制情况下, 孤子分子光谱的脉动周期可由泵浦调制频率进行调控. 同时, 孤子分子脉动幅度以及孤子间相对相位的演化与泵浦调制频率有关. 在较低的调制频率(如1 kHz)下, 光谱脉动的孤子分子内脉冲间的相对相位随传播时间呈现滑动型动力学. 随着调制频率逐渐加大(如20 kHz), 孤子分子内脉冲间的相对相位演化逐渐趋于混乱, 表明脉动孤子分子可能存在固有的共振频率, 与孤子分子的稳定性有关. 研究结果对于深入理解孤子分子的产生与稳定性提升、孤子分子的全光操作及应用具有重要的指导意义.
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2024, 73 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.73.20231278
摘要 +
高功率高光束质量的蓝色激光在激光显示与照明、水下通信和成像、有色金属加工等许多领域具有广泛应用前景. 本文利用增益芯片底部的高反镜分布布拉格反射镜、折叠镜以及后端反射镜构成V型谐振腔, 通过腔内插入非线性晶体LBO, 获得了高转换效率的高功率、高光束质量蓝光输出. 实验研究了非线性晶体的长度、基频激光的线宽、倍频走离角的补偿等不同因素对外腔面发射激光器腔内倍频蓝光输出功率的影响. 在LBO的Ⅰ类相位匹配条件下, 当晶体长度为5 mm, 所用双折射滤波片厚度为1 mm时, 获得超过6 W的491 nm波长蓝光输出, x和y方向的光束质量M2因子均为1.08, 倍频转换效率为63%.
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2024, 73 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.73.20231085
摘要 +
轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)模式激光器在大容量通信系统、激光加工、微粒子操作、量子光学领域研究有潜在应用价值. OAM模式飞秒光纤激光器具有结构简单、成本低、峰值功率高等优势而被重点研究. 当前OAM模式飞秒光纤激光器在重复频率、脉冲宽度、光谱宽度等关键参数上分别都有突破, 但性能难以兼得, 且重复频率目前在数十MHz. 本文基于模式相位匹配原理, 制作了大带宽的模式耦合器, 结合非线性偏振旋转锁模机理, 通过优化腔内的色散, 搭建了百兆赫兹重复频率的OAM模式飞秒光纤激光器. 实验结果表明, 一阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达113.6 MHz, 脉冲半高全宽98 fs, 10 dB带宽可达101 nm; 二阶OAM模式光纤激光器的重复频率可达114.9 MHz, 脉冲半高全宽60 fs, 10 dB带宽可达100 nm. 相对于已报道的方案, 本文报道的方案在重复频率、脉宽和光谱宽度等关键参数上综合性能较好, 有望更广泛地应用于OAM通信、粒子操控等研究领域.
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2024, 73 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.73.20231049
摘要 +
中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用, 然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源, 很难实现中红外精密光谱测量. 本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术, 分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性, 利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考, 基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定. 经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz, 压窄激光线宽的同时稳定了激光频率, 将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h. 其中, 为了获取长时间稳定的光学反馈, 基于PDH技术获取了误差信号, 用于对反馈相位的实时伺服控制.
2024, 73 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.73.20231272
摘要 +
受激布里渊散射效应具有光谱线宽窄、频率稳定和增益方向敏感等优点, 常用于激光器, 慢光产生和微波光子滤波器等. 本文基于As2S3硫系玻璃、以SiO2为衬底设计了一种亚微米尺寸的带空气狭缝倒置结构脊型波导结构, 具有高达8.22×104 W–1·m–1的后向受激布里渊散射增益系数. 研究显示在该结构的同种光学和声学模式下, 更小的声光场有效模场面积具有更高的后向受激布里渊散射增益系数. 还分析了硫系玻璃的光学损耗对后向受激布里渊散射的影响, 发现当波导长度超过最优值后, 斯托克斯光波功率开始下降, 而增大泵浦光功率不仅可以提高斯托克斯光波功率的极大值, 同时还会增大波导长度的最优值. 当所输入的泵浦光功率为20 mW时, 受激布里渊散射增益达到100 dB波导长度仅需要2 cm, 这非常有利于光子器件的片上集成.
2024, 73 (1): 014207.
doi: 10.7498/aps.73.20231291
摘要 +
基于平行平板电极的变焦液体透镜的有关研究, 通过应用介电泳效应, 提出了一种含有圆孔平板电极结构的双凸液体透镜模型, 是一种新型的三层液体透镜结构. 利用Comsol, Matlab和Zemax软件仿真分析了该模型在不同电压下的面型变化与成像光路, 得出其变焦范围为22.6—15.9 mm, 并对制备的器件进行具体的实验分析, 获得了不同电压下双凸液体透镜的液滴上下界面面型和该透镜的变焦范围23.8—17.5 mm, 与仿真结果基本一致, 而且其成像分辨率可达到45.255 lp/mm. 结果表明, 所提出的这种新型三层液体结构的双凸液体透镜具有结构简单、易于实现的特点, 而且具备良好的成像质量.
2024, 73 (1): 014208.
doi: 10.7498/aps.73.20231155
摘要 +
针对高温压力测量需求, 提出了一种温度弱敏感的光纤微机械电子(MEMS)压力传感技术. 该技术采用非本征光纤法布里-珀罗干涉模型, 利用MEMS压力敏感膜片对干涉光信号进行被动调制, 进而实现压力信号测量. 通过仿真计算热应力和材料自身热膨胀引入的温度寄生响应来分析温度信号对膜片位移的影响. 在此基础上结合亚微米级白光干涉响应技术和低热应力封装工艺, 研制了高温压力传感器样机. 实验测试结果表明, 在20—400 ℃范围内, 可满足0—100 kPa压力测量, 由温度变化引入测量误差低于4%.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (1): 015101.
doi: 10.7498/aps.73.20230712
摘要 +
基于二维流体模型, 研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响. 对于两种放电, 随着预电离的增强, 带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移, 使得阴极位降区不断收缩. 从垂直放电方向来看, 正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大, 电子、离子密度的分布更加均匀. 对于电场而言, 随着预电离的增强, 阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩, 阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀. 电场的纵向分量分布逐渐减小, 同时电场区域逐渐向壁面收缩. 维持电压和放电功率都明显地降低. 此外, 随预电离的增加, 短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区, 而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区. 仿真结果表明, 预电离能够有效增强放电均匀性, 并降低放电维持电压和能量消耗. 该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.
编辑推荐
2024, 73 (1): 015201.
doi: 10.7498/aps.73.20231216
摘要 +
受温度及密度等环境效应影响, 温稠密物质的电子结构发生显著变化, 其理论描述非常复杂, 精密实验测量亦极其困难. 本文发展了基于X射线荧光光谱研究温稠密物质离化分布的实验方法, 结合理论研究有助于深入理解温稠密物质的电子结构变化. 在万焦耳激光装置上, 设计特殊构型黑腔复合加载产生数十eV、近固体密度的稠密Ti物质, 利用激光辐照V产生的热发射线泵浦Ti的荧光, 并采用晶体谱仪诊断样品的X射线荧光光谱. 实验中获得冷样品和加载样品的荧光光谱, 观测到加载样品Kα及Kβ荧光谱线相对于冷样品光谱在高能侧的显著变化, 结合理论计算解释了加载样品荧光谱线的变化主要来源于其温度上升后离化分布的改变, 建立了基于X射线荧光光谱的温稠密物质离化分布实验研究能力.
2024, 73 (1): 015202.
doi: 10.7498/aps.73.20231283
摘要 +
气体火花开关在脉冲功率技术中得到了大量应用, 但由于脉冲功率技术大电流高电压的特点, 气体火花开关在使用过程中很容易对电极表面造成烧蚀, 烧蚀产生的金属微粒会显著影响开关的稳定性和可靠性. 本文首先针对大气压氮气环境下的三电极气体火花开关放电过程进行建模, 对触发极边缘高场强区域的电离系数进行修正, 使用场致电子发射电流模拟初始电子产生的过程, 深入探究开关导通的物理机理, 详细叙述开关击穿过程各阶段的放电形态. 接着研究了金属微粒对于击穿过程的影响, 研究表明金属微粒的存在增强了触发极附近的电场, 加速了初始电子云的产生, 同时金属微粒与触发极之间会率先击穿, 并成为后续流注发展的源头. 除此之外, 金属微粒对于流注的传播具有阻碍作用, 使放电通道产生分支. 最后本文讨论了不同形状以及尺寸的金属微粒对于放电过程的影响, 这些都为进一步研究三电极气体火花开关放电过程以及金属微粒诱发开关击穿的物理机理提供了理论支撑.
2024, 73 (1): 015203.
doi: 10.7498/aps.73.20231158
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极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环, 激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一. 本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型, 对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟, 模拟复现了放电过程中的箍缩现象, 得到的极紫外光的转化效率与实验符合. 研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响, 该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (1): 016301.
doi: 10.7498/aps.73.20231279
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紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料, 研究掺杂效应有助于理解其物理本质, 对进一步开发纳米电子器件具有重要意义. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了非金属元素B, C, N, O掺杂单层紫磷烯的电磁性质. 计算结果表明, B和N掺杂之后没有产生磁性, 体系依旧表现为非磁性半导体; 而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂, 紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体, 其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上. 电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转, 当施加一定大小的正向或反向的静电场时, 能带色散程度变强, 氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体. 基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转, 表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.
2024, 73 (1): 016801.
doi: 10.7498/aps.73.20231296
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气-液-固三相接触线薄液膜微观结构认识不清使得动态接触角预测问题始终存在争议. 本文通过大规模分子动力学模拟研究液滴动态润湿过程, 获得了完全浸润液滴前进接触线区域的前驱液膜结构、部分浸润液滴前进接触线区域的纳米级凸起结构. 首次在模拟中获得了微观接触角与宏观接触角随时间的动态演变规律. 分子轨迹追踪揭示了接触线薄液膜区域流体在固体表面摩擦作用下, 随速度增大从滑动为主向滚动为主的模式转变, 进而在底层出现气体裹挟导致滑移、发生溅射的机制. 本研究为进一步构建普适的动态接触角预测模型提供了关键物理依据.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.73.20231252
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随着体系维度的降低, 材料内部的量子限制效应和电子关联作用会相应地增强, 往往可以衍生一些新奇的物理特性. 在钙钛矿材料中, 姜泰勒扭曲和轨道序通常会引起丰富的电子关联行为. 本文通过第一性原理计算、对称性分析和蒙特卡罗模拟等方法, 对比研究了钙钛矿氟化物KCuF3及其单层结构, 揭示了钙钛矿二维化引起的晶格动力学、结构、电子及磁性质等方面的变化. 结果表明, KCuF3块体中出现的协作姜泰勒扭曲和面内交错轨道序可以维持到单层极限, 导致单层为二维铁磁绝缘体. 与块体相不同的是, 在单层中姜泰勒扭曲模式作为原型相的软模出现, 且单层的绝缘性不依赖于姜泰勒扭曲的出现, 而是与电子关联效应的增强有关. 本文为研究二维钙钛矿材料以及设计基于钙钛矿的二维铁磁体提供了指导和借鉴.
2024, 73 (1): 017102.
doi: 10.7498/aps.73.20231147
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采用基于密度泛函理论的GGA+U方法, 计算了本征和Si掺杂β-Ga2O3的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质. 结果表明, Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成, 得到的β-Ga2O3带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好, 且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂. Si掺杂后, 总能带向低能端移动, 费米能级进入导带, 呈现n型导电性; Si-3s轨道电子占据导带底, 电子公有化程度加强, 电导率明显改善. 随着Si掺杂浓度的增加, 介电函数ε2(ω)的结果表明, 激发导电电子的能力先增强后减弱, 与电导率的量化分析结果一致. 光学带隙增大, 吸收带边上升速度减慢; 吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga2O3具有较强的深紫外光电探测能力. 计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga2O3实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.
编辑推荐
2024, 73 (1): 017801.
doi: 10.7498/aps.73.20231322
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TmFeO3具有磁光效应、多铁性和自旋重取向等丰富的物理特性, 在凝聚态物理和材料物理领域具有重要的研究价值. 本文利用时域太赫兹低温磁光谱, 研究 TmFeO3单晶在1.6 K温度下自旋共振频率随外加磁场的变化规律, 并表征其内部复杂的相互作用. 结果表明, 随磁场增加TmFeO3单晶的准铁磁共振向高频移动, 而准反铁磁共振在临界磁场(2.2—3.6 T)转变为准铁磁共振, 通过磁结构分析和理论拟合, 证实单晶磁矩发生了磁场诱导的自旋重取向. 本研究有助于深入理解稀土正铁氧体在外磁场、温度场综合作用下, 内部磁结构的调控机制, 开发相关的自旋电子学器件.
2024, 73 (1): 017802.
doi: 10.7498/aps.73.20231269
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金属基金刚石复合材料被广泛应用和研究, 但金刚石表面预处理所导致的空位、掺杂等缺陷对金属基与金刚石界面性能有很大影响. 尽管透射电子显微镜和能谱分析等技术已用于缺陷检测, 但这些方法存在局限性. 通过计算金刚石中正电子湮灭寿命, 可以准确评估金刚石的界面缺陷. 本文利用第一性原理计算方法, 采用多种正电子湮灭算法和增强因子, 计算了金刚石理想晶体、单空位、掺杂B, Cr, Mo, Ti, W和Zr后的正电子湮灭寿命. 结果显示, 在采用局域密度泛函时, 结合Boronski & Nieminen算法以及随机相位近似限制作为湮灭增强因子时, 计算得到的正电子湮灭寿命与文献的实验结果更吻合. 同时, 金刚石中B和Cr的掺杂使正电子湮灭寿命从由单空位119.87 ps增加为148.57 ps和156.82 ps. 总体来说, 金刚石中的空位和掺杂原子缺陷都会引起正电子湮灭寿命的变化. 这些发现为理解和优化金刚石界面提供了有价值的理论依据.
地球物理学、天文学和天体物理学
编辑推荐
2024, 73 (1): 019101.
doi: 10.7498/aps.73.20231087
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本文基于高压研究及超硬材料生产所用的静高压立方大腔体(六面顶)压机的需要, 制备了源于南非叶腊石矿的两种(A和B)叶腊石粉压块, 并与同工艺国产(北京门头沟)黄色叶腊石粉压块进行比较, 以此建立评估叶腊石传压及密封性能的实验方法与物理判据. 采用Bi, Tl, Ba等标压物质原位标定了以上3种叶腊石压腔中心位置及密封边处的压力; 同时, 采用银熔点法分别获得了3种叶腊石作传压密封材料时高温下腔体压力与系统加载的对应关系. 结果表明, 在相同加载油压下南非叶腊石B粉压块和国内叶腊石粉压块中心位置的压力差值不超过0.1 GPa, 在升压和降压过程中叶腊石块中心位置与密封边位置的压力差值也更为相近. 相比于南非叶蜡石A粉压块, B粉压块在高温传压和密封性能上更接近国产叶腊石粉压块.
