综述
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2024, 73 (10): 108702.
doi: 10.7498/aps.73.20240159
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目前, 基于纳米孔的传感器已经成为了分析生物标志物的重要工具, 包括但不限于核酸, 蛋白质以及其他在生命活动中发挥重要作用的分子. 作为一种创新的单分子检测技术, 纳米孔传感本身并不具有特异性, 通过表面官能化以及分子探针技术可以提升纳米孔传感对样本中的目标生物标志物的响应灵敏度. 本文首先介绍了纳米孔传感的原理、分类, 然后讨论了纳米孔表面改性的方法以及近年来纳米孔传感中待测分子特异性增强技术的发展和应用, 特异性增强技术主要包含表面官能化以及分子探针两种形式, 其中表面官能化以官能化分子类别分类, 分子探针以载体形式分类. 最后, 本文总结了纳米孔传感仍然存在的若干挑战, 并对纳米孔未来发展提出了若干建议.
总论
2024, 73 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.73.20240227
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双重孔隙介质模型考虑了岩石非均质性诱发的介观流对弹性波频散和衰减的影响, 在非均质储层地震资料定量解释中取得良好的应用效果. 基于双重孔隙介质理论模型, 利用数值算法开展弹性波模拟工作不仅可以直观显示波的传播特征, 同时也为后期地震反演成像工作奠定基础. 本文基于Santos-Rayleigh部分饱和双重孔隙介质模型, 利用交错网格有限差分算法模拟并分析了双重孔隙介质中的波场快照和波形曲线. 采用Zener黏弹性模型近似表征介观流机制, 结果表明Zener模型能够较好地反映快纵波传播特征, 却无法表征慢纵波P3波在低频段的衰减特征. 利用时间分裂法解决波动方程的刚性问题, 提高计算效率. 利用解析解验证了有限差分算法正确性的基础上, 模拟了均匀介质和分层介质中的波场快照和波形曲线, 清晰直观地反映了快纵波在地震频段的强衰减特征, 与双重孔隙理论模型预测结果一致. 模拟结果有助于进一步理解非均匀部分饱和孔隙介质中的弹性波传播特征.
2024, 73 (10): 100301.
doi: 10.7498/aps.73.20240116
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可移动量子存储器是实现长距离量子通信的一种可行方案, 该方案需要量子存储介质拥有小时量级的存储寿命. 同位素提纯151Eu3+:Y2SiO5晶体是实现这一应用的重要候选材料, 但其较宽的非均匀展宽对其光存储效率和自旋存储寿命都构成了显著限制. 本文自主生长了不同掺杂浓度的同位素提纯151Eu3+:Y2SiO5晶体, 讨论了影响非均匀展宽的机制和未来进一步控制非均匀展宽的方法, 为超长寿命可移动量子存储器的实现奠定了基础.
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2024, 73 (10): 100401.
doi: 10.7498/aps.73.20240181
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本文报道了一种基于微纳光纤中双模式干涉的亚波长聚焦方法. 利用微纳光纤中两种特定导模在微纳光纤端面处的干涉效应, 在微纳光纤端面出口处获得了具有单焦点或多焦点的聚焦光场, 并可通过调节两个模式之间的相位差、功率比分别实现聚焦光场的焦深、焦斑相对强度调谐, 从而实现对纳米颗粒可调谐的选择性捕获. 根据聚焦光场中不同焦点处所对应的捕获刚度和势阱深度的不同, 可以对不同大小的纳米颗粒实现分类. 这种微型化全光纤的亚波长聚焦方法, 将可应用于操纵纳米颗粒、超分辨率光学成像和纳米光刻等领域.
2024, 73 (10): 100501.
doi: 10.7498/aps.73.20240105
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以铁电纳米线为填料的复合薄膜表现出了满足固态制冷需求的高绝热温变, 其平行分布填充的纳米线因和传统垂直分布的取向不同, 被认为是获得大电卡效应的关键因素, 然而其大电卡效应的内在机理尚不十分明确. 因此本文以PbTiO3纳米线为研究对象, 建立平行分布纳米线模型, 通过相场模拟研究表面应力和固溶改性对其电卡效应的影响. 结果表明, 表面应力和固溶改性能够分别调控纳米线相变温度并获取大的绝热温变, 并最终实现了在600 kV/cm电场下, 0—300 ℃的宽温度区间获得大于6 K绝热温变的效果. 同时结合三维畴结构的演变, 揭示了诱发不同畴翻转类型是平行分布纳米线结构获得大电卡效应的内在机理. 通过本研究为基于平行分布铁电纳米线电卡效应的固态制冷技术发展提供了有益的理论指导.
2024, 73 (10): 100502.
doi: 10.7498/aps.73.20231792
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忆阻器可以用来模拟生物神经突触和描述电磁感应效应. 为了探索电磁感应作用下异构神经网络的动力学行为, 本文首先使用双局部有源忆阻器耦合一个Hindmarsh-Rose (HR)和两个FitzHugh-Nagumo (FN)神经元, 构成忆阻电磁感应下分数阶异构神经网络. 然后利用相图、分岔图、李雅普诺夫指数谱和吸引盆等动力学分析方法, 对该网络进行数值研究. 结果表明该神经网络表现出丰富的动力学行为, 包括共存行为、反单调现象、瞬态混沌和放电行为等, 为研究人脑放电行为提供支持, 随后进一步利用时间反馈控制方法实现了双稳态的控制. 最后, 在嵌入式硬件平台上实现了该神经网络, 验证了仿真结果的有效性.
原子和分子物理学
2024, 73 (10): 103101.
doi: 10.7498/aps.73.20240187
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近年来单结太阳能电池的光电转换效率逐步提高, 但其最高效率受到Shockley-Queisser (SQ)极限的限制. 为了超越SQ极限, 学者们提出了叠层太阳能电池. 本工作结合第一性原理计算和SCAPS-1D器件模拟对黄铜矿化合物CuGaSe2/CuInSe2叠层太阳能电池进行了系统的理论研究. 首先通过第一性原理计算获取了CuGaSe2 (CGS)的微观电子结构、缺陷特性及对应的宏观性能参数, 作为后续器件模拟CGS太阳能电池的输入参数. 随后采用SCAPS-1D软件分别对单结CGS与CuInSe2 (CIS)太阳能电池进行了仿真模拟. 单结CIS太阳能电池的模拟结果与实验值具有良好的一致性. 对单结CGS电池而言, 在短路电流(Jsc)最高的生长环境下进一步模拟发现, 将电子传输层(ETL)换为ZnSe后可提高CGS太阳能电池的开路电压(Voc)和PCE. 最后, 将优化后的CGS与CIS太阳能电池进行了两端(2T)单片串联的器件模拟, 结果显示在生长环境为富Cu、富Ga、贫Se, 生长温度为700 K时, 2T单片CGS/CIS叠层太阳能电池的PCE最高为28.91%, 高于当前最高的单结太阳能电池效率, 展现出良好的应用前景.
2024, 73 (10): 103102.
doi: 10.7498/aps.73.20231871
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本文分别采用单、双和微扰处理三激发耦合簇方法与自旋非限制的开壳层耦合簇方法对CO2, OCS, CS2及其对应阴离子${\text{CO}}_2^ - $ , ${\mathrm{OC}}{{\mathrm{S}}^ - }$ , $ {\mathrm{C}}{\text{S}}_2^ - $ 进行高精度的从头算研究. 我们计算了这些分子在一系列相关一致基组aug-cc-pV(X+d)Z (X = T, Q, 5) 以及完全基组极限下的基态平衡几何结构, 并研究了芯-价电子相关与标量相对论效应的影响, 计算结果与已有文献报道结果吻合较好. 基于计算的几何结构, 获得了中性分子CO2, OCS, CS2的绝热电子亲和能, 系统考察了不同基组以及零点能修正对这些分子电子亲和能的影响, 给出了考虑各种修正下3种分子准确的电子亲和能. 本文将丰富含碳三原子分子的光谱常数和电子亲和能等分子参数的信息, 可为实验光谱研究提供重要参考.
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2024, 73 (10): 103103.
doi: 10.7498/aps.73.20240177
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本文使用组态相互作用加多体微扰理论方法对Al+光钟态3s2 1S0和3s3p 3P0的“幻零”波长进行了理论计算. 3s2 1S0态的“幻零”波长为266.994(1) nm, 3s3p 3P0态的“幻零”波长为184.56(7) nm, 174.4(1) nm, 121.5(1) nm和119.7(2) nm. 精确测量这些“幻零”波长, 有助于高精度确定光钟态相关跃迁的振子强度或者约化矩阵元, 进而降低Al+光钟黑体辐射频移评估的不确定度. 同时, 对这些“幻零”波长的精密测量, 对研究Al+原子结构具有重要意义.
2024, 73 (10): 103104.
doi: 10.7498/aps.73.20240213
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中高Z元素的原子数据如碰撞电离和碰撞激发截面在聚变工程、X射线与物质相互作用等工程及研究领域有非常广泛的需求. 高能量密度等离子体中存在从基态到激发态的原子和各价态离子, 其碰撞电离和碰撞激发截面需要分别计算. 本文以73号元素钽(Ta)为例, 基于相对论性Dirac-Fock理论和扭曲波模型计算了基态Ta原子到Ta72+离子在入射电子能量范围为1—150 keV的碰撞电离与碰撞激发截面, 并与相关实验和理论模型符合较好. 通过分析Ta的碰撞电离和碰撞激发截面数据中的规律, 给出两种减少计算量的方法: 对初态能级进行随机抽样、筛去贡献小的反应道, 并对计算量的优化程度和误差做出评估. 最终结果可在误差5%内将计算效率提高一个数量级, 本文所提方法可推广至其他中高Z元素的计算.
2024, 73 (10): 103105.
doi: 10.7498/aps.73.20240026
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为了研究光电分解水体系中具有热等离激元效应的Au-TiO2电极的界面热输运特性, 本文采用非平衡分子动力学方法研究了温度、界面耦合强度以及添加石墨烯层对Au-TiO2界面热导的影响, 并通过声子态密度对界面热导的变化进行了分析. 研究结果表明, 当体系温度从300 K增加到800 K时, Au-TiO2界面导热系数增加了78.55%, 这与更多的低频声子参与界面热输运相关, 更多的热量传递到TiO2上可促进界面反应. 随着Au与TiO2界面耦合强度的增大, 界面热导率可通过TiO2和Au的声子态密度的重叠程度得到优化. 添加单层石墨烯可提高Au-TiO2结构的界面热导, 其中0—30 THz的低频区声子对导热贡献最大, 但添加2层和3层石墨烯, 石墨烯层与层之间的相互作用力阻碍了界面传热, 且在低频区的声子数量有所降低, 不利于热量在Au和TiO2之间进行传递.
2024, 73 (10): 103106.
doi: 10.7498/aps.73.20240034
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采用分子动力学的方法对纳米液滴撞击高温平板壁面产生的Leidenfrost现象进行了探究, 分析了液滴撞击不同温度壁面对Leidenfrost现象的影响. 结果表明, 随着壁面温度的提升, 液滴蒸发的速度更快, 脱离壁面的时刻越早, 脱离壁面时的速度也越大, 最终悬浮时液滴体积也越大. 通过分析脱离壁面前一时刻液滴内部的密度、温度分布发现, 由于高温壁面具有更高的热通量致使蒸发过程更快进而产生更厚的蒸气层, 该蒸气层将阻碍换热, 使得液滴在壁面温度更高时液滴内部的平均温度越低, 且平均密度越小.
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2024, 73 (10): 103701.
doi: 10.7498/aps.73.20240135
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光学偶极阱俘获的中性原子阵列是多体物理、量子计算、量子模拟等领域的重要实验平台. 本文详细介绍了制备包含40个铯原子的一维均匀单原子阵列的实验过程, 包括偶极阱阵列的产生装置、原子阵列荧光成像以及偶极阱阵列均匀性优化. 偶极阱阵列的非均匀性主要是由声光偏转器(AOD)衍射效率的非线性和多频率射频信号在功率放大过程中的互调效应引起. 测量偶极阱光强和受俘获原子光频移的起伏并反馈优化施加于AOD多频率射频信号的相位和振幅, 将偶极阱阵列的强度均匀性优化为2%. 另外, 实验测量了偶极阱阵列内原子的振荡频率、装载率和寿命的均匀性. 结果显示, 振荡频率均匀性为2%; 单原子平均装载率为58%, 阱中原子的光谱一致性为3%; 单原子暗阱平均寿命约为6(1) s, 不同原子寿命的起伏为8%.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2024, 73 (10): 104101.
doi: 10.7498/aps.73.20240301
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本文采用玻璃毛细管产生了大气环境中工作的2.5 MeV质子外束微束, 并对束斑直径及能量分布随玻璃毛细管与束流方向之间角度(倾角)变化进行测量. 测量结果表明, 在玻璃毛细管轴向与束流方向一致时(倾角为0°), 产生的微束中存在保持初始入射能量的直接穿透部分以及散射部分, 其中直接穿透的质子占比最大, 束斑直径也最大. 随着玻璃毛细管倾角的增大, 当其大于几何张角时, 束斑直径变小, 产生的微束全部为能量减小的散射部分, 直接穿透质子消失. 我们对质子在玻璃毛细管内传输时的内壁散射过程进行了模拟计算及离子轨迹分析, 发现大角度的散射部分决定了形成的外束微束斑外围轮廓, 而束斑中心区域由不与毛细管内壁产生任何作用的直接穿透离子构成, 其大小由玻璃毛细管出口直径以及几何容许张角决定. 采用玻璃毛细管产生的外束微束具有产生简单廉价, 微束区域定位简单的特点, 有望在辐射生物学、医学、材料等领域得到广泛应用.
2024, 73 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.73.20240176
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具有远场超分辨聚焦特性、消色差、小尺寸和易加工的光学聚焦器件在光学成像、光学显微和光刻等领域具有巨大应用潜力. 本文提出了一种基于光学超振荡基本原理, 结合角谱衍射理论和二进制粒子群算法的二值振幅型远场超分辨消色差聚焦器件设计方法. 为了验证所提出设计方法, 首先针对波长λ1 = 405 nm, λ2 = 532 nm和λ3 = 632.8 nm的径向偏振光对二值振幅型远场超分辨聚焦器件振幅进行优化设计, 再对三者振幅分布进行逻辑“与”操作, 使其同时含有3个工作波长远场超分辨聚焦的振幅分布信息. 仿真结果表明: 在3个波长入射条件下相应的峰值半高全宽分别为0.441λ1 (0.179 μm), 0.469λ2 (0.249 μm)和0.427λ3 (0.270 μm), 低于阿贝衍射极限, 实现了远场超分辨消色差聚焦, 且同时聚焦较小的旁瓣比率(<15%). 此类器件具有易加工、消色差和超分辨等优点, 适用于光学系统微型化、集成化. 所提出的设计方法可拓展至其他光学波段, 并为相关光学研究领域提供核心聚焦器件.
2024, 73 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.73.20231902
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由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性, 因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的. 近年来, 随着深度学习应用于粒子计算层析成像, 如何提高神经网络的处理效率和质量, 以消除稀疏采样所致的粒子层析图像伪影噪声仍然是一个挑战性课题. 为解决这一问题, 本文提出了一种新的抑制粒子场层析成像伪影噪声和提高网络效率的神经网络方法. 该方法在设计上包含了轻量化双残差下采样图像压缩和特征识别提取、快速特征收敛的上采样图像恢复, 以及基于经典计算层析成像算法的优化信噪比网络输入样本集构建. 对整个成像系统的模拟分析和实验测试表明, 相比于经典的U-net和Resnet50网络方法, 本文提出的方法不仅在输出/输入的粒子图像信噪比、重建像的残余伪影噪声(即鬼粒子占比)和有效粒子损失比方面获得了极大的改进, 而且也显著提高了网络的训练效率. 这对发展基于稀疏采样的快速和高质量粒子场计算层析成像提供了一个新的有效方法.
2024, 73 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.73.20240233
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开放量子系统是新兴量子科技不可或缺的量子平台, 也是量子物理中非常重要的研究领域, 其中丰富的动力学现象引起了人们广泛的关注. 例如, 某些情况下系统在弛豫至稳态之前一般会经历漫长的动力学过程, 即亚稳动力学过程. 完整描述这种复杂而又缓慢的动力学过程往往非常困难. 针对该问题, 本文研究了如何在刘维尔的慢变本征模式子空间中对亚稳动力学过程进行低维度的近似描述, 从而简化计算难度. 然后, 针对电磁感应透明条件下的里德伯原子系统, 研究了其亚稳动力学过程的有效描述, 并讨论了该有效描述和真实动力学之间的误差. 本文的研究为建立开放多体系统动力学过程的有效简化描述提供了一种可行的思路和方法.
2024, 73 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.73.20231643
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纳米激光器作为光学源的重要组成部分, 其非线性动力学更是成为近年来研究的热点之一. 本文针对级联耦合纳米激光器系统中时延特征和带宽特性进行了研究. 引入0-1混沌测试对纳米激光器的动力学特性进行了量化, 利用自相关函数分析激光器输出信号中的时延特征. 仿真中, 针对中间纳米激光器是否带有明显时延特征峰的两种情况进行对比分析. 研究结果表明: 选择合适的系统参数, 可以使从纳米激光器始终输出无明显时延特征的宽带混沌信号. 通过改变频率失谐参数使得中间纳米激光器存在明显的时延特征, 此时从纳米激光器可以在较小的参数区间内输出时延抑制及带宽增强的混沌信号, 当中间纳米激光器时延信号完全隐藏时, 从纳米激光器可以在较大的参数平面上实现时延特征的抑制, 同时带宽得到明显展宽. 此外, 还通过绘制频率失谐及注入强度下从纳米激光器输出的二维空间分布图和带宽线图, 确定了纳米激光器在混沌信号下能够同时实现抑制时延特征与带宽增大的较宽参数范围. 这对于实现保密性增强的混沌光通信应用提供了重要理论基础.
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2024, 73 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.73.20240040
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能谷光子晶体是研究拓扑光子学的重要平台之一, 基于能谷光子晶体的新型光波导支持抗散射传输的能谷依赖边界态, 提高了波导中的急弯传输效率, 为光信息高效传输提供了新思路. 另一方面, 对称性在拓扑学和光子晶体研究中具有重要的物理意义和研究价值. 例如, 能谷光子晶体在破缺空间反演对称性的情况下表现出类量子能谷霍尔效应. 目前, 大多数能谷光子晶体具有C3对称性, 而具有更低对称性的能谷光子晶体是否能够支持拓扑光传输仍然需要研究. 本文通过调整能谷光子晶体的原胞形貌, 构建了低对称性能谷光子晶体, 并研究了其边界态的传输特性. 研究结果表明, 相对于C3对称性能谷光子晶体, 低对称性能谷光子晶体的光子禁带变窄, 但其边界态仍然能够实现单向激发以及抗散射传输. 这一发现丰富了拓扑光子结构的多样性, 为在低对称性结构中寻找拓扑保护光传输行为提供了指导.
2024, 73 (10): 104206.
doi: 10.7498/aps.73.20231885
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空间相干光通信被认为是突破现有高速空间通信瓶颈的重要手段, 但其应用受到大气湍流的极大限制. 为此, 本文首先基于Huygens-Fresnel原理和低频补偿功率谱反演法, 研究了高斯光束经大气湍流传输后振幅和相位的随机分布特性; 然后, 利用相干混频效率及通信误码率模型, 获得大气湍流对空间相干光通信系统性能的影响规律; 最后, 搭建激光外差探测实验系统, 定量研究了大气湍流对空间相干光通信相干探测性能的影响. 结果表明: 弱湍流条件下, 空间相干光通信性能几乎不受大气湍流的影响; 中等强度湍流影响下, 相干混频效率会随着湍流强度的增大而迅速下降, 但通过提高单比特光子数可以有效抑制湍流对通信性能的负面影响; 强湍流会显著破坏光束相干性, 使得相干混频效率趋近于零, 即使提高单比特光子数也无法有效改善通信性能. 大气湍流是空间相干光通信发展的重要限制因素, 该研究可为空间相干光通信系统性能评估提供有益参考.
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2024, 73 (10): 104207.
doi: 10.7498/aps.73.20240171
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在微纳光纤拉锥制备过程中, 对直径的大范围、高精度和动态实时性测量是实现低损耗传输和色散调控的关键. 针对现有传统制备方法直径调控范围小、操作复杂及耗时长等问题, 本文基于深度学习神经网络算法实现了微纳光纤自动检测系统. 利用计算机视觉中的图像分割方法, 通过制作高质量多尺度微纳光纤数据集, 使用基于小目标检测改进的YOLOv8−FD算法对微纳光纤直径进行自动检测. 在数据集中获得了平均均值精度高达mAPIoU=50 = 0.975和mAPIoU=50—95 = 0.765的性能参数. 实验结果表明, 该系统可实现微纳光纤直径462 nm—125 μm范围, 误差2.95%以内的测量和自动化制备, 并随着光纤直径增长, 误差逐渐缩小, 且该系统光学成像单个像素分辨率为65.97 nm, 平均检测时间为9.6 ms. 本文工作适用于对微纳光纤的高精度实时测量和自动精确制备, 为低损耗传输和色散可调的微纳光纤器件发展提供新的思路.
2024, 73 (10): 104401.
doi: 10.7498/aps.73.20231953
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超临界类沸腾传热已有初步研究, 对类气-类液界面的定义仍不统一. 采用层流模型对超临界CO2池式传热特性进行流固耦合数值模拟研究, d = 70 μm的铂丝为加热件, 热流密度qw范围为0—2000 kW/m2, 压力P范围为8—10 MPa, 加热丝附近采用多尺度网格进行建模, 模拟值与实验数据吻合较好. 通过与亚临界传热类比通过计算导热占比Qcon/Qt沿r方向变化规律, 将超临界划分为3个区, 当T < TL时为类液区 (liquid-like, LL), TL < T < TM时为类液向类气转变的过度区 (two-phase-like, TPL), T > TM为类气区 (vapor-like, VL), 与用超临界类沸腾干度x分区规律相同; 根据通过计算导热占比确定的类气膜内平均导热λave和导热热阻RG随热流密度qw变化曲线可很好地解释类蒸发区换热系数h随qw的变化规律. 本文提出了确定超临界池式传热类气-类液界面的新方法, 较好地解释了类蒸发区传热机理, 为后续超临界类沸腾池式传热的发展提供了理论基础.
2024, 73 (10): 104701.
doi: 10.7498/aps.73.20240128
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随着高超声速飞行器的不断更新换代, 对成像窗口提出了新的设计要求, 即共形窗口以提高气动特性, 这要求在超声速气膜和光学窗口需要与飞行器机身保持相同的曲率外形. 在马赫数Ma = 6高超声速静风洞中开展了凸曲率壁面(CV)混合层稳定性研究. 采用基于纳米粒子的平面激光散射技术捕获到混合层流场结构, 结合分形维数对混合层失稳规律进行研究. 使用数值模拟技术得到了压力、压缩冲量(Ip)沿流向演化结果. 结果表明: 随着来流总压(P0)的增大, 静压比(RSP)减小, 混合层失稳位置延迟, 典型涡结构移动速度增大. CV壁面由于顺压梯度的存在使得压力沿流向下降, 沿壁面切向的超声速气膜处于工作状态时, 可以提升壁面压力, 随着P0增大, RSP随之降低, 提升效果下降; 流动受到CV的膨胀效应影响, Ip沿流向下降, 超声速气膜可以削弱CV上的膨胀效应从而抑制Ip的下降; 压缩冲量的变化率ΔIp受P0影响显著, 在弯曲冲量|IΦ| = 0.191—3.624内, 当P0 = 0.5 MPa, ΔIp从178.67%降至12.02%; 当P0 = 1.0 MPa, ΔIp从40.38%降至5.64%. ΔIp随|IΦ|增大而降低, 随着P0增大, 降低幅度减小. 结果揭示凸曲率影响下的高超声速混合层流动演化规律, 对高超声速飞行器实现气动减阻与防热特性的外形设计提供一定参考.
封面文章
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2024, 73 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.73.20240298
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水下声学在水下通信、水下定位和导航等方面具有广泛的应用. 借助拓扑物理的概念, 研究水基声子晶体中的拓扑态为水下声波的创新性调控提供了一种全新的手段, 既有基础研究价值, 又有重要的应用前景. 本文设计了一种一维的双层铁栅水基声子晶体, 通过把层间的相对横向平移量等效成一个合成维度, 实现了合成二维狄拉克点. 相对平移量的改变导致二重简并能带打开带隙. 伴随着带隙的打开、闭合以及再次打开, 能带发生翻转, 也就是发生拓扑相变, 从一种能谷相变化到另一种能谷相. 在不同能谷相声子晶体构成的界面处, 能谷陈数保证界面态的确定性存在. 数值仿真与实验测量结果吻合良好, 都展示了不同能谷相声子晶体的体能带以及它们之间的界面态色散. 本文提出的水基声子晶体结构简单, 借助合成维度的概念, 为在低维实空间体系中研究高维体系拓扑特性提供了一种有效的途经, 有望为拓扑功能性水声器件的设计提供新思路. 此外, 可以把实空间体系拓展到二维甚至是三维, 并引入更多的合成维度, 用于研究更高维度体系的拓扑态及其输运特性.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.73.20231862
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磁等离子体发动机在深空探测、载人航天等领域具备广阔的应用前景. 发动机的磁喷管单元将离子能量转化为轴向动能, 对磁喷管中等离子体与磁场分离的物理过程开展研究对提升发动机推进效率具有重要意义. 本文建立了针对磁等离子体发动机中磁喷管的流体数值模型, 并在不同入口离子温度、背景磁场条件下开展了数值模拟. 计算结果表明: 等离子体向下游运动的过程中轴向速度增大, 并与磁力线逐渐分离, 绝热性损失分离机制在分离过程中起主导作用; 入口离子温度升高, 离子轴向速度增大, 离子与磁场分离位置更靠上游, 但不会对阻性分离过程产生影响; 背景磁场增强, 下游离子速度减小, 流线与对称轴的夹角减小, 各种分离机制中绝热性损失分离机制仍起主要作用.
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2024, 73 (10): 105202.
doi: 10.7498/aps.73.20240045
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利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM, 对神光III原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究. 模拟结果表明, 在该参数条件下, 真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程. 入射光的焦斑大小是影响对流受激拉曼侧向散射的关键因素: 在光强保持不变的条件下, 真空腔和充气腔中受激拉曼侧向散射的对流增益会随焦斑增大而增大, 而在功率保持不变的条件下, 会随焦斑增大而减小. 因此改变焦斑尺寸是调控受激拉曼侧向散射对流增益的有效途径.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.73.20240084
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铁电材料是指在一定温度范围内具有自发极化, 且极化方向能被外加电场改变的材料, 而水是一种普遍存在的极性溶剂. 由于极性作用, 铁电材料与水及水溶液的界面存在着复杂的相互作用. 理解这些物理过程以及机制对于理论研究和实际应用都具有重要意义. 本工作利用同步辐射衍射技术研究了(001)方向极化BaTiO3单晶的表面结构, 并且研究了不同pH值液体对表面结构的影响. 结果表明, BaTiO3单晶含有一个电子密度较小的表面层, 并且由于极性的作用, BaTiO3单晶表面吸附了2.6 nm的水层. 表面滴加纯水后, BaTiO3的表面层结构没有明显的改变. 低温原位掠入射X射线衍射实验表明表面存在冰, 进一步验证表面吸附水层的存在. pH = 1的盐酸溶液也对BaTiO3表面结构没有显著影响, 可能是由于酸性溶液能稳定原有的极化方向. 但pH = 13的NaOH溶液可以使表面层变厚, 可能由于碱性溶液可以使表面极化减弱, 从而改变表面退极化场以及表面层厚度.
2024, 73 (10): 106102.
doi: 10.7498/aps.73.20240246
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半金属铁磁体在费米能级附近具有特殊的能带结构, 电子极化率可高达100%, 在自旋电子学领域备受关注. 但是大部分铁磁半金属材料的居里温度远低于室温, 这大大限制了二维铁磁半金属材料的实际应用. 因此寻找具有高居里温度的半金属铁磁体是一项具有挑战性的工作. 本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法, 研究了过渡金属氧化物CrO2单层的晶体结构、电子特性、基态磁性和铁磁相变. 形成能计算、声子谱计算和分子动力学模拟表明CrO2具有动力学稳定性和热稳定性, 弹性常数计算表明CrO2具有力学稳定性. 基于GGA + U和SCAN方法的自旋极化计算表明CrO2单层的磁基态是铁磁态. 采用GGA + U方法计算了CrO2的电子态密度和能带结构, CrO2被确认为一种宽带隙的二维铁磁半金属. 运用蒙特卡罗模拟方法求解Heisenberg模型, 得到CrO2单层是一种居里温度超过400 K的二维本征半金属铁磁体. CrO2单层的高居里温度在二维铁磁材料中并不多见, 在半金属材料中更为稀少, 这将使它成为制备自旋电子器件和研究自旋量子效应的理想材料.
编辑推荐
2024, 73 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.73.20231554
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NO2是一种有毒气体, 能与空气中的其他有机化合物发生反应, 造成空气污染并对人体有很大的危害. 因此, 需要一种气体传感器来检测NO2. 然而, 传统的NO2传感器很难在室温(25 ℃)下工作. 本研究报告了SnS2/In2O3的室温(25 ℃) NO2气体传感, 采用热注入法和水热法制备了In2O3量子点和SnS2纳米片. 凭借SnS2独特的二维结构, 在其上装饰In2O3, 复合增强了其传感性能, 产品采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)进行表征. 结果表明, SnS2/In2O3传感器对体积分数为1×10–6 NO2的响应为26.6, 响应和恢复时间分别为146 s和243 s. 由于异质结结构增加了活性位点的数量, 加速了气体的传输, 促进了电荷转移和气体解吸, 提高了NO2气体传感性能. 这种优异的传感性能在NO2检测中具有广阔的应用前景.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (10): 107201.
doi: 10.7498/aps.73.20240112
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TiNiSn基 half-Heusler高温热电材料具有较高的功率因子, 但其也具有较高的晶格热导率, 这极大地阻碍了其热电性能的提升. 本文采用熔融旋甩快淬与放电等离子烧结工艺制备TiNiCoxSn (x = 0—0.05)样品, 研究磁性Co元素掺杂对材料的相组成、微观结构和热电性能. 结果表明, 该制备工艺能够直接获得纳米晶的TiNiCoxSn样品. 在纳米晶影响下的样品的热导率明显低于块体材料的热导率, 平均降幅约为17.8%. 在Co掺杂后样品的晶粒尺寸进一步降低, 与TiNiSn基体相比, TiNiCoxSn样品的热导率显著降低, 最大降幅约为38.9%, 其中晶格热导率最低值为3.19 W/(m·K), 最大降幅约为42.6%. 随着Co掺杂量x的增大TiNiCoxSn样品出现n/p转变, 电导率随x增大而逐渐下降, 电输运性能劣化, 功率因子缓慢减小, 其中TiNiSn样品在700 K时获得29.56 W/(m·K2)的最高功率因子. ZT值随Co掺杂量x的增大而逐渐降低, TiNiSn样品在900 K时的最大ZT值为0.48. 本工作表明采用熔融旋甩制备工艺及磁性Co掺杂能够有效降低TiNiSn材料的热导率.
2024, 73 (10): 107601.
doi: 10.7498/aps.73.20232006
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本文先构建一束弱探测场和一束强控制场所形成的V型三能级金刚石氮空位（NV）色心电磁诱导透明（EIT）模型, 随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性. 结果表明, 一旦开启强控制场, 体系就会呈现出EIT窗口, 且透明窗口的宽度随着控制场磁感应强度的增加而变宽. 在非线性情况下, 探测场能形成稳定传播的孤子, 且可通过开启和关闭控制场的磁场实现孤子的存储和读取, 可以有效地克服冷原子介质和量子点介质孤子存取的缺陷. 值得一提的是, 体系所存取孤子的振幅还可以通过控制场的磁感应强度来进行调节.
2024, 73 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.73.20231354
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铁电陶瓷在高电场下的击穿问题是困扰铁电陶瓷应用的关键问题之一. 本文统计了铁电陶瓷在正向脉冲电场(4.5 kV/mm)失效概率与脉冲次数的分布关系, 对通过第10次脉冲耐压样品第11次的失效概率进行了分析, 开展了铁电陶瓷经历万次以上的脉冲耐压后压电常数与电滞回线测试研究. 结果表明: 铁电陶瓷的击穿概率与脉冲加电压次数曲线呈现典型的浴盆曲线分布, 经历10次脉冲高压测试合格的样品, 其脉冲耐压失效概率相比于未经历脉冲高压陶瓷样品, 降低了4个数量级以上, 且上述脉冲高压加载接近无损. 考虑到裂纹扩展速度, 多个缺陷导致的裂纹同时扩展并连通是铁电陶瓷在脉冲高电压下断裂的主要原因.
2024, 73 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.73.20240272
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本文设计了由四聚长方体组成的全介质超表面, 其中每个长方体刻蚀两个椭圆柱并填装空气. 当分别为超表面单独引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时, 可在近红外波段产生稳健的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum). 通过测量准BIC (quasi-BIC)模式的谐振波长, 计算准BIC模式的Q因子(quality factor)与不对称参数的关系, 可进一步证实不对称参数对准BIC共振频率和Q因子的可调谐性. 在此基础上, 当同时引入面内对称破缺、位移扰动和周期扰动时, 可获得5个高Q因子的准BIC模式. 共振峰的数量、位置以及Q因子都可通过调整面内破缺、位移扰动和周期扰动的程度进行调控. 该超表面的设计可为传感器的多参数传感以及灵敏度等性能的提升提供一种全新思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.73.20240145
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在脉冲激光沉积技术中引入非均匀磁场, 探索磁场约束激光等离子体条件下生长类金刚石膜的特性, 为进一步提高类金刚石膜中sp3键含量、增强微结构调控提供理论和实验基础. 计算了磁场的磁感应强度及其磁力线分布, 仿真了碳离子在磁场约束下的飞行轨迹, 显示出磁场限制了碳离子的自由膨胀, 使其螺旋前进并向永磁体中心区域聚集. 膜层表面干涉和椭偏测量的拟合参数显示, 磁场的磁感应强度越高, 激光生长类金刚石膜的厚度及光学性能越不均匀. 拉曼光谱及其拟合结果显示, 磁场有利于提高碳网络结构的局部压力、提高膜层中的sp3键含量.
2024, 73 (10): 108501.
doi: 10.7498/aps.73.20240174
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采用第一性原理计算基础上结合非平衡格林函数方法, 开展了N, B原子取代对间苯乙烯低聚物(M-OPE)分子器件量子干涉与自旋输运的调控研究. 研究结果表明N, B原子在中心苯环不同位置取代对M-OPE分子器件原有的相消量子干涉抑制程度不同. 因此, N, B原子在不同位置取代后的器件电导存在较大差异. 研究还发现B原子取代的器件自旋电流值要明显高于N原子取代的器件, 且B原子在特定位置取代后, 器件在负偏压下的自旋电流值要明显大于正偏压下的自旋电流值, 呈现显著的自旋整流效应. 本文得到的N, B原子取代对分子体系量子干涉和自旋输运调控的物理机制, 可以为杂环芳烃在分子电子学中的进一步应用提供理论指导.
2024, 73 (10): 108502.
doi: 10.7498/aps.73.20240235
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脉冲大电流直线驱动装置运行过程中产生的极端工况导致多种损伤形式. 为了研究多场耦合过程并分析多物理参量作用机理, 建立了动态下的电磁场、温度场、结构场数学物理模型. 利用轨道反向运动及接触远端物理量渐进平移不变的特性进行局域求解. 模型还考虑了材料属性温度依赖性, 热应力, 接触面摩擦热等实际因素. 各个物理场采用同一套网格体系, 电磁场以及温度场的有限元离散格式采用欧拉向后差分形式求解, 结构场则采用Newmark法进行求解, 完成多场耦合下的数值模拟. 通过与数值工具EMAP3D、Comsolol在相同模型和输入条件下的计算结果以及相关实验比较, 验证了该模型的可靠性. 本文采用一种C型电枢进行案例计算, 得到了多参量的典型演化过程, 并对速度趋肤效应下的场分布进行了讨论.
2024, 73 (10): 108701.
doi: 10.7498/aps.73.20240271
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双螺旋点扩散函数(double-helix point spread function, DH-PSF)显微可实现纳米尺度的三维单颗粒示踪(three-dimensional single particle tracking, 3D SPT), 被广泛应用于生命科学等领域, 但DH-PSF显微的成像景深和定位精度有限, 限制了其在活体厚样品中的应用. 为了解决此问题, 本文提出了一种基于轴向分光棱镜的多焦面DH-PSF 显微(z-splitter prism-based multifocus DH-PSF microscopy, ZPMDM)方法和系统, 通过将基于轴向分光棱镜的多焦面显微与DH-PSF相结合, 在无需扫描的情况下提高DH-PSF显微的轴向定位范围和定位精度, 解决完整活细胞内3D SPT的大景深探测难题. 通过系统标定, ZPMDM中3个通道的平均三维定位精度分别为σL(x, y, z) = (4.4 nm, 4.6 nm, 10.5 nm), σM(x, y, z) = (4.3 nm, 4.2 nm, 8.2 nm), 以及σR(x, y, z) = (4.8 nm, 4.4 nm, 10.3 nm), DH-PSF的有效景深扩展至6 μm, 实现了大景深范围内的甘油-水混合溶液中的荧光微球示踪, 并初步研究了活巨噬细胞的吞噬现象, 进一步验证了该方法的有效性, 对于3D SPT的发展和应用具有重要意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
2024, 73 (10): 109601.
doi: 10.7498/aps.73.20232031
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微机电系统半导体SiC器件覆多层石墨烯的力学强化性能与塑性变形微观研究, 将对提升该器件耐久性服役寿命期和强韧化机制理解起到显著作用. 因此, 本文基于分子动力学法探讨了石墨烯堆垛类型(AA和AB堆垛)和极端使役温度对其接触力学性能(最大承载荷、硬度、杨氏模量、接触刚度)、微结构演化、接触质量、褶皱形貌、位错总长的影响, 解释了SiC基底覆多层石墨烯力学强化的原子尺度机制. 研究发现: 相同使役温度下, 随覆石墨烯层数增加, SiC基底微结构的棱柱形位错环演化中越早发生脆断; 石墨烯AB堆垛在最大压深时的C—C键断裂会导致石墨烯优异面内弹性变形丧失, 以致其最大承载性呈现断崖式下降. 研究表明: SiC基底覆三层石墨烯的力学强化性能是纯SiC的2倍, 该强化效应不受石墨烯堆垛类型影响, 其力学强化机制主要源于多层石墨烯受载加大会引起石墨烯面内褶皱增大, 从而增大界面接触刚度, 触发界面接触质量减小所致. 使役温度升高, 会激发原子振动频率增大, 诱导界面接触原子数增多, 以致界面接触质量增大, 而界面接触刚度随之减弱, 最终引起SiC基底覆多层石墨烯力学性能随温度升高呈近似直线下降. 此外, SiC基底的亚表层应力集中会诱导基底内的微结构产生滑移与演变; 基底覆石墨烯层数增加可有效减小基底亚表层的应力集中分布程度, 从而对基底起抗载保护作用.
