《物理学报》创刊90周年·封面文章
封面文章
2024, 73 (11): 117802.
doi: 10.7498/aps.73.20240512
摘要 +
黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱, 导致红外波段的大部分能量不能有效利用, 降低了辐射效率. 近年来, 具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究, 这为调控热辐射提供了一个理想的平台. 在超构表面中, 采用合成维度方法为热辐射的精细调控开辟了新路径, 尤其突显了超越传统三维体系的物理特性和丰富的拓扑物理. 相比于在三维系统中探索物理现象, 研究一维或二维系统更为可行和高效. 合成维度的方法通过引入系统的结构或物理参数, 为操控光子系统中的内在自由度提供了可能性. 本文研究了利用合成维度方法实现波长选择热辐射. 首先在超晶格模型中构建合成拓扑外尔点, 通过角分辨热辐射谱(ARTES)对合成外尔锥进行实验表征, 在实现了合理的波长选择热辐射的同时能够尽可能地抑制其他波长的辐射, 对于实际的红外应用, 如热光伏和热管理装置, 是必不可少的.
综述
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2024, 73 (11): 110701.
doi: 10.7498/aps.73.20240353
摘要 +
范德瓦耳斯材料凭借独特的结构和优异的性能在应变工程领域引起了广泛的关注. 通过改变原子晶格和电子结构, 应变可以调控范德瓦耳斯材料的物理性质, 最终实现高性能的新原理电子器件. 首先总结了诱导原位应变的实验方法, 然后通过回顾范德瓦耳斯磁性、超导和拓扑材料在原位应变调控研究的最新进展, 以及应变相关的器件应用开发, 探讨该领域当前面临的挑战和未来的机遇.
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2024, 73 (11): 117102.
doi: 10.7498/aps.73.20240289
摘要 +
外场激励通过调控强关联氧化物中自由度间的关联耦合作用, 触发其发生多重莫特电子相变和轨道重构, 在强关联电子相变氧化物体系中发现了丰富的新奇物性和量子转变, 为构筑新型类脑神经元逻辑器件、磁电耦合器件及能量转换器件奠定基础, 引起了凝聚态物理领域的广泛关注. 本工作系统地回顾了国内外科研团队在强关联氧化物电子相变特性多场调控领域的研究进展, 旨在凸显离子、应力场和栅极电场等新型功能调控自由度在强关联氧化物电子相变特性调控和新型功能特性设计中的关键作用, 阐明强关联氧化物中微观自由度的关联耦合作用对其宏观关联电子相变特性的基础调控规律, 为实现强关联氧化物电子相变特性的可控设计与精准调控提供理论依据, 期望利用多物理场的调控作用在强关联电子相变氧化物材料体系中发现更多的新物理、新物性、新器件和新应用.
总论
2024, 73 (11): 110501.
doi: 10.7498/aps.73.20232003
摘要 +
数值研究了相混合态双组分玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate, BEC)中PT (parity-time)对称势下的动力学. 在障碍势不同的宽度和速度下发现了异步量子Kármán涡街、斜向漂移涡旋偶极子、V字形涡旋对、无规则量子湍流以及各种尾迹的组合模式. 研究了作用在移动障碍势上的拖拽力, 分析了涡旋对产生的力学机理. 在不同障碍势宽度和速度下, 系统地模拟了异步量子Kármán涡街和其他尾迹模式的参数区域. 同样分析了PT对称势中具有增益-损耗强度的虚部对异步量子Kármán涡街稳定性的影响. 最后, 提供了一个实现异步量子Kármán 涡街的实验方案.
2024, 73 (11): 110502.
doi: 10.7498/aps.73.20231133
摘要 +
多通道数据采集技术的发展为复杂系统非线性动力学特性研究提供了更加丰富的先验信息. 然而传统的非线性特征量只能处理单通道数据, 无法直接提取多通道数据的非线性特征. 近年来, 有学者对多尺度样本熵算法进行了一般化处理, 提出了多通道多尺度样本熵算法. 该算法不仅可以对多通道数据整体的复杂度进行表征, 还可以有效提取通道内和通道间隐含的相关性信息. 但是, 该算法缺乏相应的理论支撑, 在实际应用中无法兼顾性能和稳定性. 针对以上问题, 本文提出了一种无偏差的多通道多尺度样本熵算法, 并利用概率论从理论上分析了多通道多尺度样本熵算法不稳定以及性能差的原因. 后续的仿真实验证明改进后的算法不但可以有效地提取通道内和通道间的相关性信息, 同时在处理复杂数据时表现出了良好的稳定性. 该算法为诸如模糊熵、排列熵等非线性特征量的算法一般化提供了思路和理论依据.
2024, 73 (11): 110503.
doi: 10.7498/aps.73.20231972
摘要 +
突触串扰由相邻突触间神经递质的溢出引起, 对神经系统的放电特性及信号传输有着深远影响. 利用两个忆阻器模拟生物神经突触, 双向耦合Chialvo离散神经元和Rulkov离散神经元, 并考虑耦合状态下突触间的串扰行为, 构建一类忆阻突触耦合异质离散神经网络. 研究分析表明, 神经网络不动点的数量及稳定性依赖于突触串扰强度. 同时, 通过分析分岔图、相图、李雅普诺夫指数谱和时序图等发现, 随着突触串扰强度的变化, 神经网络表现出不同的共存放电行为. 此外, 基于神经元放电序列的相位差及同步因子, 研究了不同耦合强度及不同系统初始条件和参数情形下, 突触串扰强度对神经网络同步行为的影响.
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2024, 73 (11): 110504.
doi: 10.7498/aps.73.20231984
摘要 +
近十年来, 离散Boltzmann方法在复杂非平衡流体系统领域的应用取得了显著的进展, 这种方法已逐步成为描述和预测流体系统行为的重要手段. 该方法的控制方程是一套简单统一的离散Boltzmann方程, 其离散格式的选取对于数值模拟的计算精度和稳定性有着直接影响. 为了提高数值模拟的可靠性, 本文引入有限体积法用于求解离散Boltzmann方程. 有限体积法是一种常用的数值计算方法, 具有守恒性强、精度高等特点, 可用于有效处理高速可压缩流体的数值计算问题. 本文采用MUSCL格式进行重构, 并引入了通量限制器以提高数值计算的稳定性. 最后, 对基于有限体积的离散Boltzmann方法进行了验证, 数值算例包括冲击波、Lax激波管以及声波. 结果表明, 该方法能够准确刻画冲击波、稀疏波、声波, 以及物质界面的演化, 同时确保系统的质量、动量和能量守恒, 还可以准确测量流体系统的流体力学和热力学非平衡效应.
2024, 73 (11): 110702.
doi: 10.7498/aps.73.20232004
摘要 +
利用低温扫描隧道显微镜(STM)研究了各种覆盖度下酞菁氧钒(VOPc)分子在Ag2Sb/Ag (111)上的吸附行为和组装结构. 不同于Ag (111)表面, 当分子覆盖度在一个单层之内, 吸附的VOPc分子均组装为有序的薄膜, 呈现出规则排列的空隙和正方形单胞. 通过扫描亚分子分辨的STM形貌图, 揭示了正方形单胞由一个中心分子和四个对称排列的角分子组成; 所有VOPc分子均采用O-up构型, 并呈现出两种吸附取向, 分子横轴相对于单胞侧边分别旋转约11°和21°. 因分子间的偶极-偶极相互作用, 进一步沉积的VOPc分子组装为具有O-down和O-up构型交替堆积的分子膜, 在分子层内分子轨道沿π堆积方向发生重叠. 该研究为调控金属表面功能有机分子组装膜的结构和组装行为提供了一种新途径.
核物理学
2024, 73 (11): 112301.
doi: 10.7498/aps.73.20240212
摘要 +
利用意大利Legnaro实验室串列静电加速器提供的65 MeV 13C束流与122Sn靶的熔合蒸发反应布居了131Ba的高自旋态, 并搭建了新的能级纲图. 新的能级纲图由15条转动带组成, 包括三对手征双重带, 其中两对正宇称手征带为赝自旋-手征四重带. 正负宇称手征带通过一系列增强的E1跃迁连接, 表明它们之间存在八极关联. 在低自旋区域搭建了一条新的转动带, 通过一系列γ跃迁向$ \nu h _{11/2} $ 晕带退激. 这种能级结构与摇摆带相似, 但基于现有的实验证据还难以将它确认为摇摆带, 不能排除其他集体激发机制, 如γ振动的影响.
2024, 73 (11): 112801.
doi: 10.7498/aps.73.20240007
摘要 +
钨(W)作为面向等离子体材料的最佳候选者, 对热冲击载荷的响应是未来聚变装置研究中的重要问题. 在热负荷作用下, 钨基面向等离子体材料(W-based plasma-facing material, W-PFM)的表面会产生热损伤, 包括脆性开裂和疲劳裂纹. 本文提出了抑制W-PFM 热损伤的新方案, 即叠片结构W-PFM 方案. 利用电子束设备对不同厚度和热处理工艺的W箔组成的叠片结构W进行了热疲劳实验. 样品施加功率密度为48 MW/m2的热脉冲, 循环5000次. 随着W箔片厚度的减小, 叠片结构W表面的裂纹损伤减轻. 叠片结构W在循环热载荷作用后表面产生的主裂纹均近似平行于箔片厚度方向. 厚度较小的W箔表面只有主裂纹, 厚度较大的W箔表面除了出现主裂纹外, 还会形成裂纹网络, 且主裂纹宽度较大. 最终选取热损伤区域的扫描电子显微镜图像, 并利用计算机图片处理软件和分析软件, 对表面热疲劳裂纹损伤进行了定量分析. 发现相同厚度下应力态W的裂纹面积最小, 裂纹数量最少, 说明去应力态W的抗辐照损伤能力最强. 实验结果还表明, 除了微观组织的影响, 叠片结构W-PFM的单轴应力状态和裂纹阻断机制也都对其热疲劳性能的提高有所贡献.
原子和分子物理学
2024, 73 (11): 113101.
doi: 10.7498/aps.73.20231681
摘要 +
随着对锂离子电池(LIBs)性能要求的提高, 研究开发锂离子电池的新型电极尤显重要. 本文采用第一性原理计算研究二硫化钒(VS2)作为锂离子电池负极材料的可能性. 计算结果表明: VS2具有金属性, 费米能级附近的态密度主要来源于钒的3d轨道及硫的3p轨道; Li在VS2单层中优先吸附钒(V)的顶位, Li在VS2表面具有非常好的扩散性, 扩散势垒仅为0.20 eV, 低于石墨烯, 表明Li能够较快地迁移, 有利于LIB快速充电-放电过程; VS2机械性能良好, 杨氏模量为96.82 N/m, 且吸附Li后的杨氏模量与泊松比都未减小, 表明VS2在吸附Li以及Li离子扩散迁移过程中, 刚性并不会降低; 并且计算得到VS2的电池容量(466 mAh/g)比石墨烯更高. 研究表明VS2具有出色的导电性能和优异的机械刚性及较高的理论容量, 是一种非常有前景的锂离子电池负极材料.
2024, 73 (11): 113201.
doi: 10.7498/aps.73.20240355
摘要 +
采用全红外光激发Rydberg原子的方案, 选择探测光(852 nm)、缀饰光(1470 nm)和耦合光(780 nm), 利用三光子激发方式实现了Cs原子Rydberg态(49P3/2)的制备. 实验上, 观测到射频电场作用下|7S1/2$\rangle $ → |49P3/2$\rangle $ Rydberg 跃迁形成的电磁感应透明(EIT)效应, 实现对Rydberg 原子的光学探测, 根据EIT光谱的变化来探究射频电场的幅度和频率对光谱的影响. 研究表明, 随着射频电场幅度的增强, 观察到光谱现象从越发明显的ac Stark 能移逐步过渡到复杂混合态的多个调制边带, 并根据EIT主峰的频移进一步讨论频率对铯泡中电场屏蔽的影响. 采用将低频电场调制到射频电场的方式, 实现了基于Rydberg原子的50 Hz—1 kHz范围内电场解调, 并对解调信号的幅度和频率进行拟合, 保真度达到95%. 研究结果对Rydberg原子射频光谱探测和低频电场的可溯源测量等提供有价值的参考.
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2024, 73 (11): 113701.
doi: 10.7498/aps.73.20240182
摘要 +
Λ增强型灰色黏团冷却技术(Λ gray molasses cooling, Λ- GMC)已被广泛用于制备低于亚多普勒温度极限的冷原子样品实验中. 本文设计搭建了宽范围、快速调谐的激光系统, 其调谐范围最高可达$ 600 {\text{ MHz}} $ . 基于该激光系统, 于光学微腔中心通过铯原子D2线Λ- GMC冷却辅助腰斑大小为15 μm的交叉偶极阱中原子的装载, 相比于传统的偏振梯度冷却辅助装载, 原子数增加了约4倍, 原子温度由$ 25 {\text{ μK}} $ 降低至$ 8 {\text{ μK}} $ . 该实验对超冷原子样品实验制备和单原子阵列俘获等研究具有重要借鉴意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (11): 114201.
doi: 10.7498/aps.73.20240335
摘要 +
自由电子激光光源(free electron laser, FEL)可发出波长为13.5 nm的极紫外(extreme ultra-violet, EUV)辐射, 在EUV光刻领域能够发挥重要作用. 但FEL自身的高相干特性以及类高斯光强轮廓分布特征, 会对成像带来不利影响, 无法满足EUV光刻领域成像应用需求. 本文通过计算模拟的方法, 设计了一种匹配FEL应用的、用于EUV波段去相干和光强均匀化的新型匀光管结构. 模拟结果显示, 针对波长为13.5 nm、直径200 μm、发散度20 mrad的FEL-EUV高斯光束, 采用新型匀光管结构, 与常规匀光管结构相比, 在同等长度和内径时, 具有更显著的去相干能力和光场均匀化作用. 当新型匀光管内径为1 mm、总长度不低于0.6 m、倾斜角度为10 mrad时, 高相干光场完全被扰乱, 实现低相干光输出. 并可获得均匀照明光场, 光强分布不均匀性数值从常规圆柱型匀光管的28.38降低至0.97. 同时, 相应能量传输效率为37.6%, 最大传输效率达到44.58%. 结果表明, 新型匀光管结构能够满足EUV辐射去相干应用需求, 同时可提高照明视场光强分布均匀性, 在EUV光刻领域及其他成像应用具有很大应用前景.
2024, 73 (11): 114202.
doi: 10.7498/aps.73.20231906
摘要 +
随着我国油气管道铺设数量的增加, 对管道的维护工作也需予以更多的重视. 目前, 在油气输送站场内, 主要采用人工巡检、对射式和云台式检测设备来检测天然气泄漏. 但是这些方法存在响应度差、检测区域受限、泄漏点定位较慢等问题. 为了满足对油气管道泄漏实时监测和快速定位的需求, 本文设计了一种快速、精确控制的双楔形扫描镜系统, 结合可调谐半导体激光吸收光谱技术, 使得气体测量由原来的点测量转换为面测量. 通过反解迭代优化算法, 控制楔形镜的转角获得高效均匀的光束扫描轨迹, 并将激光束的偏转方向及检测位置与对应的甲烷浓度信息相融合, 构建了包含有位置信息的甲烷浓度数据, 实现甲烷气体的光谱成像. 实验中为了定量验证测量准确度及空间分辨率, 通过标准气袋模拟甲烷泄漏分布, 结果表明系统的成像浓度检测限小于500 ppm·m (1 ppm =10–6), 位置分辨率小于6 cm. 同时该方法可以依据油气站场的测量距离调节扫描步进节点, 从而实现成像分辨率的可调节, 该成像方法为精确定位甲烷气体泄漏提供了新的思路.
2024, 73 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.73.20240279
摘要 +
太赫兹波介于微波与红外之间, 当前太赫兹波主要在自由空间中传输, 金属线波导以低损耗、低色散等突出的传输特性被广泛关注. 本研究首先根据太赫兹波在不同金属线表面的趋肤深度选择铜线作为研究对象, 然后基于太赫兹时域光谱系统搭建可调节式金属线波导传输特性测试光路, 采集到通过不同半径、不同长度、不同端口状态的单/双铜线传输的时域信号, 最后利用有限元方法对不同半径、不同形变程度的单/双根铜线在空气域的传输特性进行仿真. 实验结果表明, 传输损耗会随着铜线长度的增加而增加, 金属线越细传输速度越慢, 端口形态对传输特性的影响不如长度变化对传输特性的影响明显, 双金属线越粗传输速度越快. 仿真结果表明, 太赫兹波在单根金属线上传输时, 电场主要分布在金属线表面, 金属线越细表面等离激元的模场面积越小; 当金属线形变成椭圆时, 模场主要分布在长轴两端; 当太赫兹波在双金属线中传输时, 模场主要分布在两根金属线中间, 且距离越远模场面积越小. 本研究结合实验与仿真分析方法对单、双金属线的太赫兹传输特性进行研究, 为后续开发高效太赫兹金属波导提供参考.
2024, 73 (11): 114301.
doi: 10.7498/aps.73.20240250
摘要 +
低频噪声一直是噪声控制领域比较棘手的问题, 近年来吸声超结构的蓬勃发展为低频噪声控制提供了新理念. 本文提出了一种内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构, 建立了其吸声特性计算的理论解析方法, 并与数值计算方法对比, 验证了解析方法的有效性. 随后, 从吸声曲线、简化等效模型、归一化声阻抗、声压云图与质点速度分布等多角度对吸声特性及吸声机理进行了深入分析. 进一步, 采用差分优化算法开展了多元胞并联耦合宽带优化设计, 优化后典型超结构实现了90 mm厚度下在170—380 Hz低频段内平均吸声系数达到0.86的优异吸声效果. 最后, 制备了若干样件, 开展吸声测试, 实验结果与理论结果符合良好, 验证了解析建模与优化设计方法的准确性. 本文提出的内插缝Helmholtz共振腔吸声超结构具有结构简单、低频吸声性能好, 且易于加工制造等特点, 在低频噪声控制领域具有广阔的应用前景.
2024, 73 (11): 114401.
doi: 10.7498/aps.73.20240089
摘要 +
磁场作用下导电流体热对流是当前研究的热点问题, 本文采用高精度高分辨率的数值方法对二维腔体内液态金属双扩散对流进行直接数值模拟, 研究了在水平或垂直磁场作用下, 磁场强度、Prandtl数、Lewis数以及高宽比对流动和传热传质的影响. 研究结果表明: 磁场主要表现为对流动和传热传质的抑制作用. 在相同强度下, 水平磁场比垂直磁场的抑制作用更大, 但在较弱磁场和较强磁场时, 二者对传热传质的影响效果相近. 对于不同方向和强度的磁场, 传热传质效率总是随着Prandtl数的增大而增大, 并且在Pr = 0.9附近存在解的分岔现象. 随着Lewis数的增大, 流动从定常流动过渡到周期流动, 且传质效率受到的影响更大. 在所考虑的高宽比范围内, 随着高宽比的增大, 无磁场及弱磁场时传热传质效率振荡变化, 而强磁场下传热传质效率受高宽比的影响较小. 对相同涡卷数量的流动, 高宽比越小, 传热传质越强.
2024, 73 (11): 114601.
doi: 10.7498/aps.73.20240333
摘要 +
随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展, 利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注, 但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响. 本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法, 建立了矩形织构模型, 并在其表面计入粗糙峰结构, 讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律. 结果表明: 调节微纳复合表面结构参数, 将改变润滑水膜承载力, 进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果. 此外, 织构内涡流生成导致涡量变化, 引起能量耗散并影响摩擦力. 对矩形织构模型, 适当的深度比(H = 0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优; 而增大织构宽度比(W), 动压润滑效应增强. 在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后, 当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时, 承载力可提升44%, 摩擦系数降低30.9%. 若引入半正弦粗糙峰, 承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%, 对润滑效果的影响不明显. 若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰, 承载力可提升42%, 摩擦系数下降31.1%, 即表面动压润滑效果提升也较为显著.
2024, 73 (11): 114701.
doi: 10.7498/aps.73.20231893
摘要 +
水中快脉冲(脉宽数ns甚至ps级)放电过程中, 快脉冲在电极附近引起电致伸缩效应导致电极附近形成空化区. 电子在空化区内积累能量并高速进入水体, 电子在水中的输运特性是水中脉冲放电起始与发展的关键因素. 本文构建了考虑弹性与非弹性碰撞截面的水中电子输运物理模型, 采用蒙特卡罗方法研究不同能量电子的透射与散射径迹结构特征, 研究了弹性碰撞、电离与激发碰撞频次随电子初始能量的变化以及水中电子能量损失特征. 结果表明, 较低能量的电子(约20 eV)受水分子散射影响能量损失较大, 透射能力较弱, 随着电子初始能量的增高, 电子受水分子散射作用的影响逐渐减小, 具有更强的液体穿透能力; 弹性碰撞次数远大于激发与电离碰撞, 导致电子散射距离与透射深度相当, 电离碰撞和激发碰撞次数随电子能量升高显著增加; 电子入射能量越高, 其能损越大, 随运动距离增加, 能损急剧下降, 与电子的平均电离能量损失W变化趋势一致. 本研究可为探究快脉冲放电机理提供重要数据基础.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (11): 115201.
doi: 10.7498/aps.73.20240319
摘要 +
利用棘轮结构可以对随机运动的颗粒进行整流使其产生定向的输运. 不同尺寸的颗粒对棘轮整流的响应不同, 因此可以利用棘轮实现颗粒分离. 基于前期气相等离子体中颗粒整流与分离实验, 本文通过构建三维模型对双分散颗粒分离的物理机理进行研究. 首先通过等离子体流体模拟及双正弦函数插值的方法, 得到实验难以测得的不对称棘轮通道内等离子体参量分布, 并对微米级尘埃颗粒在棘轮鞘层中的受力进行分析, 进一步利用 Langevin 方程对尘埃等离子体棘轮中双分散颗粒定向输运过程进行数值模拟, 重现了颗粒分离实验现象. 结果分析表明, 双分散的尘埃颗粒悬浮在鞘层中不同的高度, 并受到相反取向的不对称势的作用, 造成其向相反方向的输运.
2024, 73 (11): 115202.
doi: 10.7498/aps.73.20240032
摘要 +
提出了辐射压力加速与激光尾波场加速相结合的高能质子加速方案. 该方案中在临界密度薄靶后端增加一个均匀密度等离子体通道获得了峰值能量为22.2 GeV、截止能量为36.4 GeV和电荷量为0.67 nC的高能质子束, 与质子在纯辐射压力加速中相比, 其高能质子的截止能量可以提升2个数量级. 结果证实了通过在近临界密度薄靶后面连接一个均匀密度等离子体通道, 等离子体通道中激光激发的尾波场可以捕获经辐射压力过程预加速的质子并维持长时间的加速, 最终获得高能质子, 本文还研究了不同均匀密度等离子体通道中质子的加速情况, 发现密度越高, 则被加速质子的峰值能量和截止能量越高, 电荷量也越大. 该组合加速方案对高能质子束的产生与应用具有一定的指导意义.
2024, 73 (11): 115203.
doi: 10.7498/aps.73.20240273
摘要 +
微波放电中和器作为微波离子推力器系统的重要组成部分, 在维持航天器电位平衡、中和羽流方面发挥着重要作用, 其电子引出性能直接关系到电推力器系统的工作状态. 在磁阵列微波放电中和器的磁场结构定型实验中, 发现调转磁阵列朝向后引出电流的伏安特性曲线差异极大. 由于磁阵列微波放电中和器的放电室直径仅10 mm, 介入式探针诊断对等离子体干扰大, 本文采用了一体化粒子模拟方法对中和器的工作过程进行仿真, 仿真结果与实验现象相符合. 通过对比不同磁场结构、工作电压下的等离子体参数分布, 发现引出孔附近的电势分布决定着中和器的电子引出能力; 并进一步揭示了离子在中和器电子引出过程中发挥的关键作用, 阐明了磁场结构对中和器电子引出能力的影响机制. 最后, 本文总结了微波放电中和器有效引出电子的两个必要条件: 1)磁场梯度指向引出孔, 引导等离子体迁移; 2)引出孔附近有足够的离子抬升电势, 降低或打破电势阱.
2024, 73 (11): 115204.
doi: 10.7498/aps.73.20231733
摘要 +
表面烧蚀显著影响高速流动中等离体子鞘分布及其与电磁场相互作用的特征. 考虑高超声速飞行器表面烧蚀引射机制、烧蚀产物参与流场等离子体生成过程、含碱金属的混合电离气体导电机理和电磁动力学机制, 通过耦合求解带电磁源项的三维热化学非平衡流动控制方程、电场泊松方程和磁矢量泊松方程, 建立了含碱金属烧蚀的高速流动/等离子体/电磁场耦合计算方法, 结合常见的碳碳材料和硅基酚醛树脂材料烧蚀热解过程, 较为系统地开展了多种条件下表面烧蚀对高超等离子体鞘影响及其与电磁场相互作用的机制与规律研究. 研究表明: 烧蚀效应对流场等离子体分布的影响受烧蚀质量引射率和碱金属质量占比共同作用, 当碱金属含量较高时, 碱金属电离反应占主导, 电子数密度可增大1—2个数量级; 不同材料烧蚀对等离子体的影响存在差别, 硅基酚醛树脂的烧蚀质量引射率较大, 电离生成CO+, C+的摩尔分数接近空气主要电离组分NO+, ${\mathrm{O}}_2^+ $ , 其影响不容忽视; 烧蚀材料中碱金属可以显著提升磁流体力学控制效果, 随着碱金属占比增大, 电磁场耦合作用效果增强, 二者呈非线性关系; 在速度较低时, 纯空气本身的电离度低导致电磁场耦合作用效果弱, 通过含碱金属烧蚀来提升电磁作用效果的效率更高.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (11): 116201.
doi: 10.7498/aps.73.20240066
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二维硼烯具有丰富的物理和化学性质, 在凝聚态物理和材料科学等领域引起了广泛的研究兴趣, 但硼烯在不同荷载作用下的力学性能和变形破坏机理仍需进一步研究. 本文采用分子动力学方法模拟了硼烯的拉伸、剪切和纳米压痕破坏过程, 获得了硼烯的关键力学性能参数, 并从两种不同类型的B—B键长随应变/压入深度的变化规律分析了硼烯在不同载荷作用下的力学性能和变形破坏机理. 研究发现, 硼烯的拉伸力学性能表现出显著的各向异性特性, 沿扶手椅方向的杨氏模量和强度远高于沿锯齿方向, 而硼烯的剪切力学性能的各向异性特性不明显, 产生以上现象的原因可归因于强σ键B—B键和弱多中心键的不同贡献. 研究还发现, 硼烯在球形和圆柱形压头载荷作用下表现出不同的力学响应规律. 在球形压头载荷作用下, 硼烯能承受的最大压入载荷远低于圆柱形压头的情况, 而且无法测得与拉伸一致的本征力学性能参数, 而采用圆柱形压头沿不同的方向压入硼烯薄膜时, 硼烯也表现出与拉伸时类似的各向异性特性, 并且可以测得与拉伸时一致的杨氏模量等力学性能参数. 本文还研究了压痕模型尺寸与压头半径的比值、压头加载速率和加载温度等因素对硼烯力学性能参数的影响规律. 以上研究结果可为基于硼烯的微/纳米机电系统的实际应用提供重要指导.
2024, 73 (11): 116301.
doi: 10.7498/aps.73.20231814
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通过磷(P)和硼(B)共掺杂在硅禁带中构建了P+/B–局域态能级, 形成了具有杂质补偿结构的硅. 采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理研究了杂质补偿硅(n/p-Sic)的电子态密度、介电函数和折射率等光电性能. 态密度研究表明, 相同浓度P和B掺杂(12.5%)的n-Si和p-Si被完全杂质补偿后, 费米能级位于两相邻态密度峰构成的谷底, 且态密度不为零. 在介电函数和折射率研究中, 发现n-Sic在掺杂比例CB/CP0 = 0.25时, 在低能区具有最大的介电函数和最大折射率. 此外, 对比本征硅及其掺杂物的介电常数实部(Re), 发现如下规律: 在E > 4 eV的高能区, 本征Si, n/p-Si和p-Sic的Re为负值; 而在0.64 < E < 1.50 eV的低能区, n-Sic在掺杂比例CB/CP0 = 0.25时的Re为负值; 这表明在此掺杂比例下n-Sic能在更低的能量下就能获得较好的金属性, 从而揭示了其价带电子更易被低能量的长波长光激发. 理论研究表明, n-Sic在掺杂比例CB/CP0 = 0.25时具有较好的光电性能, 可能与n-Si被B杂质补偿后部分Si—Si键变成Si—B键的同时产生的Si悬挂键以及在Si禁带中形成的局域态能级有关.
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2024, 73 (11): 116401.
doi: 10.7498/aps.73.20240325
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本文以覆盖Nb薄膜的半赫斯勒合金Nb0.8CoSb为研究对象, 成功利用原位加热透射电镜技术在高温下诱导Nb扩散, 致使Nb0.8CoSb转变为有序度更高的Nb0.8+δCoSb, 即倒空间漫散带代表的短程有序结构转变为超结构衍射点代表的长程有序结构. 进一步的分析表明, 这种超结构的调制波矢为$ q= ({a}^{*}+{b}^{*}-{c}^{*})/{3} $ , 其形成主要源自于Sb和Nb组分的变化. 与离位合成的Nb0.84CoSb的微观结构进行对比, 发现二者中超结构不同, 这种超结构的调制波矢为 $ q= ({2a}^{*}-2{c}^{*})/3 $ , 主要源自于Nb组分的变化. 此项研究揭示了组分导致超结构的多样性以及半赫斯勒合金结构相变的复杂性, 丰富了对半赫斯勒合金材料的理解, 对相变材料的设计以及功能调控具有重要指导意义.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (11): 117101.
doi: 10.7498/aps.73.20240175
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硒化锑(Sb2Se3)是一种物相简单、元素丰富、经济友好的太阳电池吸收层材料, 具有广阔的应用前景. 然而, Sb2Se3较弱的导电性成为了限制电池器件性能的重要因素. 迁移率是材料与器件的重要电学参数, 应变可以改变载流子迁移率, 因此, 研究应变对Sb2Se3的载流子迁移率特性影响具有实际意义. 本文通过密度泛函理论和形变势理论, 系统研究了单轴应变对Sb2Se3能带结构、禁带宽度、等能面、有效质量的影响, 分析了沿着x, y, z方向的三种单轴应变对载流子沿着x, y, z方向的迁移率μx, μy, μz的影响. 研究发现, 对于无应变的Sb2Se3, μx远大于μy和μz, 实验上应该将x方向作为Sb2Se3的特定生长方向(即内建电场方向). 综合应变对带隙、等能面、分态密度及迁移率的影响, 本研究认为当应变沿着y轴方向, 且压应变为3%的时候, 能获得最佳性能的Sb2Se3太阳电池吸收层材料.
2024, 73 (11): 117301.
doi: 10.7498/aps.73.20240357
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为了采用易于直接激发的塔姆等离激元(Tamm plasmon polaritons, TPPs)实现透射增强现象, 本文提出了一种由一维金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)构成的层状结构. 采用有限元法分析了入射光波在DBR-金属交界面上激发TPPs并产生能量高度局域的物理过程. 研究表明入射TM光波在金属-DBR交界面上激发的TPPs可以有效地激发金属狭缝内的SPPs模式, 当SPPs模式在狭缝内满足类FP谐振的条件就可以使入射光波在该结构中的产生透射增强. 在此基础上，分析了狭缝宽度及其占空比对透射谱峰的定量影响. 结果显示: 周期确定时随着狭缝宽度的增大, 峰值透射率则呈现先增大后减小的变化趋势; 宽度确定时随着占空比的增大, 峰值透射率会呈现单调降低的变化趋势, 而透射峰中心波长呈现近似线性蓝移趋势, 这为灵活调节异常透射的中心波长提供了一种有效手段.
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2024, 73 (11): 117302.
doi: 10.7498/aps.73.20240310
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以自旋为编码单元的硅基半导体量子计算与传统微电子工艺兼容, 易拓展且可以同位素纯化提高退相干时间, 因而备受关注. 本研究工作通过分子束外延生长了高质量非掺杂型Si/SiGe异质结并测试了二维电子气迁移率. 球差电镜观察到原子级尖锐界面, 原子力显微镜表征显示其表面均方根粗糙度仅为0.44 nm, 低温下迁移率达到20.21×104 cm2·V–1·s–1. 不同栅压下载流子浓度和迁移率的幂指数为1.026, 材料丁格比值在7—12之间, 表明载流子主要受到背景杂质散射和半导体/氧化物的界面散射.
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2024, 73 (11): 117701.
doi: 10.7498/aps.73.20240367
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过渡金属氧化物SrRuO3薄膜因具有较大且可调的电荷流-自旋流互转换效率而成为自旋轨道力矩(SOT)器件中备受关注的自旋源材料. 然而, 目前对SOT效率的调控主要集中在衬底外延应力调节. 本文研究了晶体取向对SrRuO3薄膜SOT性能的调控作用. 制备了(111)取向SrRuO3/CoPt异质结构, 发现其SOT效率高达0.39, 自旋霍尔电导达$ 2.19 \times {10^5}\hbar /(2e) $ Ω–1·m–1, 分别较(001)取向提高了86%和369%. 此外, 在SrRuO3 (111)器件中实现了低至2.4×1010 A/m2临界电流密度下的电流驱动的垂直磁化翻转, 较(001)晶向降低了37%. 这些结果表明, 晶体取向是显著提升SrRuO3基SOT器件综合性能的有效途径, 为发展高效自旋电子器件提供了新思路.
2024, 73 (11): 117801.
doi: 10.7498/aps.73.20231924
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MXenes 可以实现大规模合成且具有诸多优异光电特性, 被用于构建各种结构和功能独特的热载流子光电探测器件. 然而, 变温环境条件下 MXenes 并不稳定, 一方面环境温度升高会加速材料氧化降解, 另一方面温度变化可能影响光电器件的寿命和性能稳定性, 目前 MXenes 温度不稳定性受到越来越多关注. 鉴于实验研究变温条件下 MXenes 热载流子性质的局限, 本文基于多体微扰理论和量子力学理论, 研究环境温度对电子态分布和散射效应的影响. 从表面等离激元非辐射衰减角度出发, 采用第一性原理计算量化热载流子的产生效率、能量分布和输运, 系统研究了 MXenes 表面等离激元诱导热载流子的环境温度依变特性. 结果表明, MXenes 中带间跃迁和声子协助电子跃迁共同高效率产生了高能热空穴主导的热载流子, 且表现出与硼烯媲美的长寿命和输运距离. 环境温度升高显著提高了红外波段的热载流子产生效率, 同时可见光波段的热空穴表现出优异环境温度稳定性. 此外, 环境温度升高降低了热载流子的寿命和输运距离, 主要源于增强的电子与光学声子散射效应.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (11): 118101.
doi: 10.7498/aps.73.20240362
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本文采用匹配渐近法和多重变量法, 基于深胞晶生长的定常解, 在考虑了各向异性界面动力学后, 导出胞晶界面扰动振幅变化率满足的色散关系式及界面形态满足的量子化条件, 研究在各向异性界面动力学的影响下定向凝固过程中深胞晶生长界面形态的稳定性. 结果表明, 考虑了各向异性界面动力学的深胞晶体生长的定向凝固系统包含两种整体不稳定机制: 整体振荡不稳定机制和低频不稳定机制. 通过稳定性分析发现, 低阶近似下各向异性界面动力学对整体振荡不稳定机制有着显著影响, 随着各向异性界面动力学参数的增大, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体振荡不稳定区域减小. 同时, 界面动力学各向异性参数对系统整体波动不稳定性的影响随着界面动力学参数的增大而增大.
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2024, 73 (11): 118201.
doi: 10.7498/aps.73.20240134
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为了加快镁离子电池的开发与应用, 寻找合适的镁离子电池阳极材料势在必行. 此外, 具有较低摩尔质量的阳极材料有利于获得较高的理论存储容量. 因此, 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统地研究了BeB2单层材料作为镁离子电池阳极的潜力. 计算结果表明, 基于声子谱检测, BeB2结构展现了优异的动力学稳定性. 此外, 从BeB2的能带结构可以看到清晰的狄拉克锥, 表明其具有良好的导电性能. BeB2可以稳定吸附镁离子, 并且镁离子在该材料上表现了较低的扩散势垒 (0.04 eV), 这意味着更快的充放电速率. 重要的是, BeB2展现了超高的理论容量 (5250 mA·h·g–1)、较低平均开路电压 (0.33 V)以及较小的体积膨胀 (2%). 此外, Mg离子在双层BeB2结构中的吸附能为–1.38 — –2.24 eV, 扩散势垒为0.134 — 0.84 eV. 综合以上性能, 我们相信BeB2可以作为一种优秀的镁离子电池阳极材料.
2024, 73 (11): 118501.
doi: 10.7498/aps.73.20240144
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在实际静电放电测试时, 发现各种功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的静电放电测试结果均呈现出正反向耐压不对称现象, 而人体与器件接触时的静电放电过程是不区分正反向的. 正反向耐压差异较大对于功率MOSFET或作为静电放电保护器件来说都是无法接受的, 其造成器件失效的问题格外凸显. 本文通过建立SGT-MOSFET, VUMOSFET和VDMOS在静电放电正反向电压下的栅源电容解析模型, 对比分析了三种功率MOSFET器件静电放电正反向耐压不对称及其比值不同的原因, 为器件的静电放电测试及可靠性分析提供了理论依据.
2024, 73 (11): 118502.
doi: 10.7498/aps.73.20240267
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氧化镓(Ga2O3)作为超宽禁带半导体在深紫外探测领域有极其重要的应用价值. 它能与GaSe形成典型的Ⅱ型异质结构, 促进载流子分离与传输, 进而实现高性能的自供电探测. 本文利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在蓝宝石衬底上生长了Ga2O3薄膜, 并采用布里奇曼技术在氧化镓薄膜上生长了GaSe薄膜, 构建了GaSe/β-Ga2O3异质结光电探测器, 分析其中涉及的光物理与界面物理问题. 该探测器对深紫外光有很好的响应性能, 在8 V的电压下器件的暗电流仅为1.83 pA, 254 nm光照下的光电流达到了6.5 nA, 且UV-C/可见光(254 nm/600 nm)的抑制比约为354, 即使在很小的光照强度下, 响应度和探测度也达到了1.49 mA/W 和 6.65× 1011 Jones. 同时, 由于结界面上的空间电荷区形成的光伏效应, 该探测器在零偏压下表现出自供电性能, 开路电压为0.2 V. 此外, 探测器有很好的灵敏度, 无论是在电压恒定的条件下用不同光强的光照射探测器, 还是在光强恒定条件下改变电压, 器件都能快速响应.
2024, 73 (11): 118503.
doi: 10.7498/aps.73.20240253
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AlGaAs光电阴极具有响应速度快和光谱响应范围可调的特性, 可被应用于水下光通信领域. 为了解决AlGaAs发射层较低的光吸收限制其量子效率提高的问题, 利用分布式布拉格反射镜(DBR)结构对特定波长光的反射作用, 将透过光重新反射回发射层进一步提高吸收率, 从而增强阴极在532 nm波长处的响应能力. 通过求解一维连续性方程, 建立了具有DBR结构的AlGaAs光电阴极光谱响应模型. 采用时域有限差分法, 分析了DBR结构中子层周期对数、子层材料以及发射层、缓冲层厚度对发射层吸收率的影响, 对比了有无DBR结构AlGaAs光电阴极的光吸收分布. 结果表明, 周期对数为20、子层材料为Al0.7Ga0.3As/AlAs的DBR结构对532 nm光的反射效果最优. 基于该DBR结构, 发射层和缓冲层厚度分别为495 nm和50 nm时, 发射层对532 nm光具有最佳吸收率. 通过对外延生长的AlGaAs光电阴极进行激活实验, 结果表明具有DBR结构的AlGaAs光电阴极在532 nm波长处的光谱响应率相比无DBR结构的AlGaAs光电阴极光谱响应率提升了约1倍.
2024, 73 (11): 118504.
doi: 10.7498/aps.73.20240285
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通过考虑构筑在半导体GaAs/AlxGa1–xAs异质结上的磁受限半导体纳米结构中的塞曼效应和自旋-轨道耦合, 本文采用理论分析和数值计算相结合的方法研究了电子的传输时间与自旋极化. 利用矩阵对角化和改进的转移矩阵方法, 数值求解电子的薛定谔方程; 采用H.G. Winful理论求电子的居留时间, 并计算自旋极化率. 由于塞曼效应与自旋-轨道耦合, 电子的居留时间明显地与其自旋有关, 因此可在时间维度上分离自旋、实现半导体中电子的自旋极化. 因为半导体GaAs的有效g-因子很小, 电子自旋极化主要源于自旋-轨道耦合, 大约为塞曼效应引起的自旋极化的4倍. 由于电子的有效势与自旋-轨道耦合的强度有关, 电子的居留时间及其自旋极化可通过界面限制电场或应力工程进行有效调控. 这些有趣的结果不仅对半导体自旋注入具有参考价值, 而且还可为半导体自旋电子学器件应用提供时间电子自旋分裂器.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2024, 73 (11): 119601.
doi: 10.7498/aps.73.20240229
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由于半导体微腔中形成的激子-极化子凝聚体能在室温实现, 且具有非平衡、强相互作用等特性, 其成为研究非平衡量子系统非线性特性的一个理想平台. 本文采用谱方法与四阶龙格库塔法, 探究二维极化子凝聚体中产生和调控冲击波的方案. 发现, 若在高凝聚率时淬火凝聚体与热库之间的交叉相互作用, 可将初始制备的亮孤子调制成两种波速不同的旋转对称型冲击波, 而初始的类暗孤子只能转变成单一波速的旋转对称型冲击波; 若淬火外势, 则可将类暗孤子转化成各向异性的超声速冲击波, 并给出冲击波对外势宽度的依赖关系. 若在低凝聚率时调控外势和非相干泵浦, 可在均匀凝聚体中激发出多种各向异性冲击波, 还可通过它们的振幅调控冲击波的波数和振幅, 并展示了激发冲击波所需外势或非相干泵浦的宽度范围. 文中方案不仅为激子-极化子凝聚体中产生和调控冲击波提供理论指导, 找到了与实验相似的对称型冲击波, 而且为非平衡或不可积系统中激发冲击波开辟了一条普适捷径, 可能成为调控孤子向冲击波转变的一种范式.
