Vol. 73, No. 12 (2024)
2024年06月20日
封面文章
高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验研究, 不仅对天体等离子体和聚变等离子体的研究具有重要意义, 而且可以作为一种新的精密谱学工具, 用来检验强场量子电动力学效应、测量同位素移动及提取原子核电荷半径等. 在兰州重离子储存环CSRe上, 安装了专门用于电子-离子复合精密谱学实验的电子束能量调制系统, 质心系下电子-离子碰撞能量的调制范围达到0—1 keV. 在CSRe电子冷却器下游安装了自主研制的塑料闪烁体探测器和多丝正比探测器, 用于探测复合离子. 在此基础上, 使用Kr25+离子在CSRe上进行了首次双电子复合测试实验, 实验测量了质心系能量0—70 eV的双电子复合速率系数. 为了更好地理解实验测量结果, 利用FAC (flexible atomic code)程序计算了Kr25+离子的双电子复合速率系数, 并与实验做了细致对比, 整体符合很好, 而且发现$ 3{\mathrm{s}}\to 4{\mathrm{l}} \;(\Delta n=1) $ 的共振跃迁对实验谱线有很大的贡献. 实验结果表明, CSRe双电子复合实验平台具有非常好的稳定性和可重复性, 能够为下一步开展更高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验、检验强场量子电动力学效应以及原子核性质精密测量等前沿实验提供支持.
邵林,
黄忠魁,
汶伟强,
汪书兴,
黄厚科,
马万路,
刘畅,
汪寒冰,
陈冬阳,
刘鑫,
周晓鹏,
赵冬梅,
张少锋,
朱林繁,
马新文
物理学报.2024, 73(12): 123402.
专题: 纳米电介质电-热特性
2024, 73 (12): 127701.
doi: 10.7498/aps.73.20240208
摘要 +
随着电力负荷激增和电压水平不断提高, 绝缘纸的力学性能和热稳定性面临着严峻挑战. 然而, 由于缺乏直接的科学理论或模拟指导, 传统低效的“试错性”试验难以快速高效地研发新型纤维素复合绝缘纸. 针对这一问题, 本文提出通过分子动力学模拟, 研究纳米氧化锌(nano-ZnO)对纤维素的力学和热学性能的提升效果. 首先设计了nano-ZnO/纤维素复合材料模型, 然后从微观角度分析了不同nano-ZnO含量的改性纤维素的力学性能和热稳定性, 从而确定nano-ZnO和纤维素的最佳配比. 结果表明, 相比于未改性模型, nano-ZnO改性纤维素模型的力学性能、内聚能密度、玻璃化转变温度和导热系数均有提升, 弹性模量最高提升了45.31%, 导热系数最高提升了41.49%. 因为nano-ZnO的加入能够有效填充纤维网络中的空隙, 并增强纤维素链之间的作用力和导热通道, 从而提升纤维素的热力学性能. 本工作为可快速制备出具有优良热力学性能的改性纤维素绝缘纸提供有价值的理论参考.
2024, 73 (12): 127702.
doi: 10.7498/aps.73.20232041
摘要 +
为研究核壳量子点的界面电子结构对聚乙烯绝缘电导与空间电荷特性的影响, 分别制备了CdSe@ZnS/LDPE, ZnSe@ZnS/LDPE两种核壳量子点纳米复合绝缘, 研究了复合绝缘的直流电导和空间电荷的演变规律, 并分析了核壳量子点的界面电子结构对电荷陷阱分布特性的影响机理. 研究发现, 相比于LDPE绝缘, ZnSe@ZnS/LDPE复合绝缘在高温强场条件下直流电导率可降低47.2%, 空间电荷积累量降低了40.3%, 且陷阱能级增大, 表现出对载流子更强的捕获作用. 基于密度泛函理论, 计算了核壳量子点与聚乙烯绝缘的能带特征. 结果表明, 核壳纳米量子点的核层-壳层界面、壳层-绝缘界面的能带偏移导致导带底与价带顶发生突变, 分别对电子和空穴具有限域作用, 且限域效应随着量子点核层与壳层带隙差异增大而逐渐增强, 从而限制高温强场下载流子迁移、抑制空间电荷积聚.
2024, 73 (12): 127703.
doi: 10.7498/aps.73.20240215
摘要 +
环氧树脂纳米复合材料在电气绝缘领域应用广泛, 通过引入纳米介质实现复合材料介电、绝缘性能的调控以满足特殊应用需求. 本文通过五氟苯乙烯与苯乙烯的共聚, 制备了表面氟化的聚苯乙烯纳米微球, 并以其为填料制备了环氧树脂复合材料. 以纯环氧树脂和填充聚苯乙烯纳米微球环氧复合材料作为参照, 研究了三种复合材料的直流电导率、介电特性、交直流击穿场强、空间电荷行为并计算了材料内部的陷阱能级. 结果表明: 填充氟化聚苯乙烯纳米微球的环氧树脂复合材料表现出优异的电学特性, 其电导率以及介电常数大幅下降、同时交直流击穿场强获得提高. 相比填充无氟聚苯乙烯纳米微球的环氧树脂, 氟化聚苯乙烯纳米微球的引入可降低材料的介电损耗, 限制空间电荷的注入, 并加深基体中的陷阱能级. 研究结果可为环氧树脂复合材料介电性能调控设计以及环氧树脂在电子封装应用提供指导.
综述
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2024, 73 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.73.20240190
摘要 +
自20世纪末以来, La-Co共替代的M型铁氧体备受关注, 已成为高性能永磁铁氧体的基础材料. Co2+的未淬灭轨道矩被认为是增强铁氧体单轴各向异性的原因, 但其微观作用机理尚未完全解释清楚. 为了满足铁氧体材料日益增长的性能需求, 理解其磁各向异性增强机理至关重要, 并寻求从根源上的提升、低成本和高效的方法, 以制定开发高性能产品的指导原则. 本文综述了一系列研究工作, 旨在确定Co离子在晶格中的取代位置, 这是增强磁各向异性的关键. 这些研究为进一步提高永磁铁氧体的磁性能提供了重要的材料设计参考.
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2024, 73 (12): 128901.
doi: 10.7498/aps.73.20240270
摘要 +
复杂网络是描述和理解现实世界中复杂系统的有力工具. 近年来, 为了更准确地描述复杂网络中的交互关系, 或者从高阶视角分析成对交互作用网络, 许多学者开始使用高阶网络进行建模, 并在研究其动力学过程中发现了与成对交互作用网络不同的新现象. 然而, 与成对交互作用网络相比, 高阶网络的研究相对较少; 而且, 高阶网络结构相对复杂, 基于结构的统计指标定义较为分散且形式不统一, 这些都给描述高阶网络的拓扑结构特征带来了困难. 鉴于此, 本文综述了两种最常见的高阶网络——超图和单纯形网络——常用的统计指标及其物理意义. 本文有助于加深对高阶网络的理解, 促进对高阶网络结构特征的定量化研究, 也有助于研究者在此基础上开发更多适用于高阶网络的统计指标.
总论
2024, 73 (12): 120501.
doi: 10.7498/aps.73.20240334
摘要 +
复杂网络的高阶相互作用, 如单纯复形和超边等, 已经成为了研究的热点. 本文提出一种基于节点同步动力学的特性来重构网络的单纯复形结构的新方法. 通过分析Kuramoto-Sakaguchi模型中节点相位的时间序列同步性, 建立了网络拓扑结构的解析描述, 实现了对网络结构的精确辨识. 该方法的核心在于, 运用理论手段推导得到了拉普拉斯矩阵与线性化Kuramoto-Sakaguchi系统相位之间的解析联系. 这一联系不仅具有强大的普适性, 而且能够有效地应用于识别包含任意阶单纯复形相互作用的网络结构. 本文的研究进一步表明, 这种解析关系能够用于鉴别网络中的对称节点, 并且通过数值模拟证实了间接相互作用节点之间发生遥同步的现象与网络结构的对称性有着密切的联系. 这些发现为深入理解网络的结构特性和动力学行为提供了新的理论工具和视角.
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2024, 73 (12): 120701.
doi: 10.7498/aps.73.20240383
摘要 +
上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国首台X射线自由电子激光用户装置, 目前建有2条波荡器线、2条光束线以及5个实验站. 装置可提供2—15 nm波长(80—620 eV )的X射线脉冲, 用于高时空分辨的前沿科学研究. 利用XFEL高亮度、短脉冲和全相干的特性实现单脉冲相干衍射成像, 可以有效地减轻辐射损伤, 提高图像的空间分辨率. SXFEL设计重复频率为50 Hz, 实现单脉冲成像的关键在于通过定时系统能够精确地控制X射线脉冲到达样品点的时间, 以确保只有一个脉冲被选中用于成像. 同时, 还需要与成像系统的触发进行同步, 以确保成像系统在正确的时间采集X射线脉冲与样品作用后的图像. 本文介绍了SXFEL单脉冲成像定时的设计与实现. 通过单脉冲成像的结果表明该定时方案能满足在50 Hz的SXFEL开展单脉冲成像的需求.
2024, 73 (12): 120702.
doi: 10.7498/aps.73.20240283
摘要 +
为探究神经网络在预测超临界传热方面的有效性, 建立了水平直管内超临界R1234ze(E)冷却传热的神经网络预测模型, 并与修正的Dittus-Boelter (D-B)型传热关联式进行比较分析. 研究表明, 输入参数对于反向传播神经网络(BPNN)预测精度的影响很大, 且并非所有BPNN输入参数组合都能带来比传热关联式更好的预测结果. 输入参数组合$ {{Re} _{\text{b}}} $ , $ {Pr _{\text{b}}} $ , $ {{{\rho _{\text{b}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\rho _{\text{b}}}} {{\rho _{\text{w}}}}}} \right. } {{\rho _{\text{w}}}}} $ , $ {{{{\overline C }_{\text{p}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\overline C }_{\text{p}}}} {{C_{{\text{pw}}}}}}} \right. } {{C_{{\text{pw}}}}}} $ , $ {{{\lambda _{\text{b}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\lambda _{\text{b}}}} {{\lambda _{\text{w}}}}}} \right. } {{\lambda _{\text{w}}}}} $ , $ {{{\mu _{\text{b}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\mu _{\text{b}}}} {{\mu _{\text{w}}}}}} \right. } {{\mu _{\text{w}}}}} $ 的预测表现最好, 对于试验集的预测结果的平均绝对偏差和最大偏差仅为2.02%和9.34%, 远低于传热关联式预测偏差, 且对于高温段h的趋势、h最大值以及h峰值位置的预测比关联式更加准确. 此外, 将遗传算法优化的BP (GA-BP)模型与BP模型在两种不同的适应度值计算方式下进行比较, 揭示GA-BP在提高超临界传热预测精度方面的有效性. 研究表明, 当网络训练与适应度值计算采用相同数据时, 将引起过拟合, 并不能进一步提高预测精度; 当网络训练与适应度值计算采用不同数据时, 可使得网络泛化性能提高, 预测结果的均方根偏差和最大偏差均有进一步的降低.
2024, 73 (12): 120703.
doi: 10.7498/aps.73.20240200
摘要 +
间接型光谱成像仪通常采用面阵探测器作为光电转换器件, 探测器像元间光谱响应的不一致性会导致采集到的目标光谱失真, 所以标定和修正像元间光谱响应的不一致性是提升间接型光谱成像仪光谱辐射测量精度的重要手段. 本文以干涉光谱成像仪为例, 分析了系统像元间相对光谱响应不一致对目标光谱辐射测量准确性的影响, 提出了基于傅里叶变换调制定标源的间接型光谱成像仪全系统相对光谱响应函数测量方法, 并建立了相对光谱响应函数标定的数理模型. 仿真分析结果表明, 理想无噪声时, 像元间1%的相对光谱响应不一致性会对复原光谱造成1.02%的相对误差, 经过相对光谱响应校正后, 不同行复原光谱的相对误差降至0.08%. 最后, 仿真分析了相对光谱响应不一致性在不同光谱信噪比下的校正效果. 该方法可提高间接型光谱成像仪光谱测量的准确性和一致性.
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2024, 73 (12): 120704.
doi: 10.7498/aps.73.20240043
摘要 +
近年来, 有机功能分子的调控因其在提高纳米光电器件内部载流子迁移率方面的突出贡献, 已逐渐成为材料科学的热门领域之一. 本文利用低温扫描隧道显微镜系统地研究了钒氧酞菁(VOPc)分子在干净Cu(110)和铜氧化层表面的吸附构型和组装结构. 在 Cu(110)表面, 初始时 VOPc分子孤立吸附且氧原子向上和向下的构型共存. 而在 CuO-(2×1)表面, VOPc 分子在初始时形成扩展的分子链, 随后组装为有序的分子膜, 在分子膜中两种吸附构型仍然共存且随机排布. 在Cu5O6-c(6×2)表面, 初始时 VOPc 分子的两种构型共存且形成无序结构. 在覆盖度接近一个单层时, 结构有序的组装分子膜逐渐形成, 此时主要采用氧原子向上的分子构型. 因偶极相互作用, 随后的分子层生长遵循两种分子构型交替堆垛. 研究还发现当Cu(110)表面上两种氧化结构共存时, 第2层分子更倾向于吸附在Cu5O6-c(6×2)表面担载的分子膜上, 主要是由分子层间的偶极相互作用导致的. 本研究表明金属表面的氧化层在改变分子吸附构型和组装结构方面的重要性, 可能将影响电子器件制造中分子膜中的电荷输运过程.
原子和分子物理学
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2024, 73 (12): 123201.
doi: 10.7498/aps.73.20240292
摘要 +
阿秒脉冲为研究原子、分子和电子的超快动力学提供了前所未有的测量精度. 目前最成熟的方法是使用飞秒激光与气体相互作用产生阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲. 阿秒脉冲的时域信息以及电子的动力学信息可以通过阿秒条纹相机或基于双光子跃迁干涉的重构阿秒拍频(RABBITT)方法从能谱图中提取. 本文研究了阿秒脉冲串的产生、测量和表征, 通过自主设计建造的钛宝石放大器和阿秒束线进行实验获得光电子能谱图, 并采用不同方法重构阿秒脉冲串的相位信息. 这对于深入理解电子动力学并进行相关测量具有重要意义.
2024, 73 (12): 123401.
doi: 10.7498/aps.73.20240408
摘要 +
采用细致能级扭曲波方法计算了W6+离子基态$ {\text{[Kr]4}}{{\text{d}}^{{10}}}{5}{{\text{s}}^{2}}{4}{{\text{f}}^{{14}}}{5}{{\text{p}}^{6}} $ 和亚稳态$ {\text{[Kr]4}}{{\text{d}}^{{10}}}{5}{{\text{s}}^{2}}{4}{{\text{f}}^{{14}}}{5}{{\text{p}}^{5}}{5}{{\text{d}}^{1}} $ , $ {\text{[Kr]4}}{{\text{d}}^{{10}}}{5}{{\text{s}}^{2}}{4}{{\text{f}}^{{13}}}{5}{{\text{p}}^{6}}{5}{{\text{d}}^{1}} $ , $ {\text{[Kr]4}}{{\text{d}}^{{10}}}{5}{{\text{s}}^{2}}{4}{{\text{f}}^{{14}}}{5}{{\text{p}}^{5}}{5}{{\text{f}}^{1}} $ , $ {\text{[Kr]4}}{{\text{d}}^{{10}}}{5}{{\text{s}}^{2}}{4}{{\text{f}}^{{13}}}{5}{{\text{p}}^{6}}{5}{{\text{f}}^{1}} $ 的电子碰撞单电离(EISI)截面. 为了考虑亚稳态离子对电离的贡献, 本文采用了3种模型来确定母离子束中处于长寿命能级的比值. 与Pindzola和Griffin (1997 Phys. Rev. A 56 1654 )的理论结果和Stenke等(1995 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 28 2711 )实验结果进行比较, 发现在考虑了亚稳态的贡献后本文结果与Stenke等的实验结果吻合得很好.
封面文章
封面文章
2024, 73 (12): 123402.
doi: 10.7498/aps.73.20240211
摘要 +
高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验研究, 不仅对天体等离子体和聚变等离子体的研究具有重要意义, 而且可以作为一种新的精密谱学工具, 用来检验强场量子电动力学效应、测量同位素移动及提取原子核电荷半径等. 在兰州重离子储存环CSRe上, 安装了专门用于电子-离子复合精密谱学实验的电子束能量调制系统, 质心系下电子-离子碰撞能量的调制范围达到0—1 keV. 在CSRe电子冷却器下游安装了自主研制的塑料闪烁体探测器和多丝正比探测器, 用于探测复合离子. 在此基础上, 使用Kr25+离子在CSRe上进行了首次双电子复合测试实验, 实验测量了质心系能量0—70 eV的双电子复合速率系数. 为了更好地理解实验测量结果, 利用FAC (flexible atomic code)程序计算了Kr25+离子的双电子复合速率系数, 并与实验做了细致对比, 整体符合很好, 而且发现$ 3{\mathrm{s}}\to 4{\mathrm{l}} \;(\Delta n=1) $ 的共振跃迁对实验谱线有很大的贡献. 实验结果表明, CSRe双电子复合实验平台具有非常好的稳定性和可重复性, 能够为下一步开展更高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验、检验强场量子电动力学效应以及原子核性质精密测量等前沿实验提供支持.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (12): 124101.
doi: 10.7498/aps.73.20240142
摘要 +
提出一种基于共享孔径技术设计低雷达散射截面(radar cross section, RCS)电磁超构表面天线的新方法. 该方法首先设计具有低RCS性能的超构表面, 然后借鉴共享孔径技术思想, 将超构表面和传统天线的辐射结构直接共享口径紧密排列, 得到新型低RCS天线结构, 并结合电流分析和局部结构修正, 优化天线的辐射性能, 最终同时实现天线的良好辐射和宽带低RCS性能. 为了阐明该方法, 基于极化旋转机理设计了一款低RCS超构表面, 采用共享孔径思想和电流分析, 得到了一款宽带低RCS超构表面天线, 详细分析了该天线的工作机理与性能. 结果表明: 设计的天线在保证较好辐射的同时, 实现了超宽带RCS减缩, 提出的设计方法摒弃了从天线到低RCS天线的传统设计思路, 通过逆向思维, 将散射的优化问题转化为辐射的优化问题, 不仅实现了天线与超构表面的一体化设计, 还显著地降低了低RCS天线优化设计的难度, 加速了天线优化进程.
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2024, 73 (12): 124201.
doi: 10.7498/aps.73.20240339
摘要 +
高频电磁波主要通过玻璃门窗进入建筑物内部, 设计具有光学透明且屏蔽功能可开关的超宽带电磁屏蔽体, 对同时需要电磁安全和采光的特定场所具有重要工程应用价值. 本文利用液态金属的流动性, 提出了一种透明可开关电磁屏蔽体的设计新思路. 利用液态金属流动性作为电磁屏蔽的切换开关, 利用其导电性及Ω型频率选择表面(FSS)结构设计实现超宽带电磁屏蔽. 该FSS结构由三层透明材料构成, 中间层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 顶层和底层为聚二甲基硅氧烷(PDMS), 且其中嵌有正交排列的Ω型微通道. 通过对微通道中注入液态金属, 可将该FSS结构的频率响应从全通状态切换到带阻状态. 双层Ω型微通道设计可增强液态金属的流动性并减半其用量, 同时实现18.1 GHz以下(覆盖P, L, S, C, X和Ku波段)超宽带电磁干扰抑制, 且具有高达80°的极化角度稳定性. 所设计的FSS电磁屏蔽结构单元81%的面积未覆盖金属, 可获得良好的光学透明性. 通过仿真计算TE和TM两种极化方式下的反射系数和吸收率, 深入分析了所设计结构的超宽阻带和高角度稳定性机理. 对所设计结构进行制备和实验测试, 测试结果与仿真结果基本吻合, 验证了所设计FSS结构的超宽带电磁屏蔽性能.
2024, 73 (12): 124202.
doi: 10.7498/aps.73.20240268
摘要 +
针对目前透过散射介质成像技术中宽谱导致目标信息被淹没于背景干扰中, 且散射对波长的敏感性使得频谱信息混叠产生的色彩畸变严重, 无法实现彩色超分辨率成像的问题, 提出了基于散射光场偏振信息复用的计算偏振彩色傅里叶叠层成像技术. 该技术深入地分析散射场的强度及偏振分布特性, 综合利用散射场中目标与背景干扰的偏振信息差异性和唯一性表征, 结合光场的偏振共模抑制特性和偏振的波长相关性, 分通道实现宽谱散射场中的背景干扰信息和目标信息的有效分离. 此外, 深度挖掘散射光场中频谱信息的差异性, 利用傅里叶叠层技术实现散射光场频谱信息拼接, 进而获得透过散射介质的彩色高分辨率成像效果. 实验结果表明, 该方法不仅能够实现透过散射介质的超分辨率重建, 而且偏振信息的复用对于谱宽造成的信号混叠有明显的抑制作用, 大幅提升了重建图像的信噪比和对比度, 抑制了色彩畸变, 在未来的透过散射介质成像具有良好的应用前景.
2024, 73 (12): 124203.
doi: 10.7498/aps.73.20231991
摘要 +
透过散射介质传递光学信息在生物医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景. 但是, 当光通过散射介质后会引起波前畸变, 导致光学信息失真. 基于波前振幅调制技术是利用优化算法不断对入射光波前振幅进行调整, 找到可使目标区域光强最大对应的波前振幅分布. 实验主要研究通过波前振幅调制使透过散射介质的空间光实现光聚焦, 讨论在不同持续时间的散射光场中控球后卫算法与遗传算法对散射光场的调控能力. 实验结果表明, 在散射介质持续时间相同的情况下, 控球后卫算法可以实现比遗传算法更高增强因子的聚焦点以及更均匀的多点聚焦.
2024, 73 (12): 124204.
doi: 10.7498/aps.73.20240499
摘要 +
报道了一种高功率宽调谐外腔面发射绿光激光器, 利用设计的1018 nm半导体增益芯片、折叠镜以及后端镜构成结构紧凑的V型腔, 使用长度为10 mm的I类相位匹配三硼酸锂(LiB3O5, LBO)非线性频率变换晶体进行腔内倍频, 实现了509 nm波长的高功率绿光输出. 通过在腔内插入双折射滤波片(birefringent filter, BRF), 可获得连续调谐的激光波长. 当BRF厚度为1 mm时, 基频激光和倍频绿光的波长调谐范围分别为47.1 nm 和20.1 nm. 可调谐绿光的最大输出功率为8.23 W, 对应的倍频转换效率为68.2%, 相应的从吸收泵浦光到倍频绿光的光-光转换效率为16.6%.
2024, 73 (12): 124205.
doi: 10.7498/aps.73.20240441
摘要 +
锁模半导体碟片激光器(semiconductor disk laser, SDL)兼具输出功率高与光束质量好的优点, 但半导体增益介质ns量级很短的载流子寿命限制了锁模脉冲重复频率的降低, 因而在一定程度上限制了锁模脉冲峰值功率的提高. 本工作中增益芯片内较浅的量子阱所对应的载流子寿命相对较长, 结合特殊设计的较小饱和通量的半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorption mirror, SESAM), 获得了低重复频率、高峰值功率的被动锁模SDL. 当温度为12 ℃时, 利用六镜谐振腔产生的被动锁模激光脉冲重复频率低至78 MHz, 为迄今为止在SESAM锁模SDL中所获得的最低重复频率. 锁模SDL的平均输出功率为2.1 W, 脉冲宽度为2.08 ps, 对应的脉冲的峰值功率12.8 kW, 为已有报道最高值的近2倍.
2024, 73 (12): 124206.
doi: 10.7498/aps.73.20240110
摘要 +
采用平凹多通腔和固体薄片组的非线性脉冲光谱展宽与压缩方案开展了100 W皮秒激光非线性脉冲压缩的研究. 以多片熔融石英薄片作为非线性介质, 在平凹腔中皮秒激光通过自相位调制将光谱宽度由0.24 nm展宽至4.8 nm, 用光栅对进行色散补偿压缩, 实现压缩后的脉冲宽度为483 fs, 对应压缩比为22, 最终输出飞秒激光的平均功率为44.2 W. 相对于常规多通腔方案, 该平凹腔结构紧凑, 光路稳定性好, 压缩比高, 非常有利于非线性光谱展宽与压缩的实现.
2024, 73 (12): 124701.
doi: 10.7498/aps.73.20240369
摘要 +
壁面渗透气膜是一种有应用前景的高超声速边界层转捩控制和减阻降热方式. 在马赫数6高超声速静音风洞内, 使用纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer planar laser scattering, NPLS)技术和高频脉动压力测试技术, 研究了壁面渗透气膜工质(氦气、空气和二氧化碳)在相同体积流量条件下对圆锥高超声速边界层的影响. 实验结果表明, 壁面渗透气膜显著增厚了边界层, 最厚位置都出现在渗透区域下游边界处, 且氦气气膜时边界层最薄, 二氧化碳气膜时最厚. 通常, 空气气膜和二氧化碳气膜使得边界层内提前出现规则的绳状交织的第二模态波结构, 但体积流量较大条件下二氧化碳气膜时, 扰动波结构类似剪切层不稳定性. 氦气气膜时, 扰动波结构不是第二模态波, 其形状不规则, 随时空变化较大, 壁面脉动压力功率谱密度没有出现峰值频率. 空气气膜时第二模态波波长大约是边界层厚度的2—3倍, 而二氧化碳气膜时增大到3倍以上. 二氧化碳气膜时第二模态波峰值频率最小, 频带范围最窄, 波长最长, 幅值最大, 扰动波传播距离较远且非线性相互作用较强.
气体、等离子体和放电物理
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2024, 73 (12): 125201.
doi: 10.7498/aps.73.20240392
摘要 +
数值仿真技术已发展成为气体放电领域的重要研究手段, 常用于研究揭示某一具体放电形式的微观物理过程. 本文介绍了气体放电的统一流体模型, 包括粒子的连续性方程、能量守恒方程及泊松(Poisson)方程, 考虑阴极电子发射(二次电子、热电子发射)、反应焓变与气体加热、阴极热传导等基本过程, 可模拟得到包含盖革-米勒(Geiger-Müller)放电、汤森(Townsend)放电、辉光放电、电弧放电等各区域的完整伏安特性曲线. 基于该模型, 仿真得到的气体放电伏安特性曲线与已有文献结果一致, 验证了该模型的正确性. 在此基础上, 对间距为400 µm、气压分别为50和500 Torr (1 Torr ≈ 133.322 Pa)的放电过程进行了具体研究, 对比分析了不同气压条件下放电典型参量的分布特性. 该模型实现了广域参数范围条件下的气体放电数值仿真, 拓展了气体放电流体模型的应用范围, 促进了对放电参数特性的系统性分析.
2024, 73 (12): 125202.
doi: 10.7498/aps.73.20231613
摘要 +
激光等离子体相互作用(LPI)过程一直以来是惯性约束聚变(ICF)点火中重要的研究内容, 宽带激光在理论上一直以来被认为具有抑制LPI的潜力. 宽带二倍频激光装置—“昆吾”, 为实验研究宽带激光LPI效果提供了可靠的实验研究平台. 针对大尺度低密度等离子体的LPI过程中强烈的受激布里渊散射和受激拉曼散射信号, 开展了相同条件下宽带和窄带激光驱动C8H8平面薄膜靶的透过激光、前向散射和大角度近前向散射的实验研究. 主要针对宽带和窄带激光前向透过信号的组分和近前向散射的光谱及份额信息进行对比研究, 发现宽带和窄带激光驱动的LPI过程具有显著差异. 同时, 初步结果显示宽带激光相比于窄带激光体现出更强的穿透能力, 烧蚀靶并穿过等离子体的时间提前了近1 ns, 透过能量提升了近10倍, 穿透等离子体后有更小的空间发散角. 这些结果对于更好地理解宽带激光对于LPI的作用效果具有很好的参考价值.
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2024, 73 (12): 125203.
doi: 10.7498/aps.73.20232000
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激光聚变研究中, 冲击波调控技术是实现靶丸压缩过程的熵增调谐, 保证高性能内爆的关键实验技术. 本文在十万焦耳激光装置上首次实现了0.375 mm半径小尺度内爆靶丸下双台阶辐射驱动的高精度冲击波调控实验测量. 针对小靶丸下任意反射面速度干涉仪(VISAR)诊断有效反射区域不足的问题, 通过建立的球形反射面VISAR图像光强的理论计算方法, 提出了利用锁孔(keyhole)锥反射效应提升VISAR诊断空间区域的实验技术路线, 使得小靶丸尺度下有效 VISAR 数据区域提升了近3倍. 在实验中首次获得了整形内爆实验条件下低温液氘靶的冲击波测量实验数据, 实现了高精度冲击波调控实验测量. 实验发现, 小时空尺度内爆设计条件下, 由于反射冲击波的作用, 激光参数的较小偏差都会对冲击波追赶后的传输行为产生显著影响, 揭示了我国当前小靶丸尺度下高性能整形内爆物理过程中冲击波传输的多因素敏感性, 以及冲击波调控实验对于内爆设计验证的重要性. 本文提出的小靶丸冲击波调控实验技术, 不仅为我国十万焦耳激光装置上整形脉冲下熵增调谐实验的开展提供了技术基础, 也对基于球汇聚压缩的超高压物理研究具有重要意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (12): 126102.
doi: 10.7498/aps.73.20240143
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基于第一性原理计算方法, 在考虑磁效应的基础上, 对不同温度下合金Co2(Hf Ta)中的稳定结构、电子性质和热力学性质展开了研究. 通过第一性原理计算形成能、弹性性质及声子色散关系, 结果表明合金Co2(HfxTa1–x) 在x ≤ 0.75时基态是C36, 当x > 0.75时基态是C14. 这一发现提示了合金成分对其基态结构的影响, 并为合金的稳定性提供了重要线索. 值得注意的是, 考虑了振动熵和电子熵的贡献后, Co2Hf相对稳定的结构变为C36, Co2Ta变为C14, 这表明温度会对合金结构稳定性的影响. Co2(HfxTa1–x)合金在弹性方面呈现出本征脆性. 热力学分析表明其在高温下热容趋于稳定, 德拜温度近似为常数, 振动熵随温度递增且与压强负相关. 电子态密度分析揭示了Co2(Hf Ta)合金三个结构的相稳定性.
2024, 73 (12): 126103.
doi: 10.7498/aps.73.20240307
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针对锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)进行TCAD仿真建模, 基于SiGe HBT器件模型搭建低噪放大器(LNA)电路, 开展单粒子瞬态(SET)的混合仿真, 研究SET脉冲随离子不同LET值、入射角度的变化规律. 结果表明: 随着入射离子LET值的增大, LNA端口的SET脉冲的幅值增大, 振荡时间延长; 随着离子入射角的增大, LNA端口的SET脉冲的幅值先增大后减小, 振荡时间减小. 使用反模(IM)共射共基结构(Cascode)降低LNA对单粒子效应的敏感度, 验证了采用IM结构的LNA电路的相关射频性能. 针对离子于共基极(CB)晶体管、共发射极(CE)晶体管两种位置入射进行SET实验. 实验结果与本实验中的正向模式相比, IM Cascode结构的LNA电路的瞬态电流持续时间明显减少, 并且峰值减小了66%及以上.
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2024, 73 (12): 126201.
doi: 10.7498/aps.73.20240284
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硬度是硬质合金材料的一项典型代表性能, 受多种因素的影响且各因素间常存在关联关系. 本文旨在获得WC-Co硬质合金硬度的关键影响因素并实现硬度的高通量预测. 建立了以硬质合金硬度为目标变量, 以原料成分、烧结工艺和烧结体表征信息为特征的数据集; 通过对特征的皮尔逊相关系数和SHAP分析, 发现WC晶粒尺寸和Co含量对硬质合金硬度的影响最为显著. 基于机器学习的支持向量机、多项式回归、梯度提升决策树、随机森林等算法, 分别构建了硬质合金硬度预测模型. 采用10折交叉验证方法对模型进行定量评估, 结果表明梯度提升决策树算法模型具有最高的精度和较强的泛化能力, 是最适合硬质合金硬度预测的机器学习方法. 基于优选模型的高通量预测数据, 采用多项式回归算法确定了硬质合金硬度与Co含量和WC晶粒尺寸之间的定量关系, 预测准确率达到0.946. 本研究为硬质合金性能的准确高效预测提供了数据驱动方法, 可为高性能硬质合金材料的设计研发提供重要参考.
2024, 73 (12): 126202.
doi: 10.7498/aps.73.20240385
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随着可穿戴电子产品要求提升, 无毒的有机钙钛矿铁电体成为潜在候选材料. 本工作应用第一性原理计算系统研究了无铅有机钙钛矿A-NH4-(PF6)3 (A = MDABCO, CNDABCO, ODABCO, NODABCO, SHDABCO)的电子态密度、自发极化、弹性特性和压电效应. 通过分子动力学和结合能计算发现, 有机钙钛矿在室温下具有稳定性且预测其在实验上易于合成. 对电子态密度研究发现, A-NH4-(PF6)3的价带主要来自F元素的贡献, 价带顶和导带底分别来自取代基团中的元素和N元素的贡献, 因此有利于电子-空穴对的分离. 依据Born稳定性判据, 有机钙钛矿具有稳定的机械性质. 除此之外, A位有机阳离子的取代基团可以改变材料中氢键的数量, 对总铁电极化的贡献有着明显影响. 最后通过压电性能计算, 揭示了有机钙钛矿具有良好的压电效果, 该效应源于材料引入的有机阳离子增加的材料的柔性. 计算结果为后续实验提供了理论基础.
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2024, 73 (12): 126401.
doi: 10.7498/aps.73.20240347
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高性能非互易光子器件能够有效地提升光量子操控、信息处理以及量子模拟的效率. 放大的光信号可以增强并隔离量子系统输出的微弱信号, 避免敏感量子系统受反向散射噪声等影响, 是高性能光子器件的核心技术. 在我们先前的工作(2023 Opt. Express 31 38228 )中, 基于四波混频增益并利用耦合场强度随位置线性变化实现了单向反射光放大的动力学调控. 本文巧妙地设计了简单的三能级闭合回路相干增益原子系统, 创新性地设置耦合场强度随位置阶梯型变化来破坏极化率空间对称性实现了完美非互易反射光放大. 相比之下, 耦合场强度阶梯型变化在实验上更容易调节, 大大地降低了实验难度. 特别地, 该系统引入了相位调制. 通过改变相位能够切换探测光增益和吸收的频率域, 对反射光放大的调节更具灵活性.
2024, 73 (12): 126801.
doi: 10.7498/aps.73.20231779
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由区域选择性生长方法(即分子在预图案表面的自组装技术)制备的有机微纳米图案有望在光电和全彩显示方面发挥巨大作用. 而制备多色图案薄膜的有机器件依赖于两种及多种有机分子的成核分配, 特别是混合沉积方法的应用有效提高了多色薄膜成核的效率. 本文利用动力学蒙特卡罗方法研究了两种分子间的结合能强弱对混合沉积两种分子以实现相分离式生长的影响. 结果表明: 当分子间结合能较弱时, 两种分子表现出完全不同的相分离生长行为, 绝大部分的非平面和平面分子分别沉积在电极顶部和侧面; 当分子间结合能较强时, 电极顶部及侧面都出现了两类分子的掺杂生长, 导致了分子相分离生长的失效. 研究证明了分子间的结合能会影响多种有机分子选区生长分离的效果, 因此混合沉积两种有机分子时, 通过适当调整分子间的结合能, 在电极顶部和侧面可分别获得较纯结晶的单色薄膜, 从而促进了多色有机微纳米图案在微显示等领域的进一步应用.
2024, 73 (12): 126802.
doi: 10.7498/aps.73.20231621
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低维材料表面的有毒气体吸附一直是分子传感器领域的研究热点. 最近的新型正交相二维BN单层半导体材料引起了学者的广泛关注. 基于第一性原理计算, 本文研究了有毒气体分子(CO, H2S, NH3, NO, NO2和SO2)在二维正交相BN单层表面的吸附特性. 吸附能计算表明, 正交相BN材料对所有气体的吸附均是能量有利的放热过程.NO2和NH3为化学吸附, 其他体系均为物理吸附, 且NO吸附后体系具有自旋极化的电子能带结构. 态密度计算结果显示, NO2和SO2的吸附对费米能级附近的电子占据有显著影响.NO2吸附后, 体系的功函数和电子结构特性均明显改变, 表明BN单层半导体材料对NO2分子具有良好的吸附选择性和探测灵敏度. 采用第一性原理结合非平衡格林函数方法计算了纳米电子器件的输运性能. 在1 V偏压下, NO2分子的吸附可使体系电流增大到6500 nA, 显著增强了BN单层半导体器件的电输运性能, 因此二维BN单层对NO2气体吸附具有优异的探测敏感度. 此外, 轴向应力能够有效调控体系的吸附性能. 研究表明, 正交相BN单层材料对有毒气体具有优异的吸附性能, 在新型有毒气体传感探测器件领域有较大的应用潜力.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (12): 127101.
doi: 10.7498/aps.73.20240404
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拓扑半金属, 作为一种独特的拓扑电子态, 近年来因其固有的拓扑特性和潜在的器件应用而备受研究关注. 体-边界对应是拓扑半金属的一个关键特征, 这意味着如果在体相中存在非平庸的能带拓扑, 那么在表面会存在受拓扑保护导电状态, 即拓扑表面态 (topological surface state, TSS). 这一特征使其在电催化研究领域备受关注. 本文采用第一性原理计算手段研究了AlB2材料的拓扑性质, 并构建(010)表面Al端面和B端面平板模型, 计算得到了TSS的位置. 研究了AlB2表面吸附特性, 发现Al端面氢吸附吉布斯自由能($ \Delta {G}_{{{\mathrm{H}}}^{*}} $ )仅为–0.031 eV, 相较于商业电催化析氢(hydrogen evolution reaction, HER)催化剂Pt的–0.08 eV更接近于0, 展现出了优异的HER性能. 观察了AlB2表面吸附H, OH和H2O后TSS的变化, 发现当H吸附时TSS变化最显著, 其次是OH吸附, H2O因其电中性和弱的表面吸附对TSS的影响很微弱. 并且在吸附前后, 由于受拓扑保护TSS依旧存在, 仅是能量发生了改变, 证实了其在环境中的稳定性. 本工作研究结果为不同吸附物对AlB2的TSS的影响提供了系统的认识, 为今后相关领域的理论和实验研究铺平了道路, 也为拓扑材料的实际应用提供了理论支撑.
2024, 73 (12): 127501.
doi: 10.7498/aps.73.20240287
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如何在室温下实现非共线反铁磁Mn3Sn自旋的调控是一项挑战. 本文通过对Mn3Sn单晶施加GPa级单轴应力调控其磁结构, 发现随着应力的增大, 晶格常数a逐渐减小. 此外, GPa级单轴应力下Mn3Sn的磁化率(χ)不同于MPa级单轴应力下的结果, 其值不再是一个定值, 而是随着应力的增大而增大. 当沿$ \text{[11}\bar{2}\text{0]} $ 方向施加1.12 GPa应力后, χ达到0.0203 μB/(f.u.·T); 当沿$ \text{[01}\bar{1}\text{0]} $ 方向施加1.11 GPa应力后, χ达到0.0332 μB/(f.u.·T), 为未变形样品的2.4倍. 进一步的实验结果表明, GPa级的单轴应力打破了kagome晶格的面内六边形的对称性, 从而改变Mn原子间的交换相互作用, 增强体系的反铁磁耦合作用, 使χ不再是一个定值. 这一发现将会为反铁磁自旋调控提供新的思路.
2024, 73 (12): 127801.
doi: 10.7498/aps.73.20231974
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细胞和组织的力学特性在决定生物功能中起着至关重要的作用, 布里渊光谱技术作为一种黏弹性显微成像方法, 可以无标记、非接触地以高空间分辨率表征样品的力学特征变化. 为了更加灵敏地识别生物系统的微小力学性质差异, 在提高布里渊散射效率的同时, 结合多种黏弹性对比机制进行测量是需要关注的问题. 本文报道了基于脉冲受激布里渊散射的光谱测量方法, 采用脉冲光激发、连续光时域探测的方式, 通过一次时域测量即可得到完整光谱并根据光谱信息反演样品的多种黏弹性参数. 得益于受激散射和时域探测, 实验中以毫秒级的光谱积分时间即可得到信噪比为26 dB的光谱, 弹性纵模的存储模量和损耗模量的平均测量精度分别达0.1%和1%. 基于此方法, 测量并对比了常见液体及聚合物材料的布里渊光谱, 并研究了不同固化阶段的PDMS弹性变化, 与琼脂糖凝胶进行了对比. 最后, 基于多种黏弹性对比机制对6种食用油进行鉴别, 不仅为物质鉴别提供了新的思路, 也拓展了布里渊光谱的测量能力, 提高了黏弹性测量的灵敏性.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2024, 73 (12): 128501.
doi: 10.7498/aps.73.20240361
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采用喷墨打印工艺制备了铟锌锡氧化物(indium-zinc-tin-oxide, IZTO)半导体薄膜, 并应用于底栅顶接触结构薄膜晶体管(thin-film transistor, TFT). 研究了墨水的溶剂成分以及溶质浓度对打印薄膜图案轮廓的影响. 结果表明二元溶剂IZTO墨水中乙二醇溶剂可有效平衡溶质向内的马兰戈尼回流与向外的毛细管流, 避免了单一溶剂墨水下溶质流动不平衡造成IZTO薄膜的咖啡环状沉积轮廓图案, 获得均匀平坦的薄膜图案轮廓和良好接触特性, 接触电阻为820 Ω, 优化后IZTO TFT器件的饱和迁移率达到16.6 cm2/(V·s), 阈值电压为0.84 V, 开关比高达3.74×109, 亚阈值摆幅为0.24 V/dec. 通过打印薄膜凝胶化模型解释了IZTO墨水溶剂成分、溶质浓度与最终薄膜形貌的关系.
2024, 73 (12): 128502.
doi: 10.7498/aps.73.20240254
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随着3D NAND技术的发展, 存储阵列工艺的堆叠层数越来越高, 后栅工艺中金属钨(W)栅字线(WL)层填充的工艺也面临越来越严峻的挑战. 钨栅沉积工艺中的主要挑战在于氟攻击问题, 钨栅填充时产生的空洞导致了含氟(F)副产物的积聚, 并在后续高温制程的激发下, 扩散侵蚀其周边氧化物层, 致使字线漏电, 严重影响器件的良率及可靠性. 为改善氟攻击问题, 通常在钨栅沉积之前再沉积一层薄的氮化钛作为阻挡层. 然而在对栅极叠层组分分析中发现, F元素聚集在TiN薄膜表面, 并且难以通过退火排出. 本文采用第一性原理计算, 研究了TiN薄膜表面吸附含F物种的情况, 提出TiN的表面氧化能加剧对含F物种的吸附作用, 仿真结果指导了栅极工艺过程的优化方向. 基于第一性原理计算结果, 提出氨气吹扫表面处理方法, 有效改善了3D NAND中的氟攻击问题, 将字线漏电率降低25%, 晶圆翘曲度降低43%.
2024, 73 (12): 128503.
doi: 10.7498/aps.73.20231969
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在AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LEDs)中设计了具有不同周期数的超晶格电子阻挡层(SL-EBL)结构, 研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs发光效率、I-V特性、可靠性及有源区载流子复合机制的影响. 研究结果表明, 随着SL-EBL的周期数增加, DUV-LEDs的光输出功率(LOP)、外量子效率(EQE)和电光转换效率 (WPE)均呈先上升后下降的趋势, 同时泄漏电流减小, 可靠性提升. 当周期数为7时(厚度为28 nm), DUV-LEDs裸芯的EQE和WPE均达到最大值, 在7.5 mA注入电流下分别为3.5%和3.2%. 能带模拟结果证明了增加SL-EBL周期数可以有效提升电子势垒高度, 而几乎不改变空穴势垒高度. 然而, 当SL-EBL超过一定厚度时, 抑制了空穴向有源区的注入, 导致EQE和WPE随SL-EBL周期数变化出现拐点. 研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs载流子复合机制的影响, 发现增加SL-EBL周期数可以有效地降低有源区内载流子非辐射复合.
地球物理学、天文学和天体物理学
2024, 73 (12): 129201.
doi: 10.7498/aps.73.20240341
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LHAASO实验利用到达探测器的宇宙线次级粒子来获取原初宇宙线信息, 而次级粒子中成分最多的是光子. 雷暴期间, 大气电场会影响次级带电粒子, 进而改变地面光子信息. 本文利用Monte Carlo方法, 模拟研究了近地雷暴电场对LHAASO观测面次级光子的影响. 模拟中使用了一个厚度均匀、方向垂直于地面的电场模型. 结果表明, 雷暴电场中光子的数目和能量变化显著, 且依赖于电场强度. 当电场为–1000 V/cm时, 光子数目增加23%, 能谱变软, 当能量小于2 MeV时, 数目增加超过29%. 当电场为–1700 V/cm时, 光子数目呈指数增长, 达到279%, 能谱相较于–1000 V/cm变得更软, 当能量小于2 MeV时, 数目增加超过361%, 符合相对论电子逃逸雪崩机理. 这些变化主要源于电子被大气电场加速, 数目增加(–1000 V/cm中增加65%, –17000 V/cm中增加992%), 能谱变软. 同时, 高能自由电子通过轫致辐射产生光子, 导致光子的数目和能量也发生变化, 且变化趋势与电子的一致. 本模拟结果有助于理解雷暴期间LHAASO实验数据变化特点, 并为大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制提供信息.
