Vol. 73, No. 21 (2024)
2024年11月05日
封面文章
2024, 73 (21): 216701.
doi: 10.7498/aps.73.20241299
摘要 +
在磁性原子气体中, 偶极弛豫过程将系统的自旋与动能自由度耦合, 从而实现体系动能向塞曼能的转化. 利用光泵浦过程, 可以将偶极弛豫至高自旋态的原子重新泵浦回基态, 实现持续的冷却循环, 有效降低体系温度. 由于单次冷却循环中移除的能量远大于散射光子能量, 这种退磁冷却方案显著提升了冷却效率并减少了原子损失. 本文通过建立结合偶极弛豫与光泵浦过程的态耦合方程, 对镝原子的退磁冷却进行了理论建模与计算, 研究了相关实验参数对冷却效率及冷却极限温度的影响, 确定了实现镝原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验参数范围和技术指标要求. 结果表明, 在最优实验参数下, 退磁冷却可以在亚秒时间内直接制备大原子数的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚, 其冷却效率比传统蒸发冷却高一个数量级.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (21): 214301.
doi: 10.7498/aps.73.20241087
摘要 +
近年来, 基于非厄米拓扑理论, 研究者们通过调制声学晶体中的非互易耦合, 揭示了体态向界面塌陷的趋肤效应. 本工作实验设计了具有不同绕组数域之间的拓扑趋肤界面, 以操纵能量聚焦到非厄米一维声腔链的中间或两端. 首先, 通过电声耦合的方法实现了两个声学腔之间的非互易耦合, 并研究其特性. 其次, 将非互易耦合腔扩展成链状, 通过调制非互易电-声耦合来构建趋肤界面的位置. 实验结果表明, 对于不同的非互易耦合分布, 声音可以集中在中间界面或两端界面, 并且通过改变非互易耦合方向, 可以将趋肤界面从中间切换到两端. 本研究结果为设计控制声音传播的先进拓扑声学装置提供了一个新平台.
2024, 73 (21): 214203.
doi: 10.7498/aps.73.20241076
摘要 +
结直肠癌是全球癌症死亡的主要原因之一, 常用的光学或超声消化道内镜仍然存在穿透深度低、对比度差、功能/分子成像能力不足等问题. 本文介绍了一种小型化的手持式光声/超声双模态内窥探头, 旨在克服现有技术在穿透深度和分子成像能力方面的限制. 实验结果表明, 该探头在组织12 mm深度下分别达到了345 μm的光声横向分辨率和185 μm的超声横向分辨率, 并具有良好的对复杂结构目标成像的能力. 本文还利用泵浦探测技术排除了血液背景的干扰, 实现了肿瘤深层组织内亚甲基蓝分子的高特异性成像. 这种小型化手持式光声/超声双模态内窥探头兼具大成像深度、高空间分辨和高特异性分子成像的特点, 有望成为结直肠癌等消化道肿瘤诊断的重要工具, 为早期诊断和治疗监测提供强有力的支持.
2024, 73 (21): 214204.
doi: 10.7498/aps.73.20241017
摘要 +
白光LED具有广阔的应用前景与市场需求, 而红色荧光粉对改善器件性能至关重要. 本文采用高温固相法制备了一系列Li2Gd4–xSmx(MoO4)7 (x = 0.01—0.13)荧光粉, 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和荧光光谱仪对样品进行了表征. 在406 nm激发下, Li2Gd4(MoO4)7:Sm3+荧光粉的发射峰分别位于563, 598, 645, 706 nm处, 这是由于Sm3+的4f-4f跃迁引起的. 当Sm3+浓度为0.07时发光最强, 浓度猝灭主要归因于电偶极-电偶极相互作用. 随着Sm3+浓度的增大, 荧光寿命逐渐缩短. 温度依赖性发射光谱研究发现, 当温度为423 K时, Li2Gd4(MoO4)7:0.07Sm3+的发射强度依然保持在298 K时的79%, 显示了样品优良的热稳定性. CIE色度图确认了该荧光粉的发射位于橙红色区域. 进一步利用最佳样品制作了白光LED, 其CIE色坐标为(0.3788, 0.3134), 位于白光圈内. 研究表明Li2Gd4(MoO4)7:Sm3+荧光粉是一种很有前途的白光LED用橙红色荧光粉.
2024, 73 (21): 214401.
doi: 10.7498/aps.73.20240863
摘要 +
针对车用空调的高能耗问题, 设计了一种将辐射制冷膜和电致变色膜结合的可调节多层膜. 为研究多层膜的降温与温度调节性能, 搭建了贴膜方箱装置, 并在室内对贴膜装置进行太阳光模拟器照射实验, 结果表明, 多层膜相比单层辐射制冷膜最大箱内降温提升约9.8 ℃, 且能通过改变多层膜透过率实现约4.6 ℃的温度调节, 具有较强的降温与温度调节潜力. 为研究多层膜的环境适应性, 在夏季和冬季的室外对贴膜装置进行实际太阳照射实验, 结果表明: 夏季多层膜降温效果明显, 最大箱内降温高达12.9 ℃; 而冬季多层膜降温效果较弱, 最大箱内降温仅有1.9 ℃, 具有良好的环境适应性. 综上, 该多层膜可为降低汽车空调能耗提供一种新的解决方案.
2024, 73 (21): 214202.
doi: 10.7498/aps.73.20241026
摘要 +
为深入理解复杂光场在近场范围内的精确传输行为, 特别是在克服传统近轴近似限制下的传输行为, 本文发展了一种更为精确的理论框架, 全面揭示了广义抛物光束的传播机制及其能量传输模式. 基于光的独立传播与叠加原理, 利用虚点源方法, 结合韦伯积分公式及极坐标系下的傅里叶-贝塞尔变换方法, 严格推导出一套描述广义抛物光束近场传输的积分表达式. 这一表达式突破了传统近轴近似限制, 并涵盖了广义抛物光束的所有关键传输参数. 通过此积分表达式, 计算并分析了光束沿光轴的强度分布及相位特征, 从而揭示了其能量传输模式与相位特性. 基于推导所得的积分表达式, 运用数值模拟, 傍轴近似解和非傍轴修正解在远场模拟的结果展现出了良好的一致性, 验证了推导结果的正确性. 研究结果加深了对广义抛物光束近场传输机制的理解, 也为复杂光场在近场范围精确传输行为的计算奠定了理论基石.
2024, 73 (21): 214201.
doi: 10.7498/aps.73.20241023
摘要 +
通过将扭曲高斯谢尔模光束入射到波前折叠干涉仪(WFI), 构建了一类镜像与反镜像扭曲高斯谢尔模光束, 并研究了光束在传输过程中的二阶统计特性. 结果表明, 变换光场仍保持扭曲效应, 其光谱密度和光谱相干度在传输过程中绕轴旋转, 但二者的旋向相反. 值得注意的是, 扭曲相位不仅能控制光场的旋转速度, 还能有效调控光斑的整体轮廓分布, 而中心区域的光斑模式则由WFI的相位差调控主导, 具体表现为镜像扭曲光场在传输过程中始终表现为中央亮斑分布, 反镜像扭曲光场则表现为中央暗核分布. 此外, 本文证明了光场的光谱相干度可由光源相干性、扭曲相位和WFI相位差等参数灵活调制. 本研究结果对于自由空间光通信以及微粒捕获等领域有重要应用价值.
综述
2024, 73 (21): 210701.
doi: 10.7498/aps.73.20240957
摘要 +
光电子能谱是一项在物质科学中被广泛应用的表征技术. 尤其是角分辨光电子能谱 (ARPES), 可以直接给出材料体系内电子的能量-动量色散关系和费米面结构, 是研究多体相互作用和关联量子材料的利器. 随着先进ARPES如时间分辨ARPES, Nano-ARPES等技术的不断发展, 以及同步辐射装置的更新换代, 将会产生越来越多的高通量实验数据. 因此, 探索准确、高效、同时能挖掘深层物理信息的数据处理方法变得愈发迫切. 由于机器学习天然具有的自动化处理复杂高维数据能力, 推动了包括ARPES在内的诸多领域的变革和技术创新. 本文综述了机器学习在光电子能谱中的应用, 包括对光谱数据进行降噪、进行电子结构分析、化学组成分析、以及结合理论计算获得的电子结构信息进行光谱预测. 进一步, 展望了更多机器学习算法在光电子能谱中的应用, 最终有望形成更加自动化的数据采集、预处理系统以及数据分析的工作流, 推动光电子能谱技术的发展, 从而推进量子材料和凝聚态物理前沿研究.
2024, 73 (21): 218701.
doi: 10.7498/aps.73.20241093
摘要 +
活性分子与细胞膜之间的相互作用在许多基本的生物过程中扮演着至关重要的角色, 然而如何实现对此界面动力学过程的原位、实时、无标记且无侵入监测仍是生物物理研究领域所面临的一大挑战. 我们与合作者开发的光电压瞬态技术, 为解决这一问题提供了一种新途径. 该技术利用硅片光电响应生成电荷, 并将磷脂膜的充放电过程记录为电压瞬态脉冲、建立了该充放电过程与界面瞬时结构和性质之间的关联性. 因此, 通过对随时间演化的电压脉冲进行分析, 可以揭示活性分子作用下膜结构实时动态变化情况, 尤其是不同作用状态之间转换的时间信息, 可作为传统技术的有益补充. 同时, 该技术设备搭建成本低廉, 操作方便, 无需复杂的数据处理过程. 本综述概述了光电压瞬态技术的工作原理、设备搭建以及数据处理方法, 并以经典细胞膜模型——磷脂双层膜为例, 总结了该技术在探索磷脂膜水合特性及其与活性分子(如表面活性剂、聚合物、多肽和纳米颗粒)相互作用机制方面取得的最新进展. 最后就该技术优缺点进行讨论并展望未来发展前景.
2024, 73 (21): 218702.
doi: 10.7498/aps.73.20240977
摘要 +
心律失常是当前生物物理交叉学科中发展得比较成熟的一个分支, 在实验和理论方面均取得了丰硕的成果. 近年来, 随着实验数据的积累, 人们在多个尺度上发现了更丰富多样的心律失常诱因, 这对物理学的研究提出了新的需求和挑战. 因此, 心肌系统的多尺度建模、计算和动力学分析是心律失常领域进一步发展的关键. 本文旨在对这个课题进行一个阶段性的回顾, 扼要介绍心肌多尺度建模的基本理念和方法, 并以尺度为脉络, 介绍近年来在心律失常机制理论方面取得的若干重要成果. 现有成果表明, 非线性动力学、斑图动力学和统计物理对心律失常的基本认识和理论的发展具有重要的意义. 未来的研究应在拓展模型尺度(向更微观和宏观方向拓展模型), 解决心律失常基础动力学问题(如非均匀系统的稳定性、斑图的相变理论), 以及解决更复杂而基本的生理医学问题(如心率变异、人群心律失常发生概率风险的评估)等方面继续深入探索.
总论
2024, 73 (21): 210301.
doi: 10.7498/aps.73.20241150
摘要 +
量子非局域共享问题是量子通信中的一类基本问题. 目前通过违反Mermin不等式和NS不等式证明了有无限个独立的Charlies可以与一对Alice和Bob共享标准三体量子非局域性和真正无信号非局域性. 然而, 上述结论是在理想状态下得出的, 在实际操作过程中不可避免地会受到各种噪声的影响, 这些因素都可能导致量子非局域性的减弱甚至消失. 本文主要针对含有噪声的三体量子共享非局域性的持久性问题进行一系列分析. 证明了即使在噪声环境下, 单个Alice和Bob仍然可以与任意多个Charlies共享标准三体量子非局域性的充分条件. 此外还给出了在非理想状态下, 任意多个独立的Charlies与一对Alice和Bob 共享真正无信号非局域性的充分条件. 结果表明, 即使在非理想的条件下, 只要噪声参数满足相应的条件, 标准三体量子非局域性和真正无信号量子非局域性仍然可以在多方之间安全地共享, 这可以为实际量子通信过程提供有价值的参考.
2024, 73 (21): 210201.
doi: 10.7498/aps.73.20241112
摘要 +
建立了陶瓷型复合燃料两相烧结过程的相场模型, 利用该模型模拟了UN-U3Si2复合燃料的烧结过程. 首先, 研究了两相双晶粒在烧结过程中的烧结颈的演化过程. 结果表明: 具有较高表面能的晶粒在烧结颈形成过程中的表面形变更明显; 两相双晶粒形成的平衡二面角的大小取决于两相的晶界能与表面能的比值; 两相不等大的双晶粒之间未发生大晶粒吞噬小晶粒现象. 然后, 研究了烧结过程中的两相三晶粒之间的气孔收缩和三叉晶界的演化, 以揭示符合燃料烧结过程中气孔的演变规律. 结果发现, 两相三晶粒形成的三叉晶界夹角偏离了120°, 晶界处的高能势垒阻碍了气孔的空位沿晶界的扩散, 导致三叉晶界处的气孔收缩速率减慢. 最后, 研究了两相陶瓷型复合燃料的多晶烧结过程. 不同体积分数比的两相多晶烧结组织形貌演化的模拟结果表明, 晶界扩散在两相烧结过程中起主要作用, 体积分数较大的相的晶粒生长占据主导地位, 两相晶粒之间存在阻碍晶界迁移的作用, 同相晶粒之间存在晶粒迁移现象.
2024, 73 (21): 210502.
doi: 10.7498/aps.73.20241007
摘要 +
为研究零视野条件下结伴行为对行人疏散过程的影响, 本文采用可控实验与建模仿真相结合的方法, 对零视野条件下结伴行人的疏散过程进行深入研究. 首先, 通过组织零视野条件下行人的结伴疏散实验, 发现了零视野条件下结伴行人的结伴行为、听觉引导行为和沿墙行为等典型疏散行为特征. 然后, 考虑不同结伴模式下行人的运动行为特征以及听觉引导行为、沿墙行为对结伴疏散过程的影响机制, 构建了基于元胞自动机的零视野条件下行人疏散模型. 最后, 利用实验结果对提出的模型进行验证, 仿真研究了零视野条件下结伴行为对疏散过程的影响. 结果表明, 模型能有效地刻画零视野条件下结伴行人的疏散行为特征, 疏散效率随结伴感知距离增加而降低. 该研究可为类似场景中行人疏散策略和方案的制定提供科学依据.
2024, 73 (21): 210302.
doi: 10.7498/aps.73.20240804
摘要 +
在基于零差探测的水下连续变量量子密钥分发系统中, 测量基选择是必不可少的步骤. 然而在实际中, 接收端数模转换器的带宽有限, 这会导致测量基选择出现缺陷, 即接收方无法在相位调制器上精确地调制出相应的相位角来进行测量基选择以实施零差探测. 非理想测量基选择会引入额外的过噪声, 影响水下连续变量量子密钥分发方案的安全性. 针对这个问题, 本文提出基于非理想测量基选择的水下连续变量量子密钥分发方案, 详细分析非理想测量基选择对水下连续变量量子密钥分发系统性能的影响. 研究结果表明, 由非理想测量基选择所引入的过噪声能够降低水下高斯调制量子密钥分发的密钥率与最大传输距离, 因而降低系统的安全性. 为了实现可靠的水下连续变量量子密钥分发, 本文对非理想测量基选择所引入的额外过噪声进行定量分析并获得其安全界限, 并且考虑不同海水深度对所提出方案安全界限的影响, 有效地解决由非理想测量基选择所带来的安全隐患. 此外, 对所提出的方案, 本文不仅考虑了其渐近安全性, 也考虑了其组合安全性, 后者能够获得比前者更紧的性能曲线. 本文所提出的方案旨在推动水下连续变量量子密钥分发系统的实用化进程, 为全球量子通信网络的水下通信中水信道参数的准确评估提供理论指导.
2024, 73 (21): 210501.
doi: 10.7498/aps.73.20241028
摘要 +
与现有其他混沌系统不同, 本文探索了一种具有简单结构的$n$维离散超混沌系统. 首先, 利用正弦函数和幂函数以及简单运算构建n维离散超混沌系统; 然后, 理论分析该系统可以设置正的Lyapunov指数; 接下来, 以六维混沌系统为例, 对其进行了相图、分岔图、Lyapunov指数、复杂性等动力学特征分析; 最后, 将新的混沌系统结合前后项异或运算和真随机数构建一次一密音频加密新方法. 通过实验仿真, 所提出的算法与现有音频加密算法进行比较, 该算法具有更高安全性, 能够抵御各种常见攻击.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (21): 217202.
doi: 10.7498/aps.73.20240864
摘要 +
半带隙开启特性是有机发光二极管独有的一种光电属性, 但电子注入层(electron injection layer, EIL)如何影响半带隙开启的研究还未见报道. 本文选取电子迁移率按数量级依次降低的EIL材料制备了三组控制器件, 发现随EIL电子迁移率的依次降低, 器件的开启电压分别呈现出半带隙(half-band-gap)开启、亚带隙(sub-band-gap)开启和正常开启的物理现象. 器件发光的特征磁效应(magneto-electroluminescence, MEL)结果显示: EIL电子迁移率高的器件实现半带隙开启主要归因于三重态-三重态湮灭(triplet-triplet annihilation, TTA, T1,Rb + T1,Rb → S1,Rb + S0)过程有效降低了器件的开启电压(1.1 V). 但在EIL电子迁移率较低的器件中, 为注入更多电子需要在低电子迁移率的EIL上施加更高的电压, 从而抵消了TTA过程降低的开启电压, 因此随着EIL电子迁移率依次降低其开启电压表现为亚带隙开启(2.1 V)和正常开启(4.1 V). 此外, 高EIL电子迁移率的器件中TTA更强, 亮度更高. 这是由于器件中形成了更多数量的三重激基复合物EX3态并通过Dexter能量传递过程形成T1,Rb. 本工作进一步加深了对Rubrene/C60型器件中电子迁移率对开启电压影响的理解以及相关物理微观机制的认识.
2024, 73 (21): 217101.
doi: 10.7498/aps.73.20241132
摘要 +
通过对Gd, Ho和Er进行元素替换, 成功设计制备出临界尺寸为2 mm的Gd20+2xHo20–xEr20–xCo20Ni10Al10 (x = 0, 5, 10) 块体高熵非晶合金体系, 系统研究了稀土元素种类和含量对高熵非晶合金的微观结构、热力学性能和磁热性能的影响及调控机理. 研究结果表明, 随着Ho和Er逐步被Gd取代, 体系的热稳定性略有下降, 其中, 玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx逐渐降低. 与此同时, 液相线温度Tl升高, 导致玻璃形成能力的热力学判据, 如约化玻璃转变温度Trg, γ和γm降低. X射线和高分辨透射电子显微镜的结果分析表明, 随着Gd含量的增大, 体系的有序度减小, 有利于非晶相的生成. 另一方面, 随着Gd元素的加入, 磁热性能参量如居里温度Tc、峰值磁熵变($ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $)和相对制冷能力(relative cooling power, RCP)均逐渐升高, 其中Gd40Ho10Er10CoNiAl的$ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $和RCP最大, 分别为8.31 J/(kg·K)和740.82 J/kg. 研究结果表明, 稀土基高熵非晶合金体系的磁热效应包括RCP, Tc和$ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $主要依赖于de Gennes因子, 与材料内部的有效磁矩并无直接关系, 而热力学性能主要受到4f电子引起的f-d杂化效应影响, 随着4f电子数的增加非晶合金体系的热稳定逐步增加. 综上所述, 我们可以借助稀土元素替换进行成分优选, 通过调控4f电子数获得具有较高热稳定性且Tc可调的稀土基非晶合金磁热材料.
2024, 73 (21): 217301.
doi: 10.7498/aps.73.20240996
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了Be在不同位置掺杂的石墨双炔作为锂离子电池负极材料的性能. 通过计算不同掺杂浓度下石墨双炔的形成能和内聚能, 表明Be掺杂的石墨双炔具有很好的实验合成前景. 更重要的是, 掺Be后的石墨双炔具有良好的导电性能. Be掺杂的石墨双炔对单个锂的吸附能为–4.22 eV, 相较于硼, 氮掺杂石墨双炔以及本征石墨双炔大幅度提升. 随着储锂数量的增加, 其对锂的吸附能依旧大于固体锂的内聚能, 并且平均开路电压在0—1 V之间, 充分保证了电池的安全性. 除此之外, 将储锂容量提升为881 mAh/g, 是未掺杂石墨双炔的1.14倍, 是石墨的2.36倍. 同时, 锂在Be掺杂的石墨双炔上扩散性能也有所提升. 对于CIII位掺杂体系, 通过研究低锂浓度、中锂浓度、高锂浓度阶段的离子输运. 研究发现随着锂浓度的增大, 扩散势垒分别为0.38, 0.44, 0.77 eV, 锂离子的移动变得困难, 但依然优于其他元素掺杂的石墨双炔. 综上所述, 铍掺杂石墨双炔作为优异的锂离子电池负极材料具有很大潜力.
2024, 73 (21): 217201.
doi: 10.7498/aps.73.20241044
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 系统研究了单层IrSCl和IrSI材料的载流子输运特性. 声子谱计算无虚频, 表明材料结构稳定, 且分子动力学模拟验证了其在300 K下的热稳定性. 结果显示, 这两种材料均为间接带隙半导体, 且在不同泛函下的带隙计算结果分别为: 单层IrSCl在PBE和HSE06泛函下的带隙.为0.37 eV和1.58 eV, 单层IrSI的带隙为0.23 eV和1.36 eV. 在双轴拉伸应变下, IrSCl和IrSI的带隙逐渐减小. 在应变6%时, 带隙分别降至0.05 eV和0.01 eV (PBE). 基于形变势理论预测, 室温下单层IrSCl和IrSI的最大载流子迁移率分别407.77 cm2/(V·s)和202.64 cm2/(V·s). 同时, 基于玻尔兹曼输运方程的计算结果显示, 室温下单层IrSCl和IrSI的载流子迁移率最大值分别299.15 cm2/(V·s)和286.41 cm2/(V·s). 这些结果表明, IrSCl和IrSI单层材料在纳米电子器件领域具有潜在的应用价值.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (21): 215201.
doi: 10.7498/aps.73.20240952
摘要 +
针对平面线圈感性耦合氩气放电, 本文基于自主开发的三维等离子体流体力学程序, 数值模拟了线圈结构以及放电气压对等离子体空间分布的影响. 研究表明, 由于线圈在环向上具有不对称性, 电子密度也具有明显的环向不均匀性. 随着气压的增大, 这种环向不均匀性逐渐增强. 通过减小线圈的开口, 可以提高等离子体的环向均匀性. 此外, 针对双线圈驱动放电, 还研究了内外双线圈电流幅值之比对于等离子体均匀性的影响. 结果表明, 通过改变内外线圈电流幅值的比值, 有利于提高等离子体的径向均匀性.
2024, 73 (21): 215202.
doi: 10.7498/aps.73.20241117
摘要 +
最初机-电模型是针对电磁轨道炮的电磁加速过程提出的, 脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)的工作原理也是通过电磁加速产生元冲量, 因此机-电模型是PPT能量转化及元冲量产生机制的主要理论分析工具之一. 但是作为PPT放电回路一部分的等离子体通道, 其几何形态与目前机-电模型的电流片模型存在明显差异. PPT放电通道在离开推进剂表面向外喷出过程中多呈现弯曲形状, 并不断变化, 而非平直片状. 结合PPT放电通道的实际形态, 本文提出了PPT放电通道的二维形态电流片模型, 建立基于二维电流片的改进型机-电模型. 通过分析放电通道受力情况以及电磁加速过程, 推导了PPT羽流的电磁加速动能与放电回路电感量随时间演变函数的关系. 针对机-电模型电路方程, 提出了分段拟合PPT放电波形获得回路电感量随时间演变函数的算法. 形成了基于PPT放电波形分析得到羽流电磁加速动能的计算方案. 将改进型机-电模型应用于PPT样机能量转化效率评价, 通过分析PPT放电能量转化过程阐释了PPT机-电转化效率低的原因, 提出了提高PPT机-电效率的一种探索思路.
更正
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (21): 216102.
doi: 10.7498/aps.73.20240849
摘要 +
过渡金属氧化物异质结界面处各种自由度之间的耦合与竞争关系, 极大地丰富了其物理性质, 并拓展了相关应用范围. 已有研究报道指出维度是调控氧化物异质结性能的有效手段. 本文采用脉冲激光沉积技术制备出高质量外延生长的 SrCuO2/La0.7Ca0.3MnO3 (SCO/LCMO)超晶格, 通过控制维度实现了对超晶格中交换耦合效应的有效调控. 实验发现, 在改变 SCO 厚度的过程中, 其结构将由无限层状构型转变为链状构型, 进而导致异质结界面处氧配位环境的改变. X 射线吸收谱测试证实超晶格中存在电荷转移现象. 在 SCO 较薄时, Mn-O-Cu 之间超交换作用产生的弱磁矩将钉扎铁磁 LCMO 层. 随着 SCO 厚度的增加, 异质结界面处电荷转移减小. 与此同时, SCO 层具有的反铁磁序与邻近铁磁层 LCMO 作用, 导致了交换偏置的产生. 本实验证实了维度在氧化物异质结多功能调控中的重要作用.
2024, 73 (21): 216103.
doi: 10.7498/aps.73.20240896
摘要 +
通过慢拉伸、恒位移等加载方法, 评估了含氢Ti-2.5A1-2Zr-1Fe合金的力学性能衰减行为及氢脆敏感性的变化. 利用扫描电子显微镜对断口微观形貌特征进行了分析, 并采用二次离子质谱仪对氢的宏观分布进行了表征, 揭示了断口脆性区域与氢宏观分布之间的内在联系. 此外, 结合位错载氢运动模型及扩散方程, 探讨了氢的扩散机制以及慢应变速率对氢扩散过程产生的影响. 为了进一步探索氢化物的存在性, 利用透射电子显微镜对表面高氢浓度层和裂纹尖端及其附近物相进行了表征分析, 最终未发现氢化物相的析出, 综合上述实验数据和微观物相结构分析, 对Ti-2.5Al-2Zr-1Fe合金的氢脆机制进行了探讨, 认为该合金的氢脆机制由HEDE机制主导.
2024, 73 (21): 216101.
doi: 10.7498/aps.73.20241089
摘要 +
金属液体(或过冷液体)中的主要微观结构对最终的凝固路径(晶化或非晶化)起着决定性作用, 何种微观结构将扮演关键性角色一直处在不断的被探索和研究中. 本文采用分子动力学方法模拟研究金属钽(tantalum, Ta)液体在不同压强下的快速凝固过程, 通过原子平均能量、双体分布函数和最大标准团簇分析方法, 对凝固过程中的微观结构演变进行量化分析. 研究结果表明, 相比于低含量的二十面体, 拓扑密堆(topologically close-packed, TCP)团簇在金属Ta液体中扮演着关键角色, 它不仅含量更高, 而且更能对凝固路径起决定性作用. 当压强P∈[0, 8.75] GPa时, 金属Ta液体中的TCP团簇不仅处于能量低且稳定性好的状态, 同时TCP团簇相互连结程度高而不容易被分解, 从而促进金属Ta液体发生非晶转变; 当压强P∈[9.375, 50] GPa时, 金属Ta液体中TCP团簇处于亚稳定状态, 且很多高能量的TCP团簇在液固转变过程中容易转变成其他团簇, 此时体心立方(body-centered cubic, BCC)晶胚容易在TCP团簇堆积稀疏区域形核和长大, 最终金属Ta液体转变成比较完美的BCC晶体.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (21): 218901.
doi: 10.7498/aps.73.20241002
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相互依赖网络中的级联故障过程一直是网络级联分析的一个重要领域. 与以往研究不同的是, 本文考虑了人们在出行时最小化成本的需求, 提出了基于成本约束的网络动力学模型. 同时, 研究了相互依赖网络中不同层次的特性, 定义了不同的负载传播模式. 在此基础上, 本文通过改变网络结构和模型中的参数, 仿真现实中的网络防护策略并验证这些措施的防护效果, 并发现了一些有趣的结论. 一般认为, 增加网络中连边的数量或提高连边的质量可以有效地增强网络的鲁棒性. 然而, 本文的实验结果表明, 这些方法在某些情况下实际上可能会降低网络的鲁棒性. 一方面, 网络中一些特殊边的复活是导致边能力提升网络鲁棒性却下降的主要原因, 因为这些边会破坏原有网络的稳定结构; 另一方面, 无论是提高单层网络的内部连通性来增加网络连边数量, 还是提高相互依赖的网络之间的耦合强度来增加连边数量, 都不能完全有效地提高网络的鲁棒性. 这是因为随着边数量的增加, 网络中可能会出现一些关键边, 这些边会吸引大量的网络负载, 导致网络的鲁棒性下降.
