特邀综述
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2024, 73 (22): 220302.
doi: 10.7498/aps.73.20240893
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近几十年, 量子信息物理极大地促进了量子理论的现代发展, 并在通信、计算、计量等方面展现了巨大的应用前景. 理论基础之一是通用量子计算模型理论, 用于描述量子信息的演化特别是其大规模的应用, 也是算法和纠错码等设计的基础. 本文着重从物理的角度介绍近期在通用量子计算模型上的研究, 结合量子资源理论对量子信息的刻画, 发展了能统一描述不同计算模型的理论框架. 研究发现, 结合通用性和容错性的要求, 可以构建模型的分类表, 它包含上百种不同的通用量子计算方案, 其中多数尚未得到深入研究. 本文重点讨论了在通用性方面即针对信息不同表示形式的四个家族的模型, 其中一类模型是近期提出的量子冯·诺依曼架构, 它可以绕开在量子程序存储和量子控制单元上的不可能定理, 从而构建可量子编程的计算机体系. 另外还探讨了量子芯片与算法设计、量子资源与优势等问题. 本研究展现了通用量子计算模型研究的丰富性和复杂性, 也为量子计算机的建造和量子信息的应用提供了更多的可能.
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2024, 73 (22): 229201.
doi: 10.7498/aps.73.20241072
摘要 +
在植物中, 光合作用的高效光电转化效率归因于色素蛋白复合体中所建立的强大捕光网络与灵活的能量转移机制. 对色素蛋白复合体结构与功能的解析是光合作用研究中的重要方向, 对人工光合作用研究和能源可持续发展战略具有指导意义. 随着冷冻电子显微镜的快速发展, 大量复合体的精密结构得以解析. 冷冻光学(光谱)显微镜是冷冻电子显微镜的重要互补技术, 发展至今已有约35年的历史. 该方法通过光谱特征可精确识别多种色素蛋白复合体, 而低温成像不仅有效地抑制了单个复合体或细胞样品的光损伤, 还限制了复合体中色素间的uphill能量转移, 从而提高荧光量子收率. 冷冻光学显微镜不仅成为表征单个蛋白质的结构动态与捕光功能的有力工具; 还为可视化和定量复杂的光合成分在细胞体内的空间分布提供了可能性. 因此, 该技术的应用极大地发展了在微观尺度下分析色素蛋白结构与功能的研究领域, 这对于光合作用研究体系的推进具有重大意义. 本文从单分子光谱与单细胞光谱技术两方面总结了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果, 其中包括探究色素蛋白复合体的捕光功能与蛋白质动态的关联, 复合体中能量异质性的表征, 在细胞体内可视化光合蛋白的能量调控机制等.
仪器与测量
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2024, 73 (22): 228701.
doi: 10.7498/aps.73.20241367
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21世纪以来, 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用. 为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率, 人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum, UHV)和低温(low temperature, LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM). 目前, 大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He), 使SPM的温度达到约4.2 K. 然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长, 导致液氦价格急剧飙升, 严重影响到了4He相关低温设备的正常运行. 为应对上述问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 在此背景下, 将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合, 搭建干式低温扫描探针显微镜, 成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一. 本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面, 介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统. 最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战, 探讨了该技术未来的发展方向.
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2024, 73 (22): 220601.
doi: 10.7498/aps.73.20241215
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国际单位制的重新定义促进真空计量体系向量子化转变, 真空参数的量子化是国际真空测量学领域目前最具引领性、前瞻性和颠覆性的研究方向之一, 量子真空测量是基于微观粒子体系的量子效应, 利用光学手段和量子力学理论实现真空参数的精密测量. 本文通过自主研制的冷原子真空测量装置操控7Li原子, 利用锂冷原子在磁光阱和磁阱中的逃逸损失特性开展了超高真空测量实验研究, 结果表明, 针对N2, Ar, He, H2四种真空常用气体分子, 在3×10–8—4×10–5 Pa真空范围, 7Li冷原子真空测量的不确定度最大为7.6%—6.0% (k = 2), 7Li冷原子的真空反演结果与传统电离真空计的测量结果具有良好的一致性, 其相对灵敏度因子的最大偏差小于8%, 验证了冷原子量子真空测量的准确性和可靠性, 研究成果对促进全新跨代真空测量技术发展, 满足空间科学探测、超精密测量与高端装备制造等需求具有重要意义.
数据论文
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2024, 73 (22): 223101.
doi: 10.7498/aps.73.20241301
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在选择合适的活性空间和基组、考虑各种物理效应(标量相对论效应、核–价电子关联效应、完备基组极限和自旋–轨道耦合效应)的基础上, 本文利用优化的icMRCI+Q方法获得了X3Σ–/a1Δ/b1Σ+/A3Π/c1Π(OH+)←X2Π(OH)精确的电离能、OH+离子14个Λ-S态和相应的27个Ω态势能曲线. 利用全电子icMRCI/cc-pCV5Z + SOC理论获得了6个Ω态[$ {{{\mathrm{X}}}}{}^3\Sigma _{{0^ + }}^{{ - }} $, $ {{\text{X}}^{3}}{{\Sigma }}_{1}^{{ - }} $, (1)2, (2)2, (2)1和(1)0–]之间的跃迁偶极距. 并且本文获得的电离能、光谱和振动–转动跃迁数据与现有的测量值符合得非常好. 研究发现: 1) (1)2(υ' = 0—6, J' = 2, +)的辐射寿命随着υ'的增大而逐渐缩短, 辐射宽度随着υ'的增大而逐渐增宽; (1)2(υ' = 0—6, J' = 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)自发辐射较弱. 2)(2)2第一势阱(υ' = 0—2, J' = 2, +), (2)1(υ' = 0—9, J' = 1, +)和(1)0–(υ' = 0—8, J' = 0, +)的辐射寿命都是随着υ'的增大而逐渐增长, 辐射宽度都随着υ'的增大而逐渐变窄; (2)2第一势阱(υ' = 0—2, J' = 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –), (2)1(υ' = 0—9, J' = 1, +)– $ {\text{X}}{}^{3}{{\Sigma }}_{{{0}^ + }}^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)和(1)0–(υ' = 0—8, J' = 0, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)的自发辐射很强. 3) (2)2第一势阱(υ' = 0—2, +), (2)1(υ' = 0—9, +)和(1)0–(υ' = 0—8, +)的辐射寿命都是随着J'的增大而逐渐增长. 本文数据集可在科学数据银行数据库 https://www. doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00058 中访问获取(数据集私有访问链接https://www.scidb.cn/s/B7buIr ).
综述
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2024, 73 (22): 220401.
doi: 10.7498/aps.73.20241115
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引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波, 通过探测引力波可以使得人类从另一个角度去观测宇宙. 在空间引力波探测的过程中, 惯性传感器中的检验质量会受到太空环境中粒子和射线的作用而积累电荷, 影响了引力波探测的精度, 因此需要对检验质量上的电荷进行控制, 即开展电荷管理. 在以往的电荷管理系统中应用紫外汞灯和紫外(UV) LED作为光源, 取得了不同的效果. 本文主要综述了空间引力波探测中电荷管理系统的紫外光源研究进展. 汞灯作为第1代系统光源, 虽能完成任务, 但有着启动慢、功耗高等缺点. UV LED凭借其体积、功耗等方面的优点, 逐步成为目前电荷管理系统的光源. 近年来, 随着紫外微型LED (UV micro-LED)技术的成熟, 其较高的外量子效率和良好的可靠性展示出应用于电荷管理系统的潜力, 是未来电荷管理系统可选择的紫外光源之一.
总论
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2024, 73 (22): 220301.
doi: 10.7498/aps.73.20241171
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不确定性原理限制了观察者对两个不相容可观测量的精确测量能力, 在量子信息科学领域的量子精密测量中扮演着重要角色. 本文研究关联退相位有色噪声通道下两量子比特系统的量子存储支撑熵不确定关系, 结合通道连续使用间的关联性和动力学演化中的非马尔科夫性调控熵不确定度及其下限. 分别选取最大纠缠态和可分离态作为系统的初态, 通过调节关联强度和非马尔科夫性发现: 完全关联通道可以最大程度地抑制退相干, 降低熵不确定度及其下限, 此时非马尔科夫效应不发挥作用; 部分关联通道与非马尔科夫效应结合可以在演化中某些时刻更有效地降低熵不确定度及其下限; 长时间演化后, 系统的熵不确定度及下限达到稳定值, 且稳定值只与通道的关联强度有关, 通道的关联性越强, 稳态的熵不确定度及下限越低. 最后分析熵不确定性及其下限降低的物理本质, 发现熵不确定度及其下限的降低源于系统量子关联的增加.
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2024, 73 (22): 220303.
doi: 10.7498/aps.73.20241070
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量子存储是大尺度量子网络的重要组成部分, 基于波导等微纳结构的可集成量子存储可以提供更好的可扩展性并实现更低的光电能耗. 在众多量子存储候选介质中, 151Eu3+:Y2SiO5晶体具有长达6 h的自旋相干寿命和1 h的相干光存储时间, 成为长寿命存储的优异候选材料. 本文通过聚焦离子束在151Eu3+:Y2SiO5晶体表面加工出三角形悬梁臂波导, 波导截面的边长为2 µm, 长度为20 µm, 并对三角形悬梁臂波导中的151Eu3+离子的7F0—5D0光学跃迁以及7F0基态的超精细跃迁开展了研究. 结果显示, 在2 µm尺度的悬梁臂波导中151Eu3+离子基本保持了和块状晶体中151Eu3+离子一致的跃迁展宽及相干寿命, 可以支持量子存储任务的实现. 该工作为实现纳米尺度的151Eu3+离子可集成量子存储器以及单个151Eu3+离子的探测打下基础.
基本粒子物理学与场
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2024, 73 (22): 221101.
doi: 10.7498/aps.73.20241200
摘要 +
本文主要研究铯原子Λ型三能级原子的部分PT对称和相变, 利用铯原子基态$\left| {6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, F = 3} \right\rangle $、$| 6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, $$ F = 4 \rangle $和激发态$\left| {6{{\mathrm{P}}_{3/2}}, F' = 4} \right\rangle $组成Λ型三能级原子系统, 由失谐Δ3 = 607 MHz的探测光与耦合光形成双光子拉曼吸收, 构成损耗通道. 增加了共振作用于能级$\left| {6{{\mathrm{S}}_{1/2}}, F = 3} \right\rangle $与$\left| {6{{\mathrm{P}}_{3/2}}, F' = 4} \right\rangle $跃迁的泵浦光改变两个基态能级的布居, 从而使Λ型三能级系统的吸收减小, 在一定条件下形成原子系统的增益通道, 从而构成部分PT对称的原子系统. 实验中通过改变耦合光和探测光的腰斑比σ, 观察到部分PT对称系统中由对称向破缺相的转变. 此外研究了探测光束强度分布的不对称程度Dasym, 精确地测量了部分PT对称的破缺点, 理论计算与实验测量结果相符. 本文所报道的部分PT对称性及其相变的结果, 为主动操纵非厄米系统中的多维激光束开辟了一条途径, 并在设计激光不同部分的光放大和衰减光学器件方面具有潜在的应用价值.
封面文章
封面文章
2024, 73 (22): 222901.
doi: 10.7498/aps.73.20241245
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超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合, 能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究, 对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义. 本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作, 阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计, 定量分析了偏压, 阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系. 分析结果显示, 当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后, 通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm, 配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用. 此外, 也分析了反射镜分布对电子光路的影响, 发现当阳极高出反射镜1.4 mm后, 图像畸变几乎消失. 还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响, 结果表明随着偏压的增大, 光发射的时间零点会推后且时间展宽变大. 这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (22): 224201.
doi: 10.7498/aps.73.20240764
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基于Pancharatnam-Berry相位原理和相变材料VO2的复合相位调控机制, 设计了一种波束转向可控的反射型超表面. 基于Pancharatnam-Berry相位原理对超表面单元顶层结构进行旋转编码, 获得所需的相位梯度, 而超表面VO2层绝缘态-金属态的转换, 可使预设超表面的相位梯度改变, 进而改变反射波束的转向. 仿真测试结果表明: 当VO2处于绝缘态时, 在1.1—2.0 THz工作频段内, 超表面可使垂直入射的圆极化波以特定的角度出射, 其反射效率大于80%; 当VO2处于金属态时, 对于同一超表面的相同工作频段, 超表面将入射的太赫兹波镜面反射, 反射效率接近100%. 这一设计对未来太赫兹反射波束调控领域具有潜在的应用价值.
2024, 73 (22): 224301.
doi: 10.7498/aps.73.20241199
摘要 +
如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控, 设计高性能的换能器系统, 一直都是功率超声领域亟待解决的难题. 研究发现, 在换能器系统内部引入各种缺陷, 可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能. 但损耗大、频带窄、对结构参数敏感等缺点限制了缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的进一步实际应用. 为了改善缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的局限, 有效降低能量损耗, 提高能量传输的效率, 本文在换能器耦合振动系统内引入既具有能量局域化效应的拓扑缺陷结构, 又具有高能量传输效率的声表面结构. 通过灵活设计声表面结构和拓扑缺陷的几何尺寸参数, 可以对换能器耦合振动系统的振动进行有效调控, 从而满足换能器耦合振动系统功能方面的不同需求. 但表面结构和拓扑缺陷结构的设计参数过多, 会成倍地增加设计的复杂度, 大幅降低设计成功率, 为此, 利用数据分析技术建立了系统性能预测模型, 不仅可以提高设计效率和成功率, 还能够为换能器耦合振动系统性能的调控提出客观和准确的依据.
2024, 73 (22): 224601.
doi: 10.7498/aps.73.20241353
摘要 +
奥氏体不锈钢或镍基合金等FCC构型的核反应堆堆芯结构件材料中易于观测到晶间孔隙或晶内各向异性孔隙. 孔隙内填充有少量气体, 其形貌与晶体表面各向异性有关, 又易于在晶界形核受晶界特性调控. 本文通过建立耦合晶面各向异性与孔隙-晶界交互作用的自由能泛函模拟孔隙及其形貌演化, 研究结果表明, He气体诱导孔隙形核, He气体浓度越高, 孔隙的孕育期越短, 形核越快, 长大速率越大. 晶界为孔隙形核提供非均质位点, 孔隙优先在晶界处形核长大, 形成沿晶析出的高密度弥散孔隙. 晶内孔隙呈各向异性特征, 受界面能各向异性模数、强度及晶体取向调控; 晶间高密度孔隙相互作用且受晶界影响, 各向异性形貌不显著, 位于晶界中间的孔隙近似呈现椭圆形. 本文的结果与实验结果符合得较好, 启发堆芯服役构件的寿命预测和堆芯材料设计.
2024, 73 (22): 224602.
doi: 10.7498/aps.73.20241135
摘要 +
先进的振动控制技术在航空航天及船舶领域具有广泛需求. 当前, 大多数系统的吸振与隔振设计分离, 且现有隔振设计难以有效增强低频线谱隔离. 因此, 本文针对典型欧拉梁, 提出了一种吸隔振一体化设计方法. 基于声学超材料的带隙波阻原理, 研究了振动在横向和纵向的传播特性及其协同调节规律. 结果表明, 通过使用波阻隔振器实现多种模态的吸振和隔振, 无需额外结构即可高效控制低频和宽带振动. 在横向通路中, 引入局域共振带隙显著提高了低频隔振效果; 在纵向通路中, 除了近零及Bragg带隙外, 波阻隔振器还能产生多种带隙, 实现了低频宽带吸振. 研究显示, 通过叠加纵向与横向带隙可达成100 Hz内87.3%的带隙占比. 采用有限元法验证了解析结果的准确性. 研究结果为复杂梁、板、管路、框架等结构的吸隔振一体化设计提供了可行思路.
气体、等离子体和放电物理
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2024, 73 (22): 225201.
doi: 10.7498/aps.73.20241166
摘要 +
大气压等离子体射流具有广阔的应用前景, 而电压、气体流速、外磁场均会影响其性能, 其综合影响更会使得放电规律复杂化. 但是目前缺乏三者组合对射流特性的综合影响研究, 无法更全面评估多放电条件下的放电特性规律. 因此, 本文以交流氩气等离子体射流为对象, 研究了电压、外磁场、气体流速三者组合作用对放电的宏观形貌、功率、气体温度、电子激发温度、电子密度、$\rm Ar^* $光谱强度、·OH粒子数密度等参量的影响. 结果表明, 电压对射流参量的影响规律不受气体流速和外磁场的影响, 增大电压能提升放电性能; 加入外磁场可以在不引起放电功率显著变化的情况下提升放电性能, 尤其是当磁场仅作用于等离子羽时, 提升效果最显著; 气体流速对射流性能的改变会受到电压和外磁场的影响, 并不是在单个放电条件最优的组合情况下取得最佳的射流性能. 本研究有助于更全面了解不同放电条件下射流特性, 为优化射流性能提供指导, 有利于推动大气压等离子体射流技术的发展.
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2024, 73 (22): 225202.
doi: 10.7498/aps.73.20240823
摘要 +
激光等离子体不稳定性(laser plasma instability, LPI)是惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)点火过程中的关键问题之一, 多年来受到了广泛的关注. 其中, 宽带激光被认为是解决LPI问题的一个有效途径, 并且目前已经有了大量的模拟研究和少量背向、近前向散射的实验研究, 但是仍然需要侧向散射的实验研究作为补充. 因此, 基于输出达数百焦耳的宽带二倍频激光装置“昆吾”, 本文针对宽带激光与传统窄带激光驱动平面厚靶产生的等离子体不稳定性的侧向散射以及超热电子产额设计实验. 实验结果表明, 功率密度为1×1015 W·cm–2的宽带激光激发的侧向受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)与侧向受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)在不同角度下的光谱和份额与窄带激光存在显著差异. 进一步分析发现, 宽带条件下侧向的超热电子份额整体高于窄带, 而此时宽带条件下小角度近前向、小角度近背向的SRS份额却远低于窄带, 初步的定性分析认为此时SRS可能不是超热电子的主要产生机制, 认为此时可能是PDI对超热电子的产生起了主导作用.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (22): 226101.
doi: 10.7498/aps.73.20241042
摘要 +
目前对二维铁磁体的研究主要集中在范德瓦尔斯材料领域, 而无应力束缚的自支撑二维钙钛矿薄膜的成功制备为设计范德瓦耳斯材料之外的二维铁磁体提供了良好的契机. 钙钛矿氧化物SrRuO3作为典型的钙钛矿巡游铁磁体, 在诸多领域具有广阔应用前景. 本文结合第一性原理计算、对称性分析和蒙特卡罗模拟方法研究了其钙钛矿单层(化学式Sr2RuO4)的晶格动力学、基态结构、电子与磁性质以及电场调控效应, 并揭示了哈伯德参量U的影响. 证实单层基态结构为八面体旋转畸变产生的结构相(空间群$P4/mbm$), 具有铁磁半金属性质和面外易磁化轴. 铁磁性主要源于最近邻自旋之间的强铁磁交换作用. 利用自洽测定U值模拟出的居里温度为177 K, 与其块体相的值比较接近. 外加电场可以显著调制其电子和磁性质, 甚至诱导铁磁半金属相到铁磁金属相的转变. 本文为开发基于钙钛矿的二维铁磁体及利用电场调控二维磁性提供了借鉴.
2024, 73 (22): 226102.
doi: 10.7498/aps.73.20241074
摘要 +
针对Ti-V-Ta多主元合金中辐照位错环的形成行为, 采用分子动力学方法开展了级联重叠模拟, 分析讨论了辐照位错环形成的级联重叠机制. 研究发现, 在Ti-V-Ta多主元合金中, 与缺陷团簇的级联重叠可以直接产生不同类型的位错结构, 级联重叠后的缺陷构型由PKA能量和预置缺陷团簇的类型和尺寸决定. 相比于单次级联碰撞, 级联重叠可以提高$ \left\langle {100} \right\rangle $取向位错环的形成概率. 与空位团簇的级联重叠是形成$ \left\langle {100} \right\rangle $空位位错环的重要机制, 而空位团簇的尺寸是形成$ \left\langle {100} \right\rangle $空位位错环的决定因素, 当PKA能量足以溶解缺陷团簇时, 更容易形成$ \left\langle {100} \right\rangle $空位位错环. 与间隙团簇的级联重叠是形成$ \left\langle {100} \right\rangle $间隙位错环的一种可能机制, 但发生概率较小. 本研究有助于理解Ti-V-Ta多主元合金中辐照缺陷的形成和演化行为, 促进材料抗辐照性能的评价, 并为难熔高熵合金的成分设计和优化提供理论支持.
2024, 73 (22): 226401.
doi: 10.7498/aps.73.20240937
摘要 +
针对复杂网络中关键节点的识别、评估及排序问题, 受物理系统中不同节点间信息的多维度、多层次相互影响过程的启发, 提出了一种基于图卷积神经网络的多维参数的节点重要性评估方法. 该方法结合了卷积神经网络自动学习的特性, 综合考虑节点的内在特性、与邻近节点的交互关系以及其在整个网络中的功能角色, 构建了一种新颖的关键节点识别框架, 即多维参数控制图卷积网络(multi-parameter control graph convolutional networks, MPC-GCN). 通过卷积神经网络对节点及其邻居特征的逐层聚合, 自动提取并综合节点的局部特性、全局特性及位置特性, 实现对节点重要性的多维度评估, 同时引入灵活的参数调整机制, 允许调整不同维度信息对评估结果的影响权重, 以适应不同结构网络的需求. 为验证该方法的有效性, 在随机生成的小型网络上验证了参数对模型的作用; 并在8个大型网络上利用SIR模型进行仿真实验, 以M(R)值、Kendall相关系数、被传染节点占比及最大连通子图相对大小作为评价标准. 结果表明, MPC-GCN方法在单调性、准确性、适用性及鲁棒性上都优于其他相关方法, 能够显著区分不同节点的重要程度. 该方法有效克服了现有方法在评估角度和适应能力上的局限性, 提高了评估的全面性和适用性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (22): 227101.
doi: 10.7498/aps.73.20241138
摘要 +
基于二维锡基材料与锑烯单层构建了具有不同层间转角的6种Sb/SnC二维范德瓦耳斯异质结, 并根据第一性原理对其光电性质及应用开展研究. 研究结果表明, 6种层间转角的Sb/SnC异质结具有不同的带隙, 且当层间转角为10.89°, 19.11°, 23.41°和30°时, Sb/SnC异质结显示出I型能带结构, 而当层间转角为8.95°和13.59°时, 则是II型能带结构. 同时, 6种异质结的轨道投影带结构表明, 由于层间转角改变了异质结的原子堆叠方式, 从而改变了轨道耦合并进一步调控了异质结的电子结构. 此外, 吸收谱的计算表明, 与Sb和SnC单层相比, 异质结的光吸收系数在可见光区域得到显著增强, 且对应不同的层间转角, 异质结的光吸收特性差异明显. 在应用方面, 作为太阳能电池材料, 层间转角为8.95°和13.59°的Sb/SnC异质结分别具有17.48%和18.59%的光电转化效率; 作为全解水光催化剂, 层间转角为8.95°的异质结可对pH值为0—2的水完全催化分解, 而层间转角为13.59°的异质结仅可以对pH值为0—1的水进行催化分解. 因此, 作为一个重要的结构参数, 层间转角可以有效地调控Sb/SnC异质结的光电特性, 具有特定转角的Sb/SnC异质结可在太阳能和光催化领域获得应用.
2024, 73 (22): 227102.
doi: 10.7498/aps.73.20241106
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以单层MoS2为代表的二维过渡金属硫族化物, 因具有可调谐的非零带隙, 故应用在光电子学器件中要比石墨烯更具优势. 本文使用经典电磁理论和有限元分析方法, 研究了谐振腔中腔模与单层MoS2等离激元之间耦合形成的腔耦合等离极化激元, 并重点计算和验证了其中高阶模式的特性. 考虑到化学气相沉积法生长的单层MoS2中衬底、多晶和缺陷会引起弱电子局域化, 从而导致基于自由电子气假设的Drude模型准确性变差, 故本文在理论和仿真中使用了Drude-Smith模型描述单层MoS2光电导率, 该模型通过拟合实验数据得到. 基于此, 不仅导出了高阶腔耦合等离极化激元的色散方程, 并求解出了其色散曲线, 还通过仿真计算验证了这些高阶模式的存在性, 分析了其基本性质以及弱电子局域化的影响. 上述结果能加深对二维材料等离激元的耦合激发以及特性调控的理解, 所用理论模型也能推广到其他低维、拓扑量子材料相关的等离系统当中.
2024, 73 (22): 227301.
doi: 10.7498/aps.73.20240701
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具有优异电输运性能的热电薄膜是发展高效面内散热技术的关键材料, 但是过低的电输运性能是制约其应用的重要难题. 热电磁耦合新效应是近年来发展的一种优化综合热电性能的新方法. 为了探索热电磁耦合新效应对热电薄膜电输运性能的影响机制, 本研究发展了一种球磨分散-丝网印刷-热压固化一体化成型的方法, 成功制备了一系列Fe纳米粒子作为第二相的xFe/BST/环氧树脂热电磁薄膜, 并重点研究了其热电磁耦合作用及其对电热输运性能的影响规律. 研究发现, xFe/Bi0.5Sb1.5Te3 (BST)/环氧树脂热电磁薄膜中存在正、负磁阻共存的现象; BST(000l)择优取向因子与正磁阻(MR+)之间呈正比例关系并增加热电磁薄膜的电导率; 源于强铁磁性Fe纳米粒子局部磁矩的自旋相关散射的负磁阻(MR–)会增加Seebeck系数. 因此, 室温附近Fe/BST/环氧树脂热电磁薄膜的功率因子高达2.87 mW/(K2·m), 与BST/环氧树脂热电薄膜相比, 提高了78%. 这些结果表明, 热电磁薄膜中正、负磁阻的共存不仅可解耦热电材料中电导率与Seebeck系数之间的耦合关系, 还可以为磁纳米粒子诱导优异热电转换性能提供新的物理机制.
2024, 73 (22): 227701.
doi: 10.7498/aps.73.20241261
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单羟基醇的主介电弛豫过程通常表现出典型的Debye特征, 近年来影响其速率的因素成为研究热点. 一般认为, 醇分子的亲水端(即羟基)在主介电弛豫过程中通过氢键网络发挥主要作用, 而疏水端则主要通过“稀释”体系中的羟基浓度, 间接影响该过程. 本研究通过经典分子动力学模拟系统地探讨了影响甲醇主介电弛豫速率的因素. 结果表明, 甲醇的疏水端不仅在稳固体系氢键网络方面对主介电弛豫过程产生间接影响, 甚至还能直接作用于弛豫过程. 甲醇的主介电弛豫过程是其亲水端和疏水端协同作用的结果. 此外还发现, 甲醇的主介电弛豫速率可能并不像著名的“等待-切换”模型所描述的那样, 主要受“氢键伙伴”浓度的影响, 而是多种因素共同作用的结果. 在某些情况下, “氢键伙伴”浓度的影响甚至被其他因素产生的影响所掩盖, 成为次要因素. 本研究有助于加深对醇类分子弛豫过程及其物理起源的理解.
2024, 73 (22): 227702.
doi: 10.7498/aps.73.20241113
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低密度聚乙烯(low-density polyethylene, LDPE)是电缆绝缘的基础材料. 辅助电场可以调控聚合物的微观结构, 但是其目前在电气绝缘领域的应用却鲜有报道. 分别在LDPE试样成型过程中的熔融、冷却结晶及全阶段(即熔融及冷却结晶全阶段)施加辅助电场, 制备了基于电场辅助的LDPE试样. 探究了在不同阶段施加辅助电场对LDPE的微观结构演变、直流击穿特性、电导特性、空间电荷特性和陷阱特性的影响规律. 结果表明, 与未处理的LDPE相比, 在熔融阶段、冷却阶段和全阶段施加辅助电场的LDPE具有更多更小的球晶, 在全阶段施加辅助电场的LDPE的球晶数量最多, 尺寸最小. 同时, 辅助电场能够明显提升LDPE的直流电气特性. 其中, 全阶段施加辅助电场的LDPE与未处理LDPE相比, 击穿场强提升了35.8%, 电导率降低了72.0%, 平均空间电荷密度降低了20.2%. 本研究为电气绝缘聚合物的微观结构调控和直流电气特性提升提供了新的思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (22): 228101.
doi: 10.7498/aps.73.20241152
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溶液法制备钙钛矿多晶薄膜过程中, 不仅使用有毒溶剂配置前驱液, 而且热处理仍是诱导钙钛矿晶粒生长的主要途径, 这项工艺会增加能耗, 还阻碍柔性电池的发展. 为消除有毒溶剂的使用和高温处理, 本文通过低温溶液加工CsPbBr3纳晶薄膜获得相应的多晶薄膜, 应用到太阳电池中. 首先热注入法制备CsPbBr3纳米晶墨汁前驱液, 并采用旋涂法制备其纳晶薄膜. 大气环境下, CsPbBr3纳晶薄膜经Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯饱和溶液处理制备CsPbBr3多晶薄膜, 将其作为吸收层制备钙钛矿太阳电池, 有效提高了电池的性能, 电池效率达到8.43%. 研究表明, Pb(SCN)2与NH4Br乙酸甲酯(MA)饱和溶液不仅可以使纳晶继续结晶生长, 同时还可以有效地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷. 采用该方法制备CsPbBr3多晶薄膜过程中, 既无高温处理, 也无高沸点毒性溶剂的使用, 同时适用于刚性和柔性电池的制备.
2024, 73 (22): 228501.
doi: 10.7498/aps.73.20241219
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超磁致伸缩材料的磁滞模型随着激励幅值、偏磁情况、激励频率的变化模型参数也会发生变化, 现有的磁滞模型无法预测三种外部条件同时变化所带来的影响. 本文通过传统Jiles-Atherton (J-A)动态模型解释磁滞损耗机理, 根据运行条件和材料特性建立关系式来反映外界条件变化. 针对J-A模型建立与激励幅值相关的关系式, 针对剩余损耗建立起剩余损耗系数与激励幅值和偏磁情况的关系式, 同时利用分数阶对系统的涡流损耗重新进行定义, 从而得到修正后的磁滞模型. 文中利用遗传算法对不同运行条件下的试验数据进行模型参数辨识, 根据模型参数以及运行条件得到相应的修正系数. 通过模型的仿真情况, 验证了修正后模型的精度, 分析了涡流和剩余损耗的影响因素以及对模型预测的影响; 通过对磁滞模型进行评估, 对比了磁滞曲线与磁滞损耗的误差情况. 结果表明, 修正后的模型能够对不同的激励进行高精度预测, 低频时忽略动态损耗会造成较大误差, 且涡流和剩余损耗对磁滞模型精度具有较大影响, 在对具体磁滞情况进行分析时利用磁滞曲线进行评估更为准确.
