专题: 二维及拓扑自旋物理
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2024, 73 (5): 058502.
doi: 10.7498/aps.73.20231908
摘要 +
固体中的声波有两种传播方式: 一种是声体波, 以纵波或横波的形式在固体内部传播; 另一种是声表面波, 在固体表面产生并沿着表面传播. 声波射频技术利用这些声波来截取和处理信号, 尤其体现在快速发展的射频滤波器技术中. 声学滤波器因其体积小、成本低和性能稳定等多方面的优势, 在移动通信等领域得到了广泛应用. 受益于成熟的制造工艺和确定的共振频率, 声波已逐渐成为操控磁性和自旋的有力手段, 这一领域正朝着小型化、超快和节能的自旋电子学器件应用迈进. 将磁性材料集成到声学射频器件, 也开辟了对声学器件调控方法和性能提升的新思路. 本综述首先梳理了各种磁声耦合的物理机制, 并在此基础上系统介绍了声控磁化动力学、磁化翻转、磁畴和磁性斯格明子产生及运动、自旋流产生等一系列磁性和自旋现象. 同时也讨论了声控磁的逆过程——磁控声波的研究进展, 包括声波参数的磁调控和声波的非互易传播, 以及基于此开发的新型磁声器件, 如磁传感器、磁电天线、可调谐滤波器等. 最后展望了磁声耦合未来可能的研究方向和潜在的应用前景.
专题: 二维及拓扑自旋物理 • 封面文章
封面文章
2024, 73 (5): 057501.
doi: 10.7498/aps.73.20232010
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电控磁效应调控二维 (2D) 反铁磁 (AFM) 材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势, 2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势, 成为领域内研究的重点. 载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制, 已被证明是调控材料磁性能的有效途径. 层内AFM材料的净磁矩为零, 磁性调控测量存在挑战, 故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚. 基于有机阳离子的多样性, 本文利用有机阳离子插层系统地调控了2D 层内AFM材料MPX3 (M = Mn, Fe, Ni; X = S, Se) 的载流子浓度, 并研究了电子掺杂对其磁性能的影响. 笔者在MPX3家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁 (FIM)/铁磁 (FM) 的转变, 并结合理论计算揭示了其调控机制. 本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解, 并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.
数据论文
2024, 73 (5): 053101.
doi: 10.7498/aps.73.20231347
摘要 +
因为AuB分子的电子态信息缺乏相关实验测量, 本文采用高精度的组态相互作用方法开展对AuB分子激发态电子结构的研究, 计算得到12 个Λ-S态的势能曲线. 基于势能曲线, 束缚态的光谱常数通过数值求解薛定谔方程获得. 计算还包括部分低激发态的偶极矩, 展示了分子不同电子态的电荷分布信息. 在计算中也考虑了自旋轨道耦合效应对电子态的影响. 其中能量最低的4个Λ-S态之间的自旋轨道耦合矩阵元, 因为自旋轨道耦合的影响, 这4 个Λ-S态会劈裂为12个Ω态. 由于自旋轨道耦合矩阵元并没有交叉现象, 所以这4个Λ-S态不存在预解离的情况. 本文最后计算得到Ω基态$ {{\mathrm{A}}}^{1}{{{\Pi}}}_{1} $ 和第一激发态$ {{\mathrm{X}}}^{1}{{{\Sigma }}}_{{0}^{+}} $ 的光学跃迁矩阵元等信息, 分析Franck-Condon因子和辐射寿命, 发现AuB分子中该光吸收模式被激光冷却的可能性较小. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00009 中访问获取.
总论
2024, 73 (5): 050301.
doi: 10.7498/aps.73.20231414
摘要 +
Shor算法能够借助量子计算机以多项式级别复杂度解决大整数因式分解问题, 从而破解一系列安全性基于大整数因式分解的加密算法, 例如Rivest-Shamir-Adleman加密算法、Diffie-Hellman密钥交换协议等. 由于量子测量结果是概率性的, 在运行量子线路时很容易受到噪声的干扰, 这将导致无法测量得到预期结果. 本文分别研究了不同通道的噪声对Shor算法的影响, 分别是去极化通道、状态制备与测量通道以及热退相干通道. 本文模拟在噪声环境中运行Shor算法并且给出了数值结果. 数值结果表明Shor算法成功分解整数的概率易受到噪声影响, 其中去极化通道中的噪声能够以指数形式影响Shor算法成功分解整数的概率, 其次是热退相干通道噪声, 最后是状态制备与测量通道噪声, 能够线性影响到Shor算法成功分解的概率. 本文能够为后续纠错、改进Shor算法以及确定工程实现Shor算法所需要的保真度等提供建设性意见.
2024, 73 (5): 050401.
doi: 10.7498/aps.73.20231462
摘要 +
引力波是时空弯曲产生的涟漪波动. 引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义. 由于引力波信号非常微弱, 地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行. 本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响, 并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发, 通过理论分析和模拟, 给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响. 这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.
2024, 73 (5): 050601.
doi: 10.7498/aps.73.20231394
摘要 +
量子参数估计中的基本理论——量子Cramér-Rao不等式指出, 参数估计的方差由量子Fisher信息的倒数决定, 量子Fisher信息越大, 参数估计的方差就越小, 估计精度也就会越高. 在非相对论量子力学中, 量子Fisher信息已被广泛研究, 但考虑相对论效应对量子Fisher信息影响的研究相对较少. 本文采用粒子态的相对论变换方法, 数值计算和分析了运动参考系中单粒子态、双粒子态振幅参数$\theta $ 和相位参数$\varphi $ 的量子Fisher信息. 结果表明, 在运动参考系中, 无论是使用单粒子态还是双粒子态, 量子Fisher信息都会降低. 对于相位参数, 双粒子态的量子Fisher信息比单粒子态降低得更加显著. 然而, 对于振幅参数, 双粒子态的量子Fisher信息相对于单粒子态有所提高, 该研究结果为在相对论效应的影响下提高参数估计精度提供了有价值的参考.
核物理学
2024, 73 (5): 052101.
doi: 10.7498/aps.73.20231649
摘要 +
讨论了零温、强磁场下基于准粒子模型的奇异夸克物质、色味锁夸克物质的热力学性质. 结果表明色味锁夸克物质比奇异夸克物质更稳定, 压强会随着色味锁态能隙常数的增大而增加. 并且发现强磁场下磁星的最大质量会随着色味锁夸克物质的能隙常数的增加而增加, 磁星的潮汐形变率会随着能隙常数的增加而增加, 磁星最大质量的中心密度会随着能隙常数的增加而降低. 结果还说明考虑色味锁态得到的磁星质量半径关系可以满足最近实验观测 PSR J0740 + 6620, PSR J0030 + 0451, 和 HESS J1731-347所给出的质量半径约束.
2024, 73 (5): 052401.
doi: 10.7498/aps.73.20231499
摘要 +
磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点, 是制备航天器电子器件的优良材料. 近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大, 其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素. 本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150 μm 二氧化硅和2.54 mm 铝层屏蔽后, 在500/1000/5000 μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能. 研究发现: 低能质子射程短且较易发生非电离反应, 入射粒子能谱中低能粒子占比越大, 材料厚度越小, NIEL值越大; 计算质子和α粒子年总非电离损伤能, 质子的年总非电离损伤能占比达98%, 表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素; α粒子年总非电离损伤能占比小, 但其在InP中的NIEL约为质子的2—10倍, 应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应. 本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.
2024, 73 (5): 052402.
doi: 10.7498/aps.73.20231671
摘要 +
氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能, 其与不同含量AlxGa1–xN 材料组成的电子器件, 有望应用于未来空间电子系统中. 然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料, 对于 AlxGa1–xN 材料位移损伤研究较少. 本文通过两体碰撞近似理论模拟了 10 keV—300 MeV 质子在不同 Al 元素含量的AlxGa1–xN 材料中的位移损伤机理. 结果表明质子在AlxGa1–xN 材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降, 当质子能量低于 40 MeV时, 非电离能损随着 Al 含量的增大而变大, 当质子能量升高时该趋势相反; 分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积, 发现不同AlxGa1–xN 材料初级撞出原子能谱虽然相似, 然而 Al 元素含量越高, 由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高; 对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积, 弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大, 而非弹性碰撞导致的能量沉积在径迹前端均匀分布, 径迹末端减小, 并且低能质子主要是通过弹性碰撞造成非电离能量沉积, 而高能质子恰好相反. 本研究揭示了不同 Al 元素含量的AlxGa1–xN 材料质子位移损伤机理, 为 GaN 器件在空间辐射环境下的应用提供参考依据.
原子和分子物理学
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2024, 73 (5): 053401.
doi: 10.7498/aps.73.20231513
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鉴于经锥形玻璃管聚焦的离子束在微纳加工、微区分析以及辐照生物医学等领域具有广阔的应用前景, 本文研究了16 keV C–在不同倾斜角度的锥形玻璃管中输运过程. 实验发现当处于0°倾斜角度时, 出射粒子由核区和晕区构成, 核区是从锥形管后锥孔中直接出射, 未与锥形管内壁之间发生电荷交换, 主要成分为C–离子. 晕区是C–与锥形管内壁发生部分电荷交换作用, 由C–和C0构成. 当倾斜角度为1°时, 出射离子由两部分组成: C0原子束斑和 C–离子束斑, 未出现核区. 出射核区的离子方向始终保持在入射粒子方向, 与锥形管倾斜角度无关. 随着锥形管不断倾斜, 相对透射率不断减小, C0束斑占比增加, C–束斑占比减小. 锥形管对入射离子有聚焦效应. 本实验弥补了低能负离子在锥形管运输过程研究的欠缺, 有助于聚焦离子束的后续开发应用.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (5): 054201.
doi: 10.7498/aps.73.20231534
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光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注. 然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态, 导致其实用性不强. 本文基于Ga2O3-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构, 在实现介电常数近零的大场增强的同时, 还引入了具有大非线性系数的材料, 并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响. 研究结果表明, 光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著, 在通信波段的开关阈值低至约 10–6 W/cm2, 与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比, 降低了9个数量级, 展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.
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2024, 73 (5): 054202.
doi: 10.7498/aps.73.20231765
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本文提出了利用单边带移频光实现非简并光学参量放大器相敏操控的方案, 实验研究了在对非简并光学参量放大器相敏操控过程中, 单边带移频光注入的方案和信号光注入的方案对产生的低频双模正交压缩真空态光场的影响. 实验结果表明, 信号光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中, 压缩真空态的压缩度随着注入信号光场功率的增加不断减小直至消失. 而在单边带移频光注入非简并光学参量放大器实现相敏操控过程中, 正交振幅和正交位相压缩真空态的压缩度对注入移频光场的功率变化都不敏感, 压缩度几乎不变. 采用单边带移频光方案实现稳定的相敏操控, 非简并光学参量放大器运转于相敏放大状态达30 min, 获得了稳定输出的低频双模正交压缩真空态光场, 在傅里叶分析频率为200 kHz测量的正交振幅分量的压缩度为(4.1±0.1) dB, 正交位相分量的压缩度为(4.0±0.2) dB.
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2024, 73 (5): 054203.
doi: 10.7498/aps.73.20231835
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量子增强型光学相位追踪作为高精度跟踪和测量光学相位的量子光学技术, 在目标定位、量子测距以及相控阵雷达和唢呐等领域中有着重要应用. 本文提出一种基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪协议. 采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源, 结合光学参量振荡器以及Pound-Drever-Hall (PDH)锁定技术, 制备得到初始压缩度为(8.0±0.2) dB的相位压缩态光场. 通过信号调制及解调技术, 实现对压缩态光场相位的控制, 从而实现对光学相位0—2π范围内的量子增强型追踪. 与经典协议相比, 这一协议可以将相位追踪的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少6.27 dB, 实现了相位追踪精度至少76.4%的量子增强. 由于到达角估计、相控阵雷达、相控阵唢呐等应用领域对相位测量精度要求极高, 这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限, 为相关领域提供压缩光源, 也为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础.
2024, 73 (5): 054204.
doi: 10.7498/aps.73.20231614
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为了改善垂直腔面发射激光器(VCSEL )阵列的热特性, 提高器件的可靠性, 本文基于有限元模型, 研究了不同单元间距、排布方式对阵列器件的热串扰现象、热扩散性能的影响. 在理论分析的基础上, 制备了几种不同排布方式的VCSEL 阵列器件, 并对其进行测试分析. 结果显示, 相较于正方形排布方式, 新型排布方式器件具有更高的输出功率, 同时阈值电流也有所降低. 其中五边形排布方式的器件表现出最佳的性能, 其输出功率高达150 mW, 比正方形排布方式提高了约73%. 这表明通过调整阵列单元的间距、排列方式, 可以使各单元间的热串扰现象得到有效改善, 降低器件的热效应, 进而降低器件温度, 提高输出特性.
2024, 73 (5): 054205.
doi: 10.7498/aps.73.20231541
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激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种理想的实时在线检测合金中微量元素的方法. 然而在激光诱导击穿产生的高密度等离子体中, 自吸收通常是一种不期望出现的效应, 它降低了谱线的真实强度, 使谱线强度随目标物质含量增长呈非线性, 从而严重影响对目标中元素含量测量的准确性. 本文提出了一种基于温度迭代校正自吸收效应的方法, 借助等离子体热平衡辐射模型, 对等离子体电子温度(T )和辐射粒子数密度乘以吸收路径长度(Nl )这两个参数进行迭代计算和校正, 消除自吸收对谱线强度的影响, 最终提高定量分析的准确性. 对合金钢样品中Mn元素的实验测量结果表明, 该方法有效地提高了Boltzmann平面图的线性度及元素含量的测量精度. 该方法模型简单, 计算效率高, 且与Stark展宽系数的可用性和准确性无关, 可以直接获得辐射粒子数密度和吸收路径长度参数, 因此在提高LIBS定量分析能力的同时, 还可以实现对等离子体状态的诊断.
2024, 73 (5): 054206.
doi: 10.7498/aps.73.20231663
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本文借助外延生长及离子掺杂技术, 基于NaYbF4:2%Er3+微米晶体构建了多种不同的核壳微米盘, 通过降低材料的表面猝灭效应及增强离子间的能量传递效应, 实现了NaYbF4:2%Er3+微米晶体上转换红光发射的增强. 研究结果表明: 在980 nm近红外激光激发下, 构建的NaYbF4:2%Er3+@NaYbF4@NaYF4核-壳-壳微米盘的上转换红光发射强度相比于NaYbF4:2%Er3+微米盘增强了4.6倍, 红绿比由6.3提高至8.1. 当少量Ho3+离子引入到NaYbF4:2%Er3+@NaYbF4:2%Ho3+@NaYF4核-壳-壳微米盘时, Er3+离子与Ho3+离子间相互作用的发生使其上转换红光发射强度相比于NaYbF4:2%Er3+微米盘增强了近6.7倍, 且红绿比更是提高到9.4. 通过对不同核壳微米盘光谱特性和发光动力学的研究, 表明Er3+离子的红光发射增强主要源自于不同核壳结构中Yb3+离子的高效的能量传递有效促进了Er3+离子间的交叉弛豫、Er3+和Yb3+离子间反向能量传递及Ho3+离子向Er3+离子间的能量传递的发生, 进而提高了红光发射能级的粒子数布居. 其研究可为构建具有高效红光发射的上转换微纳晶体提供新途径.
2024, 73 (5): 054207.
doi: 10.7498/aps.73.20231710
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本文推导了单模光纤中的声波亥姆霍兹方程, 利用分离变量法求解并获得正规声波导导模的特征方程, 定义了声模的归一化频率, 结合贝塞尔函数的宗量近似分析了声波模式的特征值范围、截止频率和远离截止, 探讨了声模的色散和布里渊增益谱的多峰成因. 研究结果表明单模光纤中纵向声波基模L01模无截止, 主要被限制在纤芯中, 与光基模耦合形成布里渊增益谱的主峰; 高阶声模都存在低频截止, 在包层分布比基模多, 与LP01模耦合形成布里渊增益谱的次峰. 只有纵向L0n声模对后向布里渊增益谱有贡献, 纤芯掺锗浓度增大能使布里渊增益谱发生红移, 声模数量增多, L01模的增益峰值逐渐变大而高阶模的贡献减小. 泵浦波长为1.55 μm, 纤芯掺锗浓度3.65%、纤芯半径4.2 μm的单模光纤存在4个L0n和16个Lmn (m > 0)声模, 声模L01, L03, L04与光模LP01声光耦合产生布里渊增益谱的1个主峰和2个弱峰; 纤芯掺锗浓度15%, 纤芯半径1.3 μm的单模光纤存在3个L0n模和7个Lmn (m > 0)模, L01, L02, L03模与LP01模声光耦合使得布里渊增益谱呈现3个主峰. 这些结论可以完全解释相应的实验现象, 也为光纤SBS声波导研究及应用提供理论参考.
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2024, 73 (5): 054301.
doi: 10.7498/aps.73.20231715
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准确获取海底声学参数对声场分析、声纳应用等具有重要意义. 反演是获取海底声学参数的重要手段之一. 为了避免反演中的多值问题, 地声反演往往尽量减少待反演参数, 多采用单层或双层水平不变地声模型, 反演后的声学参数仅能在有限频段应用, 难以同时应用于较宽频段. 本文以实验中浅地层剖面仪测量的海底沉积层分层结构为基础建立地声模型, 采用多物理量分步联合手段反演各沉积层声学参数, 并通过匹配场定位、后验概率分析、采样等手段对反演结果进行验证. 将反演结果与单层等效地声模型反演结果进行对比分析, 结果说明, 本文建立的多层水平变化海底声学参数更接近真实情况, 可以应用在较宽频段范围, 解释不同声学现象, 且精度更高.
2024, 73 (5): 054401.
doi: 10.7498/aps.73.20231415
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微通道流动沸腾冷却技术兼具相变潜热和微尺度效应的诸多优点, 是解决微电子器件热致失效问题的重要方法之一. HFE-7100是一种安全环保的电子氟化液, 特别适用于微电子器件的冷却. 本文在水力直径为0.5 mm的矩形平行微通道内, 对HFE-7100的流动沸腾传热和两相流动特性进行了实验研究， 测量范围为常压下质量流率88.9—277.8 kg·m–2·s–1、入口过冷度20.5—35.5 ℃和有效热流密度12—279 kW·m–2. 本文分析了质量流率、入口过冷度、有效热流密度和干度对传热系数和压降的影响, 发现在较低的入口过冷度下HFE-7100出现了沸腾迟滞现象, 且增大入口过冷度和质量流率会延缓沸腾起始点的发生, 且会提高传热系数和临界热流密度. 两相压降受有效热流密度影响较大, 且在定干度下不同质量流率的两相压降在塞状流和环状流阶段有明显差异. 同时, 通过观测两相流型, 对流动沸腾传热现象进行了分析. 本文还将两相压降实验数据与文献关联式预测值进行了对比, 与Lockhart提出的关联式预测值偏差为19.6%. 本文研究结果可为微电子器件散热设备的优化设计提供理论指导: 以HFE-7100作为传热工质并将微通道流动沸腾冷却技术应用于微电子器件散热设备, 可以提高设备的稳定性和可靠性; 在不同热流密度的设备中通过控制入口过冷度和质量流率可有效地提升其散热性能; 采用Lockhart提出的两相压降关联式可预测散热设备所需的泵功.
2024, 73 (5): 054701.
doi: 10.7498/aps.73.20231745
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本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型), 致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究. 该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换, 并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 准则进行预先设定. 通过对雷诺数Re = 3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究, 获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 准则的组合条件. 研究表明, 该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构, 而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数$ n{r_{{\text{k2-Q}}}} $ 和$ n{r_{{\text{k1-Q}}}} $ 准则的组合条件, 还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征, 及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.
气体、等离子体和放电物理
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2024, 73 (5): 055201.
doi: 10.7498/aps.73.20231452
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等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用. 在等离子体实验和放电应用中, 常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体; 对于长程相互作用的等离子体系统, 非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述. 本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型, 假设鞘层中电子速度服从非广延分布, 本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化, 通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响. 结果表明, 在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中, 随着非广延参量增大, 离子沿垂直壁方向的速度减小, 鞘层中离子、电子数密度均减小, 鞘层厚度减小, 壁面处离子动能减小; 当杂质离子浓度增大时, 壁面处离子动能与离子种类无关. 随着磁场强度的增大, 氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏, 且波动幅度随着非广延参量的减小而增大, 而重离子则无明显的波动. 此外, 还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.
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2024, 73 (5): 055202.
doi: 10.7498/aps.73.20231679
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激光等离子体不稳定性是困扰惯性约束聚变的难题之一. 宽带激光作为抑制激光等离子体不稳定性的有效手段, 近年来受到广泛关注. 然而, 宽带激光在动理学区域驱动的受激拉曼散射等高频不稳定性存在非线性爆发, 使抑制效果不及预期. 本文提出一种外加强度调制的宽带激光模型. 通过选择适当的强度调制包络, 能够打断背散光在强脉冲中的放大过程, 降低高强度脉冲诱发剧烈爆发的概率, 并大幅减少背散光份额和热电子产额. 数值模拟表明, 强度调制激光对受激拉曼散射具有较好的抑制能力. 对于平均功率为$ 1.0\times {10}^{15}~{\mathrm{W}}/{\mathrm{c}}{{\mathrm{m}}}^{2} $ , 带宽为0.6%的二倍频宽带激光, 使用强度调制技术后, 反射率下降了1个数量级, 20 keV以上热电子能量份额也由7.34%下降至0.31%. 上述研究证实了使用强度调制宽带激光抑制高频不稳定性的可行性, 并有望为后续宽带激光驱动聚变实验设计提供参考.
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2024, 73 (5): 055203.
doi: 10.7498/aps.73.20231635
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涡旋光与等离子体相互作用近年来在激光等离子体领域引起了广泛的关注. 深入研究涡旋光在等离子体中的传播对粒子加速和辐射源产生等工作具有重要意义. 本文着重探讨了弱相对论涡旋光在等离子中传播时, 传播过程对电磁波结构的影响. 基于三维粒子模拟, 发现弱相对论涡旋光在等离子体中传播时会产生波前畸变. 在给定等离子体密度时, 畸变程度与电磁波强度及传播距离密切相关. 基于相位修正模型, 通过考虑电子相对论质量修正, 在理论上对该现象进行了解释. 此外, 研究还发现可以通过设置适当的初始密度调制对波前畸变进行补偿抑制, 并通过三维粒子模拟进行了验证. 本工作加强了对涡旋光在等离子体中传播过程的理解, 并为设计应用于相对论涡旋光的等离子体器件提供了参考.
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2024, 73 (5): 055204.
doi: 10.7498/aps.73.20231474
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研究热斑点火物理过程对于实现聚变点火和高增益聚变放能具有重要意义, 但是, 迄今为止的大部分相关研究都是针对等压构型预压缩等离子体进行的, 对等容构型预压缩等离子体中的热斑点火过程研究尚不充分. 本文针对双锥对撞点火方案产生的等容预压缩高密度等离子体, 建立了描述热斑边界演化和核聚变燃烧的半解析模型. 该模型表明, 在等容预压缩高密度等离子体中的热斑边界, 可以用对热斑产生的$ {\mathrm{\alpha }} $ 粒子具有强烈吸收作用的激波波峰的位置来定义, 且等容预压缩等离子体中的热斑点火过程也存在$ {\mathrm{\alpha }} $ 粒子射程主导的自调节现象. 通过考虑$ {\mathrm{\alpha }} $ 粒子的空间不均匀沉积效应, 可以利用该模型描述等容预压缩等离子体中热斑内部的温度和密度演化. 使用该模型分析热斑在点火初期时刻的劳森参数和平均热斑温度发现, 在快电子总能量相同情况下, 能量较低的快电子束更有利于实现点火. 辐射流体模拟程序O-SUKI-N的验证计算表明, 本文提出的半解析模型的计算结果具有较强的合理性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (5): 056101.
doi: 10.7498/aps.73.20231655
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取向有序的液晶材料具有丰富的物理各向异性、外场响应性、物理效应, 催生了新一代的光电应用. 利用电场可在液晶中产生拓扑缺陷. 缺陷动态过程受材料自身特性和外界条件的影响尚未明晰. 本文选用介电各向异性$\Delta \varepsilon $ 在$ - 1.1$ 到$ - 11.5$ 之间的7种向列相液晶材料, 通过施加线性增加的交流电场, 研究了负性向列相液晶电致脐点缺陷产生到湮灭过程中材料特性($\Delta \varepsilon $ )和外界条件(温度、外加电场参数)对脐点缺陷的标度规律及湮灭快慢的影响. 结果表明: 在不同的$\Delta \varepsilon $ 、温度和电场频率下, 缺陷产生过程均满足Kibble-Zurek机制, 即缺陷密度与电场变化率之间存在标度关系, 且标度指数约为$1/2$ ; 温度越高, 产生缺陷密度越大; $\Delta \varepsilon $ 越强或电场变化越快, 缺陷湮灭速度越快. 本文的研究厘清了拓扑缺陷产生湮灭与材料特性和外界条件的依赖关系, 有利于对软物质中拓扑缺陷动态过程的认识和理解.
2024, 73 (5): 056102.
doi: 10.7498/aps.73.20231670
摘要 +
GeS2单层已成功制备, 为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性, 我们构建扶手椅型GeS2纳米带 (AGeS2NR) 模型, 并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰, 且对其结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行深入研究. 研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性. 裸边纳米带是无磁半导体, 而边修饰能改变AGeS2NR的带隙, 使其成为宽带隙或窄带隙半导体, 或金属, 这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关, 所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围. 此外, 计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感, 可以调节纳米带载流子迁移率 (电子、空穴) 的差异达到1个数量级, 同时产生载流子极化达到1个数量级. 研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性, 对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的. 绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下, 都具有保持半导体特性不变的稳定性, 但带隙随电场增大而明显变小. 总之, 本研究为理解GeS2纳米带特性并研发相关器件提供了理论分析及参考.
2024, 73 (5): 056801.
doi: 10.7498/aps.73.20231648
摘要 +
探索二维材料与其衬底之间的黏附性能对于二维材料的制备、转移以及器件性能的优化至关重要. 本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法, 系统研究了尺寸和温度对MoS2/SiO2界面黏附性能的影响. 结果表明, 由于表面效应引起的热膨胀系数、晶格应变和杨氏模量的变化, MoS2/SiO2界面黏附能随MoS2厚度的减小而增大, 而热应变使MoS2/SiO2界面黏附能随温度的升高而逐渐降低. 此外, 预测了在不同尺寸和温度下MoS2在SiO2衬底上的“脱落”条件, 系统阐述了MoS2与SiO2衬底之间黏附性能的物理机制, 为基于二维材料电子器件的优化设计提供了理论基础.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (5): 057101.
doi: 10.7498/aps.73.20231428
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非简谐效应是诸如软模相变、负热膨胀、多铁性和超低热导率等材料性质的根源. 已有的关于量化材料非简谐性的方法没有给出清晰准确的非简谐性描述符, 并且计算流程复杂, 需要极其耗时的分子动力学模拟. 故亟需提出一个可以快速计算的非简谐性描述符, 用来理解、评估、设计和筛选具有强非简谐性的功能材料. 本研究将晶格非谐性分解为单声子非谐性$ {\sigma }_{(\boldsymbol{q}, j)}^{A} $ , 并提出温度依赖的晶格非谐性的定量描述符$ {A}_{{\mathrm{p}}{\mathrm{h}}}\left(T\right) $ . 该描述符既可以定量描述从Si, GaAs, CdTe, NaCl到CsPbI3的晶格非谐性的变化趋势, 又可以成功预测非简谐效应驱动的体积模量和晶格热导率性质的变化. 本工作提出的非简谐性描述符能够快速量化材料非简谐性, 并且可直观地展现材料非简谐效应的声子模态分布. 本方法计算简单、高效且有效, 可为基于非简谐性筛选与设计材料打下基础.
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2024, 73 (5): 057102.
doi: 10.7498/aps.73.20231797
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本文针对Sb取代As元素对GexAs(Sb)20Se80–x玻璃阈值行为的影响进行研究. 对理想共价网络玻璃GexAs20Se80–x的玻璃转变温度、密度和折射率等物理参数进行了系统测量, 在其平均配位数为2.4和2.67处验证了转变阈值的存在, 这两个转变分别代表玻璃内部的共价网络结构从欠限制的松散状态到过限制的紧致状态的转变和从二维到三维紧致状态的转变. 但是, 当金属性更强的Sb取代As时, 得到的非理想共价网络玻璃GexSb20Se80–x则会引起转变阈值的变化, 转变阈值改变为化学计量组成. 进一步利用拉曼散射技术对其结构进行表征, 并将拉曼光谱通过分峰拟合分解成不同的结构单元的特征峰, 它们各自的强度变化表现出相同的行为, 这归因于As和Sb的原子半径差异较大所引起的化学效应以及Sb元素具有较强的离子特性.
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2024, 73 (5): 057301.
doi: 10.7498/aps.73.20231434
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通过将马约拉纳束缚态侧耦合到主通道中的量子点, 从理论上研究了T形双量子点体系的输运性质. 结果表明, 调整侧耦合量子点能级和量子点-马约拉纳束缚态耦合方式, 可以在线性输运区观察到马约拉纳束缚态与T形双量子点解耦的现象. 引入铁磁性电极后, 电导平台的出现或损坏明显依赖于体系中磁场与电极极化方向的差异, 而马约拉纳束缚态的解耦现象仍然稳固. 本工作有助于进一步诠释T形双量子点体系中马约拉纳束缚态的解耦现象, 为深入认知以及探测马约拉纳束缚态提供理论支持.
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2024, 73 (5): 057801.
doi: 10.7498/aps.73.20231556
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超表面由于具备独特的电磁响应特性, 在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛. 在电磁超表面中构建连续域束缚态(bound states in the continuum, BIC)模式谐振可以产生尖锐的谐振透射峰, 因此BIC被广泛用于设计具有高品质因子谐振的超表面. 本文实验研究了一种支持准 BIC (quasi-BIC, q-BIC)谐振的新型金属太赫兹超表面, 通过设计两组金属开口谐振环(split ring resonators, SRRs)的结构参数来调节各自主导的谐振的工作频率, 使不同模式谐振之间产生耦合, 形成q-BIC模式谐振. 并利用电磁场分布及其散射功率的多极分解的计算结果证明了不同模式的共振机制. 在入射电磁波分别沿x, y偏振时, 通过Jaynes-Cummings模型计算了两模式之间的归一化耦合强度比, 分别为0.54% (x偏振)与4.42% (y偏振), 解释了不同谐振模式的工作频率随SRRs器件结构参数改变而变化的规律.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (5): 058101.
doi: 10.7498/aps.73.20231491
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随着高端光学器件镀膜的发展, 其多样性溅射镀膜需求对离子束流流强、均匀度和可调性提出了更高的要求. 对于新一代离子束溅射镀膜机来说, 如何在不同离子比、不同流强的束流下保持足够的均匀度, 成为了溅射镀膜设备的一大难题. 本文提出了一种基于三电极引出系统的优化模拟方法, 模拟和优化了离子源的引出系统, 研究了等离子体电极、抑制电极、引出电极的形状、角度、距离对离子束引出性能的影响. 同时, 重点研究了离子比对束流引出的影响. 该模型可以指导科研工作者根据离子源的状态和应用需求, 对三电极引出系统的角度、距离和形状进行系统优化并找出最优解. 最后, 本文还给出了一种方法对混合离子束的溅射深度进行了估算.
2024, 73 (5): 058301.
doi: 10.7498/aps.73.20231686
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基于相反传热方向上相变程度不同引起的传热形式和系数差异设计的相变材料热二极管被认为是有潜力的热管理器件. 然而多种材料的使用或仅依靠数值模拟的研究使其结构复杂或理想化, 降低了其实际应用的可能性. 因此, 本文结合材料固液相变和自然对流过程的传热形式和传热系数变化, 提出了一个仅含有CaCl2·6H2O单相变材料的简单热二极管结构, 并制备了相应的器件, 搭建了稳态热通量测试系统用于实验研究, 其测量结果与文献记载值相近, 具有良好的准确度, 实验研究了冷热端温差和正反传热方向对热二极管热整流效果的影响规律. 结果表明: 热二极管的热通量随冷热源温差的减小而降低, 正向和反向分别沿逆重力和重力方向时, 热整流比最高可达1.58, 最佳冷源温度范围为20—25 ℃, 接近室温, 所提出的相变材料热二极管结构在建筑节能和热管理等方面具有一定的应用潜力.
2024, 73 (5): 058501.
doi: 10.7498/aps.73.20231829
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本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors, GFET)开展了基于10 keV- X射线的总剂量效应研究. 结果表明, 随累积剂量的增大, 不同结构GFET的狄拉克电压VDirac和载流子迁移率μ不断退化; 相比于背栅型GFET, 顶栅型GFET的辐射损伤更加严重; 尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构; 200 μm×200 μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重, 而背栅型GFET是50 μm×50 μm尺寸的器件损伤最严重. 研究表明: 对于顶栅型GFET, 辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是VDirac和μ降低的主要原因. 背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响, 还受到石墨烯表面的氧吸附的影响. 在此基础上, 结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真. 相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.
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2024, 73 (5): 058503.
doi: 10.7498/aps.73.20231645
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钙钛矿半导体具有光吸收系数高、载流子扩散长度大和荧光量子效率高等优异物理特性, 已在光电探测器、太阳能电池等领域展现出重要的应用潜力. 但卤化铅钙钛矿的环境毒性和稳定性大大限制了该类器件的应用范围. 因此, 寻找低毒、稳定的非铅钙钛矿半导体尤为重要. 利用锡元素替代铅元素并生长高质量的锡基钙钛矿薄膜是实现其光电器件应用的可行方案. 本文采用脉冲激光沉积方法, 在N型单晶硅(100)衬底上外延生长了一层(100)取向的CsSnBr3钙钛矿薄膜. 霍尔效应及电学测试结果表明, 基于CsSnBr3/Si半导体异质结在暗态下具有明显的异质PN结电流整流特征, 在光照下具有显著的光响应行为, 并具有可自驱动、高开关比(104)以及毫秒量级响应/恢复时间等优良光电探测器件性能. 本文研究结果表明利用脉冲激光沉积方法在制备新型钙钛矿薄膜异质结、实现快速灵敏的光电探测方面具有重要应用前景.
2024, 73 (5): 058701.
doi: 10.7498/aps.73.20231569
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为实现对转基因和非转基因菜籽油的快速准确鉴别, 结合太赫兹时域光谱技术, 提出了一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型. 以两种转基因和两种非转基因菜籽油为研究对象, 应用太赫兹时域光谱技术获取其光谱信息, 发现相比于非转基因菜籽油, 转基因菜籽油在太赫兹波段具有更强的吸收特性, 同时它们的吸收光谱极为相似, 难以通过观察法进行准确区分. 为此, 提出一种基于改进蜉蝣优化算法的支持向量机模型, 通过采用蜉蝣优化算法对支持向量机参数进行寻优, 并引入自适应惯性权重和Lévy飞行两种策略改进蜉蝣优化算法在寻优过程容易陷入局部最优解的问题, 增强蜉蝣优化算法的全局搜索能力和稳健性. 实验结果表明: 改进后的蜉蝣优化算法能够更有效地寻找到支持向量机的最优参数组合, 提升鉴别模型的整体性能, 该模型对4种菜籽油的识别精度为100%. 因此, 本研究为转基因菜籽油的类型鉴别提供了一种快速有效的新方法, 也为其他转基因物质的鉴别提供了有价值的参考.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2024, 73 (5): 059801.
doi: 10.7498/aps.73.20231362
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2.7—3.0 μm波段激光在很多领域具有重要应用, 为探索和发展该波段新型晶体材料, 本文采用提拉法生长出Pr, Yb, Ho:GdScO3晶体, 通过共掺入Pr3+离子以达到衰减Ho3+:5I7能级寿命的目的. 采用X射线衍射测试得到了晶体的粉末衍射数据, 测量了拉曼光谱, 并对晶体的拉曼振动峰进行指认, 对Pr, Yb, Ho:GdScO3晶体的透过光谱、发射光谱和荧光寿命进行表征. Yb3+的最强吸收峰在966 nm, 吸收峰半峰宽为90 nm; 2.7—3.0 μm波段最强发射峰在2850 nm, 半峰宽为70 nm; Ho3+:5I6和5I7能级寿命分别为1094 µs和56 µs. 与Yb, Ho:GdScO3晶体相比, Yb3+的吸收峰和2.7—3.0 μm的发射峰半峰宽明显展宽, 同时下能级寿命显著减小, 计算表明Ho3+:5I7与Pr3+:3F2+3H6能级之间能实现高效的能量传递. 以上结果表明Pr, Yb, Ho:GdScO3晶体是性能更优异的2.7—3.0 μm波段激光材料.
