《物理学报》创刊90周年
观点和展望
2024, 73 (7): 070301.
doi: 10.7498/aps.73.20240222
摘要 +
朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石, 在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功. 然而, 以20世纪80年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端, 人们逐渐认识到, 对于一大类新的量子态, 比如分数量子霍尔态和量子自旋液体, 其性质超越了朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论. 拓扑序及其所具有的长程多体量子纠缠和分数化激发成为我们理解这些奇异量子态的关键概念. 在量子材料和量子模拟系统中设计并寻找具有拓扑序的物态、探测并操控其分数化激发是当代凝聚态物理重要的研究方向. 近期, 在里德伯原子体系、超导量子处理器和二维摩尔超晶格等具有高度可调控性的量子实验平台中, 拓扑序的量子模拟和操控得到了快速发展并取得了重要成果. 本文将简要论述拓扑序在传统凝聚态材料体系和量子模拟体系中最近的研究进展和挑战, 并对该领域未来可能的发展方向做出展望.
专题: 纳米电介质电-热特性
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2024, 73 (7): 070702.
doi: 10.7498/aps.73.20240150
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摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力. TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关. 本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型; 其次, 阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略, 其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化, 在电介质的结构设计方面, 重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法; 最后, 强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势, 为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.
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2024, 73 (7): 078801.
doi: 10.7498/aps.73.20240201
摘要 +
交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中, 但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响, 使得材料的性能和寿命下降, 因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控. 本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理, 系统分析了其老化过程及影响机制, 并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略, 同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题. 最后, 展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向, 为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导.
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2024, 73 (7): 070701.
doi: 10.7498/aps.73.20231869
摘要 +
长期运行过程中, 高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber, SIR)绝缘发生老化, 影响附件材料的电-热-力综合性能, 易引发放电故障. 该文采用实验和仿真结合的方法, 研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律; 进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化. 实验结果表明, 随着老化程度的不断加深, SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化, 导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变. 相对介电常数呈现先下降后上升的趋势, 体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势; 此外, 随着老化时间的延长, 材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降. 仿真结果表明, 力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小, 维持在2.2 kV/mm左右; 不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显, 最大温度梯度为9.15 ℃; 应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa, 下降约12.5%. 该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.
数据论文
封面文章
2024, 73 (7): 078101.
doi: 10.7498/aps.73.20232027
摘要 +
超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术, 可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却, 适合对熔点小于1000 ℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试. 该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时, 也产生大量的数据. 本文提出一种“俯视图”的数据分析方法, 即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面, 然后用颜色衬度代表热流强弱. 该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题, 实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的. 本文以一种Au基非晶合金为例, 从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据, 重新绘制出“俯视图”, 比较两者的优缺点. 上述方法具有普适性, 适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析. 不仅如此, “俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取.
综述
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2024, 73 (7): 077801.
doi: 10.7498/aps.73.20231487
摘要 +
正电子湮没技术是研究材料微观结构的一种原子尺度表征方法, 通过分析正电子湮没行为可以得到湮没位点处局域电子密度和原子结构信息. 近年来, 正电子湮没谱学技术已经发展成为优于常规手段的特色表征技术, 其中符合多普勒展宽技术在研究缺陷附近的电子和原子结构方面具有独特优势, 商谱曲线中高动量区域形状的变化反映了正电子湮没位点周围的元素信息. 在常规符合多普勒展宽技术发展基础上, 能量可调的慢正电子束流符合多普勒展宽技术在获取表面微观结构的深度分布信息上展示出独特的作用, 同时也弥补了常规符合多普勒展宽技术只能表征体材料中缺陷环境的不足. 本文结合国内外相关进展, 综述了符合多普勒展宽技术在各类材料中的研究进展: 1)合金中空位型缺陷和纳米沉淀的演化行为; 2) 半导体中晶格空位与杂质原子的相互作用; 3)氧化物中氧空位和金属阳离子浓度的变化. 除此之外, 在聚合物中自由体积孔洞的大小、数量及分布的估算表征领域中, 符合多普勒展宽技术也逐步得到应用.
总论
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2024, 73 (7): 070201.
doi: 10.7498/aps.73.20231778
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里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量. 本文利用室温里德伯原子构建原子天线, 基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息, 从而实现低频电场的参数测量. 实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态, 通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency, EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测, 基于内置电极技术在室温原子气室导入kHz频段低频电场. 电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐, 从而引起EIT光谱频移和强度变化. 在弱电场条件下, EIT光谱频移可以忽略, EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系, 基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量.
2024, 73 (7): 070703.
doi: 10.7498/aps.73.20231785
摘要 +
本文设计了一种具有对称双环嵌套管结构的新型低损耗少模空芯负曲率光纤, 该光纤支持LP01, LP11, LP21, LP02, LP31a, LP31b共6种纤芯模式. 所设计的光纤以SiO2作为基底材料, 采用特殊的对称双环嵌套结构将包层区域进行划分, 能够有效地减小纤芯模式与包层模式的耦合. 使用有限元法对该少模空芯负曲率光纤的结构参数进行优化, 并分析了纤芯各个模式的限制损耗和弯曲损耗. 仿真结果表明, 所提出的少模空芯负曲率光纤能够同时支持弱耦合的6种纤芯模式独立传输(相邻模式间的有效折射率差均大于10–4, 有效地避免了纤芯内模式间的耦合). 在400 nm带宽(1.23—1.63 μm, 覆盖O, E, S, C, L波段)范围内, 纤芯中的6个模式均保持低损耗稳定传输. 各模式限制损耗在1.4 μm处达到最低, 其中基模LP01模式的限制损耗最低, 为4.3×10–7 dB/m. 此外, 当弯曲半径为7 cm时, 各模式在一定工作波长范围内均保持低弯曲损耗传输. 公差分析表明, 当结构参数偏移±1%时, 该少模空芯负曲率光纤仍然可以保持低损耗弱耦合的传输特性.
核物理学
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2024, 73 (7): 072801.
doi: 10.7498/aps.73.20231957
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中子辐射俘获反应在反应堆运行、核装置设计及核天体物理研究中起重要的作用. 4π BaF2探测装置有着高时间分辨能力、低中子灵敏度、高探测效率等优点, 适合开展中子辐射俘获反应截面数据的测量. 中国原子能科学研究院核数据重点实验室建立了伽马全吸收装置(Gamma total absorption facility, GTAF), 该装置用28块六棱BaF2晶体和12块五棱BaF2晶体构成了外径25 cm, 内径10 cm的球壳, 覆盖了95.2%的立体角. 利用GTAF在中国散裂中子源Back-n束线上, 测量了197Au(n, γ)的反应截面数据. 测量数据通过能量筛选、PSD方法、晶体多重性筛选进行了初步本底扣除, 随后结合对natC及空样品的测量数据对本底进行了分析及扣除, 获得了197Au俘获反应的产额, 利用SAMMY程序拟合得到了197Au在1—100 eV的共振能量、中子共振宽度和伽马共振宽度参数. 实验测量结果与ENDF/B-VIII.0数据库符合良好, 其共振参数存在一定差异, 分析原因可能与GTAF能量分辨率、Back-n的中子能谱测量精度、以及实验本底扣除方法相关, 这也是下一步工作的重点.
2024, 73 (7): 072802.
doi: 10.7498/aps.73.20231661
摘要 +
蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一, 其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子, 计算耗时长, 这阻碍了该方法的进一步应用, 尤其在需快速响应的情形. 本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法, 能够实现源分布可变, 几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解. 首先, 为高效生成用于神经网络训练的数据, 利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量, 在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点. 进而, 基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实, 设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略. 该网络的输入是中子源项, 输出是目标计数, 在几何、材料和目标计数固定的情况下, 该神经网络可重复使用, 根据新的源项快速准确得到目标计数. 本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题. 基于若干基准模型的验证表明, 训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数, 且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.
2024, 73 (7): 072901.
doi: 10.7498/aps.73.20231980
摘要 +
在中子反应截面测量中, 瞬发γ射线法是一种通过测量核反应放出的特征γ射线来得到截面数据的方法, 这种方法能够避免竞争反应道产生的干扰. 但是瞬发γ射线法为在线实验, 本底来源丰富, 造成了在线实验谱分析难度大, 结果不确定性高. 本文研究了使用瞬发γ射线法测量中子诱发伽马产生截面的谱分析技术, 总结了中子诱发伽马产生截面测量中不同特征峰形成的物理过程, 降低了在线实验谱处理过程中计算效应峰净面积的不确定度. 通过采用各种响应函数来对全能峰、本底以及干扰因素进行拟合的方法, 精确提取了效应峰的净面积. 针对弱峰的净面积, 本方法可将峰区域选取引起的波动从30%降低到1%以内, 且净面积拟合值与理论值的差距与统计不确定度相当; 对于解重峰, 本方法所得结果与理论值差距显著低于1%. 通过效率曲线分析、拟合优度计算等方法同时验证了谱分析方法的可靠性.
原子和分子物理学
2024, 73 (7): 073101.
doi: 10.7498/aps.73.20231432
摘要 +
基于第一性原理计算研究了Ti2CO2和金属Sc修饰的Ti2CO2的几何结构和电子性质, 分析了不同有害气体(CO, NH3, NO, SO2, CH4, H2S)在这两种材料表面的吸附过程, 讨论了金属修饰对Ti2CO2二维过渡金属碳化物(MXene)电子性能和气体吸附性能的影响. 计算结果表明, Sc原子位于空心位C原子上方的结构具有较大的结合能, 但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 eV), Sc原子可以有效避免成簇. 表面Sc金属为气体吸附提供了活性位点. 通过分析不同气体的最佳吸附点位、吸附能等参数, 分析金属Sc修饰的Ti2CO2对这些气体的吸附效果. 其中对SO2的吸附效果更好, 吸附能从–0.314 eV提升到–2.043 eV, 其他气体的吸附效果均有改善. 通过电荷转移、态密度和功函数等参数解释了其吸附能增加的原因. 由于在表面引入了新的原子, 增大了材料的载流子密度和载流子迁移率, 从而提高了材料表面的电荷转移, 为金属Sc修饰的Ti2CO2材料的气敏性能提供理论参考.
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2024, 73 (7): 073401.
doi: 10.7498/aps.73.20231736
摘要 +
部分电离等离子体是惯性约束聚变燃料及天体等离子体中的重要组成部分, 该等离子体的输运及流体力学等性质受到束缚电子的显著影响, 然而当前基于光谱学的技术手段难以对其进行高精度诊断. 本文基于中国科学院近代物理研究所低能离子束与等离子体相互作用实验平台, 精确测量了100 keV质子束穿过部分电离氢等离子体靶后的能损, 该能损是质子同靶区内自由电子与束缚电子碰撞共同作用的结果. 利用已有的能损理论模型, 结合激光干涉诊断获得的自由电子密度信息, 最终得到了部分电离氢等离子体靶中沿离子路径上的束缚电子密度, 并给出了该等离子体的离化度参数. 该离子束诊断技术具有在线、原位、分辨率高等优势, 为解决部分电离等离子体内部束缚电子密度的诊断问题提供了新的途径.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (7): 074101.
doi: 10.7498/aps.73.20231781
摘要 +
近年来, 基于超材料的电磁吸波器件由于其宽带、易制备等优势而备受各国研究者的广泛关注. 本文为实现宽带电磁低可探测, 提出一种渐变电阻膜-介质复合结构的超材料吸波器. 基于传输线理论和阻抗匹配原理, 对强吸波条件进行了分析. 在单元结构设计方面, 采用遗传算法在多变量域内全局搜索最优解, 快速地确定出能够兼顾低频与宽带吸波性能的超材料单元结构与电阻参数, 并对器件吸波性能与吸波机理进行了深入的探讨. 仿真结果表明, 在垂直入射下, 所设计的超材料吸波器对1.62—19.16 GHz (相对带宽168.8%) 之间的入射波吸收率均大于90%, 有效地向L和K波段拓展了吸收带宽. 虽然在部分频段测试和仿真结果之间存在一定偏差, 但两种类型的曲线随频率的变化趋势基本一致, 这充分证明了所设计的超材料吸波器在低频宽带吸波领域具有潜在应用价值.
2024, 73 (7): 074201.
doi: 10.7498/aps.73.20231874
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近年来, 光的轨道角动量自由度的高维度特性引起了广泛的关注. 该自由度在许多科学领域得到了研究和应用, 特别是在光通讯和量子信息领域. 为了充分利用轨道角动量的高维特性, 不同的轨道角动量态的非破坏分离成为一个最基本的要求. 然而, 目前已有的轨道角动量分束系统, 要么在稳定性和级联拓展性方面有所不足; 要么分离后的轨道角动量态的特性遭到严重破坏, 无法参与进一步的相互作用过程. 本文基于光束偏移器构建微型Mach-Zehnder干涉仪, 设计了一个稳定且紧凑的轨道角动量分束器, 实现了轨道角动量模式的非破坏分束. 设计中由于只存在光束的全反射, 因此理论上能量损耗为零. 在微型Mach-Zehnder干涉仪中的光束经过的光学元件相同, 且光束的空间偏移量较小, 所以该轨道角动量分束器具有很好的稳定性. 此外, 由于被分开的轨道角动量态与入射的轨道角动量态具有相同的传播方向, 因此该分束器具有很好的可拓展性, 便于级联使用. 本研究对轨道角动量这一高维自由度在光通讯等相关领域的应用有重要意义.
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2024, 73 (7): 074202.
doi: 10.7498/aps.73.20231929
摘要 +
本文主要研究二维旋转谐振子势中单粒子的动力学行为, 通过跳频的方式分析该粒子的压缩演化过程, 并分析了相应的物理机制. 一方面, 研究跳频过程对回旋半径模式的压缩演化, 通过选择适当的跳频时刻, 分析跳频过程对压缩的影响. 研究表明, 回旋半径坐标的压缩程度并未在跳频时刻发生改变, 但可在后续的演化中出现更强的压缩现象. 另一方面, 主要研究跳频过程中心导向模式的压缩演化. 通过参数的选择, 分析了两种压缩模式, 即发散模式和振荡模式的压缩及演化. 有趣的是, 在中心导向模式压缩中, 外势存在一个由旋转角速度决定的临界势阱纵横比. 压缩模式在此处发生突变, 且在振荡模式中, 势阱纵横比趋于该临界值时, 将出现明显的压缩.
2024, 73 (7): 074203.
doi: 10.7498/aps.73.20231630
摘要 +
量子纠缠是执行量子计算和构建量子通信网络的关键资源, 制备与操控纠缠态光场是实现量子信息处理的基础要素. 本文提出了利用双端光学腔倍频产生四组份纠缠态的理论模型, 从耦合波方程出发得到Ⅱ类倍频过程的传输矩阵, 通过腔内自再现方程和输入输出传输矩阵理论研究了输出的两束倍频光的噪声特性; 对于两束倍频光和两束基频泵浦场, 利用多组份纠缠光场的充分必要判据PPT方法(positivity under partial transposition criterion)分析了最小辛本征值与泵浦功率及分析频率之间的关系, 研究结果表明基频泵浦光与倍频光之间存在四组份纠缠.
2024, 73 (7): 074204.
doi: 10.7498/aps.73.20231691
摘要 +
微多普勒特征提取作为一种常用的时频分析工具, 对微动目标特征的提取重构具有重要意义. 为了更好地研究多运动的微多普勒效应, 提出了一种运动姿态分类方法. 按照目标频移是否随时间变化可以将运动姿态分为频移时变运动和频移时不变运动. 频移时变运动包括平移、翻滚和振动. 针对这种运动应分析对比不同时间对应的瞬态频移, 频移时不变运动主要为旋转运动. 本文通过微多普勒效应理论结合电磁波频域模型, 实现3D运动目标微动特性提取的仿真建立目标, 分析不同环境条件例如晴天阴天、有无湍流对探测的影响, 为后续实验研究奠定理论基础. 开展基于收发同置系统的多特征运动目标的微多普勒频移探测实验, 实验结果表明, 不同目标位置上频移的幅度、正负性和谱线宽度旨在反演目标形状、运动姿态、运动方向和速度. 利用FFTshift函数对一维数据进行解调分析, 实现三维时间-频率-强度关系的研究. 本研究实现了对目标宏观形状特性的测量以及微观运动信息的提取, 为雷达探测和识别奠定基础.
2024, 73 (7): 074205.
doi: 10.7498/aps.73.20231775
摘要 +
通过将窄带法布里-珀罗微腔阵列与可见光探测器焦平面阵列粘贴集成, 展示了一种微小紧凑型多光谱成像探测器. 通过四次分形组合蚀刻工艺, 先在石英基底上获得了以4×4为基本重复单元、共计2048像素×2048像素的微腔滤光阵列; 再与探测器芯片贴合后形成了微小型多光谱成像探测器. 微区光谱检测表明, 微腔阵列样品的响应光谱峰值在520—680 nm之间变化, 半峰处的全宽小于10 nm, 透过率约70%. 可调谐波长单色光合作光源检测表明, 该多光谱成像探测器具有16个不同的窄带响应谱; 利用光谱通道能清晰分辨目标特征光谱; 通过光谱通道图像相减, 能有效消除视野中背景, 提高目标对比度. 它有望应用于皮肤表面观测等辅助诊断, 以及逆光条件下目标观测的高动态范围成像等.
2024, 73 (7): 074301.
doi: 10.7498/aps.73.20231959
摘要 +
镍基高温合金GH4742具有优异的机械性能, 而晶粒尺寸是影响其性能的关键因素. 基于物理模型的超声背散射法可以实现晶粒尺寸高效和准确的评价, 但受限于复杂模型或多角度声束测量. 因此, 本文提出了一种只需单向测量的背散射系数法, 且无需考虑测量系统等无关因素的影响. 基于独立散射模型, 推导了只与材料相关的背散射系数; 利用空间相关函数描述了晶粒尺寸与背散射系数的关系; 采用参考信号剔除干扰因素的影响, 实现实验背散射系数的快速提取. 制备三组不同晶粒尺寸的GH4742试块进行相控阵超声实验和平均晶粒尺寸评价, 并与金相法结果进行对比. 结果表明本文方法得到的晶粒度与金相法结果最大相对误差为–22.7%, 最小相对误差为–3.7%.
2024, 73 (7): 074302.
doi: 10.7498/aps.73.20231886
摘要 +
声镊可以非接触、无损伤地操控微粒, 在细胞分离、组织工程、材料组装等领域具有广阔的应用前景. 近期有研究利用声人工结构调控声场提升声镊性能, 然而, 与换能器分离的人工结构导致声镊装置复杂且操控现象不太稳定. 本文基于压电声子晶体板调制声场实现对微粒的灵活操控, 其主要机制是由压电陶瓷片构成的压电声子晶体板可激发A0模式Lamb波模式和共振周期声场模式, 板上微粒在这两个模式中分别受到平行于板面的声停驻力和垂直于板面的声捕获力或声悬浮力, 从而实现排列、捕获、悬浮等多种模式的灵活操控. 由于压电声子晶体板整合了换能器与声人工结构, 该器件为研究高精度、低能耗、紧凑型声镊技术提供了物理基础和实验验证.
2024, 73 (7): 074701.
doi: 10.7498/aps.73.20231898
摘要 +
包膜微泡在非线性声场下的响应对高强度聚焦超声治疗具有重要意义. 本文通过耦合Gilmore-Akulichev-Zener模型与脂质包膜的非线性模型, 采用KZK方程仿真非线性声场, 分析在不同超声频率、不同声压以及不同包膜材料的黏弹性下的微泡动力学行为和微泡振荡频率, 并进一步对比了实际测量声场与KZK方程仿真声场下的微泡动力学行为和频率响应. 研究结果表明: 非线性声场会导致微泡壁的瞬时运动速率减小, 声压和频率的改变对微泡动力学的影响与在线性声场中类似; 包膜材料的不同可以使振荡频率中的谐波分量发生改变, 其中包膜材料的弹性对微泡的频率响应影响较小, 包膜的初始黏性和初始表面张力对微泡的振荡频率分布影响较大, 当初始黏性越小时, 二次分谐波的峰值越高, 当初始表面张力越大时, 主频的峰值越高. 本研究进一步阐明非线性超声激励包膜微泡的微泡动力学, 为包膜微泡在非线性声场下的频率响应分析奠定理论基础.
2024, 73 (7): 074702.
doi: 10.7498/aps.73.20231364
摘要 +
由于马兰戈尼效应, 液滴在液体层表面自发铺展成薄膜的物理过程, 在成膜技术、涂层工艺、以及纳米器件的制作等领域具有广泛的应用, 但是铺展后液膜自发碎裂成小液滴的现象也被广泛观察到, 这种现象限制了马兰戈尼效应应用的发展. 本文基于以往的实验观察对液膜的碎裂机制进行完备的解释, 并通过实验进行验证, 指出了液滴薄膜中心与边缘蒸发速率的差异引起的马兰戈尼流动对液膜边界产生的微扰, 使得液滴铺展到最大时边缘生长出指状液柱. 此外, 根据微扰模型推导出边界失稳的临界波长和最大波长的表达式, 基于Plateau-Rayleigh不稳定性解释了指状液柱碎裂的原因. 建立同心圆柱壳液柱模型简化计算, 预测了不同黏度比的液滴在液体层上铺展为薄膜的浓度范围和发生马兰戈尼爆裂的位置区间, 并通过实验验证了不同醇溶液发生马兰戈尼爆裂的浓度范围和位置区间. 该理论解释将在成膜技术、涂层工艺等领域提供更加精细的理论指导; 特别地, 本文提出的同心圆柱壳简化模型为化工领域微量反应和纳米颗粒制备等研究领域中的一些技术难题提供新的解决思路.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (7): 075101.
doi: 10.7498/aps.73.20231861
摘要 +
在过渡区内, 关于纳米颗粒曳力计算及输运特性的研究较为困难, 通常会采用一些近似方法, 将自由分子区或者连续介质区的理论计算式进行修正, 以适用于过渡区, 但是其准确性值得商榷. 本文基于分子动力学模拟方法, 研究了过渡区内纳米颗粒的曳力特性, 并与相关理论进行对比. 结果表明, 气-固分子间相互作用对纳米颗粒的曳力具有显著影响. 当气固结合强度较弱时, 理论计算结果与分子动力学模拟值吻合较好; 当气固结合强度较强时, 分子动力学模拟结果明显大于理论值, 这是由于气体分子在纳米颗粒表面的吸附所导致. 基于气体分子在颗粒表面的吸附特性, 提出引入有效颗粒半径修正, 其过渡区内曳力的理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.
2024, 73 (7): 075201.
doi: 10.7498/aps.73.20231967
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本文研究了同时含有非热(nonthermal)电子和陷俘(trapped)离子分布的复杂等离子体系统中非线性尘埃声波的传播特征. 首先, 利用线性化方法推导得到非线性尘埃声波的色散关系. 接着, 借助Sagdeev势方法推导得到表征非线性尘埃声波运动的二维自治系统、Sagdeev势方程和Sagdeev势函数的具体表达式. 然后, 依据数值模拟的方法分析了多种系统因素对二维自治系统相图的重要影响. 结果表明: 含有nonthermal电子和trapped离子的复杂等离子体系统中同时存在线性周期波、非线性周期波和孤立波. 接下来, 通过讨论Sagdeev势函数随系统参数的变化规律发现: 该复杂等离子体系统中仅存在振幅大于零的压缩型孤立波. 最后, 探讨多种系统因素对非线性尘埃声孤波的振幅、宽度和波形等传播特征的重要影响. 结果显示: 马赫数、nonthermal电子和trapped离子以及尘埃颗粒未扰动的数密度、温度及荷电量等参数对该复杂等离子体系统中非线性尘埃声孤波的振幅、宽度和波形等传播特性均具有显著影响, 且该结果与Sagdeev势函数的分析结果保持一致.
2024, 73 (7): 075202.
doi: 10.7498/aps.73.20231759
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采用一般的径向密度非均匀分布假设, 借助温等离子体介电张量模型, 利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系, 在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下, 重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m = 1角向模功率沉积特性的影响. 研究结果表明: 在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3, 8) eV内, 电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑, 而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略. 低磁场条件下$|n| > 1 $ 次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略. 碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位, 功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值, 随着轴向电子温度Te, z的增大, 功率沉积强度逐渐增强. 相比等离子体温度各向同性情形, 等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m = 1角向模的功率沉积特性, 电子温度各向异性因子χ = Te,⊥/Te, z的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.
2024, 73 (7): 075203.
doi: 10.7498/aps.73.20231881
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多针电极结构是实现大体积水下放电的基础性电极结构, 研究其放电基本特性对其他大体积水下放电电极结构的设计具有重要参考意义. 本文构建了一个可安装21根针的多针电极, 利用四分幅超高速相机研究了单个脉冲放电过程中可能放电的针电极数目以及电极阵列边缘和内侧针电极放电形态的差异; 采用COMSOL软件模拟计算了多针电极结构的电场分布, 讨论了电场分布对多针电极放电的影响, 研究了多针电极结构的放电能量效率. 结果发现: 在单个脉冲放电过程中, 21根针电极不是同时发生放电的, 最大放电针电极数目随电压和针针间距的增大而增加. 在同一个脉冲放电过程中, 位于电极阵列边缘的针电极相比于位于阵列内侧的针电极产生的流光丝较长且偏离针电极轴线的偏角相对较大, 这主要是针电极之间电场相互叠加干扰引起的. 针针间距越小, 针电极之间电场的相互叠加干扰越大, 阵列边缘与内侧电极放电形态的差异越大, 放电能量效率越低.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (7): 076401.
doi: 10.7498/aps.73.20231939
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在Al(铝)-Si(硅)合金中同时添加Sr(锶)和B(硼)存在“中毒”现象, 无法同时细化α-Al晶粒和变质共晶Si. 本文研究了在同时添加α-Al晶粒细化剂B和共晶Si变质剂Sr的条件下, 微量稀土La(镧)对Al-7%Si-0.6%Fe合金组织、热导率和力学性能的影响, 分析了稀土La的影响规律及其作用机理. 结果表明微量稀土La的添加, 一方面可以中和Sr与B的毒化效应, 提升共晶Si的变质效果; 另一方面可以促使α-Al异质形核基底LaB6的形成, 并作为表面活性剂降低α-Al的形核过冷度, 从而细化α-Al晶粒. 共晶Si的变质以及α-Al晶粒的细化有助于同时提升Al-7%Si-0.6%Fe合金的热导率及力学性能. 此外, 当稀土La的添加量在0.02%—0.06%之间时, 合金的导热性能明显提升; 随着La添加量的进一步增大, 合金热导率下降.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (7): 077201.
doi: 10.7498/aps.73.20231677
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在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场, 这严重地削弱了量子阱的发光效率. 为了减弱量子阱内的压电极化场, 通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能. 为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理, 实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品. 变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升, 相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小, 说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应. 理论计算结果表明: 在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层, 可以削弱有源区量子阱内极化内建电场, 减弱有源区量子阱能带倾斜, 增加电子空穴波函数交叠, 提高发射几率, 缩短辐射复合寿命, 有利于辐射复合与非辐射复合的竞争, 实现更高的复合效率, 从而提高发光强度. 本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能, 为器件的结构设计优化指明方向.
编辑推荐
2024, 73 (7): 077202.
doi: 10.7498/aps.73.20231987
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本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象. 随着无序强度的增强, 系统的能谱统计分布从AI† 对称类向二维泊松系综过渡, 多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变, 半链纠缠熵服从体积律到面积律的转变, 动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变. 数值结果表明, 在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性. 该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角.
2024, 73 (7): 077701.
doi: 10.7498/aps.73.20231872
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用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷. 通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征, 结合常规表征手段如X射线衍射(XRD), 电子扫描显微镜(SEM), 介电、铁电和压电性能测量, 研究缺陷对陶瓷压电性能的影响. XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相, 掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变, 准同型相界位于Sm掺杂量x = 0.01$- $ 0.02. 电学测量结果反映: 介电、铁电和压电性能均先增强后减弱, MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能, 但其压电性能差别很大. x = 0.01给出最优压电性能d33 = 572 pC/N, 较未掺杂样品增强了一倍. PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化, x ≤ 0.01, 样品中同时含有A位空位与B位空位; x ≥ 0.02, 样品中以A位相关缺陷为主, B位空位浓度很低. CDBS结果进一步证实x = 0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的. 由以上结果推断出: x = 0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关, B位空位可稀释A位空位浓度, 降低氧空位浓度, 从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率, 促进畴壁运动, 使压电性能增强.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (7): 078401.
doi: 10.7498/aps.73.20231846
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柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点, 受到广泛关注. 提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷. 本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate, PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池, 采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride, OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略, 提高了钙钛矿薄膜的结晶质量, 改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷, 并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池. 本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.
2024, 73 (7): 078501.
doi: 10.7498/aps.73.20231768
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绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)是现代功率半导体器件的核心, 因其良好的电学特性得到了广泛的应用. 本文提出了一种具有肖特基结接触的栅半导体层新型多数载流子积累模式IGBT, 并对其进行特性研究和仿真分析. 当新型IGBT处于导通状态, 栅极施加正向偏压, 由于肖特基势垒二极管极低的正向导通压降, 使得栅半导体层的电压几乎等于栅极电压, 从而能够在漂移区中积累大量的多数载流子电子. 除了现有的电子外, 这些积累的电子增大了漂移区的电导率, 从而显著降低了正向导通压降. 因此, 打破了传统IGBT正向导通压降受漂移区掺杂浓度的限制. 轻掺杂的漂移区可以使新型IGBT具有较高的击穿电压, 同时减小了关断过程中器件内部耗尽层电容, 因此整体米勒电容减小, 提升了关断速度, 减小了关断时间和关断损耗. 分析结果表明, 600 V级别的击穿电压时, 新型IGBT的正向导通压降, 关断损耗和关断时间相比常规IGBT分别降低了46.2%, 52.5%, 30%, 打破了IGBT中正向导通压降和关断损耗之间的矛盾. 此外, 新型IGBT具有更高的抗闩锁能力和更大的正偏安全工作区. 新型结构的提出满足了未来IGBT器件性能的发展要求, 对于功率半导体器件领域具有重大指导意义.
2024, 73 (7): 078502.
doi: 10.7498/aps.73.20231919
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全无机无铅双钙钛矿材料(Cs2AgBiBr6)具有载流子寿命长、稳定性高和禁带宽度适中等优点, 近年来在光电探测器的应用研究上受到广泛关注. 本文通过将水热法生长的TiO2纳米柱阵列嵌入到Cs2AgBiBr6层中形成紧密的核壳结构, 增大两者的物理接触面积, 提高光电探测器电子注入与电荷分离的效率. 此外, TiO2纳米柱阵列还可以有效减小光在器件表面的反射损耗, 增强Cs2AgBiBr6薄膜的光捕获能力. 实验结果表明, 基于TiO2纳米柱的多波段响应Cs2AgBiBr6双钙钛矿光电探测器在365 nm及405 nm多个波长均能激发高光响应且有良好稳定性和重复性, 所得平均开关比分别为522和2090, 以0.056 W/cm2固定光强激发, 响应度分别为0.019 A/W和0.057 A/W, 比探测率分别为1.9×1010 Jones和5.6×1010 Jones. 相比于传统TiO2薄膜型Cs2AgBiBr6光电探测器, 平均开关比分别提升65倍和110倍, 响应度分别提升35%和256%, 比探测率分别提升6.9倍和25倍. 上述结果表明, 基于TiO2纳米柱的多波段响应Cs2AgBiBr6双钙钛矿光电探测器可为提高光电器件的效率提供参考方案.
2024, 73 (7): 078701.
doi: 10.7498/aps.73.20231910
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近年来, 小动物活体荧光成像系统被广泛应用于生物医学成像研究. 但是, 现有的荧光成像系统存在穿透深度有限、图像信噪比低等缺点. 因此, 利用近红外二区(near-infrared-II, NIR-II, 900—1880 nm)荧光成像技术在生物组织中具有的低吸收、低散射和穿透深度深等优点, 研制出一套NIR-II小动物活体荧光成像系统, 提出了一种荧光图像增强校正方法, 并设计生物组织模拟实验和活体动物实验测试该系统的性能和成像效果. 实验结果表明, 该系统具有穿透深度深、信噪比高、灵敏度高等优点. 结合商用的吲哚菁绿试剂和聚集诱导发光染料, 该系统可实时监测小鼠体内的血管分布情况, 并对深层组织器官进行持续监测, 实现活体小鼠清醒状态下的动态监测研究, 有助于推动生物医学成像领域的肿瘤研究和药物开发研究等进入一个新阶段.
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2024, 73 (7): 078702.
doi: 10.7498/aps.73.20231990
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核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用, 研究其生理过程有助于深入了解生物学功能. 本文采用一种红色荧光的芘罗丹明荧光探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁. 通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化, 并利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境变化, 确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命约为3.65 ns, 线粒体黏度约为66×10–3 Pa·s. 在激光光照后, 探针标记到HeLa细胞线粒体的荧光寿命降至3.61 ns, 对应线粒体黏度增至约131×10–3 Pa·s; 使用紫杉醇和秋水仙碱诱导细胞凋亡, 观察到探针标记于HeLa细胞核仁的荧光寿命先增加后降低, 反映了在HeLa细胞凋亡过程中核仁微环境的变化, 证明HeLa细胞在非稳态情况下核仁和线粒体的功能变化, 为线粒体和核仁功能障碍相关疾病研究提供了新的研究方法.
地球物理学、天文学和天体物理学
2024, 73 (7): 079601.
doi: 10.7498/aps.73.20231855
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本文选取了第24太阳活动周2010年1月至2014年9月期间的快速、大角宽日冕物质抛射(CME)事件, 结合不同约束条件下Richardson (2014) 太阳高能粒子(SEP)强度经验模型输出结果, 分析了CME属性、先行CME (pre-CME)、II型射电暴等观测特征对SEP强度的影响, 探讨了SEP事件的产生及其强度与这些特征的关系. 主要结论如下: 1) 快速CME前13 h内是否存在pre-CME对模型预测效果和快速CME是否产生SEP事件有明显影响, 但pre-CME的数量对模型输出结果没有明显改善. 2) 相比于无II型射电暴伴随的快速CME而言, 伴随II型射电暴的CME爆发产生SEP事件的误报占比明显更低(42%), 以此为约束条件, 可更加突显大SEP事件(如峰值≥0.01 pfu/MeV)的模型预测值与观测值的关联; 如果考虑射电增强, 则SEP事件的误报占比可进一步下降至29.4%, 模型预测效果显著提升. 3) II型射电暴的起始频率和结束频率对误报占比的影响不大, 以此作为条件约束对模型预测效果提升不明显. 4) 如考虑II型射电暴的细分类型作为模型约束条件, 伴随多波段II型射电暴的CME比单一波段事件具有更好的模型预测效果, 如m-DH-km II型射电暴事件, 具有较低的误报占比(35.4%), 准确率较高. 研究结果显示, 除了CME的速度和角宽参数外, pre-CME、II型射电暴及其增强、多波段类型等特征作为CME产生SEP事件的约束条件, SEP预测强度与观测强度具有较好的一致性, 可以获得较优的模型预测效果. 这也进一步表明了伴随有pre-CME、多波段II型射电暴及其增强的快速大角宽CME更容易产生SEP事件, 这些特征可作为SEP-rich类CME的辨别信号.
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