观点和展望
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2025, 74 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.74.20241595
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费米-哈伯德模型是描述凝聚态物理中关联电子体系的基础模型, 与高温超导现象具有深刻联系. 近年来, 超冷原子量子模拟已成为研究该模型的重要范式, 同时多体数值计算在该模型基础物理性质的研究方面也取得了重要进展. 特别地, 最近超冷原子实验观测到三维哈伯德模型中的反铁磁相变, 是费米-哈伯德模型量子模拟的重要一步, 为理解量子磁性与高温超导之间的联系奠定了基础. 本文回顾费米-哈伯德模型的理论与实验研究进展, 侧重于三维体系, 并讨论实验的发展历程和现状, 展望未来的发展趋势.
专题: 关联电子材料与散射谱学
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2025, 74 (1): 012501.
doi: 10.7498/aps.74.20241412
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非弹性中子散射谱是材料科学和物理学研究中的关键工具, 其通过观测中子与物质相互作用后的能量和动量变化, 揭示材料的微观动力学特性. 该技术为定量描述材料的声子色散和磁性激发提供了重要信息. 非弹性中子散射谱仪根据单色中子的选择方法, 可分为三轴谱仪和飞行时间谱仪. 三轴谱仪具有高信噪比、高灵活性, 并且对特定测量点能进行精确追踪; 而飞行时间谱仪则通过多种手段显著提升实验效率. 非弹性中子散射谱仪的应用范围相当广泛, 在磁性、超导、热电、催化等诸多材料的机理研究方面, 均体现出在推动前沿科学发展中的不可或缺性. 中国散裂中子源的高能非弹性谱仪是国内首台飞行时间中子非弹性谱仪, 凭借其创新的费米斩波器设计, 成功实现了高分辨率与多能量的共存, 同时实验可用的单束中子支数达到了国际领先水平.
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2025, 74 (1): 012801.
doi: 10.7498/aps.74.20241178
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晶格动力学是众多前沿能源材料的重要物理基础. 许多优秀的能源材料具有亚晶格嵌套结构, 其晶格动力学非常复杂, 这给理解材料的物理机制带来了巨大挑战. 中子散射技术兼具高的能量和动量分辨率, 可以同时表征物质结构和复杂晶格动力学, 近年来在研究能源材料物理机制方面发挥了重要作用. 本文首先详细介绍了能源材料研究中常用的几种中子散射技术, 包括中子衍射、中子全散射、准弹性中子散射以及非弹性中子散射等. 然后, 综述了近年来以中子散射为主要表征方法在能源材料领域所取得的一些重要研究进展, 包括超离子热电材料中的超低晶格热导率、固态电解质中的离子扩散机制、压卡材料中的塑晶态相变与构型熵、光伏材料中的晶格非谐性与载流子输运以及磁卡制冷材料中的一级磁-结构相变等. 在这些能源转换与存储材料中, 晶格动力学并不是独立起作用的, 它们在宏观物理性质中的作用总是通过不同自由度如亚晶格、电荷、自旋等的复杂关联作用或相互耦合来实现的. 通过这些典型实例, 希望为能源材料与晶格动力学的进一步深入研究提供参考.
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2025, 74 (1): 017301.
doi: 10.7498/aps.74.20241163
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Zintl相化合物因为其独特的晶体结构和优异的输运性能, 在能源存储及转换领域尤其是热电材料应用中受到广泛关注. 为了理解Zintl相化合物优异热电性能起源, 科研工作者们利用中子散射技术结合分子动力学模拟, 对晶格热导和电声耦合效应展开研究, 取得了一系列成果. 本文系统总结了中子散射对一些Zintl相化合物的结构及其晶格动力学的相关研究工作, 按照零维A14MPn11型化合物、一维链状化合物、二维层状AB2X2型化合物和其结构变体AB4X3型化合物, 层状ZrBeSi结构Zintl相化合物的顺序依次梳理了其低晶格热导率的物理起源. 通过中子衍射技术探讨了晶体结构、原子位移参数等信息; 围绕中子非弹性散射实验, 探讨了声子态密度的测量方法及其对Zintl相化合物动力学性质的研究. 在深入认识Zintl相化合物的同时, 揭示了其微观结构和优化材料性能, 以期对设计新型热电功能材料具有一些启发.
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2025, 74 (1): 017401.
doi: 10.7498/aps.74.20241534
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铁基超导体的多结构体系和丰富的磁性物理为理解非常规超导微观机理提供了广阔的平台, 其中自旋涨落被认为是超导配对的最可能媒介. 本文以铁砷化物超导体为例, 系统总结了铁基超导体自旋激发谱的非弹性中子散射研究结果, 并探讨了相关的普适规律; 重点介绍了铁砷化物超导体中低能自旋激发与超导电性的直接联系, 即中子自旋共振模的行为, 以及高能自旋激发谱的色散关系、强度分布、总体磁矩等特征, 并充分比较了与铜氧化物高温超导体的异同.
仪器与测量
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2025, 74 (1): 017801.
doi: 10.7498/aps.74.20241491
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光致发光光谱能够揭示半导体材料带隙、杂质能级等电子结构信息, 还可以分析界面、载流子寿命、量子效率, 在紫外-近红外波段得到广泛应用. 在约4 μm以长红外波段, 由于热背景干扰强、光致发光信号弱、探测能力低, 光致发光光谱研究长期受限. 本文介绍了利用傅里叶变换光谱仪测量光致发光光谱的常规方法, 简述了为突破红外波段困境于1989年提出、历经20多年发展的连续扫描傅里叶变换双调制光致发光光谱方法及所受机理局限; 分析了2006年报道的基于步进扫描傅里叶变换光谱仪的红外调制光致发光光谱方法的抗干扰、灵敏度、信噪比优势, 列举了国际上诸多研究组对红外调制光致发光光谱方法有效性的例证和以此取得的应用研究进展; 总结了近年来宽波段、高通量扫描成像和空间微区分辨红外调制光致发光光谱测试方法发展以及从0.56—20 μm可见-远红外宽波段覆盖到千级通道光谱高通量检测、2—3 μm微区分辨红外调制光致发光光谱技术进步, 列举了应用研究稀氮/稀铋量子阱、HgCdTe外延膜、InAs/GaSb超晶格等可见-远红外半导体材料阶段结果和合作研究典型进展. 本文展现了红外调制光致发光光谱方法先进性和宽波段、高通量扫描成像与空间微区分辨光谱测试方法有效性, 预见了未来进一步应用研究方向.
研究快讯
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2025, 74 (1): 014601.
doi: 10.7498/aps.74.20241338
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构建耦合材料微介观结构信息的物理模型是损伤力学的发展趋势, 同时也能不断促进数值计算方法、实验技术以及理论研究的发展. 因缺乏微介观尺度孔洞分布特征的演化信息, 目前的层裂损伤模型不仅在极端加载条件下的应用受到制约, 同时也无法有效提供一些工程中十分关注的材料损伤与最后材料破碎颗粒度之间的关联信息, 因而迫切需要发展反映损伤材料内部微介观孔洞分布特征变化规律的层裂损伤模型. 通过对孔洞成核过程中各种影响因素的分析, 结合孔洞早期增长的特点, 同时考虑到解析求解方便, 本文给出了基于余弦函数形式的孔洞成核概率分布函数, 采用新的孔洞成核概率函数的解析计算结果不仅与分子动力学计算的孔洞数随时间变化结果相符, 而且与损伤发展早期的金属钽层裂实验结果也符合得很好, 也就是说, 采用新的孔洞成核概率函数可以在一定程度上反映层裂损伤早期微孔洞分布特征的变化规律.
总论
2025, 74 (1): 010201.
doi: 10.7498/aps.74.20240711
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载能离子入射带负电的离子收集沉积结构过程中会发生离子溅射, 一种常用于离子加速过程的结构为圆形金属丝, 持续大量离子入射会引起金属丝的表面损失, 影响金属丝的服役性能及使用寿命. 目前, 由于常用于计算溅射产额的SRIM软件无法考虑合金晶体结构中包含的多体相互作用问题, 在高能离子入射合金靶材的溅射产额计算上具有较大误差, 因此本文基于分子动力学方法结合Langevin控温模型建立了高能金属离子入射合金靶材的离子溅射参数计算模型, 该模型具备持续入射过程中合金表面不同状态下的离子溅射参数计算功能, 利用该模型计算得到了用于离子加速的阴极金属丝的典型服役寿命, 试验值与理论值偏差<10%, 验证了理论模型的准确性和适用性, 基于此模型进行了金属丝服役寿命提升的理论优化, 并提出了使用Ni-Ti合金提升金属丝寿命的方法.
2025, 74 (1): 010301.
doi: 10.7498/aps.74.20240933
摘要 +
局域化是物理学中一个基础且极具潜力的研究领域. 基于广义Su-Schrieffer-Heeger模型, 本文针对其非厄米项以准周期、非对角形式出现的特点, 提出了一种新的分析框架, 旨在分别探讨体态与边缘态的局域化特性. 对于体态, 它可以经历由准无序诱导的扩展-共存-局域-共存-局域的转变, 或者是由非厄米特性引起的共存-局域-共存-局域的转变. 同时边缘态可以被破坏和恢复, 且其拓扑相变与局域化转变完全同步. 最后, 发现在局域化转变点处归一化参与率的导数展现出明显的不连续性. 本文的结果不仅展示了体态和边缘态局域化性质的多样性, 而且为局域化研究开辟了一个新的研究视角.
2025, 74 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.74.20241471
摘要 +
在神经系统中, 脑疾病的发生往往对应着神经系统的临界转迁与神经元的异常放电, 因此对临界转迁的早期预警信号(EWS)的研究有助于预测神经元的放电行为, 从而预防脑疾病的发生. 传统EWS, 如自相关系数、方差等指标, 虽然能对动力系统的分岔点进行早期预警, 但其无法对分岔类型进行区分. 而基于功率谱的EWS可以有效预测分岔点并区分分岔类型, 且在气候及生态模型上的预测效果良好. 本文将基于功率谱的EWS应用在神经元系统中, 先后考察了Morris-Lecar和Hindmarsh-Rose模型神经元放电所对应的4种余维一分岔点前的临界现象, 分别计算了传统EWS和基于功率谱的EWS, 并进行对比分析. 结果表明基于功率谱的EWS能有效预测神经元放电, 并且能对不同神经元的I型兴奋和II型兴奋作出区分. 本研究对神经系统的临界转迁的预测有着重要的指导意义, 对神经系统疾病的诊断和治疗有着重要的启示作用.
2025, 74 (1): 012101.
doi: 10.7498/aps.74.20241201
摘要 +
神经网络具有强大的建模能力和对大规模数据的适应性, 在拟合核质量模型参数方面表现出显著效果. 本研究旨在探索神经网络拟合核质量模型参数的问题: 采用多层感知机(multilayer perceptron, MLP)神经网络结构, 评估不同参数下Adam优化器的训练效果, 训练出准确的模型参数. 研究发现, 基于AME2020数据, 更新系数后的BW2核质量模型在双幻数以及重核区域的均方根误差降低明显; BW3模型重新拟合后的全局均方根误差为1.63 MeV, 较之前1.86 MeV有所降低. 结果表明, 该方法能够有效地拟合模型参数, 并具有良好的拟合性能和泛化能力. 这项研究为BW系列核质量模型的系数提供了新的拟合方法, 也为其他核质量寻求最佳拟合参数提供了有益的参考.
原子和分子物理学
2025, 74 (1): 013201.
doi: 10.7498/aps.74.20240900
摘要 +
通过852 nm连续激光和509 nm脉冲激光级联激发, 在室温铯原子气室中实现了里德伯原子电磁诱导透明(EIT)光谱. 509 nm纳秒激光脉冲功率~173 W, 脉冲重复频率在300 kHz—100 MHz范围连续可调, 脉宽在1—100 ns范围连续可调. 实验研究了里德伯EIT光谱与509 nm脉冲激光参数的关系. 时域周期脉冲光在频域上等效为相干频率梳, 通过激光脉冲参数调节实现了可控速度群原子的里德伯态激发. 基于光脉冲激发的原子干涉光谱具有高信噪比, 在量子传感和量子模拟领域有潜在的应用价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.74.20241305
摘要 +
在裂纹模板法制备单层金属网格透明导电薄膜的基础上, 为提升其电磁屏蔽性能, 制备了双层金属网格透明导电薄膜. 通过旋涂法和提拉法工艺分别得到双层裂纹模板后, 进而制备相应的双层金属网格透明导电薄膜. 首先对同样条件下采用旋涂法制备的单层和双层金属网格透明导电薄膜样品进行性能测试和对比, 可知双层结构相对于单层的透光率下降了10.9%, 在Ku波段(12—18 GHz)测试的电磁屏蔽效能提升了30 dB. 另外, 对提拉法制备的双层金属网格样品也进行了测试, 与同样条件制备的单层金属网格样品相比, 双层结构在损失8.38%的透光率前提下, 在Ku波段的电磁屏蔽效能提升了20 dB. 测试结果表明, 制备的双层金属网格透明导电薄膜在牺牲一定透光性能前提下可明显提升电磁屏蔽性能. 通过对基于裂纹模板法的双层金属网格透明导电薄膜的制备和性能研究, 可以充分利用裂纹模板法工艺的低成本优势制备高电磁屏蔽性能的双层金属网格透明导电薄膜.
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2025, 74 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.74.20241126
摘要 +
稳定的Casimir平衡点来源于Casimir能函数曲线在空间构成陷阱处的最小值. 本文提出了一种基于双液体的可调控Casimir平衡点. 在金属衬底上, 由于有机溶液和水之间的不相溶性, 形成分层液体体系. 密度低的溶液在上层, 而密度高的溶液在底层. 研究发现, 沉浸在甲苯或苯溶液中的金属悬浮薄片存在稳定的Casimir平衡点. 此外, 倒置的溴苯@水系统中也存在Casimir平衡点. 这些Casimir平衡点距离液体分层界面的高度可通过水层的厚度实现灵活调控. 最后, 还分析讨论了系统温度和水的离子浓度对Casimir平衡点的影响. 本文开辟了一种调控Casimir平衡点的新途径, 并对微纳尺度颗粒的“量子囚禁”具有重要意义.
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2025, 74 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.74.20241458
摘要 +
分数阶涡旋光束具有分数轨道角动量(fractional orbital angular momentum, FOAM)模式, 理论上可以无限增加传输容量, 因此在光通信领域具有巨大的应用前景. 然而, 分数阶涡旋光束在自由空间传播时, 螺旋相位的不连续性使其在实际应用中容易受到衍射的影响, 进而影响FOAM阶次识别的准确度, 严重制约基于FOAM的实际应用. 如何实现有衍射条件下的分数阶涡旋光的机器学习识别, 目前仍是一个亟需解决且少见诸报道的问题. 本文提出一种基于残差网络(residual network, ResNet)的深度学习(deep learning, DL)方法, 用于精确识别分数阶涡旋光衍射过程的传播距离和拓扑荷值. 实验结果表明, 该方法可以在湍流条件下识别传播距离为100 cm, 间隔为5 cm, 模式间隔为0.1的FOAM模式, 准确率为99.69%. 该技术有助于推动FOAM模式在测距、光通信、微粒子操作等领域的实际应用.
2025, 74 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.74.20241414
摘要 +
中红外波段缺乏窄线宽、可精确调谐的激光源, 限制了中红外精密光谱的发展. 本文介绍了一种结合强光学反馈和光学锁相环技术的量子级联激光器(QCL)频率控制技术, 通过强光学反馈先抑制QCL频率噪声中的高频成分, 再使用光学锁相环将激光频率偏频锁定到另外一个超稳中红外激光源上. 通过相位超前电路拓展锁定带宽, 系统锁定后, 将功率谱中心窄拍频信号提高66 dBm, 低频区域相位噪声抑制到–81 dBc/Hz@2 kHz, 高频区域相位噪声抑制到101 dBc/Hz@2 MHz, 激光器线宽从3.8 MHz被压窄到3 Hz. 最终, 利用该激光器进行腔衰荡光谱信号的测量, 相较于未锁定激光, 信号的信噪比提升了5倍.
2025, 74 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.74.20240682
摘要 +
激光外差干涉测量是非接触振动探测的重要手段, 随着探测目标距离拓展, 人们对激光测振仪能量利用率和测量分辨力提出了更高的要求. 基于菲涅耳衍射积分、光纤耦合等相关理论, 建立了收发一体式光纤激光测振仪光场传递模型, 并基于散粒噪声受限假设, 提出粗糙目标回光情况仪器噪声基底评价方法. 结果表明, 收发望远镜焦距和口径共同决定系统能量利用率分布情况, 并进一步影响仪器测量分辨力. 针对激光波长为1550 nm, 光纤模场半径为5 μm, 对准距离为1 km的典型应用场景进行数值仿真实验, 收发透镜最优F数为3.3, 验证了模型的正确性, 仿真结果可作为光纤激光测振仪、激光测风雷达等收发镜头设计的依据.
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2025, 74 (1): 014301.
doi: 10.7498/aps.74.20241354
摘要 +
声辐射力的研究是提高粒子操控技术的精确性和有效性的重要基础. 基于声波动理论, 建立了有界黏性流体中自由球形粒子的声辐射力计算模型, 结合球函数的加性定理, 推导了平面波垂直入射情况下相应的声辐射力解析表达式. 理论计算中考虑了小球为自由状态, 将粒子的动力学方程作为计算声辐射力的修正项. 在考虑流体黏度、粒子材料、粒子位置以及边界等因素对声辐射力影响的基础上进行数值计算. 结果表明, 随着流体黏度的增大, 声辐射力曲线的共振峰被拓宽; 相比于液体材料的小球, 弹性材料小球的声辐射力的振荡现象更明显; 随着阻抗边界反射系数的增大, 声辐射力振幅增大; 小球位置的不同主要影响其声辐射力的振荡现象. 该研究为有界黏性流体中自由粒子的声操控提供了理论基础, 并有助于生物医学等领域更好地利用声辐射力操控粒子.
2025, 74 (1): 014302.
doi: 10.7498/aps.74.20241454
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血流速度的动态精确测量对血管疾病诊疗至关重要. 传统超声彩色多普勒技术只能获取血流速度在声波传播方向的分量, 无法获取准确的血流速度大小和方向. 近期发展的超快矢量多普勒技术可用于小血流速度矢量测量, 然而其测量精度对噪声较为敏感. 本文提出了一种基于哈达玛矩阵的超快超声脉冲编码矢量多普勒流速测量方法. 螺旋血流仿真实验和大鼠脑血流在体实验表明, 与现有方法相比, 所提出方法显著地提升了低信噪比情况下的血流速度测量准确度. 此外, 本文实现了脑血流在单个心动周期内的速度矢量动态测量, 并实现了脑血流网络阻抗特征分析, 具有较高的成像信噪比和高时空分辨率. 本文提出的超快脉冲编码矢量多普勒成像方法, 可应用于复杂血流网络可视化和血流动力学参数动态评估, 对发展基于超快超声的血流矢量化成像方法具有重要借鉴意义.
2025, 74 (1): 014501.
doi: 10.7498/aps.74.20241206
摘要 +
三维颗粒体系颗粒间接触力计算是散体力学研究的重难点. 以双弹性橡胶球为研究对象, 开展显微CT (micro-CT)原位平压实验, 基于Hertz接触理论和Tatara大变形接触理论, 验证了弹性球接触模型, 获得了基于实验的弹性球接触力理论公式. 以三维颗粒体系为研究对象, 开展了micro-CT原位探针加载实验, 获取颗粒二维图像序列, 经过系列数字变换得到数字体图像, 获得了不同加载状态下三维颗粒体系接触力网络, 分析了颗粒体系接触力分布及演化规律, 探究了强接触数量及分布演化与颗粒体系稳定性的联系. 研究结果表明: 基于实验的弹性球接触力公式能合理有效表征两颗粒间的接触力; 探针加载下颗粒间接触力呈现以探针压头接触点为起点, 向下方和四周逐级传递接触力的网状分布; 强接触数量占接触总数量的45%—50%, 分布贯穿于整个颗粒体系内部, 支撑起颗粒体系网络结构, 较大值集中于压头下方呈现树杈状分布; 加载过程中, z = 14 mm处建立了平衡点, 平衡点处, 强接触数量达到顶峰, 强接触力网络结构布满整个三维颗粒体系, 建立起承受外载荷的主要骨架, 随着加载继续, 强接触力的整体数值更高, 在颗粒体系内部分布也更加均匀.
封面文章
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2025, 74 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.74.20241476
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高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要. 受限于增益光纤较小的模场面积, 多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级. 平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术, 将多路光纤的输出合成为一束. 本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统, 采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定. 在重复频率为1 MHz时, 该相干合成系统输出平均功率为753 W, 经过光栅对压缩后的平均功率为672 W, 脉冲宽度为242 fs, 对应的脉冲能量为0.67 mJ, 系统具备良好的稳定性. 降低重复频率至500 kHz, 该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W, 脉冲宽度为247 fs, 对应脉冲能量可达1.07 mJ. 脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升, 通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统, 有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.
气体、等离子体和放电物理
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2025, 74 (1): 015201.
doi: 10.7498/aps.74.20241118
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微波等离子体推力器(microwave plasma thruster, MPT)属于电热型推力器, 其圆柱腔内等离子体过程、微波场分布与TM011模谐振状态是影响性能的重要因素. 针对前人研究的可连续调节谐振状态的千瓦级MPT, 需要开展结构固定的MPT研究, 使其调谐过程简单、谐振状态良好, 为深入研究奠定基础. 本文对结构固定的千瓦级MPT圆柱腔内等离子体过程进行分析, 探寻最佳放电条件. 计算腔体内TM011模谐振状态下的微波电场和功率密度分布, 分析其影响因素. 对圆柱腔进行精细调谐实验, 研究圆柱腔尺度和微波耦合探针尺度对谐振状态的影响. 理论分析和数值计算结果发现489 Pa压强条件下氦气放电消耗功率最低, 长径比大于1的圆柱腔内电场分布规律有利于气体放电. 调谐实验结果发现长度和半径适中的球形探针使最短圆柱腔TM011谐振状态最佳、谐振频率最接近工作频率2.45 GHz. 实验证明该腔体及匹配的探针使微波功率利用率高、氦气易放电, 其结构方案具有正确性和可靠性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (1): 017501.
doi: 10.7498/aps.74.20240662
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激光选区熔化技术有望实现复杂形状非晶合金部件的制造, 但晶化现象难以避免. 基板是激光选区熔化装置的重要部件, 对打印件质量及微观结构有不容忽视的影响, 但关于其对打印样品影响的研究还不多见. 本文利用分子动力学模拟, 在原子尺度探究了Fe50Cu25Ni25非晶合金激光选区熔化过程中基板温度对晶化及原子团簇的影响. 研究发现, 基板温度低于750 K时, 面心立方(FCC)晶相结构的特征键对1421含量及相应的$ \left\langle{0, {\mathrm{ }}4, {\mathrm{ }}4, {\mathrm{ }}6}\right\rangle $面心立方团簇含量随基板温度升高而明显增加; 基板温度接近玻璃转变温度时, 键对和团簇的演变同时受玻璃形成能力、熔体和冷却速率等的共同影响. 本研究揭示了铁基非晶合金激光选区熔化过程中原子团簇随基板温度的演变及其原子尺度的晶化, 为理解与调控非晶晶化提供了新的思路.
2025, 74 (1): 017701.
doi: 10.7498/aps.74.20241447
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热致变色相变复合绝缘在电热激励下能实现一系列先进功能, 已广泛应用于大量智能电气与电子设备中. 然而热致变色相变复合绝缘存在限域结构, 无法通过现有的纳米复合界面模型分析其电荷陷阱特性, 导致其在电热耦合应力下的介电可靠性提升缺乏科学依据. 本文通过等温表面电位衰减(ISPD)、开尔文探针力显微镜(KPFM)等方法, 研究了热致变色相变环氧复合绝缘的电荷陷阱特性与机理. 结果表明: 30 ℃和70 ℃下限域结构对热致变色相变环氧绝缘陷阱特性的影响趋势相反, 可能源于限域相变或限域界面的影响. 理论分析发现, 限域相变对陷阱温度特性的影响规律与实验结果不符, 并非影响陷阱温度特性的主要原因. 通过KPFM原位表征直接验证了限域界面内存在势垒, 且起源于接触起电机制. 限域界面接触起电电荷量随温度的变化会影响限域界面势垒高度, 是影响陷阱温度特性的主要原因.
2025, 74 (1): 017702.
doi: 10.7498/aps.74.20240833
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铌酸钠基介电储能材料具有相对密度低、无铅及低成本等优点, 能够满足电子元器件向小型化、无害化、集成化和轻量化方向发展的重大需求. 本文通过在NaNbO3陶瓷中同时引入Bi(Mg0.5Sn0.5)O3和(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3组分, 采用传统固相烧结法制备(1–x)[0.93NaNbO3-0.07Bi(Mg0.5Sn0.5)O3]-x(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3 (简称(1–x)(NN-BMS)-xBNST, 0 ≤ x ≤ 0.30)弛豫铁电陶瓷, 并利用X-射线衍射、扫描电子显微镜、紫外光谱和拉曼光谱等技术对陶瓷进行表征, 研究(Bi0.5Na0.5)0.7Sr0.3TiO3掺杂对NaNbO3陶瓷的物相组成、微观形貌以及介电和储能等电学性能的影响. 0.75(NN-BMS)-0.25BNST陶瓷具有优良的介电温度稳定性(25—160 ℃, Δε/ε25 ℃ ≤ ±15%)和介电频率稳定性, 满足EIAZ8U标准, 具备在特殊环境下(高温/高频)工作的潜力. 另外, 0.75(NN-BMS)-0.25BNST陶瓷在较高的场强下(390 kV/cm)获得了良好的储能性能: 有效储能密度Wrec = 2.73 J/cm3, 储能效率η = 82.6%, 且性能在20—100 ℃的温度范围内具有高的温度稳定性. 研究表明0.75(NN-BMS)-0.25BNST陶瓷在无铅介电储能电容器中有着广阔的应用前景.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.74.20241494
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针对现有毫米波频率可重构天线频率调谐比小的问题, 本文设计了一款宽频带双频毫米波频率可重构滤波天线. 天线以PIN二极管为重构开关, 选择阶梯阻抗谐振器作为可重构带通滤波器, 并加载U型枝节引入陷波; 通过微带线-带状线过渡馈电结构将滤波器与Vivaldi天线级联, 并设计了金属腔隔离辐射和滤波两部分, 有效降低了电磁干扰和交叉极化. 测试结果显示: PIN二极管处于导通状态时, 天线工作在25.9—28.6 GHz, 最大增益为8.83 dBi; PIN二极管处于断开状态时, 天线工作在32.6—35.9 GHz, 最大增益为9.97 dBi; 可重构中心频率比达到了1∶1.26, 两个频带的交叉极化电平均低于–20 dB.
2025, 74 (1): 018402.
doi: 10.7498/aps.74.20241297
摘要 +
超导转子凭借其独特的物理性质, 在精密测量领域具有巨大的应用潜力. 超导转子磁悬浮装置可制作高精度角速度传感器, 在外界干扰力矩作用下, 极轴偏移初始位置是引起超导转子极轴漂移误差的原因, 其中球面误差和地球自转属于主要误差源, 对超导转子球面误差引起的极轴研究结果为提升转子漂移精度、进行误差补偿提供了一定参考. 速度进行补偿是实现超导转子磁悬浮装置高精度的关键步骤. 基于此, 开展了完整球形超导转子球面误差和地球自转对超导转子极轴偏移特性的影响因素研究. 首先, 本文基于矢量磁势方程对超导转子磁支承结构进行建模, 分析了理想状态下(即悬浮于球腔中心位置)超导转子表面的磁场强度分布, 研究了磁支承力特性. 然后分析了球面误差引起的超导转子的磁支承干扰力矩, 并基于超导转子动力学方程, 建立了超导转子动力学模型, 给出了不同转子结构参数下超导转子极轴漂移误差的分布规律. 最后, 探讨了地球自转对超导转子漂移测试的影响. 研究结果为后续提升转子漂移精度、优化转子结构设计和漂移测试方法的完善提供了参考.
