Vol. 74, No. 10 (2025)
2025年05月20日
封面文章
2025, 74 (10): 100302.
doi: 10.7498/aps.74.20250061
摘要 +
量子多体伤痕态的弱遍历性动力学与本征态热化假说相悖, 在淬火动力学中局域可观测量出现周期振荡. 这种现象通常与伤痕态二分纠缠熵的亚体积定律有关. 纠缠熵呈现出异常值, 与能谱主体相分离. 本文使用精确对角化的方法数值模拟了准一维分形子模型中的彩虹伤痕态, 该态由一系列远距离的四体纠缠组成, 依次分布于中心对称的四个格点, 其二分纠缠熵遵循体积定律. 研究发现该态在未与能谱主体分离的情况下, 表现出了弱热化现象. 当引入横场破坏模型的子系统对称性后, 弱热化特性随即消失. 进一步地, 在分形子模型中提出了彩虹伤痕态的制备方案, 通过调制局域的四体交换相互作用和$ \hat{\sigma}^z$门, 从尼尔态出发, 实现了高保真度的态制备. 分析相互作用的强度噪声影响, 该方案表现出一定的鲁棒性. 本文证明了分形子模型中彩虹伤痕态的存在, 为非平衡量子系统中弱热化的研究提供了新的途径.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (10): 107802.
doi: 10.7498/aps.74.20250109
摘要 +
随着雷达组网技术的发展成熟, 未来电磁隐身对抗中双站雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩将比单站更为重要. 人工电磁超表面为双站RCS减缩提供了全新的技术途径. 然而, 受制于大规模阵列优化耗时及双站RCS减缩全空间最值特性, 目前的双站 RCS 减缩超表面设计还存在效率不高、性能较差的问题. 鉴于此, 本文提出了一种小样本条件下的卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)方法, 通过定向优化超表面相位分布, 实现雷达回波全空间均匀散射, 从而达到双站 RCS 减缩效果. 本方法结合了卷积特征提取、残差增强与全连接优化模块, 配合自定义损失函数, 可高效捕捉漫反射相位与 RCS 全空间最值的多维度复杂关系. 理论计算、全波仿真和样品测试结果表明, 在7.26—10.74 GHz 频段内, 利用本方法设计的超表面可实现10 dB以上的双站RCS减缩, 相比传统优化算法减缩效果提升17.2%, 且优化效率显著提高, 有望为武器装备的全空间电磁隐身提供新的技术思路.
2025, 74 (10): 107301.
doi: 10.7498/aps.74.20241756
摘要 +
混合型量子点系统是研究热电转换机制的良好平台. 本文提出了一个含自旋-轨道作用的双量子点耦合金属和超导体构成的混合型系统模型, 并对其电荷以及自旋热电输运特征进行研究. 深入讨论了热电系数与系统参数之间的关系, 结果发现系统存在显著的维德曼-弗兰兹定律违背现象, 这有助于增强热电转换效率. 更重要的是, 由于存在超导体能隙外的准粒子隧穿, 这个混合型热电器件能够产生纯自旋塞贝克效应. 在实践上, 该效应可以被利用设计和制造一个纯自旋流发生器. 在线性响应机制下, 本文也讨论了该混合型热电系统作为一个热机的热力学性能. 本研究结果对于理解混合型热电系统的热电转换特征及其热力学性能具有理论和实践意义.
2025, 74 (10): 107103.
doi: 10.7498/aps.74.20250150
摘要 +
Bi2Te3基化合物是目前唯一实现商业化应用的热电材料, 但对其研究大多都集中于室温及以上温区, 针对室温以下的低温区研究较少. 本工作系统研究了Bi/Sb相对含量调控和Se固溶对BixSb2–xTe3和Bi0.4Sb1.6Te3–ySey化合物在低温区电热输运性能的影响规律. 在BixSb2–xTe3体系中, 固溶Bi2Te3减小了材料的带隙, 并降低了SbTe反位缺陷的浓度, 使材料的峰值ZT温度向低温区偏移, 但显著增强的载流子点缺陷散射, 导致材料的载流子迁移率和电传输性能劣化, 功率因子从Bi0.4Sb1.6Te3的4.58 mW/(m·K2)下降至Bi0.58Sb1.42Te3的1.12 mW/(m·K2). 为了进一步提升材料低温区热电性能, 选取Bi0.4Sb1.6Te3为基体, 在Te位固溶Se, Se的固溶使SeTe+BiSb的缺陷形成能更低, 抑制了反位缺陷SbTe的产生, 降低了材料的载流子浓度. 少量Se固溶使材料能保持优异的电传输性能同时, 显著增强了点缺陷声子散射, 降低材料的晶格热导率, 在宽温区范围提升了材料的热电性能. Bi0.4Sb1.6Te3材料在220 K时, ZT值为0.80, 在350 K时ZT峰值为1.17, 少量Se固溶Bi0.4Sb1.6Te2.97Se0.03样品在220 K时ZT值增至0.93. 在350 K时ZT峰值达到1.31, 相比分别提升了约16%和12%. 该研究为BiSbTe基热电材料低温区热电性能提升提供了重要的指导, 对BiSbTe基热电材料低温区的应用具有重要意义.
2025, 74 (10): 107201.
doi: 10.7498/aps.74.20241601
摘要 +
电荷平衡会影响激基复合物有机发光二极管的发光效率, 然而对其背后的物理机制却缺乏充分的理解. 本文利用有机磁效应包括磁电导(magneto-conductance, MC)、磁电致发光(magneto-electroluminescence, MEL)和磁效率(magneto-efficiency, Mη)作为指纹式探测工具来研究电荷平衡影响激基复合物器件发光效率的物理机制. 实验发现, 非平衡器件的MC曲线中快速上升的低场效应(low-field effects, MCL, |B| ≤ 10 mT)和缓慢下降的高场效应(high-field effects, MCH, 10 < |B| ≤ 300 mT)分别归因于被磁场调控的系间窜越(intersystem crossing, ISC)过程和三重态激基复合物与多余电荷之间的三重态-电荷湮灭(triplet-charge annihilation, TCA)过程. 与非平衡器件不同, 平衡器件中快速下降的MCL和快速饱和的MCH分别归因于被磁场调控的反向系间窜越(reverse intersystem crossing, RISC)过程和平衡的载流子注入. 随着注入电流从200 μA减小到25 μA, 非平衡器件中MEL曲线的低场效应(MELL)始终反映被磁场调控的ISC过程, 然而平衡器件的MELL呈现从ISC向RISC过程的转换(ISC → RISC). 另外, 虽然非平衡和平衡器件中Mη曲线的低场效应(MηL)都归因于被磁场调控的ISC过程, 但是平衡器件中MηL的幅值为非平衡器件的~1/4. 这两种器件中不同的MC, MEL和Mη曲线揭示平衡的载流子注入会通过减弱TCA过程来增加三重态激基复合物的数量, 从而增强RISC过程. 因为RISC可以将不能退激辐射的三重态激基复合物转换为能退激辐射的单重态激基复合物, 所以平衡器件的发光效率比非平衡器件的更高. 显然, 本文利用有机磁效应对电荷平衡影响激基复合物器件发光效率这个现象提出了一种新的物理机制.
2025, 74 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.74.20241752
摘要 +
近年来, 连续体中的束缚态因具有极强的促进光与物质相互作用的能力, 是实现具有超高品质因子的光学共振的理想平台, 成为研究的热点. 本工作设计了一个单元胞由硅圆盘构成的全介质超表面, 在此超表面上观察到一个对称保护的束缚态, 当面内对称性被破坏时, 其可以转化为具有高质量品质因子的准束缚态. 随着背景折射率的改变, 共振峰的位置随之变化, 通过这一原理实现了一种生物折射率传感器. 由于品质因子和不对称参数成二次反比关系, 通过调节不对称参数, 品质因子也会发生改变, 从而实现传感性能的提升和调节. 经过调节, 该超表面的折射率传感灵敏度和优值分别达到162.55 nm/RIU和1711.05 RIU–1, 高于大部分的现有报道结果. 本工作的高品质因子全介质超表面设计为高灵敏度和高精度的生物检测提供了新的途径.
2025, 74 (10): 107401.
doi: 10.7498/aps.74.20250037
摘要 +
瞬态液相辅助化学溶液沉积法(TLAG-CSD)中氧分压跃升路径生长YBa2Cu3O7–δ的外延取向依赖前驱相中的钡铜比. 为了探究这现象的深层机理, 本文在中高温热处理过程中探究了不同氧分压、不同钡铜比组分对钡铜氧液相([Ba-Cu-O]L)以及反应中间相转变的影响. 研究表明: 液相的形成都具有点到面的特性; 液相出现的温度差异、形态差异, 主要由组分决定, 氧分压只起辅助作用. Y∶Ba∶Cu = 0∶3∶7 (记为0-3-7)都先于Y∶Ba∶Cu = 0∶2∶3 (记为0-2-3)出现液相, 温差在20 ℃ (高氧分压)或40 ℃ (低氧分压). 实验发现这两组分的中间相性状存在差异, 高氧分压下中间相BaCuO2在0-3-7组分是单一特征峰, 晶粒大而分散; 0-2-3组分则是多特征峰, 晶粒小而密集. 导致0-3-7组分的液相区表面积小于0-2-3组分, 进而两组分液相中Y3+过饱和度不同, 造成YBCO的取向差异. 最后总结得出无氟液相生成的基本模型, 完全的[Ba-Cu-O]L膜可由0-2-3组分在750 ℃高氧分压下生成.
2025, 74 (10): 107102.
doi: 10.7498/aps.74.20250196
摘要 +
由两种或多种不同的二维材料组合而产生的层状范德瓦耳斯异质结构具有不同寻常的物理特性, 可用于设计高效光电器件. 本文使用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了由二维砷化硼(BAs)和蓝磷砷(I-AsP)单层形成的异质结的几何结构和光电性能. 研究表明, 4种垂直堆叠的BAs/I-AsP异质结构在基态下具有稳定的结构, 且带隙在0.63—0.86 eV之间. 相较于其组分的单层结构, 该异质结构的光学吸收系数得到提升, 并且具备I型能带排列结构. 另外, 通过施加双轴应变和电场可显著地改变异质结构的带隙和能带类型. 在双轴施加–10%—8%的拉伸或压缩应变下, 带隙也随之增大, 在拉伸大于8%时, 带隙开始减小. 电场在–0.5—0.5 V/Å范围内线性地影响带隙, 随着电场增大, 带隙逐渐减小. 双轴应变和电场都可使材料能带排列在I型和II型之间转变. 同时, BAs/I-AsP异质结具有约13%的理论光电转换效率. 可见, 该二维异质结在光伏和光电领域具有广阔的应用前景.
2025, 74 (10): 107101.
doi: 10.7498/aps.74.20241705
摘要 +
单层的铁电半导体Ga2S3因具有卓越的延展性, 极高的载流子迁移率以及独特的面外非对称极化特性而备受关注. 利用铁电半导体Ga2S3面外非对称极化特性, 本研究构建了T-NbTe2/Ga2S3铁电异质结, 并选用了两个能量最稳定且Ga2S3极化强度方向不同的异质结PD1 ($ \boldsymbol P_{\downarrow}$)和PU2 ($\boldsymbol P_{\uparrow} $), 对其结构稳定性和电接触性质进行相关研究. 结果表明, 由于Ga2S3极化强度方向的不同, 本征态下的异质结PD1和PU2分别形成了N型肖特基接触和P型肖特基接触. 改变铁电半导体Ga2S3的极化特性, 能改变铁电异质结T-NbTe2/Ga2S3肖特基势垒的接触类型, 这为设计多功能的肖特基器件提供了一种实用的方法. 对于异质结PD1和PU2, 施加外加正电场或者双轴应变拉伸, 都能够有效地实现肖特基接触至欧姆接触的转变. 这些结果为高性能电接触界面的二维铁电纳米器件提供了理论参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.74.20241668
摘要 +
本文提出一种工作在L波段的宽带可重构转极化超构表面设计方法, 并实现了二进制幅移键控(binary amplitude shift keying, BASK)和二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)两种调制方式的超构表面信息直接调制. 通过控制超构表面单元结构上的开关二极管通断状态, 可在1.17—1.66 GHz频段改变单元的转极化反射幅值和相位, 并通过对其幅相分布特性的实时编码实现波束调控与信息调制. 在此基础上, 构建了基于BASK和BPSK两种调制方式的超构表面新型无线通信系统, 实现了对数字信息的实时调制与传输. 本文提出的超构表面及其设计方法有望在信息传输、卫星通信等应用中发挥作用.
2025, 74 (10): 108201.
doi: 10.7498/aps.74.20250014
摘要 +
理解电极表面氧气泡演化对提升大规模水分解的效率具有重要意义. 本文提出了一种基于气泡边界的溶解氧通量的电极表面氧气泡生长的数值模型, 研究了反应区域和电流的大小对气泡生长的影响. 结果表明, 由气泡边界的氧通量计算得到气泡直径与气泡在化学反应控制阶段的生长关系吻合较好. 随着反应区域增大, 在气泡生长过程中, 由扩散控制向化学反应控制阶段过渡的时间也变长. 微电极表面的浓度峰值明显高于大电极表面的浓度峰值, 从而导致微电极表面与气泡表面之间的浓度梯度更加陡峭. 随着电流增大, 气泡的生长速率增大, 时间系数降低得越快. 电流为0.06 mA时的气泡直径与光电解水实验中电流为0.1 mA 的气泡直径能较好吻合. 这是因为生长的气泡对光的散射会导致气泡底部电流密度的降低.
2025, 74 (10): 108901.
doi: 10.7498/aps.74.20250179
摘要 +
识别复杂网络中的传播关键节点在加速信息扩散、抑制病毒或谣言的传播等应用中至关重要. 现有识别网络传播中关键节点的方法各有局限: 复杂网络中心性方法仅从局域或者全局拓扑结构预测节点影响力; 传统机器学习和深度学习方法不适用于图结构数据; 已有基于图神经网络的方法忽视了传播过程自身的动力学特性. 鉴于此, 本文提出一种融合传播过程动力学特征与节点局域结构的传播动态图神经网络(propagation dynamics graph neural network, PDGNN), 用于识别复杂网络传播中的关键节点. 通过结合易感-感染-恢复传播模型, 提取节点传播过程中的动态感染特征, 构建高维特征向量并设计优化的损失函数, 以实现对复杂网络传播关键节点的准确识别. 在2个合成网络和7个真实网络上的实验结果表明, PDGNN在复杂网络传播关键节点识别准确性上优于经典的中心性方法、基于传统机器学习和深度学习的方法以及现有的基于图神经网络的方法.
2025, 74 (10): 108102.
doi: 10.7498/aps.74.20241702
摘要 +
合金铸锭凝固过程中经常伴随着游离枝晶在运动的同时生长运动及相互碰撞等现象, 其对铸锭的温度场、流场、溶质场及微观组织等具有不可忽视的影响, 是研究铸锭凝固组织形成的关键问题之一. 元胞自动机-格子玻尔兹曼(CA-LB)耦合模型近年来在处理运动枝晶方面发展迅速, 该模型不仅可以很好地维持运动枝晶的形貌, 还可以合理地计算出枝晶间的相互碰撞. 本文改进了模拟游离枝晶运动生长的元胞自动机-格子玻尔兹曼模型, 采用交替方向隐式迭代法求解导热微分方程, 模拟参数不受稳定性条件限制. 分别验证了流场与固相和温度场耦合的准确性. 随后采用该模型分别模拟了Fe-0.34%C合金铸锭中等轴晶运动与否的凝固过程, 模拟结果表明, 等轴晶的运动会增大与临近枝晶的接触概率, 会使铸锭中的晶粒尺寸更加均匀; 枝晶的运动还会改变熔体中心部位的溶质分布, 特别是增大了顶部正偏析的大小以及范围; 等轴晶的运动会受到柱状晶的阻碍, 所以CET区域受枝晶运动的影响不大.
核物理学
2025, 74 (10): 102801.
doi: 10.7498/aps.74.20250017
摘要 +
γ全吸收型探测装置由40个BaF2探测单元组成, 用于在线测量中子辐射俘获反应截面数据, 填补国内实验数据的空白. 实验本底的一个重要来源是BaF2晶体自身包含的α粒子. 为扣除α粒子本底, 数据获取系统采用全波形采集的方式, 在线实验存储的数据量为118 MB/s, 产生了较长的死时间. 利用BaF2探测单元测量3种放射源(22Na, 137Cs及60Co)的实验数据, 确定了信号波形的积分长度为2000 ns时, 能够达到最佳能量分辨率; 使用快总成分比、脉冲宽度和时间衰减常数3种方法进行α粒子和γ射线的鉴别, 计算得到快总成分比(快成分5 ns总成分200 ns)方法的品质因子为1.19—1.41, 脉冲宽度(10%峰值)方法的品质因子为0.94—1.04, 时间衰减常数方法的品质因子为0.93—1.07. 通过品质因子的定量分析和能谱的比较, 确定快总成分比鉴别方法效果最好, 能够有效去除α粒子本底, 为下一步升级数据获取系统, 减少实验数据量, 降低截面数据不确定度奠定基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (10): 104701.
doi: 10.7498/aps.74.20241499
摘要 +
为解决传统数值模拟方法在蝠鲼三维柔性大变形流场仿真中计算资源与时间上的局限性, 本文提出一种基于去噪概率扩散模型的生成式人工智能方法(surf-DDPM), 通过输入运动参数变量组, 预测蝠鲼表面流场. 首先, 采用浸入边界法和球函数气体动理学格式(IB-SGKS)建立蝠鲼扑动模态的数值计算方法, 获取了在0.3—0.9 Hz频率和0.1—0.6倍体长幅值条件下共180组非定常流场数据集. 其次, 构建了噪声扩散过程的马尔科夫链和去噪生成过程的神经网络模型, 并将运动参数与扩散时间步标签嵌入网络, 完成模型训练. 最后, 验证了神经网络超参数对模型预测的影响, 并可视化了未参与训练的多扑动姿态压力场和速度场预测结果, 进行预报结果准确性、不确定度与预测效率量化分析. 结果显示, 该模型实现了具有大跨度高维上采样特征的蝠鲼表面流场数据的快速准确预测, 预报结果全部位于95%置信区间内, 单工况预测相较CFD方法效率提升99.97%.
2025, 74 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.74.20250088
摘要 +
光子拓扑绝缘体为光子器件的设计和应用带来了新的可能性. 本文研究了基于时间反演对称性破缺的非互易光子拓扑绝缘体多层结构间的Casimir效应. 讨论该多层系统中Casimir排斥作用力的产生, 以及Casimir稳定平衡回复力的实现和调控, 并且着重分析了光子拓扑绝缘体光轴角度差对Casimir作用力的影响. 利用多层系统间的整体相对旋转可得到Casimir作用力的不同取向及其平衡点, 而系统内部各层间的光轴角度差对Casimir效应的影响趋势中存在拐点, 因此可利用多层系统中的旋转自由度来精细控制Casimir相互作用. 本文所提供的新的操控途径和操控自由度, 在实际微纳米系统中减小Casimir效应的不良影响或利用该效应开发其对系统的调控方面具有实际意义.
2025, 74 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.74.20250072
摘要 +
随着工业应用对激光器性能要求的不断提高, 基于单一谐振腔结构实现两路激光同步输出的双端输出光纤激光器具有广阔的应用前景. 本文首先基于光纤稳态速率方程建立了1050 nm双端输出振荡器理论模型, 仿真分析增益光纤长度与输出功率、效率和受激拉曼散射效应强度间的关系. 实验上搭建中心波长为1050 nm的高功率双端输出全光纤激光振荡器, 详细研究了不同泵浦方式下(单向泵浦、双向泵浦) 1050 nm双端输出光纤激光器的输出特性. 在总泵浦功率为5262 W时, 首次实现了A端输出功率1419 W, B端输出功率3051 W, 总输出功率为4470 W的1050 nm近单模双端激光输出, 激光器光光转换效率达到84.9%, A端和B端测得的光束质量因子$M^2$分别为1.27和1.31. 进一步优化增益光纤长度, 有效抑制了放大自发辐射和受激拉曼散射效应, 最大输出功率下A端和B端的拉曼抑制比分别提升约6.6 dB和8.1 dB. 实验结果为设计和实现高功率高光束质量短波长双端输出光纤激光器提供参考.
2025, 74 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.74.20250090
摘要 +
非对称共光路相干色散光谱仪(coherent-dispersion spectrometer, CODES)是一种基于视向速度法的系外行星探测仪器, 通过测量恒星吸收线干涉光谱的多普勒相移探测视向速度的变化. 然而恒星吸收谱线中背景白光对CODES相位解析产生干扰, 从而严重影响视向速度探测精度. 针对背景白光干扰问题, 本文利用CODES原理及其探测数据特点, 基于U-Net架构提出了背景白光预测网络模型(background white light prediction network, BWP-Net). 该模型先通过结合多通道卷积和深度可分离卷积, 从恒星吸收线干涉光谱逐步提取不同级别特征, 再通过多层注意力反卷积, 融合深层特征和浅层特征基础上逐步重建图像细节, 最终预测输出背景白光干涉光谱. 实验结果表明, 在不同吸收线、不同固定光程差、不同视向速度条件下, 利用BWP-Net模型输出消除背景白光干扰后, 视向速度探测误差均低于1 m/s, 误差范围主要集中在0—0.4 m/s. 该模型不仅能够准确预测背景白光, 且具有较强的稳定性和鲁棒性, 为CODES高精度稳定探测视向速度提供有力保障.
2025, 74 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.74.20241717
摘要 +
声子晶体能带理论为声场调控提供了重要的理论基础. 基于声学平带特征, 可有效控制声波局域与扩散现象. 本文通过设计声学正负耦合结构, 在准一维声学菱形晶格中构建等效规范场, 并利用声学Aharonov-Bohm囚禁效应产生的全平带调控声场局域. 研究表明, 相比于零通量结构, 引入$ \pi $通量的等效规范场后, 在有限菱形晶格体内和边界位置均可有效控制声波局域. 这类Aharonov-Bohm囚禁效应诱导的局域态对对称结构微扰具有拓扑鲁棒性, 表明局域模式依赖于$ \pi $通量等效规范场的拓扑特征. 此外, 通过平带本征态激发, 可获得与不同本征态对应的声学平带局域态. 进一步将不同的平带局域态叠加, 调控特定位置的声波幅值和相位, 实现具有丰富声场特征的复合型平带局域态. 因此, 利用一种声学Aharonov-Bohm笼拓扑结构可实现不同类型的声学局域态. 这些局域态可在不同晶胞位置激发, 且在不同带隙频率均具有较强的束缚声波的能力, 实现了宽带的声场局域调控. 本文研究结果不仅为利用等效规范场调控声场局域提供理论指导, 而且在发展声波控制器件方面具有潜在的应用前景.
2025, 74 (10): 104702.
doi: 10.7498/aps.74.20241114
摘要 +
使用改进的多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)对近壁空泡溃灭演化过程开展了数值模拟, 并对空泡溃灭诱发壁面损伤的作用力机制进行研究. 首先, 对改进外力格式的多松弛伪势模型开展Laplace定律验证和热力学一致性验证; 然后, 结合改进外力格式的多松弛伪势模型对近壁空泡溃灭演化进行数值模拟, 获得了近壁空泡溃灭过程的流场细节, 着重研究了溃灭过程中空泡的动力学行为. 研究发现, 近壁空泡溃灭过程中释放的微射流主要来源于第1次溃灭, 而冲击波的产生来源于第1次溃灭和第2次溃灭, 且第2次溃灭产生的冲击波强度显著高于第1次溃灭产生的冲击波; 进一步, 对近壁空泡溃灭过程中壁面处压力与速度的分布特性进行分析, 研究空泡溃灭作用于壁面的载荷机制. 研究发现, 壁面受到冲击波和微射流的共同作用, 冲击波作用范围大, 造成面损伤, 而微射流作用在局部区域, 造成点状破坏. 研究结果揭示近壁空泡溃灭演化过程以及空泡溃灭诱发壁面损伤的作用力机制, 为进一步利用空化效应及减少空蚀带来的破坏提供理论支撑.
总论
2025, 74 (10): 100303.
doi: 10.7498/aps.74.20250137
摘要 +
研究了一维Fibonacci准晶势调制下的p波超导体下的拓扑相变和局域化性质. 在Fibonacci准晶势调制下, 通过计算$Z_2$拓扑不变量确定了系统的拓扑相图. 分析相图指出在Fibonacci准晶势调制下, 系统可以由拓扑平庸超导相进入拓扑安德森超导相. 进一步分析发现, 在某些参数下, 系统会发生多次拓扑安德森超导相转变并伴随零能态的出现. 此外, 还研究了系统的局域化性质, 通过分析分形维度、平均逆参与率序参量, 发现Fibonacci准晶势诱导的拓扑安德森超导相, 其体态的波函数表现出多重分形行为, 这与随机无序诱导出来的传统拓扑安德森超导相完全不同. 该研究结果为一维p波超导体中拓扑相变和局域化转变的研究提供了一些新的理解和参考.
2025, 74 (10): 100305.
doi: 10.7498/aps.74.20241694
摘要 +
W态作为一种具有鲁棒性的多体纠缠态, 在量子信息处理、量子网络构建以及量子计算等领域具有重要应用. 本文借助里德伯超级原子的有效能级进行编码, 运用超绝热迭代技术, 提出一种快速制备里德伯超级原子W态的方案. 该方案无需对实验参数和交互时间进行精确控制, 且其反绝热哈密顿量与有效哈密顿量形式相同. 数值模拟结果表明, 此方案不仅能够快速制备W态, 还具备较高的保真度和良好的实验可操作性. 进一步数值模拟分析显示, 在面对原子自发辐射和光子泄漏引发的退相干问题时, 该方案展现出较强的鲁棒性. 此外, 该方案可扩展至 N 个里德伯超级原子的情况, 这展示了该技术在大规模多体纠缠态制备中的潜力.
2025, 74 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.74.20241723
摘要 +
康普顿相机用于γ射线成像具有装置轻便、探测效率高和成像能区广的优点. 然而, 由于探测系统难以分辨康普顿散射事件和散射光子吸收事件, 造成图像重建错误. 使用GEANT4蒙特卡罗程序构建了基于三维位置灵敏碲锌镉探测器的康普顿相机模型, 模拟探测远场137Cs点源特征γ射线并逐个事件地记录探测器中发生相互作用的位置和沉积的能量. 使用反投影图像重建算法对有效康普顿散射事件的康普顿散射角进行重建并对放射源成像, 研究了事件顺序重建对成像分辨的影响. 结果表明, 错误排序事件对成像分辨的影响主要在偏离源点位置30°以内的区域, 源点位置附近产生的错误重建像点在26°附近形成环状分布. 使用基于沉积能量大小的康普顿边缘测试和简单比较法对事件进行排序, 正确排序事件的比例提升至82%, 源点位置的像点分布密度提升了47%, 成像分辨得到了提升.
2025, 74 (10): 100304.
doi: 10.7498/aps.74.20250210
摘要 +
本文从量子几何的角度研究多能级系统布居转移的优化控制. 首先, 建立基于动力学量子几何张量对受激拉曼绝热通道(STIRAP)方案进行优化设计的一般理论框架. 然后, 以具有单光子失谐的$ {{\Lambda }} $型三能级系统和三脚架型四能级系统为例, 分别计算了体系的动力学量子几何张量和非绝热跃迁率, 研究系统的布居转移动力学. 此外, 还讨论了拉比脉冲工作时间、幅度涨落以及单光子失谐等参数对转移过程的影响, 揭示了系统的绝热共振转移现象. 研究发现, 利用动力学量子几何张量优化的STIRAP方案比传统的STIRAP方案具有更快更高效的布居转移.
2025, 74 (10): 100202.
doi: 10.7498/aps.74.20250046
摘要 +
本文在包含两模光场、N个原子以及机械振子的耦合光机械腔中, 从理论上探讨了光与原子以及光与机械振子的相互作用引起的量子相变. 采用Holstein-Primakoff变换法, 假设了新的平移玻色算符和4个参量, 给出了系统的基态能量泛函和4个参量之间的关系, 通过两个特例证明了假设的平移玻色算符的正确性. 在共振情况下有正常相到超辐射相的相变, 调控两腔光场的耦合强度可以改变相变点. 当考虑辐射压力产生的非线性光子-声子相互作用时, 系统的相图由原来的2个相区扩展为3个相区, 包括正常相和超辐射相的共存区, 双稳的超辐射相区, 以及不稳定的真空宏观相区. 同时, 还出现了一条转折点曲线, 该曲线与相变点曲线有重叠区域, 表明系统中存在多重量子相变. 这些相变现象可以通过测量平均光子数来检测. 当不考虑两模光场的耦合作用时回到旋波近似的Dicke模型的量子相变.
2025, 74 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.74.20241798
摘要 +
微型逆变器以其模块化、灵活等优势, 近年来已被广泛应用于分布式光伏发电系统中. 然而受拓扑结构和传统功率器件性能的影响, 目前微型逆变器拓扑的电压增益低、可靠性差等问题仍制约着微型逆变器的进一步发展. 为此, 本文提出并研制了一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的增强型开关电感准Z源逆变器. 该逆变器首次采用了辅助升压单元融合开关电感准Z源网络的新型拓扑结构, 显著提高了低直通占空比下的电压增益, 同时降低了开关器件电压应力. 此外, 采用GaN HEMT作为逆变器功率开关器件, 设计了专用负压关断驱动电路, 将功率管开关频率从传统的10 kHz提高到100 kHz, 减小了电感及其他无源器件的体积. 经样机系统测试, 在直通占空比为0.2时, 逆变器实际升压因子达到5.75, 较其他开关电感准Z源型逆变器拓扑提高了15%. 本研究在现有拓扑结构的基础上有效地提高了电压增益, 结合GaN HEMT的应用, 为高效、紧凑的微型逆变器设计提供了新的技术路径.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.74.20250018
摘要 +
惯性约束聚变中, 热斑离子温度是决定聚变增益的关键参数, 热斑离子温度时空分布能够揭示热斑能量的沉积与耗散过程, 针对此物理研究需求, 提出了一种基于多诊断参数分析的一维内爆热斑离子温度时空分布计算方法. 本文以冲击压缩内爆为例, 分析了离子温度时空分布的特性, 建立了离子温度时空分布数学模型. 利用计算算例作为模拟实验给出了离子温度相关的多个关键诊断量, 以此作为离子温度时空分布求解的约束. 通过遗传算法计算出了模型中的待定参数, 计算参数给出的离子温度时空分布与模拟实验基本相符, 验证了本方法的有效性. 本方法可以应用于近一维内爆实验热斑离子温度时空分布的计算, 为更深入地了解内爆热斑的形成与演化过程提供了实验观测手段.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2025, 74 (10): 106701.
doi: 10.7498/aps.74.20250149
摘要 +
采用第一性原理方法, 对孕镶金刚石基底表层Co原子金刚石涂层膜基界面结合作用进行仿真计算分析, 以探究基底中黏结相Co的嵌入深度对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响. 计算结果表明, 膜基界面结合能随基底中Co嵌入深度的增大呈先降低后升高的趋势. 当Co原子排列位于第3层时, 涂层生长易出现明显的石墨结构, Co促金刚石石墨化作用最为显著, 膜基界面结合强度达到最小值. 分析结构及电荷发现, 此时在表面效应及Co—C键键长的共同作用下基底第2层C移至表层, 并由sp3杂化转变为sp2杂化, 且C的移动导致Co与周围C原子的作用空间增大、作用数量增多, 加之Co价层未配对电子较多, 易与周围多个碳原子发生电子轨道的混合与重排, 最终使得基底表面呈现为石墨结构. Co位于第5层时不再影响基底表面的稳定构型及膜基界面结合强度.
2025, 74 (10): 106702.
doi: 10.7498/aps.74.20241793
摘要 +
本文通过扩展的改进多参数指数型(the extended improved multiparameter exponential-type, EIMPET)势能模型, 结合实验光谱数据, 研究了H2和HD分子的热力学性质. 首先利用解析势能曲线计算得到分子的振转能级, 其次结合量子统计系综理论计算了分子在100—6000 K温度下的配分函数、摩尔热容、摩尔熵、摩尔焓以及约化摩尔吉布斯自由能. 计算结果与美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)数据库中的数据具有良好的一致性. 本文的理论方法可用于预测某些气态物质的热力学性质.
2025, 74 (10): 106301.
doi: 10.7498/aps.74.20250039
摘要 +
二次硬化型超高强度钢广泛应用于航空航天等领域, 弥散析出的纳米级M2C是二次硬化钢的主要强化因素. Mo是形成二次强化相Mo2C的主要元素, 可与Cr, V, W等形成复合型M2C. 为探究V, W的掺杂对Mo2C的影响, 本文基于第一性原理研究了掺杂体系的电子结构和力学性质. 研究结果表明, 掺杂V降低形成焓, 使结构更为稳定, 而掺杂W使稳定性下降. 掺杂V使韧性下降, 硬度增加. 掺杂W改善强韧性, 硬度降低更缓慢. 与C—Mo键相比, C—V键共价性弱, C—W键共价性强.
2025, 74 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.74.20241761
摘要 +
本研究提出了一种基于行列扫描式信号读取方式的非制冷型PbSe红外焦平面阵列(IRFPA)探测器, 并采用表面钝化层和上下通孔结构设计以确保电性连接的可靠性与稳定性, 从而提升探测器性能. IRFPA探测器的整体尺寸为3.5 mm×3.5 mm, 像元尺寸为200 μm×100 μm, 像元间距为200 μm. 电-热仿真结果验证了探测器结构的设计合理性. 通过像元测试和成像实验, 发现该探测器在室温下表现出优异的性能, 其平均比探测率达到9.86×109 Jones, 平均响应率为1.03 A/W, 有效像元率为100%. 此外, 探测器在空气环境中静置150天后, 得益于表面钝化层的保护, 其性能仅下降3.6%. 红外成像结果表明, 该探测器在不同光功率密度下能够实现高对比度成像, 显示出对不同光强的高灵敏探测能力. 上述研究结果为开发高性能、高稳定性的PbSe IRFPA探测器提供了重要技术支撑和理论基础.
原子和分子物理学
2025, 74 (10): 103101.
doi: 10.7498/aps.74.20241631
摘要 +
双折射作为光学晶体的基本参数, 在相位调制、分光、偏振等许多光学应用中发挥着重要的作用, 是激光科学与技术中的关键材料, 而钒酸盐多面体较大双折射率为开发双折射材料提供了一条新的途径. 本文采用第一性原理研究4种碱金属钒酸盐AV3O8 (A = Li, Na, K, Rb)晶体的能带结构、态密度、电子局域函数和双折射率. 计算结果表明碱金属钒酸盐AV3O8 (A = Li, Na, K, Rb)均为间接带隙, 带隙值分别为1.695, 1.898, 1.965和1.984 eV. 对态密度分析可知在费米能级附近, 碱金属钒酸盐AV3O8 (A = Li, Na, K, Rb)导带底主要被V原子的最外层轨道所占据, 价带顶的主要贡献者是O-2p轨道, O原子的2p轨道还在费米能级附近表现出较强的局域性, 结合HOMO和LUMO以及布居分析说明在4种晶体中主要由V-3p轨道与O的2p轨道成键, V—O表现为强的共价键. 通过对晶体结构与光学性质关系的分析, 晶体较大的各向异性, 较高水平的响应电子分布各向异性指数, 阴离子基团的特殊排列和V-3d和O-2p轨道形成的d-p轨道杂化都是导致其大双折射率的主要原因, 经计算所得LiV3O8, NaV3O8, KV3O8和RbV3O8在1064 nm处的双折射率分别为0.28, 0.30, 0.28和0.27.
2025, 74 (10): 103201.
doi: 10.7498/aps.74.20241603
摘要 +
太阳风电荷交换是太阳风粒子与行星大气中性粒子碰撞过程中的一种非弹性碰撞过程, 碰撞相伴产生软X射线辐射, 对行星大气的演化起着重要的影响. 中欧联合卫星——太阳风与地球磁层相互作用全景成像(SMILE)正是利用这种X射线辐射研究太阳风与地球大气相互作用的全局性结构. 但这种辐射对天体弥散X射线源研究是一种重要的干扰, 直接影响对目标源的观测分析. 电荷交换辐射因子是分析空间X射线探测器观测数据(包括中国空间站建议载荷—银河系热重子探寻计划(DIXE)和爱因斯坦探针(EP))的关键物理量. 本文采用美国先进成分空间探测器(ACE) 13年(1998—2011年)的探测数据, 结合前期发展的辐射分析模型, 研究了不同时间段和不同太阳风起源的电荷交换辐射因子, 并与前人结果进行比较, 统计分析揭示了其随太阳风参数的变化规律, 即平均辐射因子随太阳风质子数密度增大快速变小并达到稳定值, 而随太阳风速度增大而缓慢变大并在vsw > 430 km/s趋于恒定. 冕物质抛射的辐射因子比冕流和冕洞的大, 太阳活动强周期的辐射因子比弱周期的大.
2025, 74 (10): 103202.
doi: 10.7498/aps.74.20250125
摘要 +
利用相对论的组态相互作用加多体微扰理论方法, 对Ga+离子的4s2 1S0—4s4p 3P0跃迁的动态极化率进行了理论计算. 并计算出了4s2 1S0态和4s4p 3P0态的“幻零”波长以及跃迁4s2 1S0—4s4p 3P0的“魔幻”波长, 对这些“幻零”波长和“魔幻”波长的精密测量提供了理论指导, 对研究Ga+离子的原子结构和4s2 1S0, 4s4p 3P0两量子态静态极化率之差的精确确定, 以及Ga+离子的全光囚禁具有重要意义. 同时, 基于“极化率天平”方法, 讨论了静态极化率测量过程中的理论计算误差随波长的变化, 为进一步高精度确定4s2 1S0态4s4p 3P0态的静态极化率提供了理论指导.
