Vol. 74, No. 12 (2025)
2025年06月20日
特邀综述
2025, 74 (12): 120301.
doi: 10.7498/aps.74.20250322
摘要 +
量子通信和量子传感分别利用量子系统的独特特性, 比如量子态的叠加性或量子纠缠特性等, 能够实现信息论安全的通信以及对物理量的高精度测量. 量子通信和量子传感, 作为当前最接近实用化的两种量子技术, 成为学术界的研究热点. 然而, 这两种技术在走向实用化的过程中也面临着诸多挑战, 例如: 设备缺陷导致现实安全性问题, 环境噪声干扰大导致测量精度降低等, 使得系统的大规模部署受到严重限制. 人工智能凭借其强大的算力和数据处理能力, 已经在通信、计算和成像等领域发挥着重要作用. 本文首先综述了人工智能与量子通信和量子传感交叉领域的发展现状, 包括人工智能在量子密钥分发、量子存储、量子网络、量子传感等方向的具体结合与应用, 为提升系统的可靠性、安全性、智能化与可扩展性等方面提供了强有力的保障. 接着分析了人工智能在赋能量子通信和量子传感系统中目前存在的问题, 最后对该领域未来的发展前景进行了展望和讨论.
专题: 原子分子和材料物性数据
2025, 74 (12): 120702.
doi: 10.7498/aps.74.20250127
摘要 +
无机晶体材料因具有优异的物理和化学特性, 在多个领域展现出广泛的应用潜力. 弹性性质(如体积模量和剪切模量)对预测材料的电导率、热导率及力学性能具有重要作用, 然而, 传统实验测量方法存在成本高、周期长等问题. 随着计算方法的进步, 理论模拟逐渐成为独立于实验的研究方法. 近年来, 基于图神经网络的机器学习方法在无机晶体材料的弹性性质预测中取得了显著成果, 尤其是晶体图卷积神经网络(CGCNN)在材料数据的预测和扩展方面表现出色. 本研究利用从Matbench v0.1数据集中收集的10987个材料的体积模量和剪切模量数据, 训练了两个CGCNN模型, 基于预训练的模型成功实现了对80664个无机晶体结构弹性模量的预测. 为保证数据质量, 筛选了材料电子带隙在0.1—3.0 eV之间, 并去除了含有放射性元素的化合物. 预测数据来源于两个主要数据集: 一是从Materials Project数据库中筛选出的54359个晶体结构, 构成MPED弹性数据集; 二是Merchant等(2023 Nature 624 80 )通过深度学习和图神经网络方法发现的26305种晶体结构, 构成NED弹性数据集. 最终, 本研究预测了80664种无机晶体的体积模量和剪切模量, 丰富了现有的材料弹性数据资源, 并为材料设计提供了更多的数据支持. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00104 中访问获取.
2025, 74 (12): 123101.
doi: 10.7498/aps.74.20250380
摘要 +
一氧化碳分子离子(CO+)在大气及天体物理环境中起着关键作用, 其不透明度的理论研究对辐射输运建模具有重要意义. 本文基于实验观测数据, 采用Modified-Morse (MMorse)势函数改进并构建了CO+分子离子X2Σ+, A2Π和B2Σ+电子态的势能曲线, 进一步提取了振动能级和光谱常数. 同时, 利用考虑Davidson修正的多参考组态相互作用(MRCI+Q)方法计算了势能曲线和电偶极跃迁矩. 改进获得的MMorse势与计算得到的势能曲线非常吻合, 且光谱常数和振动能级与其他理论和实验数据符合较好. 结合MMorse势函数和从头计算获得的电偶极跃迁矩, 计算了CO+分子离子在100 atm (1 atm=1.01×105 Pa)压强下, 298—15000 K温度范围内的不透明度, 并探究了不同温度对高温谱的影响. 研究结果表明, 高温环境(T > 5000 K)会导致不同能带系统的谱线展宽与边界模糊, 这种混合效应在T > 10000 K时尤为突出, 揭示了高温下分子离子光谱退化的微观机制. 本研究可以为天体物理领域提供一些理论依据和数据支持. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00136 中访问获取.
2025, 74 (12): 123102.
doi: 10.7498/aps.74.20250510
摘要 +
采用高精度的多参考组态相互作用方法研究了ICl+分子离子的电子结构. 在计算过程中, 通过考虑Davidson修正、自旋-轨道耦合效应和芯-价电子关联提高计算结果的准确性. 获得了两条能量最低的解离极限相关的21个Λ-S态和42个Ω态势能曲线. 在计算的势能曲线基础上, 拟合了束缚态的光谱常数, 这些理论光谱常数与已知的实验结果吻合较好. 研究了ICl+分子离子的偶极矩, 并通过相同对称性电子态22Σ+/32Σ+和22Π/32Π在交叉区域中主要电子组态成分的变化阐明了偶极矩的变化规律. 计算了与22Π, 32Π, 12Δ, 22Δ态相关的自旋-轨道耦合矩阵元. 借助于22Π, 32Π, 12Δ, 22Δ态及邻近电子态的势能曲线, 讨论了相应的预解离通道. 最后对ICl+分子离子激发态至基态的跃迁性质展开了研究. 基于计算所得的跃迁偶极矩和Franck-Condon因子, 给出了激发态较低振动能级的自发辐射寿命. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00140 中访问获取.
2025, 74 (12): 125202.
doi: 10.7498/aps.74.20250301
摘要 +
等离子体不透明度在辐射输运和辐射流体力学研究中具有重要的应用, 在实际应用中, 这些参数主要依赖于理论研究获得, 实验提供了对理论计算精度的检验. 在细致能级模型的理论框架下, 对铝、铁和金等离子体的辐射不透明度进行了系统的理论研究, 建立了在密度0.001—0.1 g/cm3和温度1—300 eV范围内光谱分辨的辐射不透明度和Rosseland和Planck平均不透明度数据库. 不透明度的理论研究涉及到特定等离子体条件下的大量量子态, 在复杂的金等离子体条件下, 量子态的数目可能以亿计, 甚至达到万亿乃至更大, 因而其精确的研究显然具有很大的挑战性. 对于高Z的金等离子体, 公开发表的不透明度数据非常少, 本工作提供的数据库为高Z不透明度研究提供了参考. 对中低Z的铝和铁等离子体, 本课题组以前公开发表的工作很好地解释了实验结果, 表明了理论方法的可靠性. 本文与国际上ATOMIC程序得到的理论结果进行比较, 分析两种方法得到结果的异同, 大部分等离子体条件下, 两者符合较好, 对于有差异的部分, 指出了差异的物理根源. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.22232 中访问获取.
2025, 74 (12): 127102.
doi: 10.7498/aps.74.20250352
摘要 +
金属材料因其优异的电输运性能和良好的散热性能, 在工业领域应用广泛. 高温高压条件下, 实验测量金属的电热导率难度大且成本高, 数值模拟则是一种高效的方法. 本研究基于Kubo-Greenwood (KG) 公式结合第一性原理分子动力学开发了电导率和电子热导率计算软件TREX (TRansport at EXtremes). 采用该软件计算了镁及镁铝合金 AZ31B在300—1200 K和0—50 GPa温压范围内的电导率和电子热导率, 并与玻耳兹曼输运方程的计算结果进行了对比. 应用Slack方程计算其晶格热导率, 结合电子热导率得到了其总热导率. TREX 软件的计算结果与实验测试数据高度吻合, 充分验证了其计算电热导率的准确性, 并系统揭示了电热导率随温度与压强的变化规律. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00128 中访问获取.
总论
2025, 74 (12): 120201.
doi: 10.7498/aps.74.20250305
摘要 +
为深入理解扭角双层石墨烯系统中关联态之间的关系和超导配对机理以及扭转角度对超导电性的影响, 采用大尺度无偏差的约束路径量子蒙特卡罗方法在构建的扭角双层石墨烯有效二轨道哈伯德模型中进行了系统的数值模拟. 首先, 从电声子耦合的层面, 数值模拟结果显示晶格间近邻吸引库仑相互作用强烈地增强系统主导的手性${\mathrm{d}}+{\mathrm{id}}$超导电子配对对称性, 并且发现布里渊区Γ点附近的反铁磁序也存在同样的增强效应, 这说明反铁磁序是形成手性${\mathrm{d}}+{\mathrm{id}}$超导态的先决条件. 更为重要的是此理论结果表明电声子耦合对调控超导电性具有重要的作用. 其次, 从双层石墨烯扭转角度的层面, 讨论了扭转角度对超导电性的影响, 数值模拟结果表明扭转角度在1.08°附近, 随着扭转角度的减小系统主导的手性${\mathrm{d}}+{\mathrm{id}}$超导电子配对对称性以及反铁磁序同样表现出增强的协同效应. 本文的研究结果为进一步揭示扭角双层石墨烯中的超导机理和提高系统的超导临界转变温度提供了重要的研究方向.
2025, 74 (12): 120501.
doi: 10.7498/aps.74.20241501
摘要 +
爆轰实验由于操作风险高、样品制备和测试成本大等特征, 导致实验样本稀疏, 给标定待测物理量的概率分布和使用机器学习方法带来巨大的挑战. 流形上的概率学习(probability learning on manifold, PLoM)能生成丰富的、符合实用常识的、遵循实验数据物理机理的样本, 成为处理小样本的有效工具. 首先将炸药PBX9502的含有多物理属性实验数据做缩比变换, 然后, 使用主成分分析将缩比数据规范化, 并将规范化矩阵的分量作为训练集. 进而, 使用改进的多元Gauss核密度估计法表征训练集的先验概率. 紧接着利用耗散映射提炼基于训练集的非线性流形. 具体而言, 通过转移矩阵的第一个特征值和对应的特征向量构造耗散基函数和耗散映射. 其次, 将训练集作为Wiener过程驱动的Hamilton系统的初值, 先验概率作为不变测度构造Itô-MCMC随机数生成器, Störmer-Verlet格式用以求解随机耗散Hamilton方程. 最后, 采用反演变换, 实现学习集的扩容. 结果发现, PLoM能生成符合工业生产和高精度模拟需求的密度和爆速的随机数. 利用学习集导出炸药的密度和爆速服从仿射变换, 密度和爆压服从非线性关系, 密度的微小波动会引起爆速和爆压的剧烈的变化. 比较学习集的变异系数, 还发现爆压离散程度最高, 与已有研究结果相符. 所用方法具备普适性, 能推广到其他的爆轰系统.
2025, 74 (12): 120701.
doi: 10.7498/aps.74.20250249
摘要 +
空中飞行器在飞行过程中对邻近大气环境造成扰动, 形成明显有别于自然背景的大气密度空间分布特征. 本文提出基于大气扰动密度场远距离感知飞行器存在的构想, 针对性地设计了对大气扰动区域散射光进行三维层析成像的探测模式, 以及扰动光信号产生、传递和响应的全过程仿真链路. 重点解决了在短曝光条件和激光脉冲二次散射作用下的成像调制传递函数估算问题, 构建了飞行器扰动密度场的光散射回波成像仿真模型. 模拟了大气扰动密度场对主动光源的散射回波信号图像和与无扰动背景的差异图像, 并在此基础上讨论了不同系统参数下的仿真结果. 该模型可以为探测系统设计提供分析工具, 并为相关探测技术的发展提供基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (12): 124101.
doi: 10.7498/aps.74.20241789
摘要 +
给出了一种T矩阵法、球矢量波函数加法定理和镜像法结合研究地下旋电磁各向异性介质球电磁散射的解析方法. 针对传统方法主要集中于单点电场求解而缺乏电场分布全面分析的局限性, 计算了沿目标中心轴平行的Y轴直线L的地面上的散射场, 并与FEKO仿真结果进行对比验证. 结果表明, 所提出的球矢量波函数方法与FEKO仿真结果高度吻合, 验证了该方法的正确性. 在此基础上, 比较了两种方法在计算地下旋电磁各向异性介质球目标的计算效率. 最后, 给出了入射波频率和埋藏深度的变化对地面电场分布的影响, 验证了该方法在多场景下的适用性. 本文是现有的电磁散射理论的扩展, 可应用于地下目标探测等领域.
2025, 74 (12): 124201.
doi: 10.7498/aps.74.20250373
摘要 +
白光通常被认为是非相干的, 然而, 近年来广受关注的超连续激光白激光具有激光强度高、相干性好的特点, 挑战了这一局限性. 尽管白激光已经被提出并在技术上得到了广泛的发展, 但对其光波性能, 尤其是空间相干性的具体分析却十分缺乏, 这在一定程度上限制了其实际应用. 本文对课题组2023年自主研制的由高强度飞秒激光通过二阶、三阶非线性效应展宽谱带所产生的高强度、超平坦谱带白激光开展了波前强度、偏振特性以及空间相干性的详细实验研究和分析. 通过使用带通滤波片从白激光中提取多个分量, 利用杨氏双缝干涉仪测量干涉条纹的对比度, 以评估其空间相干性. 实验结果显示, 白激光的波前强度呈准高斯分布, 光斑均匀, 是线偏振光. 白激光在杨氏双缝干涉仪中产生的可见光波段平均干涉条纹对比度是0.77, 表明其具有优异的空间相干性. 本研究将为白色激光在彩色全息、白光干涉仪表面层析、显微成像及其他需要具有一定相干性的白光的应用领域提供有价值的指导.
2025, 74 (12): 124202.
doi: 10.7498/aps.74.20250333
摘要 +
源于量子内禀随机性的量子随机数发生器(quantum random number generator, QRNG)提供了安全性信息论可证的真随机数. 本文提出一种融合实时相空间监测与熵评估的二重并行连续变量QRNG方案, 通过动态阈值监测机制与自适应后处理矩阵规模调整技术, 同步提升QRNG安全性与生成效率, 该方案创新性地将熵源状态追踪与随机数提取优化相结合. 实验上构建基于外差探测的真空态双边带模并行提取系统, 为高精度、高速全息重构量子态和四路并行提取量子随机数提供了充足的原始数据; 高动态范围、高分辨率、矩阵规模实时可调的硬件基Toeplitz-hash后处理协调了熵源状态追踪与随机数提取优化. 在保持17 Gbit/s以上高产率的同时可有效抵御边信道攻击, 通过了NIST SP 800-22, Diehard及TestU01标准测试. 本工作为解决QRNG实时熵源可信评估难题提供了技术路径, 且该方案集成度高、扩展性好, 为量子随机数发生器走向应用提供了一种切实可行的方案.
2025, 74 (12): 124203.
doi: 10.7498/aps.74.20250172
摘要 +
研究了驱动场分别从正向和反向输入时, 量子点-双腔磁光机械系统中的磁振子双稳态行为的调控. 结果表明, 当系统满足阻抗匹配条件时, 正向和反向输入的驱动场引起的磁振子响应具有一致性; 而在阻抗匹配条件不成立时, 系统的双稳态特性表现出更低的阈值, 即驱动场强度较小可实现从低稳态到高稳态的跃迁. 此外, 研究还发现, 通过调节量子点间隧穿耦合强度、腔与量子点的耦合强度以及两腔之间的耦合强度, 可以灵活控制双稳态阈值和磁滞回线的宽度, 从而在较低的驱动场强度下实现高效的光学开关功能. 该研究为基于磁振子的量子开关器件、信息存储及远程相互作用调控提供了新思路, 并展示了在低功耗自旋逻辑器件与量子计算中的潜在应用价值.
2025, 74 (12): 124204.
doi: 10.7498/aps.74.20250153
摘要 +
艾里变换是一种能实现高斯光束与艾里光束相互转换的神奇光学变换. 一阶艾里导数光束, 作为艾里光束的进阶型, 在经过艾里变换后会产生怎样的光束? 这就是本文所要研究的内容. 当艾里系数大于负的横向比例因子时, 一阶艾里导数光束的艾里变换在任意一个横向上的光场是偏心艾里光束和偏心一阶艾里导数光束之和. 当艾里系数等于负的横向比例因子时, 一阶艾里导数光束的艾里变换在任意一个横向上的光场是两个偏心优美厄米-高斯光束之和. 此外, 分别导出了一阶艾里导数光束经艾里变换后的质心和光束半宽在上述两种情形下的解析表达式. 最后, 实验上实现了一阶艾里导数光束的艾里变换, 并测量了艾里系数对光强分布、质心和光束半宽的影响. 一阶艾里导数光束艾里变换的研究拓宽了特殊形态分布光束的获取途径, 有望应用于光通信和分束技术等领域.
2025, 74 (12): 124205.
doi: 10.7498/aps.74.20250123
摘要 +
全光纤频率转换技术具有重要的科学和现实意义, 设计兼备机械性能和转换效率的特种光纤, 并降低其制备难度, 是该技术实用化面临的关键挑战. 本文设计了具有简单结构的高数值孔径常规单包层光纤(conventional single-cladding fiber, CSCF)、微纳光纤(microfiber, MF)及W型双包层光纤(W-type double-cladding fiber, WDCF), 并通过理论分析和数值模拟比较了这三种光纤从红外到紫外波段的三次谐波转换特性. 采用1064 nm泵浦波长作设计, 谐波输出波长为355 nm. 研究结果表明, CSCF和WDCF均具有固态包层, 且纤芯直径可大于2 μm, 机械性能良好; MF光纤可以实现的转换效率最高, 但光纤结构脆弱, 机械性能较差, 且对制备精度要求严苛. WDCF融合了CSCF和MF的优势, 单段光纤的转换效率接近2%, 四段级联后约为16%, 纤芯直径误差宽容度为±3 nm, 分别是CSCF的3倍和MF的10倍, 制备难度较低, 为紫外波段的全光纤三次谐波转换提供了一种具有实际可行性的选择方案.
2025, 74 (12): 124301.
doi: 10.7498/aps.74.20250382
摘要 +
利用波束成形或L形传感器簇定位方法对板类结构上的损伤进行定位时存在盲区. 本文结合波束成形与L形传感器簇定位方法, 通过将5个传感器排列成扇形的方式, 提出了一种扇形传感器簇损伤定位方法, 可以有效减少损伤定位盲区. 使用两组扇形传感器簇以及一个用于发射激励信号的传感器即可准确检测出板中损伤的位置. 通过仿真和实验验证了扇形传感器簇损伤定位方法的可行性, 并与采用T形传感器簇时的预测结果进行比较, 结果表明扇形传感器簇损伤定位方法可以更准确地识别不同位置的损伤. 仿真和实验结果表明, 扇形传感器簇损伤定位方法可以减少损伤定位盲区, 提高损伤定位的精度.
2025, 74 (12): 124401.
doi: 10.7498/aps.74.20250347
摘要 +
热电制冷(thermometric cooler, TEC)高精度温控技术广泛应用于精密半导体光电器件领域, 其控制精度对器件稳定运行至关重要. 然而, 传统比例-积分-微分(proportional integral derivative, PID)控制算法在毫开尔文级别的高精度温控应用中易出现超调与振荡现象, 难以满足应用需求. 本文深入分析TEC内部的电热耦合与热传导机制, 构建并验证了精确的TEC等效电路模型. 在此基础上, 提出了一种带动态直流偏置的自适应PID高精度温控算法, 算法通过实时计算温控误差及输出电流均值, 动态调整PID控制输出, 有效地抑制环境温度扰动引起的温控误差, 提高了温控系统的稳定性. 通过仿真分析验证了算法的高精度温控特性, 并且创新性地引入双路温度检测与补偿机制, 进一步提升了温控性能. 算法对PID参数具有较强鲁棒性, 核心逻辑简洁高效, 硬件实现复杂度低, 在工程实际中具有广泛适用性和良好的推广价值.
2025, 74 (12): 124701.
doi: 10.7498/aps.74.20250269
摘要 +
层流-湍流的转捩问题是飞行器设计研制面临的重要气动难题. 当飞行马赫数较高时, 飞行器表面同时存在高温气体热化学反应与微孔隙效应, 此时边界层失稳问题更加复杂, 其机理认识尚不清楚. 本文建立了同时考虑高温化学非平衡效应和表面微孔隙效应的线性稳定性分析方法, 并针对高空H = 25 km、马赫数10, 15和20的飞行工况, 对比分析了化学非平衡效应、微孔隙效应以及两种效应共存时对流动稳定性的影响. 研究发现, 化学非平衡效应能够促进边界层模态失稳, 微孔隙效应能够抑制第二模态失稳, 前者作用强于后者, 导致两者共存时整体上促进第二模态失稳. 化学非平衡效应能够降低孔隙效应抑制第二模态对应的频率范围, 造成在局部低频范围内化学非平衡效应可以增强微孔隙效应的抑制效果, 而在高频范围内减弱其抑制效果, 导致孔隙效应N值降低量整体上减小. 此外, 两种效应共存时马赫数变化对微孔隙效应抑制第二模态的能力影响不大.
2025, 74 (12): 124702.
doi: 10.7498/aps.74.20250288
摘要 +
由于多孔介质结构的随机性, 很难对其内的胶体粒子输运过程进行建模. Boltzmann输运方程为模拟随机空间中胶体粒子的微观动力学提供了一种可靠的途径. 本文通过Chapman-Enskog(CE)分析, 从胶体粒子的Boltzmann方程导出了宏观输运模型. 该模型具有对流-扩散方程形式, 包括依赖粒子速度分布的扩散项、速度延迟项以及反映微观捕获机制的捕获项. 此外, 还给出了3个输运系数的显式表达. 该宏观模型部分解决了传统胶体输运模型的悖论, 并且在特定条件下与以往模型一致.
2025, 74 (12): 124703.
doi: 10.7498/aps.74.20250289
摘要 +
航行器在水中行驶时产生的摩擦阻力是影响其耗能和速度最主要的原因, 主动减阻技术对降低水下航行器航行过程中摩擦阻力, 提升航行器综合性能具有重要意义. 本文采用分子动力学方法研究了通入气体后Couette流在纳米通道内液体的流动特性和边界减阻特性, 分析了表面润湿性、剪切速度和气体通入量对边界滑移速度和减阻效果的影响规律. 研究结果表明, 当气体以离散气泡形式吸附于固体表面时, 气泡会阻碍近壁面液体流动及滑移减阻, 增强表面疏水性、提高剪切速度及增大气体通入量可促进气泡横向铺展, 减弱对液体流动的阻碍作用, 提升滑移效果; 提高表面疏水性、剪切速度和气体通入量均有利于离散气泡形成气膜; 气膜形成后, 剪切应力显著降低, 滑移速度随润湿性、剪切速度和气体通入量的变化呈现不同的变化规律. 研究结果为船舶和水下航行器中主动气膜减阻技术和表面结构设计提供理论依据.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (12): 125201.
doi: 10.7498/aps.74.20250340
摘要 +
激光能量沉积系数、电子热传导系数和电阻率是等离子体物理中的三个重要物理量, 也是激光聚变非平衡辐射流体物理模型中的关键参数. 对于一个多离子组元的等离子体系统, 仅仅考虑电子与离子的碰撞相互作用, 本文基于Fokker-Planck近似下的动理学方程, 采用快慢时标方法, 给出了等离子体中激光能量沉积系数、电子热传导系数和电阻率的统一推导.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2025, 74 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.74.20250286
摘要 +
磁性高熵合金在能量转换、磁滞电机、电磁控制机构等相关领域具有一定的应用前景. 采用选区激光熔化(SLM)成形技术在不同工艺参数下制备出AlCoCrCuFeNi高熵合金, 对合金的相组成、微观组织结构、磁性能和微观力学行为进行了系统的研究. 结果表明, SLM成形态合金主要由体心立方(BCC)基体相和少量近似球形的面心立方(FCC)纳米析出相组成, 其纳米硬度随着激光功率的增加而减小, 随着扫描速度的变化在一定范围波动, 但是整体均呈现出优异的微观力学性能, 且其纳米压痕蠕变变形机制异于传统经典蠕变理论, 主要受位错运动控制. SLM成形态合金均表现出典型的半硬磁特性, 其饱和磁化强度受SLM工艺参数影响较小, 保持在43 A·m2/kg左右; 矫顽力随着激光功率的增加从1.72 kA/m增加到2.71 kA/m, 随着扫描速度的增加从2.37 kA/m减小到1.98 kA/m. 磁性能研究表明, 该成形态AlCoCrCuFeNi高熵合金的磁性能有望广泛应用于磁控机构等领域. 本工作可为后续优化SLM高熵合金的综合磁学性能以及纳米压痕室温蠕变机制提供一定的理论基础和实验方向.
2025, 74 (12): 126301.
doi: 10.7498/aps.74.20241701
摘要 +
采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法, 系统研究了单层拉链型硒氧化铋(Z-Bi2O2Se)中空位、反位和吸附点缺陷的结构、电子和光电性质. 通过在不同生长环境下形成能的计算发现, 点缺陷O' 空位, O取代Se反位、Se 吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位相对容易形成; 电子态密度及形成能的计算结果显示, O' 空位、Se吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位属于深能级n型掺杂. 此外, 沿平行和垂直拉链方向分别构建了基于单层Z-Bi2O2Se的器件, 其光电性能表现出明显的各向异性. 点缺陷的引入降低了体系对称性, 使其光电流在可见光区和紫外光区显著增大, 各向异性仍然存在. 点缺陷对器件消光比的影响同时取决于点缺陷类型及光子能量, 通过选择点缺陷在特定光子能量的照射可以有效提高器件的偏振灵敏度. 本文研究结果对深入认识二维Bi2O2Se结构及其性能提供理论指导.
2025, 74 (12): 126302.
doi: 10.7498/aps.74.20250251
摘要 +
二维过渡金属硼化物(MBene)作为新型金属离子电池电极材料, 具有MB, M2B, M2B2等多种相结构, 然而现有研究对于M2B相体系的探索仍显匮乏. 本研究聚焦于M2B相MBene的设计, 首次构建了硫(S)官能团化的Zr2BS2和Nb2BS2两种全新材料, 系统揭示了其作为锂/钠离子电池负极材料的性能机制. 通过第一性原理的计算方法, 证实Zr2BS2和Nb2BS2两种材料具备优异的结构稳定性, 并且在钠离子电池中展现出较高的理论比容量(分别为624 mA·h/g和616 mA·h/g)以及较低的扩散势垒(Na+扩散势垒低至0.131 eV和0.088 eV). 同时, 其较低的开路电压(0.38 V和0.21 V)可有效抑制枝晶生长, 兼具高容量与安全性. 本研究不仅完善了M2B相MBene体系的系统性研究, 更为开发高容量、快充型钠离子电池负极材料提供了理论指导.
2025, 74 (12): 126401.
doi: 10.7498/aps.74.20250329
摘要 +
利用定量分析的方法识别复杂网络中的关键节点, 或者评估某节点相对于其他一个或多个节点的重要程度, 是网络科学研究的热点问题. 针对节点重要性识别中存在的指标权重主观赋值和全局和局部信息融合不足等问题, 本文提出一种基于信息熵赋权的多通道卷积神经网络框架(entropy-based weighted multi-channel convolutional neural network framework, EMCNN). 该方法构建了一种无参熵权分配模型, 通过计算不同节点重要性指标的熵权值, 突破了传统方法依赖经验参数的局限性. 同时, 对全局与局部信息进行解耦重构, 构建多通道特征图, 并结合卷积神经网络的特征提取能力和注意力机制的关键特征融合能力, 实现全局与局部特征的深度融合学习, 从而更精准地识别网络节点的重要性. 为验证该方法的有效性, 本文在9个真实世界网络和3个合成网络上利用SIR模型进行仿真实验, 结果表明EMCNN方法有效克服了评估角度的局限性, 能在不同传播率下对节点的传播影响力进行有效评估, 在相关性及准确性上优于当前主流算法.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (12): 127101.
doi: 10.7498/aps.74.20250107
摘要 +
为了从微观结构层次进一步深入研究和完善预应变/预应力与H吸附钢(Fe-C合金)表面的作用机制, 采用第一性原理的方法计算了单轴预应变对C掺杂Fe(110)表面的H吸附和扩散的影响, 从表面原子空间构型、结合能(Eb)、电子结构3个方面探究预应变对H吸附和渗透的影响, 并计算了掺杂和未掺杂C原子时H渗透的扩散能垒. 结果表明, 掺杂的C原子使Fe晶体的八面体空间在不同方向上发生畸变, 从而使Fe(110)表面产生“畸变”, 不同位点处畸变程度(D∆)和离C原子本身的距离不一致, 导致各位点在预应变下的吸附结构(H吸附高度d和单元表面积S∆)与结合能(Eb)变化趋势不一致, 扩散能垒变化趋势与结合能变化趋势相反. 研究发现, H吸附在C掺杂位点时, 吸附结构和结合能计算结果显示H有更容易扩散到内部中的趋势, 而电子结构计算结果显示C原子与H原子相斥, 扩散能垒相较于未掺杂时升高, H原子难以扩散进入体相内部而在C周围富集, 继而诱发氢脆. 吸附结构、结合能、扩散能垒计算结果显示: 在掺杂位点(TFS位点)处, 随着拉伸应变增大, H原子越容易扩散到钢的微观结构中, 随着压缩应变增大, H原子越难扩散到钢的微观结构中, 可利用压缩应变减小钢中氢脆的发生. 这从微观层面解释了实际工程应用中“同等应力情况下, C越多, 钢铁发生氢脆的倾向越严重”的原因, 从电子结构层次完善了预应变下H吸附钢(Fe-C合金)表面的作用机制, 可对氢脆的研究提供参考.
2025, 74 (12): 127401.
doi: 10.7498/aps.74.20250410
摘要 +
地球上丰富的二硫化钼(MoS2)作为一种有前景的表面增强拉曼光谱(SERS)基底引起了人们的广泛关注, 但由于其半导体特性而限制了其发展. 因此, 本文设计了一种MoS2/沸石咪唑酯骨架-67(ZIF-67)异质结构作为SERS基底, 该基底具有优异的灵敏度, 增强因子可达6.68×106. 此外, 利用MoS2/ZIF-67对胆红素进行无标记检测, 检测限低至10–10 mol/L. 同时, 该基底暴露在空气中4个月后, SERS性能基本保持不变, 表明该基底具有较高的稳定性和可重复使用性. 该基底优秀的性能主要是由于MoS2的垂直分布结构能暴露出更多的活性位点. 同时, ZIF-67具有较大的比表面积和丰富的孔洞结构, 这也为分子提供了大量的吸附位点. 此外, 内部电荷转移诱导了高比例稳定1T相的形成, 从而提高了电导率. 本文为合理设计用于高灵敏SERS检测的无贵金属材料提供了有价值的参考.
2025, 74 (12): 127501.
doi: 10.7498/aps.74.20250334
摘要 +
柔性铁电材料在可穿戴电子领域具有重要应用前景, 然而其动态弯曲过程中应变梯度与极化翻转的力-电耦合物理机制仍缺乏系统性的研究. 本研究基于相场模拟, 系统地探讨了(SrTiO3)10/(PbTiO3)10/(SrTiO3)10三层异质膜在U型和N型弯曲下的畴结构演化及其宏观电学响应. 研究表明, 通过改变弯曲变形方向可以产生方向相反的挠曲电场, 导致电滞回线发生相应方向的偏移. 此外, 弯曲应变和应变梯度可驱动极性涡旋态与单畴态之间的拓扑相变, 其中界面静电能、弹性约束及梯度能的协同作用对拓扑结构的稳定性起关键作用. 本研究揭示了弯曲变形通过力-电耦合效应实现畴构型与电响应的定向调控机制, 为高密度柔性存储器和能量收集器件的跨尺度设计奠定了理论基础, 并进一步拓展了拓扑态工程在柔性电子领域的应用前景.
2025, 74 (12): 127701.
doi: 10.7498/aps.74.20250335
摘要 +
数值模拟方法为钙钛矿太阳能电池的器件优化提供了高效的研究手段. 本研究利用SCAPS-1D软件, 采用数值模拟方法, 基于FTO/SnO2/钙钛矿层/Cu2O/Au型太阳能电池, 采用7种不同无铅和含铅的材料作为钙钛矿层, 进行器件模拟研究并优化钙钛矿层厚度、界面缺陷态密度、载流子密度对太阳能电池性能的影响. 经过对比分析得出, 在7种钙钛矿太阳能电池器件中, Cs2PtI6钙钛矿太阳能电池的功率转换效率最高, 达到27.95%. 这为设计高效、稳定的太阳能电池提供了参考.
2025, 74 (12): 127702.
doi: 10.7498/aps.74.20250277
摘要 +
模拟分子的结构和行为有助于更深刻地分析电荷输运特性变化的微观机理. 本研究采用分子动力学模拟方法, 深入探究氢键对马来酸(MA)接枝聚丙烯(PP)/聚偏二氟乙烯(PVDF)复合体系分子结构演变与电荷输运特性的调控机制, 并对其分子间相互作用能、自由体积、电子态密度、电荷差分密度以及陷阱能级进行仿真分析. 研究结果表明: 随着MA接枝量的增加, 氢键数量显著增多. 当MA质量分数为36.22%时, 氢键数量达到20的峰值, 分子间相互作用能增至极大值2171.63 kcal·mol–1, 自由体积分布达到极小值16.03%, 此时分子内部结构最为紧密. 当MA质量分数为52.97%时, 复合材料的带隙达到极小值3.13 eV, 陷阱能级深度亦达到极大值3.06 eV, 此时PP/PVDF复合材料在氢键形成的区域显示出更高的电子密度积累, 电子逸出概率显著地降低. 至此, 模拟结果证实了氢键的作用不仅改变了材料的分子结构, 还通过改变局部电荷分布状态直接影响电荷输运特性, 为设计功能性高分子复合电介质材料提供了理论依据.
封面文章
2025, 74 (12): 127402.
doi: 10.7498/aps.74.20250391
摘要 +
研究了两相重费米子超导体CeRh2As2在不同磁场下的电热输运行为. 零场电阻率显示, CeRh2As2在临界温度Tc = 0.34 K发生超导转变. 在外加磁场为1 T时, 电阻率在T0$ \approx $0.42 K附近出现极小值, 该特征可能源于费米面嵌套引发的能隙部分打开, 标志着体系进入磁有序态, 但在零场条件下未观察到这一现象. 在T0至2 K温区, 体系表现出$ \rho\sim{{T}}^{0.44} $的非费米液体行为, 说明其靠近量子临界点. 当外加磁场达到7 T时, 超导转变被完全压制, 电阻率在低温下恢复费米液体行为. CeRh2As2的零场热导率在Tc附近未观测到显著异常, 这一现象可能与样品较高的剩余电阻率以及伴随超导转变和T0相变发生的载流子浓度下降相关, 需要优化样品的制备从而减小晶格缺陷或化学无序对热输运测量的影响. 施加磁场后, 热导率曲线相较零场小幅上移. 当温度为0.15 K时, 热导率随磁场增大而升高, 随着外场升至5 T以上, 热导率趋于饱和. 在7 T的正常态, 我们发现电阻率和热导率满足Wiedemann-Franz定律, 表明电荷输运与热输运均由同一类准粒子主导, 这与该磁场下电阻率呈现的费米液体行为相吻合.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (12): 128101.
doi: 10.7498/aps.74.20250164
摘要 +
高质量的Si/SiGe异质结薄膜材料在集成电路和半导体量子计算等领域都有重要的应用. 本研究首先通过分子束外延(MBE)在SOI衬底上获得上下Si层厚度一致的Si/SiGe/Si异质结; 随后利用湿法刻蚀剥离该异质结, 并接着刻蚀上下Si层, 得到应力弛豫的SiGe薄膜; 最后, 将其转移到Si(001)衬底上并再次使用MBE在该转移SiGe薄膜上外延制备SiGe/Si/SiGe异质结. 原子力显微镜表征显示异质结表面均方根粗糙度仅为0.118 nm, 透射电子显微镜和电子通道衬度成像均未观察到任何位错. 研究显示基于转移SiGe薄膜上的Si/SiGe异质结完全消除了晶格失配引起的位错缺陷, 为高性能的量子比特器件奠定了重要的材料基础.
2025, 74 (12): 128701.
doi: 10.7498/aps.74.20250171
摘要 +
无限层镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜中超导电性的发现, 建立了另一类非常规超导体, 其结构和电子配对方式和铜氧化物超导体类似. 不同于铜氧化物超导体的是, 无限层镍氧化物仅在薄膜样品中观察到了超导性, 其中界面结构、元素掺杂和无限层结构等因素是理解薄膜超导机制的关键. 因此, 薄膜与衬底之间的界面效应对超导机制的影响值得我们探究, 然而目前对超导和非超导的镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜界面结构的对比研究还没有报道过. 本文基于扫描透射电镜技术, 以Nd0.8Sr0.2NiO3/SrTiO3和Nd0.8Sr0.2NiO2/SrTiO3为主要研究对象, 探究了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜在还原前后相分布和界面结构产生的变化, 观测到界面处元素混合、原子台阶以及晶格常数变化等现象, 同时发现了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜在靠近界面处1—2层单胞内未被完全还原成超导无限层结构. 本研究强调了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜与衬底之间界面的原子重构及调制作用, 为无限层镍基薄膜超导结构的研究提供了帮助.
2025, 74 (12): 128702.
doi: 10.7498/aps.74.20250504
摘要 +
冷休克蛋白是一类高度保守的核酸结合蛋白, 由65—70个氨基酸组成的5条反向平行β链, 形成结构紧凑的β桶状结构. 冷休克蛋白在细菌应对冷刺激过程中起重要作用, 但其具体工作机制尚未完全阐明. 本研究利用磁镊技术系统研究了不同浓度冷休克蛋白对DNA发夹结构折叠和去折叠动力学的影响, 定量测定了相应条件下DNA 发夹的折叠和去折叠速率. 实验结果表明, 在一定浓度范围内, 随着冷休克蛋白浓度增大, DNA发夹的折叠速率显著降低; 而去折叠速率保持不变. 当冷休克蛋白达到一定浓度阈值时, 去折叠速率也呈现明显上升趋势. 进一步研究发现, 冷休克蛋白浓度增大使DNA 发夹的临界力减小, 从而降低了发夹的结构稳定性. 通过力跳变实验, 更直观地表现出冷休克蛋白只与单链DNA结合, 而不与双链DNA相互作用. 这些单分子水平的研究结果揭示了冷休克蛋白通过调控核酸双螺旋结构稳定性来维持细菌低温适应性的分子机制.
2025, 74 (12): 128801.
doi: 10.7498/aps.74.20250184
摘要 +
无机CsPbIBr2钙钛矿具有较高的相稳定性和较宽的带隙, 可用于研发钙钛矿叠层电池或半透明电池技术, 具有良好的发展潜力. 高质量的CsPbIBr2钙钛矿薄膜是制备高效钙钛矿太阳能电池的关键. 为了提高CsPbIBr2钙钛矿薄膜的结晶质量, 本文将对氨基苯甲酸(PABA)添加到钙钛矿前驱体中以调控其结晶过程. 由于C=O和Pb2+具有较强的配位作用, 同时—NH2与卤素阴离子可以形成氢键, 前驱体溶液中形成了新的亚稳态中间相. 该中间相减缓了钙钛矿的结晶速率, 调控了晶粒的生长, 制备了晶粒尺寸增大且致密的钙钛矿薄膜. 本文采用电化学测试和光谱分析相结合的表征方法分析了添加PABA后钙钛矿薄膜的质量及相应电池的光伏性能. 结果表明, 添加PABA后, 钙钛矿薄膜的结晶质量提高、光吸收增强、缺陷密度减小. 相应电池的光电转换效率提高了约22%. 未封装的电池在空气中存放1500 h后, 平均效率依然保持了初始值的80%, 表现出较高的稳定性.
地球物理学、天文学和天体物理学
2025, 74 (12): 129401.
doi: 10.7498/aps.74.20250183
摘要 +
针对空天一体化发展中临近空间飞行器在卫星拒止下的自主导航难题, 脉冲星导航作为一种极具前景的解决方案, 其可否应用取决于临近空间X射线的传输特性. 本文首先分析了电离层内X射线与带电离子、自由电子等物质的相互作用, 给出了反射、散射及吸收作用对1—100 keV能段X射线的质量衰减系数. 然后基于NRLMSIS 2.1模型和IRI-2020模型建立了X射线在临近空间传输的分层模型, 给出了1—30 keV的X射线在60—100 km的传输效率和流量获取方法. 最后分析了传输效率在不同季节与纬度、昼夜等条件下的变化规律, 阐述了传输效率的分布特征. 结果表明, 以南极中山站为例, 10 keV能量的X射线, 在75 km以上时传输效率均高于83.96%. 本研究为X射线脉冲星导航在临近空间的应用研究提供了数据支撑.
