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光电探测器在光通信、环境监测、医疗成像等多个领域发挥着关键作用,开发高性能的光电探测器相关材料已经成为研究热点。A2BX6型空位有序双钙钛矿因其优异的光电特性备受关注,然而实现其光电性能的连续调控与提升依然十分困难。本文利用压力实现了Cs2TeCl6在高压下原位光电响应的有效调控。实验研究表明,Cs2TeCl6的光电响应在高压下呈现非单调变化:初始阶段光电流随压力增加而减弱,但在21.7 GPa后出现显著逆转。通过高压原位拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱分析,发现这一转变与材料进入强化压缩阶段密切相关。在此阶段,带隙减小速率加快,显著改善了间接带隙材料的本征弱吸收特性,使得原先无法激发的低能光子得以有效利用。该工作不仅阐明了压力诱导的Cs2TeCl6微观结构与光电性能的内在关联,还为通过应力工程调控此类钙钛矿材料光电特性提供了新的研究思路。
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超表面研究的最新进展表明,实现高效的波前调控需采用非局域超表面结构。然而,目前面向固体弹性波波前调控的超表面设计,仍主要是基于广义斯涅尔定律(General Snell's Law,GSL)的局域结构,其转换效率普遍偏低。本研究将把面向声波的、基于多端口模型的非局域超表面设计方法推广应用于面向薄板弯曲波的超表面设计。应用该方法,我们设计了用于实现薄板弯曲波异常反射、异常透射以及大数值孔径平面聚焦的非局域超表面。有限元模拟结果表明,依此设计的异常反射/透射超表面都具有接近100%的理想转换效率,即便对于偏转角度高达80°的结构仍然如此;而依此设计的非局域平面聚焦超表面,其聚焦效率明显优于相应基于GSL的结构,这一优势在大数值孔径结构中表现得更为明显。这项工作不仅给出了两种在传感、能量收集等领域具有潜在应用价值的高效非局域超表面结构,同时也为弹性波非局域超表面的设计提供了一种高效方法。
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基于散斑技术的同步辐射X射线光子关联谱是研究材料介观尺度动态过程的重要方法,但实验中的光源特性、光束传输及探测器响应等因素对散斑动力学信号的影响机制复杂,难以对其中的影响因素进行单独且直接的观测。为此,本研究旨在通过蒙特卡洛模拟开展全光路数值建模,系统解析各因素的影响,为实验设计与优化提供理论支撑。研究构建了包含布朗粒子动力学、光束相干性及探测器响应的三维仿真框架,模拟从光子发射到信号采集的全流程。基于夫琅禾费衍射理论,开发散斑光场生成算法,通过原子位置动态演化与相位调制,复现实验散斑涨落特性,并通过Siegert关系拟合、散射矢量区域选择及粒子运动步长与温度关系验证了模拟程序的可行性。关键参数灵敏度分析表明,光阑孔径与光束束腰存在最优匹配条件r/σ=1,此时相干性与光子通量达到平衡;机械振动振幅达到运动步长1500倍时,关联函数出现周期性振荡,导致动力学参数提取失真;低光强条件下泊松噪声与光强波动显著降低信噪比。研究建立的全光路模拟框架,揭示了光源特性、光学元件参数及噪声因素对实验结果的影响机制,为XPCS实验参数优化提供了理论依据,明确了噪声抑制与动力学解析的协同机制,为该技术在更多实验场景的应用奠定了模拟基础。
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近年来,软晶格被认为是钙钛矿材料实现缺陷容忍性的主要物理来源,体模量则作为晶格"软硬度"的关键衡量指标。本文针对立方钙钛矿体系,基于SISSO与VS-SISSO方法,构建了两类低维、物理可解释性强的体模量预测模型。首先,基于共价半径、熔点和体积等结构和热力学特征构建的热-结构耦合描述符模型,在测试集上实现了RMSE=7.41 GPa,R2=97.8%的良好预测性能;进一步引入电负性、原子价态与未配对电子数等电子层级特征后,构建了电子-热-结构三重耦合描述符模型,预测精度显著提升,在测试集上RMSE降至5.34 GPa,R2提升至98.35%。基于该模型,我们对超过10,000个卤族和硫族立方钙钛矿进行了高通量预测,筛选出约170种体模量位于10-20 GPa区间、与Pb-I钙钛矿相近的候选体系。研究结果为软晶格机制在无铅体系中的适用性提供了初步支持,并为高通量筛选具缺陷容忍潜力的稳定无铅钙钛矿材料提供了理论依据与数据支撑。本文数据集可在(科学数据银行)数据库https://www.scidb.cn/s/A3IBBn中访问获取。
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核素β-衰变释放的β粒子与γ射线平均能量是计算反应堆衰变热的核心参数,对核设施安全与工程应用至关重要.然而,许多核素的实验数据匮乏,现有理论模型精度难以满足需求.本文基于ENSDF数据库中543个实验数据准确的β-衰变核素(选自1136个β-衰变核素),采用神经网络方法对核素衰变发射的β粒子、γ射线及中微子的平均能量进行预测,对比了三种特征组(分别含特殊特征值T1/2、(1/T1/2)1/5,1/3Q)的模型性能.结果表明:相比特征组含T1/2以及(1/T1/2)1/5的模型,特征组含1/3Q的模型综合表现最佳,其β粒子与中微子预测误差分别为28.11%/56.9%和35.33%/37.76%,并且利用该特征组训练的机器学习模型成功补充了裂变产物区(质量数66-172)291个核素的缺失数据.核素图对比显示,神经网络对规律性较强的β粒子及中微子能量预测与实验吻合较好,但对γ射线(训练误差76.9%)以及奇奇核、幻数附近核素的预测偏差显著.本文证实经验特征值1/3Q可有效提升模型性能,同时揭示了数据规律性与模型泛化能力的关联,为后续融合物理机理优化机器学习模型提供了依据.
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阿秒瞬态吸收光谱是一种全光学泵浦-探测光谱技术. 该技术利用阿秒脉冲(极紫外至软X射线区间)激发或探测应用体系, 实时追踪电子跃迁、量子态演化及能量传递等过程, 为揭示电子和核相关超快动力学机制提供了前沿研究手段. 其核心优势在于: 1)同时具备超快时间(亚飞秒级)和精细光谱(meV级)分辨能力; 2)宽谱阿秒脉冲同时激发多个量子态, 实现多能级并行探测; 3)内壳层-价态跃迁的元素与位点特异性, 使其能够解析电荷转移、自旋态变化及局域结构演化. 目前, 阿秒瞬态吸收光谱已在原子分子物理、电子相干动力学及强场物理等研究领域取得重要突破. 本文系统地阐述了阿秒瞬态吸收光谱的技术原理, 重点分析其在气相和凝聚相体系的应用进展, 展望其在超快物理化学和量子材料等领域的应用前景. 同时, 针对阿秒激光发展趋势和探测技术特点, 探讨了阿秒瞬态吸收光谱技术未来发展方向.
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康普顿散射是指强激光场与物质中电子相互作用导致光子发射的非弹性散射过程. 近年来, 随着X射线自由电子激光器迅速发展, X射线激光的强度逐渐增大, X射线单光子康普顿散射过程的信号逐渐增强. 本文基于非微扰量子电动力学的频域理论研究强X射线激光场下束缚电子的单光子康普顿散射过程. 发现随着入射光子能量的增大, 在背向散射时康普顿散射双重微分概率会逐渐降低. 本工作为高频强激光场中康普顿散射与原子电离之间建立了联系, 为探索高激光强度下的原子结构动力学提供了一个研究平台.
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传统等离子体诱导透明(plasmon induced transparency, PIT)受限于多种明暗模式间的耦合机制. 为了突破该机制的局限性, 本研究提出了一种双偏振石墨烯超表面结构, 该结构由4组对称L型石墨烯环绕十字形中空石墨烯组成, 通过两个单PIT之间的协同效应形成了三重PIT. 研究发现, 通过费米能级和载流子迁移率的调制, 该结构作为慢光器件展现出高达500的群折射率, 具备优异的慢光调控能力. 作为偏振器件, 该结构具有双偏振特性, 在x和y偏振光入射下均能产生三重PIT窗口. 特别的是, 共振频率f6不受入射光偏振方向的影响. 这种在不同偏振光下均具有良好的稳定性和抗干扰能力对偏振器件的设计尤为重要. 因此, 本研究设计了一种慢光调控和偏振选择于一体的多功能集成器件, 为基于偏振不敏感的协同效应提供了新的理论指导和研究方向.
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低维材料体系得益于其本身极高的载流子迁移率以及灵活的集成性, 在太赫兹探测领域被研究并展现出极大的应用潜力. 目前利用软件对半导体太赫兹探测进行仿真分析所依赖的结构主要面向体材料, 而对于低维材料体系的太赫兹探测仿真分析则相对空白. 本文首次对单层MoS2场效应管中等离子体波效应的太赫兹探测进行了仿真分析, 并且系统地阐述了利用等离子体波进行太赫兹探测的原理以及分析过程. 通过调整不同的结构参数和外场条件, 该单层MoS2场效应管太赫兹探测器最大的直流电压信号输出可以达到14 μV. 该信号随着栅极与漏极之间的偏置电压呈现复杂的变化趋势, 通过研究发现该变化趋势与偏置电压引起的载流子浓度变化以及随之改变的动量弛豫时间相关. 本研究有望为低维材料太赫兹探测器设计提供进一步指导.
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同源重组是维持基因组稳定和生物多样性的核心机制. RecA作为最早被发现的同源重组酶, 在同源重组链交换过程中起着关键作用. 关于同源重组机制的研究已持续数十年, 近年来使用单分子技术使得该领域研究取得了不少重大突破. 其中单分子FRET(fluorescence resonance energy transfer)技术的应用最为广泛, 然而FRET实验所必需的荧光标记可能会对RecA介导的链交换过程产生影响, 且往往会被研究人员所忽视. 本文通过对不同标记位置和标记方式进行梳理, 将荧光标记对同源重组链交换的影响总结为链特异性和构象敏感性, 并给出了影响最小的标记方案. 该结果加深了对荧光标记影响的理解, 研究人员可以快速优化荧光标记位置和方式, 降低其对链交换过程带来的负面影响, 也对其他荧光标记实验有一定的启发意义.
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随着微纳声学器件的快速发展, 其核心声学结构已进入纳米尺度范畴, 表面效应对薄膜材料性能的影响日益凸显, 经典弹性理论面临挑战. 本文基于表面弹性理论, 引入表面能密度研究纳米尺度下的表面效应, 采用傅里叶积分变换法推导出纳米尺度SiO2/Si异质结构薄膜表面牵引力下应力场与位移场的解析表达式. 结果显示, 若以表面应力分布与经典理论相差3%作为判断标准, 在激励区域宽度2a的5倍范围内, 材料的微观特性彰显主导地位. 随着激励区域不断减小, 在激励区域内及边界附近表面应力分布较经典理论更加集中, 剪切应力于边界处有极大值, 材料表面刚度与抗变形能力增加, 横向与纵向位移较经典理论减小. 纳米尺度异质结构存在显著表面效应, 导致应力和位移分布明显偏离弹性理论, 经典弹性假设在相应纳米尺度范围不再适用. 以上结果表明, 在纳米尺度固体表面中, 超高频纳米波长声波传播将明显受到尺度效应影响, 经典弹性波理论在纳米尺度存在失效现象, 这对纳米声学理论研究具有参考价值.
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空间无线功率传输技术为实现轨道空间站及星载设备的太阳能供电提供了创新解决方案, 然而其产生的高强度电磁脉冲将对卫星常用的单结砷化镓(GaAs)太阳电池构成潜在威胁. 目前, 强电磁脉冲作用下太阳电池的损伤物理机制尚未得到充分阐明. 本研究通过半导体仿真软件建立了单结砷化镓太阳电池的多物理场耦合模型, 系统研究了电磁脉冲作用下电池的热-电耦合损伤机理. 基于多参数仿真分析, 研究了电压幅值和频率电磁脉冲对单结砷化镓太阳电池的损伤规律, 揭示了电压幅值和频率与烧毁时间的关系, 以及不同频段电磁脉冲作用下的损伤模式差异. 本研究对于深入理解空间太阳电池的电磁损伤机理、指导航天器电源系统的电磁防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值.
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为突破单光子成像在极短曝光条件下成像质量与速率受限的问题, 本文提出一种融合超分辨深度学习的单光子成像增强神经网络, 实验上对单光子阵列在超快曝光时间下所获取的低信噪比图像进行增强重构, 实现了在低于0.5个光子通量条件下的高保真成像. 实验上实现了对微秒至毫秒曝光时间范围内512×512像素的单光子阵列高分辨成像, 并对μs量级短曝光时间下的目标图像进行重构. 通过构建的单光子增强深度神经网络可显著提升图像的峰值信噪比(PSNR+7.21 dB)和结构相似性指数(SSIM+0.34), 远高于传统超分辨方法(Bicubic)对低曝光图像超分辨增强重构(PSNR+0.49 dB/SSIM+0.05), 并有效补偿了超快曝光下的成像细节丢失. 并在成像曝光时间5 μs时, 成功实现了对5.19 km处无人机512×512像素的高分辨率弱光成像, 表明该方法在远距离目标成像良好的应用潜力.
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设计了一种可支持伪表面波双面传输的声学超表面, 并构建了一类声隐身装置. 该超表面由双向开孔的亥姆霍兹共鸣器周期性排列构成, 能够在上下表面之间灵活传导伪表面波, 且结构整体厚度仅为工作波长的1/20, 具有显著的亚波长特性. 本文理论推导了伪表面波模式的色散方程, 得到传播波矢与结构参数之间的依赖关系, 通过优化双面超表面的结构参数, 确保传导过程中的波矢匹配, 实现伪表面波在上下表面之间的高效耦合. 在此基础上, 本文构建了一种“声透明通道”, 通过在障碍物前后两侧铺设双面超表面, 使伪表面波能够传导至结构下表面并绕过障碍物, 实现声隐身效果. 经数值模拟和实验验证, 该装置对不同形状的大尺寸障碍物均表现出良好的鲁棒性, 并且具有一定的工作带宽. 本文提出的伪表面波隐身器件具有结构轻薄、灵活性高等显著优势, 为深亚波长尺度的伪表面波操控及声学器件设计提供了新的研究思路和技术路径.
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针对传统低频电天线存在的体积庞大与高功耗问题, 基于压电谐振原理的磁电天线展现出显著的优势. 然而, 磁电复合材料中的黏接层与压电相、铁磁相之间的声学阻抗失配现象, 严重阻碍了磁-机-电耦合过程中的应力传递效率, 进而限制了磁电复合材料的磁辐射强度. 为提升磁发射性能, 本文设计了一种高界面应力传递特性的磁电复合材料, 其具有类三明治的结构, 由Pb(Zr, Ti)O3压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)压电层、均匀填充MoS2的环氧树脂黏接层, 以及FeBSi(Metglas)磁致伸缩层组成. 通过向黏接层引入二维填料MoS2, 有效改善了黏接层与铁电相、铁磁相之间的声阻抗匹配特性. 系统研究了MoS2填充量对PZT MFC/Metglas磁电复合材料磁发射强度的影响规律. 实验结果表明, 当MoS2填充质量分数为1%时, 该复合材料在最佳偏置磁场条件下的磁发射强度达到了331 μT, 相较于未填充MoS2的磁电复合材料提升了1.5倍; 在距离发射源1 m处, 磁发射强度可达2.7 nT. 结合声阻抗匹配理论, 深入探讨了电-机-磁耦合过程中的应力传递机制. 此外, 通过采用幅移键控调制技术, 验证了基于MoS2改性的PZT MFC/Metglas磁电复合材料在信号无损传输方面的有效性. 本研究提出的黏接层优化方法, 为通过增强应力传递效率提升磁电响应性能提供了一种简便高效的技术途径, 同时为低频水下通信、地下传感以及分布式无线网络等小型通信系统的发展提供了新的技术方案与理论支撑.
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