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1K低温系统是进一步实现mK温区及更低温度的基础，目前广泛应用于量子计算、凝聚态物理研究、低温科学仪器等领域。目前国内的1K低温系统大多使用GM制冷机进行预冷，系统在实现更低振动控制、更低电噪声干扰、更低预冷温度和更高液化效率等方面存在一定难题，而基于脉管制冷机预冷的1K系统在解决这些问题方面具有先天优势。本文发展了一台全国产化的4K GM脉管制冷机，获得了2.14 K的最低制冷温度，并可同时提供1.5 W@4.2 K和45 W@45 K的制冷量。将其作为预冷制冷机，设计并搭建了1K低温系统，最终获得了1.1 K的最低制冷温度，并可在1.6 K提供100 mW的制冷量。本研究为后续开展更大冷量稀释制冷技术奠定了重要基础。
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采用原子态分辨(Atomic-state-dependent, ASD)屏蔽模型，研究了热稠密等离子体中Fe25+离子光电离截面的低能特征。等离子体屏蔽会减弱核和束缚电子之间的相互作用，导致束缚电子逐渐进入连续态。对于光电离过程，屏蔽效应改变束缚和连续电子的波函数，进一步改变重叠积分和跃迁矩阵元，最终引起截面出现低能特征。相比于传统的德拜模型，ASD模型进一步考虑了电子简并效应和非弹性碰撞过程的影响，能够更加准确的描述温热稠密等离子体的屏蔽效应。基于ASD模型，研究发现，低能阈值区，截面服从Wigner阈值定律；能量逐渐增大时截面出现低能增强、势形共振、Cooper极小、Combet-Farnoux极小等低能特征，导致对应能区的截面显著增加或减小，继而改变光电子谱的性质。本工作研究了热稠密等离子体中离子的光电离过程，可以为天体和实验室中热稠密等离子体的研究提供理论和数据支持。
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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，产生了较大的死时间。利用BaF2探测单元测量三种放射源（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三种方法进行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。
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在超音速气动热能的加热下，当飞行器表面防/隔热材料的壁面温度超过其耐受极限时，表面区域将出现高温热化学烧蚀及机械剥蚀等退化损伤现象，产生的烧蚀扩散产物(烧蚀颗粒)引射到周围等离子体流场中悬浮在飞行器周围，形成伴有烧蚀扩散物的高超声速等离子体流场，烧蚀扩散物的存在可对原等离子体流场的物理特征及电磁特性产生重要影响。本文通过建立包覆钝头锥体的等离子体流场及机载天线的耦合电磁模型，采用射线追踪方法，定量分析了伴生烧蚀产物的尾迹区等离子体流场对喇叭天线辐射特性的影响。研究结果表明，包覆飞行器的等离子体流场可造成一定量的天线辐射能量损失，而流场中弥散的烧蚀颗粒将会使这一情况加重，且烧蚀产物的密度及几何尺寸都可对天线辐射能量的损失产生影响。该研究可为解决临近空间高超声速飞行器信息传输瓶颈背后的电磁波传播提供参考，为进一步深入研究高超声速飞行器的目标探测、识别、防/隔热材料及系统设计等技术提供理论参考。
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偏滤器脱靶是中国环流三号装置（HL-3）偏滤器热负载的主要控制手段。然而目前的脱靶工作缺少对刮削层-偏滤器区域内复杂多成分粒子问题的研究，如氢同位素（如氘）、外部注入杂质(如氖杂质)、内部固有杂质（如碳杂质）的碰撞、辐射等过程。本工作使用新开发的刮削层-偏滤器多成分粒子输运程序SD1D，研究了碳杂质和中性粒子对中国环流三号上抬升等离子体密度和偏滤器氖气注入两种脱靶方式的影响。研究发现，偏滤器产生的碳杂质对于抬升密度的脱靶方式具有促进作用，但是对注入氖气实现脱靶的过程影响较小。此外，本工作还发现中性粒子（氘原子与氘分子）在这两种脱靶过程中的重要性也有很大的不同：1）抬升等离子体密度可以促进偏滤器内再循环过程产生大量中性粒子，等离子体与中性粒子反应导致的能量与动量损失是实现脱靶的关键因素；2）向偏滤器内注入氖气直接降低了靶板上饱和电流，抑制了再循环过程，从而中性粒子的重要性也随之降低。
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本文通过扩展的改进多参数指数型(The extended improved multiparameter exponential-type potential, 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。
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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．
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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0.3-0.9Hz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%。
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少电子原子的精密光谱在基本物理理论验证、精细结构常数精确测定以及原子核性质深入探索等领域具有重要的应用价值. 随着精密测量物理学的快速发展, 人们对原子结构数据的需求已从最初的存在性确认, 转变为对高度准确性和精确性的持续追求. 为了满足精密光谱实验对高精度结构性质数据的迫切需求, 我们自主发展了一系列基于B-样条基组的高精度理论方法, 并将其成功应用于少电子原子的能级结构与外场响应性质的理论研究中. 具体而言, 我们实现了氦原子和类氦离子能谱的高精度确定, 为相关实验研究提供理论支撑; 实现了幻零波长的高精度理论预言, 为量子电动力学理论检验开辟了新方向; 提出了有效抑制光频移的理论方案, 为氦原子高精度光谱实验的开展提供了重要支持. 展望未来, 基于B-样条基组的高精度理论方法有望在量子态操控、核结构性质精确测定、超冷分子形成以及新物理探索等前沿领域得到广泛应用, 从而进一步促进国内外精密测量物理领域的蓬勃发展.
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高温超导是凝聚态物理研究的一个基本问题, 也是本世纪亟待攻克的关键科学难题之一. 其研究不仅揭示了大量新奇的量子现象, 深化了对量子多体物理的理解, 还极大地促进了实验技术的创新以及关联量子理论与方法的发展. 更为重要的是, 高温超导是一个非微扰的强关联量子系统, 其研究为非微扰量子理论的突破提供了理想的实验平台, 是系统构建非微扰量子场论的关键驱动力. 当前, 高温超导研究面临着诸多挑战. 要取得实质性突破, 不仅需要发展基于新原理的实验探测技术, 构建新的量子多体理论框架和研究手段, 更重要的是要通过对已有实验现象和效应的深入分析, 挖掘这些现象之间的内在关联和规律, 为揭示高温超导机理提供关键线索, 同时推动量子多体理论的整体发展.
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多主元合金概念的提出颠覆了传统物理冶金的理念, 极大地拓展了材料设计空间. 合金相图从热力学角度揭示成分、热力学与结构之间的关系, 对指导材料优化具有重要意义. 传统实验方法测定相图费时耗力, 且面临着测量条件、成分控制、高温高压等因素限制, 系统评估相图和热力学性质困难. 在此工作中, 我们以典型等原子比镍钴铬合金为原型材料, 采用元动力学、动态概率增强采样和扩展系综模拟相结合的方法, 克服原子尺度模拟的时间尺度限制, 系统地绘制了镍钴铬在高温、高压条件下的温度-压力相图, 并计算了不同热力学条件下该材料体心立方晶体与液体相变的自由能面. 基于自由能路径, 量化了晶化和熔化相变过程中, 激活能、激活体积、激活熵与温度、压力的关系, 从而揭示了压力和温度分别通过影响激活体积和激活熵, 进而影响熔化和晶化动力学的物理机制. 该研究为理解多主元合金的热力学与相变动力学提供了理论支持, 探索了其在极端条件下结构稳定性.
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里德伯原子微波测量系统是不同于传统电子微波测量的新型全光学测量技术, 它利用里德伯原子与微波场的强相干耦合效应, 将微波场转化为原子相干光谱的特性测量, 目前已成为高灵敏度高精度微波测量的主要研究领域. 微波场与里德伯原子相干耦合过程中的退相干机理会极大地影响微波场与相干光谱的转换效率, 从而影响微波电场测量灵敏度. 我们实验研究了在多能级里德伯铯原子系统中, 实现中心频率为3.4 GHz微波测量的最佳增强条件以及0.3 GHz动态范围测量. 利用铯原子D1线和D2线构成的多能级光学泵浦效应减小里德伯原子的退相干, 从而增强里德伯原子的电磁诱导透明(EIT)量子相干特性, 以及增强微波场作用产生的EIT-AT分裂谱, 实现微波场的增强测量.
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在室温铯原子气室中利用探测光(852 nm)与耦合光(510 nm)构建的里德伯阶梯型结构, 实现了基于射频场缀饰的直流电场Floquet-电磁诱导透明(Floquet-electromagnetically induced transparency, Floquet-EIT)光谱, 并研究了直流电场下的Floquet-EIT光谱特性. 实验发现, 仅射频电场作用时, EIT光谱只呈现偶数阶边带, 而当射频场与直流电场同时作用时, 实验观测到Floquet-EIT的一阶边带信号. 随着直流电场强度增大, 一阶边带幅值逐渐升高. 然而, 当直流电场增大到一定强度时, 强电场会导致边带间相互串扰, 使边带幅值下降, 但增大射频频率可以延缓直流电场对一阶边带的串扰影响. 最后对比Floquet-EIT光谱的边带幅值与DC-Stark光谱的频率偏移在微弱直流电场下的相对标准偏差, 发现前者在微弱电场下的测量精确度明显优于后者. 本文工作为直流电场和低频电场的量子传感测量提供了新思路.
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稀土正铁氧体(RFeO3, R为稀土原子)包含Fe3+和R3+两套磁性离子亚晶格, 存在Fe3+-Fe3+, Fe3+-R3+, R3+-R3+三种相互作用, 它们是稀土正铁氧体丰富磁性的来源. 本文利用时域太赫兹磁光谱, 在1.6—300 K的温度范围内, 在不同磁场下, 测量a-cut DyFeO3单晶样品的吸收光谱, 并分析光谱中铁磁(FM)和反铁磁共振(AFMR)吸收峰的温度和磁场依赖特性. 在零磁场变温实验中, 我们发现随温度降低在Morin温度(~ 50 K)出现的温度诱导的自旋重取向(Γ4→Γ1), 以及在4 K温度以下存在一个由于电磁振子导致的宽带吸收. 在Morin温度以上, 我们在恒定温度(70, 77, 90, 100 K)下测量了样品在0—7 T磁场范围的吸收光谱. 实验结果表明, 随着磁场的增大, 存在一个新的磁相变过程(Γ4→Γ24→Γ2→Γ24→Γ2), 相变的临界磁场随温度而变化. 这一相变过程是由于外磁场和Fe3+-Dy3+的各向异性交换相互作用导致的内部有效场的相互竞争和对磁矩的协同作用. 本项研究为深入理解稀土铁氧化物的丰富相变和磁电耦合特性, 以及开发相关的自旋电子学器件提供参考.
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本文利用低温扫描隧道显微镜(STM)研究了苉分子在Cd(0001)量子阱薄膜上的自组装和薄膜生长. 在亚单层的覆盖度, 苉分子会铺满整个衬底表面并形成无序的二维分子气, 表明苉分子之间存在静电排斥力. 随着覆盖度的增加, 第1层分子会发生无序-有序相变, 形成由平躺分子组成的分子带平行阵列. 高分辨的STM图表明, 分子带的基本结构单元是携带相反电偶极矩的苉二聚体. 更重要的是, 在特定的偏压下第1层分子带会出现电子透射现象: 可以透过分子层看到下面的Cd衬底原子. 当覆盖度超过1.0 分子单层, 第2层苉分子也会形成分子带阵列, 其基本单元是一个平躺分子和一个侧立分子组成的二聚体, 类似于苉晶体中的(110)面. 有趣的是, 第2层苉分子带也出现了电子透射现象. 结果表明, Cd(0001)薄膜中的量子阱态上的电子具有超强的穿透能力, 其竖直隧穿长度达到了两个苉分子层的距离.
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