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为改善增材制造过程中由于界面不稳定性引发的晶体结构缺陷问题, 本文基于线性稳定性理论, 系统研究了旋转与强剪切流协同作用对快速凝固中固-液界面形态稳定性的影响机制. 通过对增材制造过程的分析, 构建了包含旋转(泰勒数)与剪切流动参数的数学物理模型, 揭示了多物理场协同作用对界面不稳定性的调控规律. 研究发现强剪切流可有效降低逆临界形态数, 稳定固-液界面; 旋转场的引入则显著缩小了系统的不稳定性区域, 尤其在小波数范围内表现出显著的稳定作用. 此外旋转与流动的耦合效应进一步增强了界面附近溶质的均匀性, 并改善了熔池内的流动形态, 提升了整体的稳定性. 同时高表面能也表现出促进界面稳定的趋势, 旋转场对此效果具有增强作用. 本文的研究结果为实现高质量晶粒结构调控和增材制造工艺的参数优化提供了一定的理论支撑.
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近年来, 29Ne作为$N=20$“反转岛”核区的关键核素, 其基态价中子组态表现出与传统壳模型预期($f_{7/2}$轨道主导)相悖的$p_{3/2}$ 轨道主导特征, 并可能具有晕核结构. 本研究基于相对论框架下的复动量表象(CMR)方法, 系统分析了29Ne在四极形变($\beta_2$)影响下的单粒子能级演化、轨道占据概率及径向密度分布. 计算结果表明: 在球形极限($\beta_2=0$)下, $2p_{1/2}$和$2p_{3/2}$能级显著下移至$1f_{7/2}$能级下方, 形成典型的壳层反转; 当$\beta_2 \geqslant 0.58$ 时, 价中子占据由$1f_{7/2}$分裂而成的$3/2[321]$轨道, 但其主要组分为$p_{3/2}$(占比68%), 且径向密度分布显著弥散, 符合晕核特征. 这些结果揭示了29Ne的p波主导机制与形变协同作用对晕结构形成的影响, 为反转岛核区的壳层演化提供了新的理论依据.
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本文系统地研究了半磁性拓扑绝缘体中的非线性霍尔效应及其调控机制. 研究发现半磁性拓扑绝缘体的非线性霍尔效应依赖于系统的磁性层的磁矩方向. 数值计算结果表明, 相对于线性霍尔电导, 系统的非线性霍尔电导对磁矩水平方向的变化较为敏感, 该现象可作为实验上辨别磁矩取向变化的表征指标. 本研究不仅加深了对半磁性拓扑绝缘体量子输运行为的理解, 还为多功能拓扑电子器件的设计提供了理论依据.
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本文针对重离子碰撞中弹核与靶核质量相近体系的相互作用问题, 提出改进型光学模型APOMHI. 该模型突破传统框架中仅侧重靶核贡献的局限, 通过对称化处理弹核与靶核的势场影响, 在Woods-Saxon型光学势场构建中, 弹靶核的扩散宽度与半径参数采用对等形式, 确保两者贡献的等价性. 同时, 角动量耦合方式也相应由L-S耦合替代了j-j耦合. 将改进后的光学模型应用于以18O作为弹核的系列重离子碰撞反应, 通过拟合弹性散射角分布与复合核吸收截面数据, 得到了一组普适唯象光学势, 经比较, 理论结果与现有实验数据大体相符.
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采用虚时演化法求解拉曼光晶格的平均场Gross-Pitaevskii方程, 基于其基态波函数, 研究该模型中超冷原子的拓扑性质. 研究发现光晶格深度和原子间相互作用强度的竞争导致了丰富的基态结构相图. 当只有标量光晶格存在时, 超冷原子在实空间没有涡旋产生, 在动量空间表现为拓扑平庸的密度峰; 当只有拉曼光晶格存在时, 超冷原子在实空间出现大小相同的涡旋; 当标量光晶格和拉曼光晶格共同作用时, 超冷原子在实空间出现大涡旋和小涡旋, 正反涡旋交错排列, 在动量空间出现具有拓扑非平庸相位的衍射峰, 在自旋表象中产生半量子化的斯格明子晶格.
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量子态选择的低温原子分子反应动力学研究是从原子分子层面探究分子间及分子内的微观反应机理, 理解散射量子效应的关键研究手段之一. 合并束低温碰撞实验方法通过将一反应物偏转后与沿直线飞行的另一反应物发生共线碰撞, 获得毫开尔文量级的冷碰撞实验条件, 并开展毫开尔文至百开尔文碰撞能的反应动力学研究. 本文采用自主发展的永磁体“磁导”引导特定量子态的中性原子偏转后与分子束共线, 通过对氦原子穿过磁导的通量测量, 实验实现了三重态亚稳态23S1氦原子约10°角度偏转, 并制备了$ {M_J} = + 1 $ 磁子能级激发态氦原子. 本工作为发展亚稳态氦原子与分子低于开尔文量级的量子态选择激发态冷碰撞研究提供实验基础, 可以促进对激发态反应在星际介质演化中重要贡献的理解以及化学反应调控的研究. 本研究中发展的“磁导”也在原子速度滤波和冷原子输运等领域具有重要的应用前景.
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混合阴离子硫卤化物凭借其独特的晶格动力学和可调电子结构, 在热电与光电材料领域备受关注. 本文基于密度泛函理论的第一性原理计算, 结合玻尔兹曼输运方程、声子重整化模型, 研究了AgBiSCl2的光电、热电性能. 结果表明, AgBiSCl2为直接带隙半导体且带隙为1.72 eV, 紫外区光吸收系数达到1 × 106 cm–1, 3 μm厚度下光谱极限最大效率为28.06 %. AgBiSCl2中Ag原子离域引起的rattling振动引发强非谐声子散射, 导致极低的晶格热导率, 在300 K时平均热导率中kp和kc分别为0.246 W/mK 和0.132 W/mK. 700 K 时p型和 n 型最大ZT分别为0.77和0.69. 由此表明AgBiSCl2在高效热电能量转换与紫外光电探测器领域具有重要应用潜力, 为设计多功能材料提供了理论参考.
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近年来, 极性磁体M2Mo3O8 (M: 3d过渡金属)因其独特的晶体结构、多重连续的磁电耦合态转变及潜在应用价值, 成为凝聚态物理和材料科学领域的研究热点. 特别是Co2Mo3O8基态下展现出显著的二阶非线性磁电耦合效应, 对应独特的磁电耦合微观机制和实际应用价值. 本文基于分子场唯象模型, 构建了Co2Mo3O8体系的两套不同的反铁磁子格子, 给出体系的自发磁矩、自旋诱导的铁电极化、一阶线性磁电耦合系数以及二阶非线性磁电耦合系数随温度的变化关系. 结果显示Co2Mo3O8的二阶磁电耦合系数要明显比同构的Fe2Mo3O8以及Mn2Mo3O8大, 这主要是因为Co2Mo3O8的两个不同子格子间的反铁磁交换作用能量更低, 体系所处的状态更加稳定. 这也表明, 在Co2Mo3O8体系拥有更加稳定的不可逆性, 展现了非常明显的磁电二极管(magnetoelectric diode)效应, 为磁电二极管(magnetoelectric diode)的发展提供了坚实的理论和实验基础.
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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 讨论了不同浓度硼(B)掺杂石墨烯/蓝磷异质结BiGr/BP (i = 0, 1, 2, 3, 4)的几何结构、稳定性、电子性质以及对镁(Mg)的吸附能力. 结果表明, B掺杂后, 异质结保持结构稳定, 费米能级下移且贯穿多条能带, 材料导电性增强. 随着掺杂浓度的增大, 材料对Mg的吸附能力逐渐增强. 当B掺杂浓度i = 4 (原子个数)时, B4Gr/BP保持热力学稳定, 展现出优异的导电性, 较强的Mg吸附能力(–3.38 eV), 较低的扩散势垒(0.47 eV), 理想的平均开路电压(0.37 V)以及合适的理论容量(286.04 mAh/g). 这表明, B掺杂能有效改善石墨烯/蓝磷(Gr/BP)储镁性能, 特别是B4Gr/BP性能优异, 有望成为镁离子电池阳极的候选材料.
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织构(Ba, Ca)(Zr, Ti)O3 (BCZT)陶瓷兼具高压电、高声速和低介电, 十分契合超声换能器高灵敏度和大带宽的发展需求. 然而织构陶瓷普遍缺乏器件设计所需的介电εij、压电dij及弹性常数sij等全矩阵机电参数, 而且现有机电耦合系数k的计算公式仅适用于极端长径比的理想情况, 难以精确描述k随有限长径比的演变规律, 这制约了陶瓷的实际应用. 本工作通过模板籽晶生长法成功制备出沿[00l]C高度取向(织构度f00l ~ 98%)的织构BCZT陶瓷, 通过谐振-反谐振法结合脉冲回波超声测量技术首次建立了完整的全矩阵参数数据库. 织构BCZT陶瓷呈现强各向异性泊松比, 压电系数d33 (605 pC/N)、机电耦合系数k33 (0.73)接近于PZT-5H陶瓷, 压电电压常数g33 (23.6 × 10–3 V·m–1·Pa–1)较PZT-5H提升20%. 基于压电本构方程构建出k关于任意长径比的理论模型, 据此设计制备的1-3型BCZT复合材料换能器具有高灵敏度和宽频带, 其插入损耗为–33.0 dB, 在~3.0 MHz中心频率处–6 dB带宽高达107.1%, 优于文献报道的PZT-5H超声换能器. 本研究不仅为无铅压电材料的器件化应用提供了完整的机电参数, 且为高性能绿色超声诊断设备的发展奠定了理论与技术基础.
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在强场激发的一般情况下, 斯塔克效应对于瞬态双光子跃迁具有重要影响, 且该过程的解析描述具有很大挑战. 本文采用解析求解与数值模拟相结合的方法, 系统研究了弱场和强场啁啾脉冲激发的瞬态双光子跃迁过程, 揭示了光场强度、啁啾因子、失谐量等参数对双光子跃迁概率时域演化的重要影响. 首先, 本文利用二阶微扰理论得到了双光子时域跃迁概率振幅的近似解析解表达式. 该解析解表明, 弱场激发的瞬态双光子跃迁过程类似于菲涅耳直边衍射效应. 随着光场强度的增强, 斯塔克效应对双光子跃迁的影响随之增强. 其次, 本文通过一系列近似处理得到了强场作用下薛定谔方程的近似解析解. 此解析解表明, 强场斯塔克效应引起能级分裂使得双光子跃迁概率时域的对称性遭到了破坏, 其频域过程类似于“双缝干涉”效应. 研究结果表明, 强场激发时布居转移效率与光场强度具有重要关系, 而啁啾因子不仅可以调节布居转移效率和时间位置, 还可以改变布居概率在时域的振荡频率. 这对于强场激发的布居概率时域演化描述提供了新思路, 并对双光子显微成像研究提供了科学依据.
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基于声黑洞结构在对弯曲波调控中的能量聚焦与位移放大方面的优势, 提出了一种新型声黑洞夹心式弯曲振动换能器, 该换能器由夹心式弯曲振动换能器与声黑洞探头组成. 基于Timoshenko梁理论, 采用传输矩阵法建立了换能器整体弯曲振动的理论模型, 理论运算得出的解析解与仿真得出的数值解相吻合. 通过有限元方法对该换能器的电阻抗频率响应特性、振动模态、辐射声场和振动位移进行模拟仿真研究, 并与悬链线型换能器进行对比分析, 结果显示, 在相同振动模态下, 声黑洞型换能器的最大声压和振动位移均优于悬链线型换能器, 表明声黑洞结构能够有效提升弯曲振动位移和换能器的侧向辐射性能. 最后加工出了该换能器样机并对其电阻抗特性以及振动模态进行实验测量, 实验结果与仿真结果吻合良好.
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提出了一种频率和相位复合可重构的超表面设计方法. 该方法在超表面单元引入N个PIN二极管, 借由其通断改变单元的谐振特性, 形成2N个可调控的反射相位, 选择适当的结构参数, 可以使2N个反射相位在不同频带内呈现出180°相位差, 综合利用频率和相位调控特性, 即可有效扩展可重构相移超表面的工作带宽. 采用该方法, 设计了一款超宽带1比特相移超表面单元, 其1比特相位的调控频段覆盖5.4—13.0 GHz, 相对带宽为82.6%, 通过引入集总电容和优化其位置, 精准改变电流分布, 实现了单元的低损耗性能. 该单元的厚度仅为0.09λ, 其具有低剖面、低成本、低损耗特点. 进一步利用该单元构造了16 × 16单元的超表面, 通过不同的阵列编码, 超表面能够产生散射可控波束和轨道角动量涡旋波, 并在超宽带范围内实现了10 dB以上的雷达散射截面减缩效果, 展现出动态灵活的波束调控和低散射性能.
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本文利用正弦交流电压激励液体电极放电系统, 通过增大液体电导率(σ), 发现放电从均匀模式过渡为斑图模式, 且斑图模式中依次在液面观察到了齿轮、锯盘、离散点、单臂螺旋和同心圆环等结构. 放电的电压电流波形表明放电仅发生在电压的负半周期(液体作瞬时阳极), 气体击穿后放电电流迅速增大并很快达到峰值然后缓慢减小. 对于均匀模式, 放电电流的减小是单调的; 但对于斑图模式, 放电电流在减小过程中存在一段几乎不随时间变化的平台阶段. 此外, 随σ升高, 峰值电流和平台电流均增大, 且放电击穿时刻提前. 利用增强型电荷耦合设备拍摄了均匀模式和斑图模式在液面附近的时间演化行为, 发现不论何种放电模式最初液面上均产生的是均匀圆盘, 而各种非均匀的斑图是产生在平台阶段. 基于反应-扩散模型, 通过改变离子强度与电流强度(对应变量m和l)对均匀模式和斑图模式进行了数值仿真, 获得了实验对应的放电模式. 此外, 采集了液面附近放电的发射光谱, 计算了与电子温度和电子密度相关的谱线强度比. 通过对光谱进行拟合, 获得了液面附近放电的气体温度和分子振动温度. 研究发现这些等离子体参数随σ的增大(对应着放电模式的变化)而升高.
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在复杂网络中高效识别一组关键传播节点对信息扩散与谣言控制至关重要. 对于多传播源节点选取问题, 一种有效的方法不仅要考虑种子节点自身的影响力, 还要考虑其分散性. 传统投票模型算法VoteRank假设一个节点对其每个邻居的投票都是一样的, 忽视了拓扑相似性对投票倾向的影响; 其次, 采用邻域均质化投票衰减策略, 难以有效地抑制种子节点的传播范围重叠. 本文提出一种改进的基于VoteRank的复杂网络多影响力节点识别算法IMVoteRank, 通过双重创新提高算法效果: 首先, 设计基于结构相似性的投票贡献机制, 模拟真实世界中选民更倾向于投票给自己关系相近的人, 算法认为节点之间拓扑结构越相似邻居节点越有可能将票投给对方, 因此将邻居节点的投票贡献拆分为直接连接贡献与拓扑相似性贡献, 通过动态权重平衡二者的贡献从而优化投票精准度; 其次, 引入动态群组隔离策略, 在迭代过程中以种子节点为核心检测紧密连接群组, 通过抑制群组内节点投票能力并断开其连接, 保证种子节点的空间分散性从而有效克服了传播范围重叠问题. 在多个真实数据集上基于易感-感染-恢复模型的传播实验证明, 所提方法能更有效识别网络中多影响力节点.
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