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拓扑边界态因在带隙中的鲁棒性和无损耗的传输特性备受关注, 但在复杂系统中实现其稳定激发仍是一个挑战. 本文提出了一种利用亚对称性保护的边界态与长程非互易耦合系数, 实现具有拓扑选择性的非厄密趋肤效应 (Non-Hermitian Skin Effect, NHSE) 的方法. 该方法能够选择性地对平庸体态施加非厄密趋肤效应, 同时保持拓扑边界态不受影响, 从而实现拓扑模式与体态模式在空间上的有效分离, 并在能带密集的系统中实现鲁棒的边界态激发. 此外, 我们将该模型扩展到二维体系, 实现了角态与体态模式的有效分离. 我们通过紧束缚模型进行理论预测, 分析了该模型中非厄密效应对能谱和趋肤性质的调控机制, 并利用有限元仿真在光学耦合环中验证了这一机制的可行性, 研究了非厄密趋肤效应的本征态特性, 并实现了拓扑态的鲁棒激发. 该机制将非厄密物理与拓扑光子学相结合, 为提升光子系统中信号的稳定性提供了新的思路与方向.
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本文利用基于相场理论的格子Boltzmann方法研究了匀强电场作用下含可溶性表面活性剂液滴的动力学行为. 我们首先通过模拟静态液滴表面活性剂浓度分布和漏电介质液滴在电场作用下形变两个基准问题验证了方法的可靠性. 其次, 本文重点研究了含表面活性剂液滴在电场作用下的形变、破裂和聚合行为. 研究发现: 对于形变行为, 单液滴存在扁长型和扁平型两种形变模式, 表面活性剂浓度越高, 液滴形变越大; 对于破裂行为, 单液滴存在细丝状和窄颈状两种破裂模式, 含表面活性剂的液滴更容易发生破裂行为; 对于聚合行为, 双液滴存在形变聚合和吸引聚合两种过程, 表面活性剂促进其形变聚合, 但抑制其吸引聚合.
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本文基于单光子激发的原子-腔系统, 通过光学参量放大过程对腔模进行压缩调控, 从而改变原子和腔模相互作用, 并以此探究腔模压缩对单光子辐射谱的影响. 研究结果表明, 光学参量放大过程对原子辐射谱线型具有明显影响, 但对光谱强度的影响较小. 相比之下, 该机制不仅影响了腔辐射谱线型, 还能显著增强光谱强度. 本研究可以提高腔中弱信号的探测能力, 为单光子的检测提供一种新思路.
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通道蛋白精确调控生命活动中物质跨膜转运, 为信号传递和能量代谢等复杂功能提供了结构保障. 单分子荧光技术与单通道膜片钳技术偶联对于解析其“结构-动力学-功能”的关联至关重要. 为解决二者联用中细胞内的高荧光背景限制单分子信号采集的难点, 本研究提出了一种选择性局部激发光路, 在活细胞上表面构建可控范围的局域照明场, 实现其中单分子荧光成像与动态追踪. 基于可调照明范围和区域, 达成照明光斑与玻璃电极的亚微米级共定位, 有效获取细胞贴附式单通道电流记录, 及高信噪比的单分子荧光时间轨迹. 本工作建立了一个可用于揭示通道蛋白结构-功能耦联机制的、具有普适性的单分子水平研究框架.
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液滴微流控技术在化学分析、生物检测及材料制备等领域具有巨大的应用潜力, 被动生成液滴方法主要依赖微通道几何特性与剪切流动就能够快速实现液滴生成. 其中, 十字微通道作为典型结构, 其流体参数和对称性差异对液滴生成过程的影响尚未得到充分研究. 因此, 本文采用格子Boltzmann方法开展对称与非对称十字微通道内的液滴生成过程的数值模拟研究, 系统地分析了毛细数、黏度比及流道对称性的作用机制. 本文首先通过平板剪切流动下液滴变形和理想固体表面静止液滴这两个经典算例验证了数值模型的计算可靠性, 然后围绕对称十字微通道内水相流体“界面浸入-剪切断裂-液滴迁移和融合”三个流动阶段展开研究, 分析了毛细数和两相黏度比的协同作用机制. 在此基础上, 进一步量化了流道对称性对十字微通道内液滴生成过程的影响. 相关研究结果为微流道设计和液滴微流控的流体参数调控提供了理论依据, 并进一步推动液滴微流控技术的应用和发展.
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通过构建一个包含温度场、浓度场和远场来流的数学模型, 运用多重变量展开法与匹配渐近展开法, 推导出胞晶界面扰动振幅变化率的色散关系及界面形态量子化条件, 分析了远场来流作用下定向凝固中深胞晶生长的稳定性, 并揭示了远场来流对不稳定区域大小的影响. 研究结果表明, 在考虑了远场来流的定向凝固中, 深胞晶生长界面形态有两种整体不稳定性机制: 整体振荡(GTW)不稳定性, 其中性模式产生强振荡的枝晶结构; 低频(LF)不稳定性, 其中性模式产生弱振荡的胞晶结构. 通过稳定性分析发现, 在远场来流的影响下, 深胞晶的界面稳定性取决于临界稳定性参数, 而该参数随着流动强度的增强而减小, 整体振荡不稳定性的稳定区域逐渐扩大.
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蜘蛛、螳螂等节肢动物能够在晃动的蛛网或树叶上保持身体的稳定性, 其类M形肢体结构的作用不可忽视. 受此启发, 本文提出一种基于节肢动物肢体结构的仿生M形低频隔振结构. 首先, 提出仿生M形低频隔振结构的设计方法, 并建立其动力学模型. 通过对其等效刚度、准零刚度范围等静态特性的对比分析, 发现仿生M形结构的非线性刚度能够有效拓宽准零刚度范围. 运用谐波平衡法进行近似求解, 得到其频率响应特性, 并分析其频率和幅值分岔动力学特性. 通过与经典三弹簧准零刚度结构对比, 发现M形仿生结构能够有效降低隔振频率, 并能降低隔振频带内的传递率. 最后, 研究了M形仿生结构的几何形状对其隔振性能的影响规律. 结果表明, 类似蜘蛛肢体的扁平状M形结构具有更低的隔振频率, 更好的低频隔振效果.
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圆形截面等离子体是最基本的托卡马克等离子体形态, 是磁约束聚变实验研究的基础位形. 本文基于HL-2A装置限制器位形放电实验, 研究了托卡马克圆形截面等离子磁流体动力学(MHD)平衡和MHD不稳定性. 研究表明, 当$ {q}_{0}=0.95 $时, $ m/n=1/1 $内扭曲模总是不稳定的. 轴安全因子$ {q}_{0} $和边缘安全因子$ {q}_{{\mathrm{a}}} $的组合决定了等离子体的平衡位形, 也影响着平衡的MHD稳定性, 但其不稳定性增长率与比压($ \beta $)的大小相关联. 在$ {q}_{{\mathrm{a}}} > 2 $和$ {q}_{0} $稍大于$ 1 $的条件下, 可以容易实现内扭曲模和表面扭曲模的稳定. 但当$ {q}_{0} $超过1较多时, 等离子体又变得不稳定, 且等离子体(扭曲)不稳定性强度随$ {q}_{0} $的继续增高而增强. 随着极向比压($ {\beta }_{{\mathrm{p}}} $)的增加, MHD不稳定性会增强, MHD平衡位形横向拉长, Shafranov位移增加, 这反过来又有抑制不稳定性的作用. 计算发现, HL-2A圆形截面等离子体的运行比压极限约为$ {\beta }_{{\mathrm{N}}}^{{\mathrm{c}}}\cong 2.0. $ 较高的$ {q}_{0} $不利于MHD稳定性, 引起比压极限降低. 当$ {q}_{0}=1.3 $时, 得到最大$ {\beta }_{{\mathrm{N}}}\approx 1.8 $. 最后, 基于现有的圆形横截面等离子体, 讨论了影响运行$ \beta $的一些关键因素以及可期实现的高比压和理想比压极限之间的关系问题.
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中性原子阵列因具备单原子的精确操控能力以及强相互作用的可调性，已成为量子计算和量子信息处理中最具潜力的物理平台之一。声光偏转器是构建和控制中性原子阵列的关键器件，可实现对原子的快速、高精度捕获与排列。然而，TeO2反常布拉格型声光偏转器在实际应用中仍存在宽带衍射条件不明确、偏振敏感性与效率低等问题，制约了其在多自由度操控中的性能发挥。本文通过与声光调制器做对比，系统分析了声光偏转器的工作机理，提出了一种可快速确定宽带衍射中心频率与衍射级次的新方法，通过全面测量不同衍射级次及不同偏振入射下的衍射效率与带宽，获得声光偏转器的高速、高效率、大角度偏转的衍射级次和45MHz宽频衍射频率的特定工作条件，研究揭示了宽带偏转性能对超声波模式的依赖机制，明确了调试过程中的关键技术参数，为中性原子阵列的快速构建与动态可编程调控提供了重要技术支撑。
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针对电力设备局部放电(PD)超声波检测中存在的时间-空域特征解耦、硬件成本高及计算量大的技术瓶颈, 提出基于核主成分分析(KPCA)伪白化的改进型非圆FastICA (mnc-FastICA)提取TDOA/DOA参数的混合定位方法. 该方法通过时间-空域特征联合提取与智能优化机制, 实现了小规模传感器阵列下的高精度定位. 本文首先构建KPCA伪白化预处理框架, 利用多项式核函数映射信号非线性升维再降维, 在保留TDOA与DOA特征关联性的同时抑制环境噪声; 其次通过mnc-FastICA算法盲分离超声信号后, 联合广义互相关法GCC与阵列流型解析技术同步提取TDOA/DOA参数; 最后建立融合双参数的最大似然估计模型, 并引入非洲秃鹫优化算法实现全局最优解快速收敛. 实验表明, 在仅配置2个正交阵列(共8个传感器)的小规模硬件架构下, 本方法TDOA估计误差降至2.34%, DOA估计精度优于2°, 定位误差达1.54 cm. 该方法有效解决了PD检测中时间-空域特征联合、硬件成本与定位精度的矛盾, 为电力设备状态监测提供新方案 .
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三维(3D)石墨烯材料具有优异的电子发射性能与机械稳定性, 在高电流密度场发射器件领域展现出显著优势. 本文通过飞秒激光一步法原位制备氧化铜修饰三维石墨烯复合材料(LIG/CuO), 实现了软木碳化与铜氧化的同步调控. 利用铜盐浸润与抗坏血酸还原构建浅层富铜前驱体, 经激光辐照同步诱导纤维素碳化为少层石墨烯和Cu向CuO转变, 形成CuO纳米颗粒(30—80 nm)包覆的微晶石墨烯三维纤维网络. 该结构展现出卓越场发射性能, 制备的纯LIG阈值电场值为~2.12 V/μm, 场增强因子~8223; 优化的CuO 负载量后, LIG/CuO-5阈值电场值减至1.57 V/μm, 场增强因子达~8823, 并在2.89 V/μm下实现了22.71 mA/cm²超高电流密度的电子发射. 密度泛函理论(DFT)计算揭示异质结界面电子从CuO向石墨烯转移, 使石墨烯功函数从4.833 eV降至4.677 eV, 同时CuO表面能带弯曲协同降低隧穿势垒. 此外, CuO纳米颗粒的局域电场增强效应与优化分布密度协同使有效发射点密度提升.
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非晶合金高温流变行为是理解其结构演化与动力学行为的重要窗口, 阐明其动力学弛豫行为与流变行为的内秉性关联是理解非晶固体变形行为的重要研究内容之一. 本文基于动态力学分析仪从激活体积和缺陷演化动力学角度系统探究了三种La基非晶合金的高温流变行为与动力学弛豫特征的耦合机理. 在自由体积理论框架下通过应变率跳跃实验结合, 揭示了非晶合金的流变应力随温度和应变率变化的双曲正弦依赖关系, 建立了高温流变激活能与α弛豫过程的关联. 参考应变率与温度正相关, 反映非晶合金结构非均匀性对原子扩散速率的调控. 此外, β弛豫激活能与高温流变平均激活能呈相反趋势, 为β弛豫作为α弛豫前驱过程提供理论依据. 缺陷湮灭与生成速率的动态竞争主导了非晶合金的高温流变行为, 以动力学参量定量描述了非晶合金热力耦合变形特征. 研究结果为非晶合金高温变形机制的微观解释提供了实验数据与理论指导, 有利于优化其高温加工与成型工艺.
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大语言模型的出现极大地推动了科学研究的进步。以ChatGPT为代表的语言模型和DeepSeek R1为代表的推理模型，为科研范式带来了显著变革。尽管这些模型均为通用型，但它们在电池领域，尤其是固态电池的研究中，展现出强大的泛化能力。在本研究中，我们系统性地筛选了2024年及之前重点期刊中的5,309,268篇文章，精准提取了124,021篇电池相关文献。同时，我们全面检索了欧洲专利局与美国专利局2024年及以前的申请与授权专利，共计17,559,750篇，从中筛选出125,716篇电池相关专利。利用这些文献与专利，我们对语言模型的知识储备、实时学习、指令遵从和结构化输出能力进行了大量实验。通过多维度的模型评估与分析，我们发现：当前的大语言模型在信息分类和数据提取等的精度基本达到了研究生水平，语言模型在内容总结和趋势分析方面也展现出强大的能力。同时，我们也发现模型在极少数情况下可能出现数值幻觉问题。而在处理电池领域海量数据时，模型在工程应用方面仍存在优化空间。我们根据模型的特点和以上测试结果，利用模型提取了无机固态电解质材料数据，包括了离子电导率数据5970条、扩散系数数据387条、迁移势垒数据3094条，此外还包括1000多条化学、电化学、力学等数据，涵盖了无机固态电解质所涉及的几乎所有物理、化学、电化学性质，这也意味着大语言模型对科研的应用已经从辅助科研转向主动促进科研发展阶段。
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随着城市化进程的加速, 城市人口流动的精准预测成为城市规划与政策制定的重要基础. 然而, 现有移动模型在城市场景下的适应性尚不明确, 且缺乏系统性比较, 在不同尺度下的有效性尚不清晰. 本文提出一种城市移动流量模型的跨尺度比较方法, 系统分析了引力模型、辐射模型、人口权重机会模型在不同空间、距离和人口尺度下的表现. 基于上海移动数据的实证研究表明, 引力模型受距离影响较小, 但受人口密度和区域面积差异显著影响, 性能随人口规模上升而增强, 随面积差异增大而衰减(网格边长差值大于3km时性能下降40%); 辐射模型对出发地属性敏感, 预测能力随出发地空间尺度和人口规模增加而增强, 小尺度场景存在系统性偏差; 人口权重机会模型通过人口权重机制在空间尺度上表现出优异的兼容性, 但随着距离增大效果下降, 并与人口规模正相关. 研究结果揭示了城市移动流量模型的适用场景和局限性, 为多场景下模型选择及优化提供了可操作的决策框架.
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中子辐射俘获截面是核天体物理、核反应堆设计、核医学以及核技术应用等领域中所需的关键数据. 目前, 受制于实验技术上的困难, 缺少半衰期短至数年或更短核素的中子辐射俘获截面测量数据. 本文采用一种间接测量短寿命核素反应截面的方法——替代反应法, 在中国原子能科学研究院北京HI-13串列加速器上利用89Y(p, α)反应作为替代反应, 产生与短寿命核素中子辐射俘获85Sr(n, γ)反应相同的复合核86Sr*进行替代反应法的实验研究. 通过使用硅探测器组成的望远镜阵列与HPGe探测器阵列符合测量, 得到了与特定能量角度的出射α粒子符合γ射线能谱, 从而获得了不同激发能下复合核的γ衰变的概率. 结合使用UNF唯象光学模型计算的复合核形成截面, 得到了中子能量范围En = 0.02—1.22 MeV的85Sr中子辐射俘获截面. 并且, 基于TALYS计算的自旋宇称分布, 建立了修正模型用于补偿直接反应和替代反应中自旋-宇称布居的差异, 改进了基于WeisskopfEwing近似下的间接测量结果.
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