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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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波长位于2—5 μm的中红外超快光源在众多领域具有重要应用价值, 如分子检测、空间通信、非线性光学和生物医疗等, 但目前实现该波段激光的方法存在局限性. 本研究采用差频产生技术, 利用高功率双波长超快光纤激光系统, 结合3 mm周期极化铌酸锂晶体, 通过调节泵浦脉冲与信号脉冲之间的延时, 优化了输出闲频光的能量. 本研究成功生成了中心波长为3.06 μm的中红外超快激光, 平均功率达到3.06 W, 脉冲能量为90 nJ. 此外, 还实现了波长在2—5 μm范围内可调的中红外超快激光, 平均功率均超过1 W, 为当前该波段可实现的最高平均功率水平.
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活性物质中的集体行为已被广泛研究. 然而, 活性个体间的吸引力对集体运动模式的影响还没有相关研究. 本研究发现, 在Quincke活性胶体体系, 通过增强电液流(EHD)效应诱导的长程吸引力, 速度对齐效应得到增强, 并在极性流体内部诱发密度相分离, 形成极性团簇, 破坏极性有序相的空间均匀性. 这是已有的实验观测中没有的. 而在排斥主导的活性体系, 极性流体空间均匀分布. 我们的研究结果表明活性个体间的吸引力会显著改变活性体系的微观和宏观动力学行为.
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1 K低温系统是进一步实现mK温区及更低温度的基础, 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1 K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1 K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4 K 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1 K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, 能够更加准确地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大或减小, 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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超声溶栓的核心机制源于空化气泡溃灭产生的瞬态冲击波与微射流对血栓结构的破坏作用。尽管该效应已在实验与临床中被证实具备溶栓潜力，但其疗效受限于空化作用能量传递效率低和损伤可控性差等问题，其本质在于单气泡空蚀效应不足与多气泡协同作用规律不明确。本研究通过构建气-液-固多物理场耦合模型来量化分析血栓附近空化气泡溃灭动力学特性，流-固耦合部分引入结构阻尼项来表征血栓运动过程中的能量耗散；在此基础上，结合参数分析详细讨论了多气泡射流序列冲击作用下的协同效应，它对应力累积的影响是完全考虑了血栓的力学特性，即结合实验确定的超-粘弹性血栓本构模型。数值模拟表明射流冲击强度与血栓质量、超声振幅正相关，与无量纲距离、超声频率、气泡初始半径负相关；多气泡协同效应存在相对优化的半径分布范围，通过射流序列匹配可使血栓内部正应力或剪应力获得显著增幅。建议给出的协同空蚀效应预测方程，为超声溶栓控制策略提供了理论依据。
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随着半导体工艺的发展，具有深沟槽隔离（DTI）技术的双极晶体管因其优异的电气性能和隔离效果，逐步应用于性能和集成度要求更高的先进半导体器件。现有的双极晶体管单粒子效应研究表明，深沟槽隔离技术会导致双极器件产生新的单粒子效应机制。本文针对深沟槽隔离结构的多晶硅发射极双极晶体管，开展了质子入射角度对其单粒子效应的影响研究。实验结果表明，质子入射角度会显著影响晶体管集电极的单粒子瞬态电压脉冲振幅。利用Sentaurus TCAD软件模拟了多晶硅发射极双极晶体管的单粒子效应电荷收集过程，根据模拟结果分析了深沟槽隔离器件的灵敏体积，并基于Geant4蒙特卡洛模拟方法开展了质子不同角度入射深沟槽器件灵敏体积的模拟，结果表明，次级离子在灵敏体积内的积分截面会随着入射角度的增加而增大，为深沟槽隔离双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固提供了理论支撑。
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本文通过实验系统研究了Heusler合金Co2FeAlxSi1-x (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)体系中原子占位有序度与磁致伸缩的关联机制。研究发现，Al掺杂可导致体系从高度有序的L21结构向B2无序结构转变，并在x=0.25~0.5时诱导L21/B2两相共存界面态的形成，此时有序度计算结果显示SL21/SB2=0.5~0.9。实验结果表明这种界面态的出现显著增强了饱和磁致伸缩系数并在过渡到B2结构后再次减小。该结果定量揭示了原子的局部无序占位可通过降低立方对称性、引入局域晶格畸变并改变磁畴结构从而提升磁弹耦合的物理机制。此外，本研究首次报道了12种Co基Heusler合金的磁致伸缩系数，其中Co2MnGa和Co2CrGa展现出优于其他Co基Heusler合金的潜力，填补了该体系磁致伸缩性能参数的空白，并验证了该多晶材料的线性正磁致伸缩特性。本研究提出了基于原子占位有序度调控的磁致伸缩性能优化策略，为开发耐高温、高自旋极化率的磁致伸缩材料提供了新方向。
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光与金属纳米手性结构作用可展现超强的等离激元圆二色性。然而，光激发下金属纳米手性结构的光力与光热的协同作用效应如何影响其圆二色性，仍缺乏深入的理解。本研究针对具有相邻同手性中心的金纳米棒三聚体，探讨了圆偏振光激发下的不对称光力与光热的协同作用效应对其手性结构及相应等离激元圆二色性质的影响。基于有限元法的模拟计算表明：在光热温度梯度场激活金纳米棒手性三聚体的结构动态变化的同时，左旋/右旋圆偏振光产生的不对称光扭矩将导致金纳米棒三聚体几何结构(特别是手性中心的扭转角)出现不对称变化，从而使金纳米棒三聚体的等离激元圆二色光谱响应呈现明显的偏振依赖性。进一步的实验研究表明：基于这种不对称光力与光热的协同作用效应，左旋和右旋圆偏振光能够用于调控等离激元圆二色光谱响应的不对称增强和抑制。本研究不仅为研究光学调控纳米等离激元手性组装结构奠定了理论基础，也为实验设计和制备物理方法调控的先进纳米光子学器件提供了重要参考。
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本文提出一种双吸收层钙钛矿异质结(Dual-absorption-layer Perovskite Heterojunction, DPHJ)策略，即通过将能带交错的II型钙钛矿异质结(p-pCsPbI2Br-CsPbIBr2)应用到全钙钛矿叠层太阳电池作为顶电池的双层结构的吸收层。电池模拟结果表明，与顶电池为单一吸收层CsPbI2Br的全钙钛矿叠层太阳电池相比，DPHJ的引入使得叠层太阳电池的开路电压显著增强(从2.16 V到2.25 V)、短路电流密度进一步提升(从15.96 mA·cm-2到16.76 mA·cm-2)。这主要归因于顶电池的双层结构的吸收层在CsPbI2Br/CsPbIBr2界面处形成能带弯曲，诱导产生增强的内建电场，促进载流子输运，抑制了吸收层体内的非辐射复合。由此基于DPHJ策略的叠层太阳电池可达到高的理论能量转换效率(32.47%)。进一步实验结果表明，相比于单层CsPbI2Br(激子结合能E2=101.9 meV、电子-声子耦合强度(γac=1.2×10-2，γLO=6.9×103)，双吸收层薄膜展现出更高的激子结合能(E2=110.7 meV)和更低的电子-声子耦合强度(γac=1.1×10-2，γLO=6.3×103)，表现出更强的光、热稳定性，这有利于制备长效稳定的全钙钛矿叠层太阳电池。
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粉末冶金制备技术是制备兼具优异力学性能和热电性能Bi2Te3基块状材料的重要途径, 但是粉末冶金制备过程中样品取向损失导致材料热电性能不高, 开发具有强板织构、细晶粒Bi2Te3基热电材料的制备技术是高性能Bi2Te3基热电材料研究的重点. 本文采用垂直转角挤压制备技术制备了系列p型Bi2Te3基材料, 系统研究了挤压温度对材料微结构和织构特征的影响规律及其对材料热电性能的影响规律, 在垂直转角挤压过程中, 材料经历了剧烈的塑性变形, 导致材料内部晶粒的破碎、重排及偏转, 同时挤压过程中高温有助于材料中晶粒的动态再结晶和生长过程, 实现了晶粒的细化, 773 K挤压样品在垂直于压力方向和平行于压力方向上分别取得了F(00l)=0.51和F(110)=0.30的高取向因子, 即从热压样品中面织构向挤压样品中板织构的转变, 这种微结构特征显著地提升了样品的载流子迁移率, 773 K挤压样品室温下载流子迁移率高达345.4 cm2·V–1·s–1, 与区熔样品相当, 表现出优异的电输运性能, 室温下功率因子达到4.43 mW·m–1·K–2, 与此同时, 773 K挤压样品的晶格热导率和双极热导率之和在323 K时降低至最小值0.78 W·m–1·K–1, 最终773 K挤压样品在323 K时获得最大ZT值1.13, 较热压样品提高了近70%. 该研究为高性能强板织构、细晶粒Bi2Te3基热电材料的制备提供了新途径, 为微型热电器件的制造奠定了重要基础.
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本文主要研究用于精密测量的含多反射腔原子气室的标准化制备方法: 一方面将Herriott多反射腔技术和阳极键合技术相结合, 另一方面在全真空条件下密封含多反射腔原子气室. 这样制备出的新型气室可以广泛应用于原子器件中, 在提升测量灵敏度的同时, 提高器件的标准化程度. 本文介绍这种原子气室的制备方法的同时, 还通过气室在磁光双共振碱金属原子磁力仪中的应用展示其工作潜能. 该示范展示了利用含22次反射的多反射腔, 充有400 Torr (1 Torr = 1.33×102 Pa) 氮气和自然丰度铷原子气室获得的磁共振信号, 并以此信号为基础在10—20 Hz的频率区间测得了95 fT/Hz1/2的磁场灵敏度. 之后, 我们将把基于这种技术制作的气室拓展到对气室质量要求较高的氦原子磁力仪和核自旋原子共磁力仪中.
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激光光源的噪声直接影响精密测量系统的精度和灵敏度, 特别是在引力波探测和生物成像等高精度应用中. 尽管经典反馈控制技术能有效地抑制强度噪声, 但其降噪水平受到经典噪声极限的限制. 本研究提出一种结合量子压缩光与经典反馈控制技术的新方法, 旨在进一步降低系统中的强度噪声, 突破经典反馈控制技术的抑噪瓶颈. 通过引入正交振幅压缩态光场, 在理论上建立了压缩光辅助的反馈控制系统, 理论分析了反馈增益和压缩度对噪声抑制的影响, 并与经典方案进行对比. 理论分析结果表明, 压缩光的引入显著地提高了噪声抑制水平, 接近散粒噪声极限, 从而大幅提升系统的灵敏度. 该方法为在不增加激光功率的情况下实现更低噪声水平提供了新的量子控制手段, 对精密测量技术的发展具有重要意义.
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本文提出一种基于物理信息神经网络的量子绝热捷径方案. 与传统的绝热捷径技术相比, 创新性地引入机器学习技术, 利用参数化的物理信息神经网络解含参数的微分方程, 将神经网络作为量子绝热演化过程的逼近函数, 并将含参数的微分方程和微分方程的各种物理约束条件作为参数化的神经网络的损失函数, 训练神经网络, 拟合量子系统演化过程, 获得布居反转的驱动控制函数. 数值实验表明, 量子系统可以在短时间内实现布居反转, 并且具有很高的保真度、很强的鲁棒性. 神经网络具有很强的计算能力, 适合复杂系统的驱动控制函数的生成. 与传统的绝热捷径技术相比, 具有更好的效果和更强的实用性.
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基于多单元结构模型, 对集成门极换流晶闸管(IGCT)在过应力条件下的关断特性进行了仿真. 发现在开关自箝位模式(SSCM)下, 虽然器件的端电压被箝位, 但其内部产生了移动速度非常缓慢的电流丝, 从而使得器件非常容易发生重触发、甚至热击穿. 并且, IGCT静态雪崩击穿特性决定了器件在SSCM下电流丝的性质. IGCT寄生pnp晶体管的共基极电流增益αpnp越大, SSCM下雪崩诱发电流丝的强度越大, 移动速度越慢, 从而大大降低器件的鲁棒性.
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