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富集钕-150同位素在核工业、科学研究等领域具有重要应用. 基于高效高选择性多步电离路径, 原子蒸气激光同位素分离法能够实现钕同位素分离, 但现用路径第2步跃迁的同位素位移(isotope shift, IS)几乎为零, 导致产品中Nd-150丰度偏低. 本文基于密度矩阵理论建立了通用的三步电离路径选择性光电离模型, 模型中综合考虑了同位素位移、超精细结构等原子参数和频率、功率、线宽、偏振等激光参数, 可在磁子能级级别计算原子与激光的相互作用过程. 基于上述模型, 通过与文献数据对比获得了现用路径分支比的最优拟合值, 评估了现用路径在不同线宽下的Nd-150丰度水平; 在仅改变第2步跃迁的前提下构造假定电离路径, 开展所有钕同位素的电离率计算, 评估不同同位素位移、超精细结构下的Nd-150丰度, 指导后续原子光谱实验. 数值计算发现第二激发态角动量J3 = 6, 同位素位移IS23, 148 ≥ 300 MHz时, 在b12 ≤ 0.5 GHz, b23 ≤ 1.0 GHz, 平行线偏振的典型激光参数下可实现与电磁法相当的Nd-150丰度(> 95%). 在此基础上压窄激光线宽, 能够在保持电离率的同时获得超过电磁法的Nd-150产品. 后续原子光谱实验应着重寻找IS23, 148 ≥ 300 MHz, J3 = 6的第2步跃迁, 第2步跃迁的约化电偶极矩达到现用路径的30%即可满足丰度要求.
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本文研究了利用聚焦透镜来提高超几何高斯二型(hypergeometric-Gaussian type-II, HyGG-II)光束在海洋湍流中传输时的信道容量的方法. 首先推导得到使用聚焦透镜之后HyGG-II光束在海洋湍流中的信道容量表达式, 随后仿真分析了不同光源参数和海洋湍流参数对信道容量的影响, 并与未加透镜时HyGG-II光束以及拉盖尔高斯光束的信道容量进行对比. 此外为了探究聚焦透镜增强信道容量的原因, 还仿真分析了聚焦HyGG-II光束的光强随传输距离的分布. 结果表明: 通过使用聚焦透镜可以使HyGG-II光束的信道容量在一定传输距离范围之内获得不同程度的增强, 最佳增强效果出现在光强的最大会聚位置附近. 通过增大光波长、调节聚焦透镜的焦距或HyGG-II光束的束腰半径, 还可以使增强效果进一步改善. 在小单位质量动能耗散率和大温度均方差耗散率的海洋湍流环境中, 使用聚焦透镜可以得到更明显的信道容量增强效果. 与拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光束相比, 传输相同距离时, 不管是否使用聚焦透镜HyGG-II光束的信道容量都更好. 本文研究结果可以为提高基于涡旋光束的水下无线光通信系统性能提供一定的参考.
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无机CsPbIBr2钙钛矿具有较高的相稳定性和较宽的带隙, 可用于研发钙钛矿叠层电池或半透明电池技术, 具有良好的发展潜力. 高质量的CsPbIBr2钙钛矿薄膜是制备高效钙钛矿太阳能电池的关键. 为了提高CsPbIBr2钙钛矿薄膜的结晶质量, 本文将对氨基苯甲酸(PABA)添加到钙钛矿前驱体中以调控其结晶过程. 由于C=O和Pb2+具有较强的配位作用, 同时—NH2与卤素阴离子可以形成氢键, 前驱体溶液中形成了新的亚稳态中间相. 该中间相减缓了钙钛矿的结晶速率, 调控了晶粒的生长, 制备了晶粒尺寸增大且致密的钙钛矿薄膜. 本文采用电化学测试和光谱分析相结合的表征方法分析了添加PABA后钙钛矿薄膜的质量及相应电池的光伏性能. 结果表明, 添加PABA后, 钙钛矿薄膜的结晶质量提高、光吸收增强、缺陷密度减小. 相应电池的光电转换效率提高了约22%. 未封装的电池在空气中存放1500 h后, 平均效率依然保持了初始值的80%, 表现出较高的稳定性.
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无限层镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜中超导电性的发现, 建立了另一类非常规超导体, 其结构和电子配对方式和铜氧化物超导体类似. 不同于铜氧化物超导体的是, 无限层镍氧化物仅在薄膜样品中观察到了超导性, 其中界面结构、元素掺杂和无限层结构等因素是理解薄膜超导机制的关键. 因此, 薄膜与衬底之间的界面效应对超导机制的影响值得我们探究, 然而目前对超导和非超导的镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜界面结构的对比研究还没有报道过. 本文基于扫描透射电镜技术, 以Nd0.8Sr0.2NiO3/SrTiO3和Nd0.8Sr0.2NiO2/SrTiO3为主要研究对象, 探究了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜在还原前后相分布和界面结构产生的变化, 观测到界面处元素混合、原子台阶以及晶格常数变化等现象, 同时发现了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜在靠近界面处1—2层单胞内未被完全还原成超导无限层结构. 本研究强调了镍氧化物Nd0.8Sr0.2NiOx薄膜与衬底之间界面的原子重构及调制作用, 为无限层镍基薄膜超导结构的研究提供了帮助.
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地球上丰富的二硫化钼(MoS2)作为一种有前景的表面增强拉曼光谱(SERS)基底引起了人们的广泛关注, 但由于其半导体特性而限制了其发展. 因此, 本文设计了一种MoS2/沸石咪唑酯骨架-67(ZIF-67)异质结构作为SERS基底, 该基底具有优异的灵敏度, 增强因子可达6.68×106. 此外, 利用MoS2/ZIF-67对胆红素进行无标记检测, 检测限低至10–10 mol/L. 同时, 该基底暴露在空气中4个月后, SERS性能基本保持不变, 表明该基底具有较高的稳定性和可重复使用性. 该基底优秀的性能主要是由于MoS2的垂直分布结构能暴露出更多的活性位点. 同时, ZIF-67具有较大的比表面积和丰富的孔洞结构, 这也为分子提供了大量的吸附位点. 此外, 内部电荷转移诱导了高比例稳定1T相的形成, 从而提高了电导率. 本文为合理设计用于高灵敏SERS检测的无贵金属材料提供了有价值的参考.
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热电制冷(thermometric cooler, TEC)高精度温控技术广泛应用于精密半导体光电器件领域, 其控制精度对器件稳定运行至关重要. 然而, 传统比例-积分-微分(proportional integral derivative, PID)控制算法在毫开尔文级别的高精度温控应用中易出现超调与振荡现象, 难以满足应用需求. 本文深入分析TEC内部的电热耦合与热传导机制, 构建并验证了精确的TEC等效电路模型. 在此基础上, 提出了一种带动态直流偏置的自适应PID高精度温控算法, 算法通过实时计算温控误差及输出电流均值, 动态调整PID控制输出, 有效地抑制环境温度扰动引起的温控误差, 提高了温控系统的稳定性. 通过仿真分析验证了算法的高精度温控特性, 并且创新性地引入双路温度检测与补偿机制, 进一步提升了温控性能. 算法对PID参数具有较强鲁棒性, 核心逻辑简洁高效, 硬件实现复杂度低, 在工程实际中具有广泛适用性和良好的推广价值.
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在全球能源格局深度调整与环境问题严峻挑战的双重背景下, 固体氧化物燃料电池(SOFC)凭借其诸多卓越特性, 成为高效清洁能量转换技术的研究焦点. SOFC的电化学性能受到气流流型、流速及工作电压等多种因素影响, 准确分析电池的电化学指标随各因素的变化情况, 是提出电池高效反应设计方案的基础. 因此, 本研究建立了SOFC的三维多场耦合模型, 研究了各因素间耦合作用对电池电化学性能的影响规律. 研究结果表明, 随着工作电压的降低, 电池的电化学反应速率显著提高, 气体摩尔分数梯度增大, 电解质电流密度分布不均性增强. 对于低电压工况, 交叉流流型展现出更好的电化学性能优势, 其功率密度曲线在不同电流密度区间均占据领先地位. 随着流道气体流速的提升, 电池的输出功率密度曲线呈上升趋势, 后续因阴极反应渐趋饱和, 流速提升对功率密度增长的推动作用逐渐弱化. 本研究揭示了流型、流速与电压的耦合作用对SOFC电化学性能的影响, 为SOFC的商业化应用提供指导.
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对原子核形状共存和壳效应的研究有助于人们深入理解原子核内部结构. 物理学家们在Zn, Ge, Se, Kr的同位素研究中, 发现了显著的形状共存现象与刚性三轴性特征. 为了深入探究形状共存现象及其对原子核基态性质的影响, 我们采用相对论Hartree-Bogoliubov理论中密度依赖的介子交换模型, 对N = 32—42的偶偶核Zn, Ge, Se, Kr同位素的基态性质进行了系统研究, 获得的势能面清晰地展现了这些同位素存在形状共存和三轴性特征. 计算获得了原子核的基态能量、形变参数、双中子分离能、中子半径、质子半径和电荷半径, 结果都支持N = 40为新幻数, 部分结果也支持N = 32, 34为新幻数. 尤其, 三轴形变在其中扮演着重要角色. 进一步, 我们探讨了壳效应与形状共存现象之间可能存在的关联及其对原子核基态性质的影响, 并分析了这些变化的物理机制.
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由单层过渡金属硫族化合物构成的二维平面异质结在低功耗、高性能和柔性电子器件方面具有重要应用潜力，其界面局域原子结构和缺陷决定电、磁、光、催化和拓扑量子性质，但迄今为止尚缺乏界面原子结构的精确表征。本研究利用球差校正电镜及分区探头成像数据，通过自行编写积分相位差分衬度（Integrated Differential Phase Contrast, iDPC）算法程序，对WS2-MoSe2单层异质结界面进行了原子结构表征，同时成像了W、Se、Mo、S四种原子序数差异较大的原子，确定了异质结界面上的原子位置，发现了几种常见的界面原子构型。本研究结果为单层过渡金属硫族化合物平面异质结研究提供了精确表征方法，对单原子水平界面构效关系研究具有重要意义。
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量子密钥分发为远程安全通信提供了理论保障，但现有的关联源量子密钥分发协议在处理源关联性时容忍能力较弱，导致密钥率低、传输距离短，限制了其应用。本文提出了一种改进的关联源量子密钥分发协议，摒弃传统的基于损耗容忍的安全性分析，转而采用标准BB84协议进行安全性分析。通过对比不同参数下的性能，结果表明，改进协议在密钥率和传输距离上具有显著提升，展示了更强的应用潜力。
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随着石墨烯等二维材料的发现，相对论二维Dirac方程越来越受到研究者们的关注，准确求解电磁场中的Dirac方程是研究和调控Dirac电子量子状态的基础。通过将分区级数方法应用到Dirac方程中并对该方程在正则区、泰勒区和非正则区进行级数展开，Dirac电子束缚态的普适性判据被推导出来，束缚态的能级和波函数被计算出来。用该方法计算有质量Dirac电子在库仑电势下（相对论二维类氢原子）的能级和波函数并与解析解进行比较，结果表明该方法具有非常高的准确性。对均匀磁场和线性电势下Dirac电子态的计算结果表明该方法对于复杂电磁场中Dirac方程的求解具有普遍的适用性。用该方法研究了均匀磁场B和线性电势V=Fr下Dirac电子束缚态随着电势强度的变化，负能态的能级序列变化被观察到，在临界处F=0.5B正能态的束缚态仍然存在而只有能量超过0的少数负能态的束缚态才存在。该方法提供了求解Dirac方程的有效工具并能够丰富人们对相对论量子力学的认识。
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现有模型因忽略三维几何约束与动态交互效应，难以准确模拟复杂楼梯场景下的群体行为。本文提出一种双层运动模型，通过分层建模方法融合三维元胞离散化空间、双足步态动力学及接触力扰动分析。模型将行人抽象为“双足一点”多节点系统，构建上层质心运动空间与下层双足支撑平面。模型下层基于元胞路径规划约束跨步运动，并设计准同步状态切换机制保障群体时空一致性；上层采用几何检测算法识别行人物理接触，结合碰撞动力学模型，量化接触冲突对行人稳定性的影响。仿真实验表明，模型能够有效模拟行人上下楼运动轨迹、动态平衡维持机制及失稳事件演化过程。研究采用稳定裕度评估行人间接触力的扰动效应，揭示了密度对失稳风险的正向影响，为楼梯场景下的安全评估与疏散优化提供了高效仿真工具。
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Nambu-Goldstone理论指出: 连续对称的破缺会产生零能的玻色激发. 在超导相变中, 连续的局域U(1) 规范对称发生破缺, 理应产生零能的集体模式(即超导相位模式). 1962年, Philip Anderson指出: 库珀对(Cooper pairs)之间的库仑相互作用使该零能模跃迁至等离子体频率. 因此超流体在库珀对配对能量(2Δ)以内不存在玻色激发, 这套机制还导致介导电磁相互作用的光子获得质量. Anderson机制为超导体保持零损耗电流、展现完全抗磁效应提供了微观解释. 1964年, 为解释介导电弱相互作用的W±, Z玻色子为何具有质量, Peter Higgs, François Englert, Tom Kibble等分别提出自然界中存在(现称作)Higgs场的假设: 该物质场与零质量的W±, Z玻色子耦合, 使它们产生质量. 这套机制与超导体中光子产生质量的机制相似, 被统称为Anderson-Higgs机制. 2013年, 欧洲大型强子对撞机捕捉到Higgs场的标量激发(即Higgs boson)的实验证据, 证实了半个世纪以来关于Higgs场的猜想. 与Higgs boson对应的超导振幅模式因此被称作超导Higgs模式. 近半个世纪以来, 在众多超导材料的谱学研究中, 该模式同样难寻踪迹. 近年来, 超快/非线性谱学技术的发展与运用使谱学实验可以更加有效地捕获Higgs模式的踪迹. 本文将介绍超导Higgs模式的历史背景与最新研究进展, 讨论Higgs模式可能为高温超导研究带来的崭新视角、机遇与挑战.
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基于HBT(Hanbury Brown-Twiss)的二阶自相关技术在非相干源照明和近场探测的条件下可以获得目标的傅里叶频谱信息, 然而获取高质量的频谱图像所需的测量次数较多、且成像分辨率受到探测器的像素规模的限制. 为了解决上述问题, 本文结合多点并行关联重建算法和叠层成像的思想, 提出了一种基于自相关和频谱叠层的超分辨成像方法. 通过多点并行关联重建算法获取目标的不同频率信息, 在此基础上, 利用傅里叶变换的移频特性和叠层成像的思想实现频谱信息的扩展, 进而采用相位恢复算法重建目标的实空间图像. 理论分析和实验结果表明, 该方法在相同探测器像素规模的条件下可以实现2倍的超分辨率成像, 同时可以降低高质量频谱图像重建所需的测量次数. 该方法对于超分辨显微成像和高分辨运动目标成像具有重要的借鉴意义.
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本文研究运动光格中非线性作用随时空变化的玻色-爱因斯坦凝聚体的混沌时空动力学. 在运动光格势强度和非线性作用调制强度较小的情况下, 系统满足微扰条件, 将Melnikov函数法应用于理论分析, 得到了系统的Melnikov时空混沌判据. 当系统不满足微扰条件时, 数值模拟表明, 对于原子间呈吸引作用的玻色-爱因斯坦凝聚体, 非线性作用调制强度的增大可以加深系统的时空混沌程度. 在某些参数区域, 非线性作用调制频率对系统时空动力学行为具有重要影响. 进一步的数值研究结果揭示, 较大的化学势不仅可以抑制吸引系统的时空混沌, 还可以抑制排斥系统的时空混沌. 基于以上研究结果, 在实验中可以根据需要规避或引发玻色-爱因斯坦凝聚系统的时空混沌.
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