专题: 量子光学原理与应用·封面文章
封面文章
2025, 74 (24): 240301.
doi: 10.7498/aps.74.20251454
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高性能表面电极离子阱是构建可扩展离子阱量子计算机的关键平台. 在室温下实现多离子相干操控, 是迈向量子纠错与大规模集成的关键步骤. 本文报道了在自主研制的室温表面电极离子阱中, 单离子与多离子相干操控的研究进展. 该芯片阱在轴向与横向分别实现了低至0.074(8) quanta/ms(@833 kHz)与0.237(51) quanta/ms(@1.3 MHz)的加热率. 结合电磁诱导透明(EIT)冷却与边带冷却, 单离子被冷却至平均声子数0.04(2)以下. 在此基础上, 利用载波与边带跃迁对多达20个离子进行了全局相干操控, 观测到由集体振动模式介导的离子间耦合, 并清晰地展示了不同位置离子因高阶振动模式向量差异而呈现出的特异相干演化行为. 本工作充分验证了在微型表面电极离子阱的单势阱中囚禁与相干操控链状和二维多离子的能力, 为在芯片电极离子阱中实现高效的多离子纠缠态制备和量子模拟奠定了物理基础.
专题: AI物质科学
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2025, 74 (24): 240701.
doi: 10.7498/aps.74.20250989
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近年来, 机器学习在材料科学中的应用显著加快了新材料的发现, 特别是在结合第一性原理计算等传统方法后, 能够高效筛选已有数据库中的潜在高性能材料. 然而, 此类方法大多局限于已有化学空间, 难以实现对全新材料结构的主动设计. 为突破这一瓶颈, 基于生成模型的材料逆向设计方法逐渐兴起, 成为探索未知结构与性质空间的重要手段. 尽管当前生成模型在晶体结构生成方面取得了初步进展, 但如何实现目标性质导向的材料生成仍面临显著挑战. 本文首先介绍了近年来在材料生成领域中具有代表性的生成模型, 包括CDVAE, MatGAN以及MatterGen, 分析其在结构生成上的基本能力与局限. 随后重点探讨如何将目标性质有效引入生成模型, 实现性质导向的结构生成, 具体包括基于目标性质向量的Con-CDVAE、融合结构约束与引导机制的SCIGEN、通过适配器实现性质调控的微调版MatterGen以及结合隐空间搜索优化的CDVAE隐变量优化策略. 最后总结当前性质导向生成机制面临的挑战, 并展望其未来的发展方向. 本文旨在为研究者深入理解和拓展性质驱动的材料生成方法提供系统性参考和启发.
专题: 半导体物理与器件
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2025, 74 (24): 241302.
doi: 10.7498/aps.74.20251120
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二维材料的发光特性与各向异性构成了微纳偏振发光器件实现与性能优化的物理基础. 然而, 并非所有天然二维材料体系同时具备强本征发光与强各向异性, 这在很大程度上限制了其在偏振可控发光器件中的应用潜力. 针对这一问题, 本研究基于范德瓦耳斯工程策略, 构建了由单层MoS2与低对称性NbIrTe4组成的异质结, 从而实现了高效发光特性与强各向异性响应的协同耦合. 角分辨偏振光致发光测试结果表明, NbIrTe4中固有的各向异性势场能够有效地改变单层MoS2的面内晶格对称性, 诱导其光致发光过程呈现明显的偏振依赖性, 并显著地提升激子的各向异性辐射强度. 本研究不仅揭示了范德瓦耳斯异质结中发光各向异性产生的微观物理机制, 还为新一代高性能偏振发光器件的结构设计与性能调控提供了可行的理论指导与实验依据.
专题: 超快原子分子谱学仪器与测量方法
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2025, 74 (24): 243202.
doi: 10.7498/aps.74.20251166
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孤立原子、分子及复杂体系中电子本征时间尺度演化规律及调控机理, 一直是原子分子物理基础科研与量子材料前沿应用十分重要的科学问题. 近二十年阿秒光脉冲产生以及阿秒度量谱学的发展, 为这一科学问题的探索带来新的契机和挑战. 传统飞行时间谱仪、速度动量成像谱仪等探测方式已能在极高时间能量分辨率下揭示阿秒时间尺度光电离电子发射过程中的阿秒散射相移过程, 然而在多体符合测量、三维动量关联方面存在局限性, 这极大限制了对多电子关联、电子-核耦合非绝热超快动力学等物理过程的探索. 为实现对光电离过程中电子、离子三维动量的多维实时观测, 电子-离子符合测量系统中引入了阿秒干涉仪, 发展出符合干涉测量系统. 本文介绍了一种结合阿秒脉冲泵浦-红外飞秒脉冲探测和冷靶反冲离子动量谱仪符合测量的阿秒符合干涉仪, 该装置能够对原子分子体系中所有带电粒子碎片的动量进行阿秒时间分辨成像, 从而深入探究光电离过程的动力学机制; 并着重介绍了近年来阿秒符合干涉仪在原子、分子以及更复杂体系的光电离动力学研究中的应用和取得的突破性进展.
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2025, 74 (24): 244204.
doi: 10.7498/aps.74.20251130
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液相是化学和生物反应的关键环境, 由于溶剂化效应的存在, 液相分子的化学、生物反应动力学表现出显著区别于气相孤立分子的演化行为. 深入地研究液相分子的超快激发态动力学对于揭示复杂化学和生物过程的微观机制具有重要意义. 分子激发态的制备与演化通常发生在阿秒至皮秒的时间尺度, 光电子能谱不仅能够表征激发态分子的电子结构, 对分子构型的演化也很敏感, 被广泛用来研究激发态分子的超快动力学过程. 磁瓶式光电子谱仪、液体微束装置与高次谐波技术的结合, 可以在高真空条件下直接测量出射电子的能量分布及动力学演化信息, 是液相光电子能谱研究的核心手段. 本文系统地总结了该技术在液相超快动力学研究领域的最新进展, 详细地介绍了磁瓶式谱仪的基本工作原理、液体微束靶的制备方法; 讨论了其在生物分子激发态动力学演化、液相分子激发态非绝热过程、分子间库仑衰变和芳香族化合物水溶液的气-液界面性质等研究中的典型应用; 最后对技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨.
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2025, 74 (24): 243203.
doi: 10.7498/aps.74.20251176
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时间和角度分辨的光电离实验能够跟踪原子分子的几何构型和电子态演化, 这需要在自由电子激光中测量电子离子全空间角分布. 本文报道在上海软X射线自由电子激光装置上的复合速度成像谱仪的首次实验结果. 在263.8 eV下, 用自由电子激光电离Kr和CCl4样品, 通过Andor和TPX3CAM两台相机分别获得电子动量图像与离子质谱. Kr的3p, 3d, 4p光电子及俄歇电子峰的强度与前人实验符合, 角分布参数β与前人计算符合. 同样, CCl4分子 Cl的2p光电子、2p俄歇电子及价壳层电子的角分布也与已有计算结果符合良好. 采用TPX3CAM相机测量了碎片离子的动量分布, 揭示了CCl4的光解离路径. 结果表明, 复合速度成像谱仪在实验中兼具全立体角收集与高分辨率优势, 为自由电子激光光诱导动力学研究提供了可靠的实验平台.
专题: 原子分子和材料物性数据
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2025, 74 (24): 243101.
doi: 10.7498/aps.74.20251230
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太阳风中的He离子与H2O分子碰撞的电荷转移截面是天体等离子体建模等领域所需的重要数据. 然而, 当前对应太阳风速度范围的中低能区He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面实验测量数据有限, 基于第一性原理的理论计算尚未开展. 本工作利用含时密度泛函非绝热耦合分子动力学模型, 计算了1.33—1800 keV宽能量范围内He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面. 模拟采用反转碰撞框架, 探究了电荷转移和电子离子耦合动力学, 发现H2O分子的单电荷转移截面有较强的分子取向依赖特性, 并且低能区和高能区不同分子取向对截面的贡献有显著区别. 截面计算结果与已有的实验以及经典理论模型数据较为符合, 表明本文所用理论方法和数值框架不仅适用于处理非裸核离子和分子碰撞的电荷转移过程, 还能定量分析分子取向对截面的影响. 这为后续复杂碰撞体系的相关截面计算奠定了基础. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00193 中访问获取.
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2025, 74 (24): 245101.
doi: 10.7498/aps.74.20250861
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温稠密和热稠密极端条件下的物质黏性在诸多场景有着重要应用, 例如: 惯性约束聚变靶丸设计、天体结构演化研究、极端条件下界面不稳定性和混合发展规律研究等. 由于黏性实验技术能够达到的温压范围非常有限, 因而, 极端条件下物质黏性数据的获取方式主要是通过理论计算. 本文阐述了计算温稠密和热稠密极端条件下物质黏性的多种理论方法, 包括以量子分子动力学模拟(QMD)为代表的数值模拟方法和以随机游走屏蔽势黏性模型(RWSP-VM)为代表的解析公式. 通过评估从低原子序数到高原子序数的多种单质(H, C, Al, Fe, Ge, W, U)的黏性数据, 讨论了各种方法的适用条件, 评估了各种解析公式的可靠性和适用范围. 可以看到, 数值模拟方法获得的数据量以及覆盖范围仍然有限, 不同的数值模拟方法之间还存在一定分歧, 解析公式仍然是快速获取大量黏性数据的可靠方式. 基于物理建模和模拟数据的拟合公式, 例如单质等离子体(OCP)模型、集成的Yukawa黏性模型(IYVM)等, 兼顾了模拟数据的精度和解析计算的效率. 基于物理建模的RWSP-VM, 不依赖于模拟数据, 却在较宽温压范围内具有与模拟数据相当的精度, 是获取温稠密和热稠密物质黏性数据的高效方法. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00180 访问获取.
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2025, 74 (24): 246201.
doi: 10.7498/aps.74.20251058
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钯(Pd)合金较低的摩擦系数和较好的力学性能使得其在用于长时间稳定工作的高精度仪器仪表中具备潜在优势, 但是因为高昂的原料和实验成本导致基础数据缺乏, 无法进行高性能Pd合金的设计. 因此, 本研究利用第一性原理计算了Pd的晶格常数和弹性模量, 并建立Pd与Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni等33种合金元素形成的稀固溶体模型, 计算了混合焓、弹性常数和弹性模量. 研究结果表明, 除Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Os和Ir外, 其他合金元素都可以固溶到Pd中, 元素周期表两侧的合金元素能提高Pd固溶体的延展性, 其中La, Ag和Zn的作用最明显. 通过差分电荷密度分析, Ag掺杂后形成的电子云呈球形分布, 造成延展性提高, Hf掺杂后周围的离域程度最大, 表明Hf与Pd的键合存在较强的离子性, 导致Pd31Hf硬度较高. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00186 中访问获取.
总论
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2025, 74 (24): 240201.
doi: 10.7498/aps.74.20251073
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固态电池凭借能量密度大, 安全系数高等优势, 近年来逐渐成为人们关注和研究的焦点. 锂枝晶是影响电池安全性和使用寿命的关键因素, 严重时会发生电池短路的情况. 相较于液态电池, 固态电池依赖于机械强度更高的固态电解质, 能有效地抑制锂枝晶的生长, 然而随着充放电循环次数的增加, 由于锂枝晶未完全溶解而产生的死锂逐渐累积, 电池的性能逐渐降低. 本文针对固态电池中的死锂问题, 采用相场法模拟了力-热-电化学三种物理场耦合下的锂枝晶溶解和死锂产生过程. 结果显示, 当在相场模型中耦合入传热模型或者力学场后, 枝晶溶解截止时间和死锂面积都会发生变化. 同时, 在此基础上升高温度或是施加低外压、高外压时, 死锂面积都会降低. 而对于改变电化学参数, 减小扩散系数、增大界面迁移率以及减小各向异性强度都能有效地减少死锂面积.
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2025, 74 (24): 240501.
doi: 10.7498/aps.74.20251142
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在活性物质系统中, 外部驱动场(如电场、磁场或光场)常被用于调控粒子的运动行为与集体状态. 惯性效应在粒子动力学中扮演关键角色, 它使粒子对场的响应出现延迟, 从而诱发复杂的集体行为. 然而, 具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的动力学行为尚不明确. 本文通过数值模拟系统研究具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的集体行为. 结果表明, 改变外场频率可诱导系统出现一系列集体运动状态, 包括极性有序、向列有序以及交叉流动带等结构. 粒子的自推进速度与相互作用强度对系统状态转变的影响较弱. 本研究揭示了周期交流场在调控惯性活性粒子系统集体行为中的关键作用, 为进一步理解非平衡系统中驱动场与粒子动力学之间的耦合机制提供了新的见解.
2025, 74 (24): 240502.
doi: 10.7498/aps.74.20251102
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为了进一步提高混沌系统的复杂性, 本文构建了一个新型四维忆阻超混沌系统, 其中磁控忆阻器的存在提高了系统的复杂性, 使其能够产生更丰富、更复杂的动态行为. 所提出的系统有无数多个平衡点, 产生的吸引子属于隐藏吸引子. 讨论了随着参数变化系统的分岔行为、吸引子共存行为、瞬态现象, 以及系统依赖于忆阻初始条件变化产生无限多共存吸引子的超级多稳定现象, 分析表明新系统具有丰富的动力学行为. 同时分析了系统的不稳定周期轨道, 建立了适当的符号编码, 并探索了周期轨道的修剪规则. 此外, 提出了一种基于新的忆阻超混沌系统的数字图像加密方法, 并验证其具有良好的加密效果. 最后, 利用DSP数字电路对新系统进行了实验验证, 结果与数值仿真一致, 验证了忆阻系统的正确性与可实现性.
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2025, 74 (24): 240702.
doi: 10.7498/aps.74.20251146
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采用反应显微成像谱仪研究了炮弹能量40 keV条件下Ar2+离子与Ar和N2气体碰撞体系的单电子俘获和双电子俘获动力学过程. 通过高精度动量成像技术, 实验成功测定了Ar2+-Ar和Ar2+-N2碰撞体系中态分辨的单电子和双电子俘获截面, 并获取了炮弹离子的散射角分布. 实验数据分析表明: 在单电子俘获过程中, Ar2+与Ar原子作用时, 电子主要被俘获至炮弹$ 3{\mathrm{s}}3{\mathrm{p}}^{6} $激发态; 而与N2分子相互作用时, 电子优先占据$ 3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{5} $态. 值得注意的是, Ar原子体系的单电子俘获截面分布与分子库仑过垒模型预测的反应窗口呈现良好的一致性. 在双电子俘获过程中, 无论靶介质为Ar原子还是N2分子, 双电子俘获均以基态($ 3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{6} $)占据主导地位. 此外, 还对Ar2+-Ar/N2的单、双俘获过程的散射角分布进行了分析和定性解释.
基本粒子物理学与场
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2025, 74 (24): 241301.
doi: 10.7498/aps.74.20250639
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重子非轻子衰变研究中一个悬而未决的问题是描述该类衰变的s波振幅与p波振幅的理论值不能同时与实验值很好地符合. 与以往的文献相比, 本文将采用协变的手征有效理论框架, 在扩展极小减除方案下计算该类衰变的s波、p波振幅的一圈图修正. 为与实验数据相比, 分别采用s波拟合和p波拟合两种途径获得协变理论预言值. 采用s波拟合得到s波协变振幅理论预言值略逊于重重子框架下的理论预言值, 但是由此得到p波协变振幅理论预言值较重重子框架下的理论预言值有较多改善; 采用p波拟合得到p波协变振幅理论预言值贴近实验值, 重重子框架下的理论预言值与实验值相差较大, 由此得到s波协变振幅理论预言值与实验值有明显差距, 但重重子框架下的理论预言值与实验值差距更大. 由此可见, 协变框架下一圈图完整计算中, s波振幅与p波振幅间的理论矛盾依然存在, 但是两者之间矛盾程度与重重子相比得到部分缓解.
原子和分子物理学
2025, 74 (24): 243201.
doi: 10.7498/aps.74.20250677
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里德伯原子会敏感地响应外部电场作用并发生量子相干效应, 这是基于里德伯原子测量精确电场的基本原理. 本文首先采用双光子三能级系统生成铯里德伯原子并形成电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency, EIT)效应, 以EIT-Stark光谱为宏观表征, 通过实验分别探讨了不同强度的直流电场和交流电场对里德伯原子Stark效应的调控作用, 揭示了强场测量受限的原因. 本文以电力系统工频强电场测量为目标, 提出了直流场调控扩大交流电场测量范围的方案, 建立了交直流电场共同作用于里德伯原子的动力学模型, 推导出解调后的直流和交流电场分量表达式. 在激光器扫频范围1 GHz的条件下, 施加8 V/cm的直流调控场, 采用28D3/2里德伯态可测到交流电场峰值可达32 V/cm, 较直接测量方法提升了33.3%; 设置不同强度的直流调控场进行实验, 解调后得到的交流场误差在0.8%以下. 本研究为基于里德伯原子的强场测量提供了一种有效的解决方案.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (24): 244201.
doi: 10.7498/aps.74.20251068
摘要 +
基于平面光学器件的超表面全息图因其在实现光学器件和系统微型化方面的潜力而受到广泛关注. 然而, 传统同轴全息术中固有的零级衍射和双像效应会显著降低成像质量, 限制其在实际应用中的推广. 相比之下, 离轴超表面全息成像具有显著优势. 在离轴超表面全息的设计过程中, 不同周期的单元结构会导致全息图在成像过程中产生图像位置偏移的现象. 为此, 本文研究了单元结构周期对离轴全息成像位置的影响. 采用高透过率的二氧化硅作为基底材料, 以二氧化钛作为相位调控单元, 设计工作波长为635 nm. 数值模拟结果表明, 随着单元结构周期的增加, 全息像的中心位置逐渐靠近成像面的中心区域. 在该设计方案中, 当周期设定为 324 nm时, 全息像能够成像于预设位置. 此外, 分别对不同离轴角度和单元结构高度构建的超表面全息图进行数值模拟分析发现, 成像位置均位于设计位置处, 说明成像位置主要受周期影响. 因此, 可以通过精确调控周期参数, 实现全息图像在预定位置的重建, 从而为高精度全息成像系统设计提供理论依据.
2025, 74 (24): 244202.
doi: 10.7498/aps.74.20251033
摘要 +
利用分数阶涡旋光束(fractional vortex beams, FVBs)作为信息载体可显著提高通信系统容量, 但由于相邻分数阶轨道角动量(fractional orbital angular momentum, FOAM)模态之间的间隔差异较小, 使得FVBs极易受到大气湍流影响, 因此精确地测量失真的FOAM模态对实际基于FVBs的通信系统而言至关重要. 本文提出了一种基于卷积神经网络-Transformer混合架构的双通道深度学习模型, 通过学习并融合FVBs光强分布与其衍射图样的互补特征信息, 实现对大气湍流环境下FOAM模态的有效识别. 结果表明, 在1000 m传输距离之内, 本文构建模型在弱、中湍流强度下识别101个FOAM模态的准确率可达100%, 强湍流时也能达到98.12%, 并且在未知湍流强度下也表现出良好的泛化能力, 为准确识别FOAM模态提供了一种新方法.
2025, 74 (24): 244203.
doi: 10.7498/aps.74.20251124
摘要 +
金纳米棒作为生物医学探针因其可调谐等离激元特性备受关注, 但其亚细胞尺度精准成像受限于衍射极限与现有超分辨技术的高光损伤、外源标记依赖性等瓶颈. 本文提出相干调制振幅投影成像技术, 通过飞秒脉冲对的空间相干调制与振幅-相位协同耦合机制, 低功率激发就可实现金纳米棒取向分布超分辨探测, 同时无需荧光分子标记. 该方法将亚衍射极限信息编码至频域, 利用傅里叶分析同步解析金纳米棒的空间定位、三维取向及局部微环境响应, 规避了荧光分子标记干扰并显著抑制光热效应影响. 实验证实相干调制振幅投影成像通过调控脉冲间延时与相位可精确操控金纳米棒光致发光相干态, 为研究纳米-生物界面动态过程提供了多维度分析工具.
2025, 74 (24): 244205.
doi: 10.7498/aps.74.20250725
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90°光混频器是无线相干光通信系统接收端的关键器件, 在提升接收端灵敏度和抗干扰能力方面发挥着重要作用. 传统的90°光混频器存在对精度要求高、体积大、受限于模式失配、偏振敏感和功能单一等缺点. 为解决上述问题且进一步实现器件的多功能化, 在铌酸锂平台基于多模干涉(multimode Interference, MMI)结构, 设计了兼具90°光混频和模式分离功能的多功能集成器件. 该器件在功能上具备良好的可扩展性, 在性能上均优于传统结构, 具有低损耗、高精度和宽带宽的特点, 并通过容差分析验证了器件在较大工艺误差范围内仍能保持优异的性能, 展现了较高的工艺容差性和可靠性. 该器件可同时应用于大规模集成光学中, 为高性能片上光通信系统提供了新技术.
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2025, 74 (24): 244206.
doi: 10.7498/aps.74.20251069
摘要 +
多光子显微镜(multiphoton microscopy, MPM)已成为生物医学领域的重要研究工具. 目前, MPM的驱动激光基于钛蓝宝石激光器, 可提供720—950 nm的波长可调谐飞秒脉冲. 为覆盖1000—1350 nm的第二生物透射窗口, 通常需要引入复杂的光学参量振荡器. 而为增加成像深度, 位于1600—1750 nm 的第三生物透射窗口的光源同样也得到了广泛的关注. 然而, 迄今为止还没有能够同时覆盖三个透射窗口的超快激光源, 这阻碍了MPM在生医领域的广泛应用. 本文发展了一种基于双波长光纤激光器的超快光源, 输出波长在800—1650 nm之间可调谐的四色飞秒脉冲, 覆盖了适合驱动MPM的全部波段. 利用该超倍频程的超快光源驱动MPM, 我们成功地实现了对多种生物医学样品的无标记多模态成像.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (24): 245201.
doi: 10.7498/aps.74.20251054
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针对实际应用中由非均匀激波驱动的界面失稳问题, 开展了马赫反射波系与平面气体界面相互作用的机理研究, 重点探讨了马赫杆尺度效应对界面失稳演化和扰动增长的影响. 结果表明, 马赫反射波系冲击界面时, 通过复杂波系作用在界面上印刻速度扰动, 诱发了界面失稳. 随后, 在波后流场非均匀性的影响下, 界面进一步演化形成凹腔和“射流状气泡”结构, 显著区别于经典Richtmyer-Meshkov不稳定性中的尖钉与气泡. 扰动振幅的定量分析表明, 界面失稳演化可分为初期线性增长和后期非线性发展两个阶段. 其中, 滑移线弯曲和卷曲射流驱动的界面变形, 是界面演化向非线性阶段转变的关键物理机制. 马赫杆尺度决定了滑移线卷曲和射流形成的特征时间. 在线性阶段, 扰动增长由马赫反射波系的激波强度和入射角度主导, 与马赫杆尺度无关; 而在非线性阶段, 界面扰动增长率随着马赫杆尺度的增大而增大. 基于数值模拟结果对理论模型进行了考察, 结果表明, 现有理论模型可有效地预测马赫反射波系印刻的界面速度扰动, 但无法考虑马赫杆尺度效应和波后非均匀流场的影响. 本研究揭示了界面失稳演化与马赫反射波系激波强度、入射角度及马赫杆尺度之间的内在关系, 对界面扰动增长理论模型的建立具有重要意义.
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2025, 74 (24): 245202.
doi: 10.7498/aps.74.20251047
摘要 +
在射频容性耦合尘埃等离子体放电中, 下极板凹槽通过影响鞘层里的电势分布, 进而对尘埃颗粒的集体行为产生显著影响. 实验中通过在腔室内撒入微米级直径的尘埃颗粒, 观察到其在下电极凹槽势阱上方分层出现, 整体呈“碗状”云分布. 尘埃云的体积大小随射频功率和放电气压的变化而变化. 尘埃空洞在每层尘埃颗粒的中心出现, 其直径大小和变化受尘埃颗粒数量、射频功率和放电气压影响. 此外, 基于流体模型和尘埃粒子模型建立混合模型, 模拟发现尘埃颗粒的集体行为主要由其所受的轴向合力(考虑轴向电场力、离子拖拽力和重力)和径向合力(考虑径向电场力和离子拖拽力)决定. 实验发现, 通过在射频电极施加负直流偏压, 尘埃颗粒悬浮高度先增大后减小, 悬浮高度的变化能够较直观地反映等离子体放电从α-γ模式的转变.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
2025, 74 (24): 246202.
doi: 10.7498/aps.74.20251044
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针对目前钢铁材料掺杂合金元素改性主要从细晶、弥散强化两方面入手, 涉及铁素体基体相本身性能改善的研究不足, 本文结合第一性原理计算和正交试验法, 构建Fe16–x –y –zMnxTiyMoz(x, y或z = 0, 1或2)三元掺杂超胞模型, 系统研究M (Mn, Ti, Mo)掺杂对其稳定性、电子结构和力学性能的影响. 形成热(Hform)计算表明, 所有固溶体均能自发形成, 且Ti掺杂最利于固溶体形成, Mn次之, Mo最不利; 结合能(Ecoh)计算表明, 所有固溶体均具有结构稳定性, 且Mo掺杂对其结构稳定性的影响最大, Ti掺杂次之, Mn掺杂最小; 电子结构分析表明, 掺杂原子Mn 3d, Ti 3d和Mo 4d与Fe 3d态重叠增加, 并出现明显的杂化现象, 导致费米能级降低, 且Fe13Ti1Mo2费米能级最低, 稳定性最好, 与结合能判定结果一致; 力学性能计算表明, M掺杂降低了固溶体的抗拉压变形能力和硬度, 但却提升了其塑性, 这为韧塑性铁素体基钢铁材料的设计提供了理论借鉴与技术参考.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (24): 247401.
doi: 10.7498/aps.74.20251391
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共价有机框架(covalent organic framework, COF)因具有高度有序的多孔结构、优异的分子吸附能力和结构稳定性, 被认为是一类具有潜力的表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)基底. 然而, 传统COF材料因缺乏等离激元特性而难以实现高强度的拉曼增强效应, 从而限制了其在高灵敏检测中的应用. 为此, 本研究设计并制备了一种新型钌基共价有机框架(Ru-COF)复合材料, 用于构建高性能SERS活性基底. 通过将钌配合物直接引入COF骨架, 形成稳定的Ru-N/O共价配位结构, 有效提高了钌的负载量和分散性, 显著增强了基底的电磁场耦合强度和电子传输能力. 与纯COF相比, Ru-COF基底在检测亚甲基蓝分子时表现出优异的SERS响应性能, 其检测限低至10–12 mol/L, 线性相关系数R2 ≥ 0.99, 增强因子高达1.83×1010, 信号重现性良好(相对标准偏差<5%), 并在空气中暴露4个月后仍保持超过90%的初始信号强度, 显示出极佳的稳定性与耐久性. 进一步的应用研究表明, Ru-COF基底在复杂水样中依然能够实现对痕量亚甲基蓝分子的稳定检测, 检测限仍维持在10–12 mol/L量级, 且具有优异的抗离子干扰与信号一致性. 这说明该基底不仅在标准条件下表现出卓越的灵敏度和重现性, 也具备在真实环境样品中进行高灵敏定量检测的潜力. 该材料的设计思路为金属-有机协同增强型SERS体系提供了新的研究方向, 并为其在环境污染物检测、食品安全分析及临床诊断等领域的实际应用奠定了重要基础.
2025, 74 (24): 247901.
doi: 10.7498/aps.74.20251188
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基于已有的一维虚拟阴极理论模型, 本研究进一步建立了虚拟阴极的绝对误差理论, 并系统分析了热阴极温度、饱和电子发射电流、电子收集电流、杜什曼常数以及电子逸出功等参数对虚拟阴极测量的误差贡献. 研究结果表明, 影响虚拟阴极势阱深度测量的主要因素与虚拟阴极的强弱密切相关, 当热阴极产生的虚拟阴极较强时, 阴极加热温度的不确定性约有61%的概率成为势阱深度测量的主要误差源, 而当虚拟阴极较弱时, 电子电流测量的不确定性约有39%的概率成为主要误差源. 此外, 在虚拟阴极的空间宽度测量方面, 对于常见的热阴极材料, 其测量结果的主要误差大概率(至少90%)是由热阴极温度和电子逸出功的不确定性造成的, 只有当虚拟阴极非常微弱时, 电子电流的不确定性是主要误差源.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (24): 248501.
doi: 10.7498/aps.74.20251004
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本文采用磁控溅射法制备了Ag/BiFeO3/Fe2O3/ITO多层结构, 并系统研究了Fe2O3层厚度对其电学特性的调控作用. 实验发现, 不同Fe2O3层厚度的器件均表现出稳定的双极性电阻开关行为. I-V特性拟合分析表明, 其电阻转变机制源于Ag活性电极在外电场作用下形成/断裂的导电细丝. 此外, 器件在多次循环中均呈现可重复的负微分电阻现象, 该现象与氧空位迁移及局域焦耳热效应导致的细丝不稳定过程密切相关. 本研究为通过界面工程调控阻变存储器性能提供了可行的材料体系与物理机制理解.
2025, 74 (24): 248502.
doi: 10.7498/aps.74.20250891
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随着ChatGPT等大语言模型的发展, 产业界对硬件的算力、容量和功耗提出了新的需求. 存算一体(compute-in-memory, CIM)技术相较于传统近存计算, 减少了数据搬移, 显著降低功耗. 而在众多存储器中, 3D NAND闪存因其成熟的工艺制造技术和超高容量, 是最有可能实现大模型本地部署的候选方案. 然而, 目前针对3D NAND闪存CIM芯片的研究大多停留在学术研究阶段, 未基于产品级3D NAND闪存芯片进行系统性的CIM架构设计和大模型功能验证. 对此, 本文搭建了基于PyTorch框架的大语言模型仿真器平台来评估系统架构的性能, 并提出了一种基于源线背面切分工艺的通用3D NAND架构. 该架构通过改动3D NAND的源线制造工艺以支持CIM计算, 工艺成本极低, 可供产业界快速迭代, 并完善了相应的映射算法和流水线设计. 最后通过仿真器平台对所提出的架构在电流分布和量化的影响下进行了性能评估, 仿真结果表明所设计的产品级3D NAND芯片可以在GPT-2-124M大模型上做到20 tokens/s的生成速度和5.93 TOPS/W的能效比, 在GPT-2-355M大模型上做到8.5 tokens/s的生成速度和7.17 TOPS/W的能效比.
