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多主元合金概念的提出颠覆了传统物理冶金的理念, 极大地拓展了材料设计空间. 合金相图从热力学角度揭示成分、热力学与结构之间的关系, 对指导材料优化具有重要意义. 传统实验方法测定相图费时耗力, 且面临着测量条件、成分控制、高温高压等因素限制, 系统评估相图和热力学性质困难. 在此工作中, 我们以典型等原子比镍钴铬合金为原型材料, 采用元动力学、动态概率增强采样和扩展系综模拟相结合的方法, 克服原子尺度模拟的时间尺度限制, 系统地绘制了镍钴铬在高温、高压条件下的温度-压力相图, 并计算了不同热力学条件下该材料体心立方晶体与液体相变的自由能面. 基于自由能路径, 量化了晶化和熔化相变过程中, 激活能、激活体积、激活熵与温度、压力的关系, 从而揭示了压力和温度分别通过影响激活体积和激活熵, 进而影响熔化和晶化动力学的物理机制. 该研究为理解多主元合金的热力学与相变动力学提供了理论支持, 探索了其在极端条件下结构稳定性.
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多主元合金, 亦称为高熵合金, 作为一种新型合金材料, 因其优异的力学性能和热稳定性在多个领域展现出巨大的应用潜力. 本文采用分子动力学模拟方法, 以3种典型的体心立方结构多主元合金——TaWNbMo, TiZrNb和CoFeNiTi为研究对象, 系统研究了合金中的原子局域晶格畸变特征及其影响因素. 通过冯·米塞斯应变和体积应变作为描述符, 定量分析了合金中原子应变的分布及其与晶格畸变的关系. 研究结果表明, 晶格畸变越大, 冯·米塞斯应变和体积应变的分布范围越广, 且应变值显著增大. 进一步分析发现, 合金中的原子半径差异、化学短程有序结构以及温度均显著影响原子应变. 具体而言, 原子半径差异越大, 体积应变越大, 而化学短程有序结构的形成有助于减小晶格畸变和原子应变. 温度的升高则会导致晶格振动加剧, 从而增大原子应变. 本文的研究为理解高熵合金的微观力学行为提供了新的视角, 并为其在高温和极端环境下的应用设计提供了理论支持.
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金刚石是一种用途极为广泛的极限功能材料, 本研究在6.5 GPa压力条件下, 利用温度梯度法研究了合成腔体中添加三硫化二硼(B2S3)时金刚石大单晶的合成. 随着B2S3的添加, 所合成金刚石的颜色由典型的黄色变为了浅蓝色, 而且金刚石的生长速率也随之降低. 拉曼(Raman)测试表明所制备样品为单一的sp3杂化金刚石相, 但对应的Raman特征峰均趋于向低波数移动. 借助傅里叶显微红外光谱(FTIR)测试结果, 分析发现金刚石内部氮杂质浓度逐渐降低. 此外, 利用霍尔效应测试表征了所合成金刚石的电输运性能, 结果表明B2S3可将(111)晶向金刚石电阻率降低至45.4 Ω·cm. 然而, 当合成体系中同时添加0.002 g B2S3和除氮剂时, 对应金刚石晶体的电阻率锐减至0.43 Ω·cm, 该研究为金刚石在半导体领域中的应用提供了重要的实验依据.
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本文研究了人工规范场调控下超导量子比特-SSH (Su-Schrieffer-Heeger)拓扑光子晶格耦合体系中的单光子散射. 通过解析计算单光子散射系数, 揭示了人工规范场对SSH拓扑晶格上下能带中的单光子散射具有完全不同的调控作用, 包括上能带全透射和下能带全反射. 其次, 本文进一步证明人工规范场调控下单光子散射相对于晶格动量和上下能带具有高度的对称性. 反过来, 发现人工规范场调控下单光子反射系数可以不依赖晶格耦合强度, 只依赖晶格的拓扑特性, 可用于探测光子晶格的拓扑不变量. 最后, 本文将人工规范场调控下的单光子散射推广至超导量子比特-拓扑光子晶格不同耦合构型中. 这些结果为拓扑光子晶格中光子输运的调控提供了新的视角和方法.
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稀土正铁氧体(RFeO3, R为稀土原子)包含Fe3+和R3+两套磁性离子亚晶格, 存在Fe3+-Fe3+, Fe3+-R3+, R3+-R3+三种相互作用, 它们是稀土正铁氧体丰富磁性的来源. 本文利用时域太赫兹磁光谱, 在1.6—300 K的温度范围内, 在不同磁场下, 测量a-cut DyFeO3单晶样品的吸收光谱, 并分析光谱中铁磁(FM)和反铁磁共振(AFMR)吸收峰的温度和磁场依赖特性. 在零磁场变温实验中, 我们发现随温度降低在Morin温度(~ 50 K)出现的温度诱导的自旋重取向(Γ4→Γ1), 以及在4 K温度以下存在一个由于电磁振子导致的宽带吸收. 在Morin温度以上, 我们在恒定温度(70, 77, 90, 100 K)下测量了样品在0—7 T磁场范围的吸收光谱. 实验结果表明, 随着磁场的增大, 存在一个新的磁相变过程(Γ4→Γ24→Γ2→Γ24→Γ2), 相变的临界磁场随温度而变化. 这一相变过程是由于外磁场和Fe3+-Dy3+的各向异性交换相互作用导致的内部有效场的相互竞争和对磁矩的协同作用. 本项研究为深入理解稀土铁氧化物的丰富相变和磁电耦合特性, 以及开发相关的自旋电子学器件提供参考.
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作为近年来新发现的非常规超导体, 重费米子化合物二碲化铀(UTe2)因被认为存在自旋三重态超导配对、高场再入超导相和新奇量子临界特征而受到广泛关注. 然而, 不同的样品质量导致该体系的实验研究结果呈现出明显的差异甚至矛盾. 关于是否多组分超导序参量、是否时间反演对称性破缺和多个场致超导相是否相同起源等关键问题, 学界争议激烈, 严重阻碍了对该体系本征超导配对机制的深度认识和理解. 本文总结了UTe2的单晶生长方法研究进展, 包括化学气相输运法、熔盐助熔剂法、碲助熔剂法和熔盐助熔剂液体输运法, 并梳理了生长条件对样品超导性和结晶质量的影响, 最后进行了总结和展望.
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少电子原子的精密光谱在基本物理理论验证、精细结构常数精确测定以及原子核性质深入探索等领域具有重要的应用价值. 随着精密测量物理学的快速发展, 人们对原子结构数据的需求已从最初的存在性确认, 转变为对高度准确性和精确性的持续追求. 为了满足精密光谱实验对高精度结构性质数据的迫切需求, 我们自主发展了一系列基于B-样条基组的高精度理论方法, 并将其成功应用于少电子原子的能级结构与外场响应性质的理论研究中. 具体而言, 实现了氦原子和类氦离子能谱的高精度确定, 为相关实验研究提供理论支撑; 实现了幻零波长的高精度理论预言, 为量子电动力学理论检验开辟了新方向; 提出了有效抑制光频移的理论方案, 为氦原子高精度光谱实验的开展提供了重要支持. 展望未来, 基于B-样条基组的高精度理论方法有望在量子态操控、核结构性质精确测定、超冷分子形成以及新物理探索等前沿领域得到广泛应用, 从而推动国内外精密测量物理领域的蓬勃发展.
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非常规超导电性通常与一系列复杂的物质态相互竞争或共存. 在铜氧化物超导材料中, 存在自旋序、电荷序、赝能隙态和奇异金属相等多种物质态. 理解它们之间的关系是解决高温超导机理问题的基础. 最近的研究结果表明, 电荷序关联在铜氧化物体系中普遍存在, 并且覆盖了相图的广泛区域, 成为高温超导研究的重点. 本文总结了共振X 射线散射对铜氧化物中电荷序的研究进展, 聚焦于具有能量分辨的非弹性散射实验, 着重介绍了关于高温动态电荷序关联的研究, 以及结合单轴应力对电荷序进行调控的工作. 基于这些结果, 讨论了铜氧化物电荷序的微观机制、结构和对称性, 以及电荷序对超导和正常态的可能影响, 并对未来的研究方向进行了展望.
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聚合物衬底克服了刚性平面衬底在空间形变场景下的局限, 并能结合光刻技术制备复杂三维异形空间结构. 光热冲镊技术实现了固体界面上对微纳物体的捕获和操控, 将该技术应用在聚合物衬底上可开发新的应用场景需求. 本文以常用的聚甲基丙烯酸甲酯和负性光刻胶作为聚合物衬底, 通过溶胶-凝胶法在其上制备SiO2纳米薄膜, 能有效减轻光热冲击效应引起的热损伤, 从而实现微纳物体的激光捕获及操控. 实验表明, 在常用激光操控功率条件下, 当SiO2纳米薄膜厚度大于110 nm时, 能够有效防止聚合物衬底因光热效应引起软化、膨胀和表面破坏. 理论计算也表明, 纳米薄膜能至少使聚合物表面温度降低111 ℃, 并使其产生最高温度的时间滞后13.2 ns. 本文使用的纳米薄膜制备技术具有常温、大面积、低粗糙度且厚度均一的优点, 能普遍适用于柔性聚合物衬底以及异形结构. 本实验结果拓展了激光捕获物体的环境媒介, 为其在微纳操控、微纳米机器人和微纳光机电器件等领域的应用提供新的可能性.
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中熵合金因其独特的强塑性协同效应, 在高应变速率服役的结构材料领域展现出广阔应用前景. 本研究聚焦于NiCoV中熵合金体系, 通过引入高熔点钨元素(原子含量为5%)进行合金化设计, 采用真空电弧熔炼结合热机械处理工艺制备了(NiCoV)95W5合金. 基于分离式霍普金森压杆实验平台, 系统揭示了该合金在2000—6000 s–1高应变速率下的动态响应机制与变形机理. 研究发现: 合金展现出优异的应变速率敏感性(m = 0.42), 当应变速率从准静态(10–3 s–1)提升至动态(6000 s–1)时, 屈服强度显著提升162% (720→1887 MPa), 这一强化效应源于高应变速率下晶格畸变诱导的声子拖曳作用显著增强. 通过显微分析, 揭示了该合金体系在高应变速率下的多尺度协同变形机理: 2000 s–1时以位错平面滑移为主导, 当速率增至4000 s–1时形成高密度位错缠结网络并激发部分析出相协同变形, 而在6000 s–1条件下则通过诱发变形孪晶实现加工硬化的存续. 本研究阐明了W元素掺杂的NiCoV中熵合金动态力学行为与变形机制, 为设计具有优异动态力学响应的新型结构材料提供了参考.
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