亮点文章
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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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在现代电子通信、人工智能产业快速变革的浪潮中, 第3代半导体的规模化应用推动着高性能高频软磁材料需求的日益增长. 然而, 传统软磁材料的基本性能之间存在着复杂的权衡关系, 例如饱和磁化强度与矫顽力、磁导率与损耗、机械强度与矫顽力往往不能同时兼得. 非晶基软磁材料以内部不同尺度序结构作为关键功能基元, 催生了极其丰富的物理特性. 序调控是一种通过优化序结构本征特性、序构形式来提升性能的理念, 为突破软磁性能的矛盾关系开拓了新的设计维度. 本文首先介绍了软磁材料的发展历程, 然后阐述了序调控的科学理论基础, 综述了基于序调控工程创制高性能非晶基软磁材料的最新进展, 重点介绍短程序、中程序、非晶-纳米晶双相等影响宏观物性的关键序构形式对软磁性能的影响及其作用机制, 最后指出了面向未来高精尖产业前沿的新一代高频软磁材料发展方向.
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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, 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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高熵合金纤维因其优异的力学性能和稳定性, 在高科技领域具有广阔的应用前景. 然而, 该类材料强塑性不匹配的问题制约了其进一步应用, 虽然热处理可以进一步优化其力学性能, 但传统热处理方法对时间和能源的消耗较高, 且难以精准调控材料的组织, 易导致晶粒粗化. 本文采用电流处理技术调制微米级(直径~70 μm)冷拔态CoCrFeNi高熵合金纤维的性能, 采用电子背散射衍射、透射电子显微镜以及同步辐射等技术探讨了电流处理过程中的热效应与非热效应对材料组织结构和力学性能的影响, 建立了CoCrFeNi纤维再结晶形核和长大模型. 相比于传统热处理, 电流处理过程中电子风力和焦耳热效应的协同作用显著加快再结晶过程, 获得更细小且均匀的晶粒, 并有效降低位错密度, 进而获得更优异的力学性能. 电流处理可获得屈服强度为400—2033 MPa的纤维, 延伸率最高可达53%. 本文证实, 电流处理可作为优化高熵合金纤维组织结构及性能的有效手段, 为高性能金属纤维的制备及工程化应用提供理论支撑和工艺指导.
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稀土元素的原子结构特殊, 具有内层未成对4f轨道电子多、原子磁矩高、自旋轨道耦合作用强的性质, 故其电子能级极为丰富, 易形成多种价态、多种配位的化合物, 通常表现出特殊的磁学性质和丰富的磁畴结构, 成为高新技术产业发展的关键材料. 这类材料中复杂的磁结构形式、多样的磁耦合类型及多种直接或间接的磁交换作用, 为开发新型功能器件提供便利的同时, 也对基础研究提出了严峻挑战. 随着数据挖掘技术的快速发展, 大数据和人工智能的出现给研究人员提供了一个新的选择, 可以高效地分析大量实验和计算数据, 从而加速稀土磁性材料的研究与开发. 本文围绕稀土永磁材料、稀土磁致冷材料、稀土磁致伸缩材料等, 详细阐述了数据挖掘技术在其性能预测、成分与工艺优化、微观结构分析等方面的应用进展, 深入探讨了当前面临的挑战, 并对未来发展趋势进行展望, 为推动数据挖掘技术与稀土磁性材料研究的深度融合提供理论基础.
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Janus过渡金属硫族化物单分子层具有独特的晶体结构和物理化学性质, 在微纳尺度电子器件及热电转换领域具有巨大的应用潜力. 深入探索其热输运和热电性能对于实际应用至关重要. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了拉伸应变对Janus过渡金属硫族化合物单分子层(PtSSe, PtTeSe, MoSSe, MoTeSe, WSSe和WTeSe)声子热输运性能和热电性能的影响. 对于热输运性能, 在0—10%的拉伸应变范围内, PtSSe, MoSSe和WSSe单分子层的晶格热导率单调减小; PtTeSe, MoTeSe和WTeSe单分子层的晶格热导率先增大后减小. 通过对声子模层面的深入分析, 发现声子寿命是影响晶格热导率在拉伸应变下变化的主导因素. 对于热电性能, 本研究发现PtTeSe单分子层表现出极佳的热电性能, 室温下其热电优值为0.91, 在10%的拉伸应变下, 热电优值达1.31. 700 K下, p型PtTeSe单分子层的热电优值高达3.96, n型PtTeSe单分子层的热电优值高达2.38. 本研究表明PtTeSe单分子层是具有潜力的热电材料, 应变工程是调控Janus过渡金属硫族化物单分子层热输运和热电性能的有效策略.
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在空间核反应堆系统、深空探测器电源模块以及运载火箭推进装置等极端辐射环境中, 高压大功率器件展现出重要的应用价值. 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)具备耐高压、耐高温和低导通损耗等优点, 能够使宇航电源的效率得到进一步提升. 因此, SiC功率MOSFET空间辐射效应和抗辐射加固技术迅速成为行业的研究热点. 首先, 本文回顾了SiC功率MOSFET器件的发展历程, 分析了从平面栅技术到沟槽栅技术的演变过程, 并对未来新型SiC功率MOSFET技术进行了展望. 其次, 针对SiC功率MOSFET在复杂空间环境下面临的辐射损伤问题, 着重梳理了目前国内外关于重离子辐照SiC功率MOSFET引起的单粒子烧毁与单粒子栅穿的相关研究成果. 最后, 基于SiC功率MOSFET单粒子辐射损伤机制分析, 总结了目前SiC功率MOSFET抗辐射加固技术的研究进展, 为研究SiC功率MOSFET单粒子效应损伤机制以及改进其抗辐射加固技术提供参考.
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利用数值模拟含时薛定谔方程的方法, 研究了氢原子在强激光场作用下产生的阈下高次谐波辐射. 在波长为608 nm激光作用下, 氢原子可以吸收5个光子, 由基态$\left|1{\mathrm{s}}\right\rangle$共振跃迁至激发态$\left|2{\mathrm{p}}\right\rangle$态; 氢原子也可以吸收更多光子发生电离, 某些连续态$\left|{\mathrm{c}}\right\rangle$在激光缀饰下能量和$\left|2{\mathrm{p}}\right\rangle$态能量相当. 随后发生的$\left|2{\mathrm{p}}\right\rangle \leftrightarrow \left|1{\mathrm{s}}\right\rangle$复合, 或$\left|{\mathrm{c}}\right\rangle \leftrightarrow \left|1{\mathrm{s}}\right\rangle$复合, 可辐射出能量相同的光子. 这两个复合路径相互干涉, 在第5次谐波中形成典型的法诺线形. 进一步研究发现, 该法诺线形依赖于激光强度. 本研究表明, 即便是在单电子体系中, 法诺干涉也可以存在, 并且可以通过控制激光参数改变法诺线形.
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近年来, 基于第一性原理的新型高性能合金的设计开发受到了广泛关注. 然而, 在纳观尺度上, 关于Cu-Zr合金的结构设计及其热力学性质的研究鲜有报道. 本文基于CuZr2的晶体结构特点, 采用Cr原子掺杂的方法, 通过基于密度泛函理论的第一性原理计算, 设计优化了12种Cr掺杂CuZr2结构, 发现了6种力学及动力学稳定的掺杂结构模型. 通过对CuZr2及其动力学稳定的Cr掺杂结构的电子结构、弹性性质和硬度的计算研究发现: 所有的研究对象均表现为金属性质, CuZr2对外不显示磁性. 然而, Cr原子的掺入, 增加了基体的元素种类, 除Cr原子d轨道电子带来的自旋电子差异外, 掺入的Cr原子还会破坏基体内Zr原子p和d轨道上不同自旋方向电子的对称性分布, 使设计的6种Cr掺杂CuZr2结构表现为铁磁性质, 其磁矩在0.303—5.243μB之间变化. 此外, 研究发现Cr元素可以改善CuZr2的力学性质. 当采用Cr原子替代基体内Zr原子时, 可以提高材料的弹性模量和硬度, 而采用Cr原子替代基体内Cu原子时, 由于硬度的降低, 则可以改善材料的加工性能. 本文数据集可在科学数据银行数据库https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00122 中访问获取.
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在考虑辐致损耗的条件下, 提出了单频单模光纤放大器功率极限理论模型, 并基于该模型分析了辐致损耗对于单频单模掺镱光纤放大器功率提升的影响. 结果表明辐致损耗不仅会导致放大器功率极限的迅速下降, 还使得功率极限仅能够在特定光纤直径和光纤长度下实现. 通过解析推导功率极限表达式, 发现辐致损耗的影响与无辐照条件下的光纤最佳长度有关, 缩小无辐照条件下的光纤最佳长度可以弱化辐致损耗对于功率极限的影响. 研究还表明针对特定目标功率, 辐致损耗的增加, 会导致光纤直径和光纤长度的选取范围缩小; 不过, 泵浦光亮度和吸收系数的提升, 有利于拓宽光纤长度和光纤直径的取值范围, 对于辐致损耗的影响有一定的抑制效果. 本文的理论模型及研究结果对于辐照环境中单频单模光纤放大器的研究及应用具有指导意义.
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