亮点文章
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研究了人工巨原子与三个微腔耦合系统中的光子阻塞效应. 首先讨论了弱驱动腔模的情况, 分析了单光子和双光子激发时系统的能级结构和跃迁路径, 研究了系统中光子的统计特性. 其次, 考虑同时驱动人工巨原子和腔模, 探讨了利用量子干涉效应进一步增强光子阻塞. 研究结果表明, 系统的两个腔中出现了对弱驱动具有鲁棒性的光子阻塞效应, 等时二阶关联函数的值为$g^{(2)}(0)\approx 10^{-3.4} $. 另外, 在同时驱动人工巨原子和腔模的情况下, 本研究实现了最佳光子阻塞, 等时二阶关联函数可以达到$g^{(2)}(0)\approx 10^{-6.5} $. 该研究结果可为单光子源的实验实现提供新的可行方案.
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近零场磁共振波谱和成像是一个快速发展的前沿领域, 其在化学样品快速分析和便携式磁共振诊断方面拥有巨大的应用潜力, 伴随着其核心部件原子磁力计的成熟, 国际上许多学者已提出相关的临床应用方案与计划. 近年来, 超极化技术的快速发展弥补了近零场磁共振信号强度不足的问题. 溶解动态核极化(dDNP)、仲氢超极化(PHIP/SABRE)、化学诱导动态核极化(CIDNP)以及自旋交换光抽运(SEOP)等超极化技术在近零场磁共振中已得到初步应用. 结合超极化技术, 可以摆脱磁铁, 显著提高磁共振信号强度, 从而推动近零场磁共振在化学分析与人体成像中的应用, 为快速的化学样品分析和基于磁共振成像的快速诊断提供更便携的工具. 本文将综述近零场磁共振与超极化技术的相关研究进展.
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量子通信具有感知窃听的功能, 这是其区别于经典通信而独有的优势, 能够为信息安全提供新的保障. 在实际应用中, 量子通信具有绝对安全性的前提是所有通信方均是合法通信方, 然而, 这在实际通信环境中难以保证, 为量子保密通信带来安全性隐患. 因此, 在通信之前对通信方进行身份认证具有重要意义. 量子身份认证利用量子力学基本原理在通信方之间实现单向或双向身份认证, 并能确保身份认证码的绝对安全, 在量子通信领域具有重要的研究价值. 本文系统地梳理了量子身份认证协议的研究历程, 根据所需的不同量子资源对基于单光子、纠缠态、连续变量、混合型变量的量子身份认证协议进行介绍, 又根据身份认证过程中使用的量子协议类型, 介绍了基于量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态以及乒乓协议框架的量子身份认证协议, 并分析各类协议在效率、安全性及实用化方面的优缺点. 最后, 详细地介绍了最新的量子身份认证协议——基于GHZ态的多方同步身份认证协议以及具有身份认证功能的极化-空间超编码的三方量子安全直接通信协议, 并对量子身份认证的未来发展方向以及在量子通信领域的应用潜力进行展望. 本综述可为未来量子身份认证的实用化发展提供理论支持.
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结合实验与理论研究, 探索了在多光子区域($ \gamma \gt 1 $)短脉冲激光作用下氩原子的光电离过程. 通过建立包含隧穿出口处电子初始纵向动量的半经典模型, 模拟了光电子动量分布. 该方法基于费曼路径积分理论框架, 为每条电子轨迹赋予动力学相位, 从而实现了对量子干涉效应的研究. 模拟结果与含时薛定谔方程(TDSE)数值解高度符合, 同时发现, 初始纵向动量的引入对于精确重现电离阈值附近观测到的光电子谱干涉结构至关重要, 并揭示出离子实极化对低能谱影响甚微. 本文的研究结果强调了超短脉冲光电离中非绝热势垒下动力学的重要性, 并提供了基于量子轨道的清晰物理图像.
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燃烧场温度与气体组分浓度的二维分布对发动机燃烧效率以及性能评估具有重要意义. 本文提出一种基于自适应区域权重混合模型的燃烧场温度和气体组分浓度二维重建方法, 提高复杂突变燃烧场重建精度. 通过区域权重机制将多项式模型与高斯径向基函数模型结合为混合模型, 并自适应迭代计算区域权重矩阵. 一方面通过区域权重矩阵保证了混合模型在兼顾全局特征的同时, 提高混合模型细节特征的描述能力; 另一方面, 在残差函数中加入区域权重正则化方法, 提升算法的精度. 数值模拟了三种燃烧场分布, 通过对比验证了混合模型的表征能力和重建精度, 结果表明, 混合模型算法重建误差低于单一模型及传统ART算法, 其温度、浓度分布重建最大误差分别为3.31%和7.13%. 并在标准McKenna燃烧器上搭建了扫描式TDLAS测量平台及热电偶测量平台对该方法进行实验验证, 重建结果与实际分布一致性较好, 1800 K下中心温度与热电偶测量结果偏差为10 K, 验证了该方法的有效性, 可为发动机燃烧场测量分析提供有效的参考.
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月面任务将面临月球车车轮与月尘摩擦充放电风险, 初步的理论研究表明金属材质的车轮可能会充电至–5000 V量级, 放电脉冲电流可达0.1 A量级, 严重威胁航天员生命安全和器件电路的正常工作. 本文采用地面实验手段研究了真空、太阳风等离子体环境下月球车车轮摩擦充放电风险. 研究结果表明, 真空环境下, 直径为136 mm的铝合金月球车车轮以0.003 m/s在月尘层上行驶时会快速充电至几百伏正电位, 车轮行驶距离至约20 m, 电位为550 V时即发生放电击穿, 此时捕捉到的放电电流脉冲幅值可达1.5 A, 脉冲持续时间约100 ns; 增加摩擦频率充电速率明显增加, 放电更频繁地发生; 在模拟的太阳风等离子体环境下, 车轮以0.003 m/s行驶时环境和摩擦共同作用使充电电位为负, 平衡后电位约–830 V, 且放电更加频繁, 行驶至8.5 m时即发生放电击穿, 放电电流脉冲幅值可达0.3 A, 脉冲持续时间100 ns. 该放电脉冲对线性电路造成了电磁干扰, 导致信号的异常输出. 本研究表明月球车摩擦充放电风险较高, 需在后续工程任务中关注并进一步评估其危害程度.
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在量子资源理论中, 系统中不可避免存在的噪声使得调控和转化量子资源变得困难. 为了克服转化量子资源态时噪声的影响, 高资源初态$ {\boldsymbol \rho} $到低资源目标态$ {\boldsymbol \rho} ' $的转化往往考虑多份初始态到多份目标态的渐近转化. 渐近转化率$ R\left( {{\boldsymbol \rho} \to {\boldsymbol \rho} '} \right) $可以刻画这类转化过程中量子操作的能力, 并且它被定义为目标态份数与初态份数的比值. 一般地, 要得到渐近转化率的确切值是困难的. 在一般的多体量子资源理论中, 本文研究了两部划分下渐近转化率的分布特征: 当$ \alpha \geqslant 1 $时$ {R^\alpha }\left( {{\boldsymbol \rho} \to {\boldsymbol \rho} '} \right) $服从单配性关系式, 并且证明得到边际转化率和边际的催化转化率也都服从上述分布特征. 这些关系式表明多体系统中量子资源的分布以及子系统间量子资源的配置是存在束缚的.
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研究分子的碎裂机制以及碎片的动能分布, 有助于理解其在等离子体物理、生物组织的辐射损伤和星际化学等方面的重要作用. 本文利用冷靶反冲离子动量谱仪开展了3 keV/u的Ar8+离子束与氟甲烷气体分子束的碰撞实验, 聚焦CH3F3+离子C—F键和C—H键断裂后形成H++$ {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}^{+} $+F+这一三体碎裂通道, 测得3个碎片离子的三维动量. 借助离子-离子动能谱、Newton图和Dalitz图展示碎片的动能与动量关联, 分析了H++$ {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}^{+} $+F+通道的解离机制. 研究发现, 该通道存在协同碎裂以及通过中间体CH2F2+顺序碎裂两种解离方式, 其中协同碎裂占主导地位. 此外, 实验上观测到两种不同动力学特征的协同碎裂过程, 表明CH3F3+离子中H原子可以具有不同的化学环境. 这可能是由于分子异构化产生不同分子构型或者Jahn-Teller效应使得分子产生不同C—H键所致.
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辐射环境下, 增益光纤的辐致损耗会引起激光器输出性能的退化. 光漂白是降低辐射影响, 恢复激光器输出特性的一种有效方法. 本文对掺镱光纤激光器的辐照和光漂白特性开展了实验研究和模拟仿真. 在伽马辐照实验中, 激光器输出功率出现了明显的下降; 在漂白实验中, 观察到了激光器的性能恢复, 即自漂白现象. 为了摸清产生漂白效应的具体激光波长, 使用915, 976, 1070和1550 nm等不同波长激光测试了掺镱光纤内部辐致损耗的漂白特性, 明确了1 μm波段激光信号是引起掺镱光纤激光器性能恢复的主要因素, 而915, 976和1550 nm波段信号则无法实现对掺镱光纤的有效漂白. 测量了不同泵浦功率下掺镱光纤的漂白曲线, 并通过拟合得到了1070 nm光漂白下, 掺镱光纤辐致损耗的演化参数. 在此基础上, 计算给出了在辐照和光漂白条件下, 掺镱光纤内部辐致损耗的演化曲线; 结合激光器的辐射物理模型, 仿真给出了掺镱光纤激光器的功率演化曲线; 相关计算和仿真结果与实验测量数据变化趋势一致. 相关工作可为光纤激光器在辐射和漂白条件下性能演化预估提供技术支撑.
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作为典型的单中子晕核, 11Be在原子及核物理研究中具有独特的意义. 本文针对类氦11Be2+离子, 采用相对论组态相互作用方法, 高精度计算了主量子数最高达$n = 8$的$n^{3}{\mathrm{S}}_1$和$n^{3}{\mathrm{P}}_{0,1,2}$态的能量与波函数. 通过将有限核质量修正算符直接引入Dirac-Coulomb-Breit哈密顿量, 使计算能够同时考虑相对论效应和质量相关修正. 基于计算的高精度能量与波函数, 本文进一步确定了$k^3{\mathrm{S}}_1 \rightarrow m^3{\mathrm{P}}_{0,1,2}$ ($k \leqslant 5$, $m \leqslant 8$)电偶极跃迁的振子强度, 精度达3—6位有效数字. 此外, 利用态求和法计算了$n'^3{\mathrm{S}}_1$ ($n' \leqslant 5$)态在宽光子频率范围内的动力学电偶极极化率, 在远离共振位置处结果最高可达10–6精度水平. 上述高精度计算结果为11Be2+离子在高精度测量中涉及的斯塔克频移评估以及光与物质相互作用的模拟等方面提供了重要的理论依据和关键输入参数.
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