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超快退磁的发现提供了一种使用超短激光产生超快自旋流的新手段, 从而可能更快地操纵材料磁性. 然而, 这一过程仍未被理解, 尤其是超快自旋流在层间转移中的影响因素尚不明晰. 本文利用超扩散自旋输运模型对Ni/Ru/Fe自旋阀结构体系的超快自旋输运机制进行了深入研究, 尤其关注层间自旋转移效率对铁磁层超快磁动力学的影响. 本研究计算出铁磁层在不同磁化排列下的退磁差异, 并通过调节间隔层厚度, 揭示出超快自旋输运在磁动力学中的关键作用. 此外, 还确定了热电子自旋流在间隔层中的自旋衰减长度. 通过控制激光的薄膜吸收, 进一步发现了能够引起铁磁层瞬态磁化增强的条件. 这些结果对于理解热电子自旋流的输运机制具有重要意义, 为未来控制超快自旋流提供了理论基础.
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三元砷锑化镓(GaAsSb)纳米线具有直接带隙电子结构, 通过调节锑含量可实现其近红外波段发光波长在870—1700 nm范围内的超宽带调谐, 在近红外微纳光学器件方面具有十分重要应用前景. 但由于高密度表面态的存在, 砷锑化镓纳米线室温发光效率低、难以观测, 这导致其光学性质研究主要集中在低温条件下, 严重阻碍了其室温条件下的光学性质的调控研究及器件化应用. 本文利用高压策略结合荧光光谱与拉曼光谱技术, 在室温条件下进行砷锑化镓纳米线光学性质的调控研究. 研究表明, 通过压力的施加, 在0—2.8 GPa的压力范围内, 砷锑化镓纳米线的室温荧光获得显著增强, 并且发光波长可以通过压力实现原位调控. 同时, 砷锑化镓纳米线的发光性质与激发光波长相关, 相对于473 nm激发光波长, 514 nm和633 nm波长对应的发光效率更高. 高压原位拉曼光谱研究表明, 短波长473 nm激光辐照砷锑化镓纳米线可以产生显著的光热效应, 抑制光发射, 而高压策略可以有效降低光热效应对于砷锑化镓纳米线光学性质的影响.
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研究了一维复相互作用调制的非厄米玻色子模型. 通过数值计算能谱的实-复转变、Shannon熵、标准参与比率与拓扑缠绕数发现, 当相互作用强度低于临界相互作用强度时, 系统的能谱全为实数, 处于扩展相, 且系统是拓扑平庸的; 而当相互作用强度超过临界相互作用强度时, 系统开始出现复能谱, 处于扩展态与局域态混合相, 且此时系统是拓扑非平庸的. 计算结果表明, 能谱的实-复转变点、扩展-局域的转变点与拓扑转变点相一致. 动力学演化结果可以验证系统的实-复转变与局域化转变. 最后, 提出利用二维光子波导阵列可以模拟这一复相互作用调制的一维玻色子模型. 此项工作将为非厄米两体系统的局域性质提供很好的参考.
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经过几十年的发展, 全息成像已成为展示信息的成熟光学技术. 然而, 仅通过光的波长和偏振作为信息传递的载体的传统全息技术, 在信息传播的安全性和容量方面存在一定的不足. 将一种新的光学维度, 轨道角动量(orbital angular momentum, OAM), 引入全息成像为这些问题提供了一个有效的解决方案. 通过使用OAM复用的全息技术进行理论分析和仿真计算, 二维图像被加密和存储. 然后三维物体被切片为多幅二维图像, 通过OAM复用的全息技术被存储于一个相位阵列中, 实现了信息存储维度的有效降低, 并且经过OAM复用的全息技术被成功复现, 因而三维全息被实现. 此外, 每幅图按照相应拓扑荷进行加密, 信息传递的安全性被显著提升. 这种具有OAM选择性的全息技术更为安全, 信息通量更大, 具有广泛的应用潜力.
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基于第一性原理思想, 采用量子动力学方法对机器学习的迭代运动过程进行建模. 在机器学习的参数空间定义广义目标函数, 利用Schrödinger方程和势能等效得到机器学习过程的量子动力学方程, 通过Wick转动进一步建立了量子动力学与热动力学的关系, 这为利用物理理论和数学理论对机器学习的迭代过程进行研究提供了可能. 本文工作将机器学习的迭代过程转化为含时偏微分方程来进行精确数学表述, 该方程表明机器学习过程可能存在多尺度的退火过程和同一尺度下的时间演化过程. 利用量子动力学方程证明了机器学习在时间演化时的收敛性, 解释了机器学习中的扩散模型是量子动力学方程在经典近似和低阶泰勒近似下的映射模型, 导出了人工智能中常用的Softmax和Sigmoid函数. 这些结果表明量子动力学方法在研究机器学习理论中是有效的.
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光子轨道角动量(OAM)为光通信提供了新的高维自由度, 有望提高光信息传输系统信道容量, 解决当前通信资源紧张的问题. OAM键控(OAM-SK)是一种新型的信息传输机制, 其中, 对OAM模式的有效识别和检测是实现OAM-SK译码的核心技术之一. 本文提出了一种基于对数极坐标变换的OAM译码系统, 首先通过设计的坐标变换光栅进行映射, 再引入优化的相位校正光栅进行补偿, 最后采用一个傅里叶变换透镜实现了OAM模式的分离. 对系统在不同光栅参数下的分束效果进行数值评估, 在实验中成功实现了–35—+31阶轨道角动量模式的分束. 进一步地, 基于该OAM解复用系统, 搭建了自由空间光数据传输演示系统. 通过引入特定译码规则, 有效克服了对数极坐标变换存在的相邻模式混叠的问题, 实现了748934个码元的无误码传输. 本文结果为未来高容量光通信系统的发展提供了支持.
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回音壁模式微腔的色散调控是克尔光频梳生成的关键. 然而回音壁模式微腔色散设计主要是通过改变微腔结构调控模场分布, 方式较为单一. 本文将径向分布的梯度折射率$n(r)$引入回音壁模式微腔, 提出使用改变折射率分布调控梯度折射率微腔色散. 通过数值计算和有限元仿真结果表明, 折射率梯度的约束使微腔模场的位置远离微腔边缘, 梯度折射率微腔具有零几何色散特性. 基于设计不同折射率分布提出两种色散调控方式—修饰微腔边缘几何外形和构建双势阱. 并且研究了微腔半径、楔角大小、离子扩散和塑形工艺顺序、双势阱宽度和间距对色散的影响. 仿真结果表明两种方式均可以得到通信波段较大范围的反常色散, 梯度折射率微腔色散调控方式十分灵活, 在非线性光学应用领域具有极大潜力.
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碳纳米管本身所具有的卓越导热性能, 使得基于碳纳米管所制备的纳米流体也同样具有较高的热导率, 同时在碳纳米管表面添加官能团能够有效增强水/碳纳米管纳米流体的稳定性. 本文将羟基化碳纳米管构建成为Janus颗粒, 基于平衡分子动力学模拟方法, 计算了基于羟基化碳纳米管的纳米流体热导率, 并对其导热机理进行分析. 计算结果表明, 在基液吸附层密度增长、颗粒布朗运动增强以及界面热阻降低等因素的共同作用下, 基于羟基化碳纳米管的纳米流体具有比普通碳纳米管纳米流体更强的导热性能. 羟基化碳纳米管构建的Janus颗粒在基液中具备更强的布朗扩散能力, 因而可以进一步提高水/碳纳米管纳米流体的热导率. 本文揭示了基于羟基化Janus碳纳米管的纳米流体导热机理, 为新型传热工质制备提供参考.
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一般认为拓扑绝缘体对非磁性缺陷是高度免疫的, 但是在器件应用的介观尺度上还缺乏验证. 本文以SiSnF2单层条带为例, 研究了不同缺陷浓度和尺寸对拓扑绝缘体电子输运的影响. 第一性原理计算发现, SiSnF2在大于2%的拉伸应变下转变为拓扑绝缘体. 用遗传算法拟合了有效紧束缚模型的参数, 计算了拓扑绝缘体SiSnF2条带输运性质, 发现边缘态也可能被随机空位缺陷破坏. 对于长18.8 nm、宽8.2 nm的条带, 在没有缺陷时, 电流集中在条带边缘, 电导为拓扑边缘态的理想值2e2/h. 当缺陷浓度为1%时, 边缘电流已被明显扰动, 但背散射仍受到有效抑制, 电流绕过缺陷向前传输. 当浓度为5%时, 边缘电子经散射深入条带内部, 与另一边缘发生散射, 破坏了拓扑边缘态, 使电导降为0.6e2/h. 因此, 缺陷导致的由拓扑绝缘体到普通绝缘体的转变是渐变而不是突变. 研究发现了明显的输运量子尺寸效应, 增大条带宽度可减小边缘间电子散射, 增强拓扑边缘态的稳定性; 而增大长度会增大电子的局域性和边缘间电子散射, 降低拓扑边缘态的稳定性.
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微孔喉结构内束缚液滴释放是提高原油采收率的关键. 纳米颗粒表面活性剂能够增强纳米颗粒在油水界面上的吸附稳定性, 进而显著影响束缚液滴的释放过程, 对于发展纳米驱提采技术具有重要意义. 本文通过微流控可视化实验与荧光技术, 系统研究了纳米颗粒表面活性剂对微孔喉中束缚液滴释放行为的影响. 在纳米颗粒表面活性剂作用下, 微孔喉结构中束缚液滴存在破碎释放与直接释放两种释放状态; 获得了微孔喉内束缚液滴释放状态相图, 结合液滴受力分析建立了束缚液滴释放状态的临界转变理论模型; 通过对比分析液滴长度随液滴释放的临界流量与毛细数的变化, 获得了纳米颗粒表面活性剂对液滴释放行为的影响规律; 结合荧光实验进一步阐明了纳米颗粒表面活性剂诱发界面黏弹性而抑制微孔喉内束缚液滴释放的作用机制.
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