亮点文章
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在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究. 采用传统充气直柱金壁黑腔设计, 在激光脉冲作用后期, 腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动, 导致靶丸赤道驱动偏弱, 形成不可接受的扁圆内爆. 本文采用新型的花生腔设计, 通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置, 补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响, 获得球对称的靶丸辐射驱动. 在靶丸驱动辐射温度相同的条件下, 由于驱动对称性得到显著改善, 实验观测到花生腔内爆热斑接近球形, 中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%; 而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%. 模拟计算和实验结果一致表明, 在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中, 花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素, 增强辐射驱动和内爆对称性调控, 并提高内爆性能.
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极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子, 可以极大地压缩光波长, 提供一种突破衍射极限的光调制方式, 为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持. 范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台, 通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度, 从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性. 本文以近场光学为主要研究方法, 对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述. 综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等. 最后, 对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.
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通过转角或晶格失配构造莫尔人工超晶格, 可以对二维材料的能带结构进行有效调控并产生平带, 为研究量子多体物理提供了全新的平台. 转角过渡金属硫族化物(TMDs)半导体莫尔超晶格中的平带存在于较大的转角范围, 并且具有自旋-能谷互锁的能带结构以及优异的光学特性, 受到了广泛的关注. 本文聚焦于转角TMDs半导体, 介绍了近年来实验上发现的多种新奇物态, 包括莫特绝缘态、广义维格纳晶体、非平庸拓扑态、莫尔激子等; 还进一步讨论了对这些新奇物态的调控及其机制, 并展望了莫尔超晶格这一新兴领域未来的研究方向.
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近些年来引起广泛关注的二维半导体莫尔超晶格系统中存在着莫尔激子、强关联电子态和面外铁电性等新奇物理现象, 电子的层间耦合对于理解这些现象至关重要. 本文研究了二维半导体双层莫尔超晶格中的层间耦合随位置和动量的变化. 外势场导致的局域布洛赫波包的层间耦合与波包宽度以及中心位置处的层间平移有着密切关系. 同时, 层间耦合随动量的变化使得基态$ \rm{S} $ 型波包和激发态$ {\rm{P}}^{\pm } $ 型波包有着截然不同的随中心位置变化的层间耦合形式: 在两个$ \rm{S} $ 型波包的层间耦合消失的位置, $ \rm{S} $ 和$ {\rm{P}}^{+} $ 型(或$ \rm{S} $ 和$ {\rm{P}}^{-} $ 型)波包之间的层间耦合达到最强. 利用该性质, 可以通过外加光电场来调控特定谷的基态波包的层间输运. 此外, 双层系统中发现的面外铁电性可以归结为不同层导带和价带间的耦合导致的电子在两层中的再分配现象. 将本文得到的层间耦合形式与单层紧束缚模型相结合, 可计算出垂直平面的电偶极密度, 其随层间平移的变化形式和数量级与实验观测相符.
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硫化氢(H2S)作为一种强腐蚀性且具有剧毒的气体, 在化工、能源、环境等多个领域都是重要的中间产物或排放污染物, 在线精确测量其浓度对工艺过程控制、安全生产具有重要意义. 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)作为一种定量吸收光谱技术, 适用于大气环境监测、工业过程控制等领域H2S浓度高精度在线测量. 考虑到HITRAN2020数据库中H2S的谱线参数主要来自基于半经验理论模型的计算, 且缺乏实验数据验证, 本文首先采用直接吸收(DAS)法扫描获得H2S分子6320—6350 cm–1波段内谱线吸收截面, 选取其中6组吸收较强、相对独立、具有应用潜力的特征谱线作为实验测量的目标谱线; 然后采用免标定、高信噪比的波长调制-直接吸收(WM-DAS)法测量了该6组谱线在不同压力下的吸收截面并用Voigt, Raution等线型函数对吸收截面进行最小二乘拟合, 对谱线的碰撞展宽系数、线强度、Dicke收敛系数等光谱常数进行高精度测量, 其中吸收截面拟合的残差标准差低至7×10–5, 谱线线强度的测量不确定度小于2%, 碰撞展宽系数、Dicke收敛系数、速率依赖系数的测量不确定度小于10%. 完善了H2S光谱数据库, 为H2S浓度高精度测量提供基础光谱数据.
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声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动, 其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景. 传统声操控微粒技术一般采用自由声场, 如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等. 然而, 一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒; 而阵列换能器的驱动系统复杂, 导致操控器件成本高昂且难以微型化; 因此, 亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控. 本工作中, 采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场, 实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控. 其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合, 在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场, 导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力, 在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力, 实现了微粒周期排列在声栅表面上. 该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.
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数据驱动下, 基于大量的实验数据, 建立混合特征与力学性能之间非线性规律实现合金新成分的配比和工艺设计一直是一个挑战. 本文基于机器学习的方法, 提出一种面向性能的Al-Si-Mg系合金“成分-工艺-性能”的设计策略. 将同一体系不同牌号合金的成分、熔炼及热处理工艺等混合因素作为特征, 通过随机森林寻找特征与抗拉强度之间的非线性规律. 之后将数据集中部分合金的成分、工艺参数设置为目标空值, 使用链式方程多重插补算法对目标缺失数据进行预测插补. 通过该策略进行性能预测或指导设计的合金抗拉强度的实验值和预测值的误差均保持在±5%之内; 而且经实验证实, 其中Al-6.8Si-0.6Mg-0.05Sr的成分配比和540 ℃×10 h+170 ℃×10 h工艺方案使合金综合拉伸性能优异, 质量指数QDJR达到517.3, 高于同类合金低于500QDJR值的水平. 这一结果表明该策略有助于改善高强度Al-Si-Mg系合金传统设计方法周期长、成本高、效率低的问题.
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针对当前InSight数据无法检测火星固态内核是否存在的问题, 提出利用火星平均密度和平均惯性矩因子估算火星固态内核的大小及其密度组成. 根据火星高阶重力场模型JGMRO120f和GMM3-120以及最新火星岁差率, 推导了观测数据下的火星平均密度和平均惯性矩因子; 参考火星内部结构的4层模型以及不同自由参数(壳层密度、幔层密度、外核密度、内核大小和内核密度), 求解了火星平均密度和平均惯性矩因子的模型值. 利用观测值与模型值最小残差平方和作为约束条件, 大批量统计结果表明: 1)两个重力场模型求解的自由参数具有相同的分布特征, 自由参数的最优值基本一致; 2)火星壳层密度、幔层密度和外核密度接近其他研究结果, 表明统计结果有一定的参考价值; 3)火星可能存在840 km左右的固态内核, 其密度约为6950 kg⋅m–3. 内核密度大小表明火星内核不由纯铁物质组成, 该结果与火星核富集轻元素物质的近期研究一致, 计算结果具有一定的参考价值. 由于反演结果的非唯一性, 未来随着InSight火星星震数据处理技术的提高, 有望进一步约束火星内核的大小及其组成.
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添加高导热填料的有机聚合物是最常用的一种热界面材料. 其中一种提升热导率的方式是采用不同形貌填料复合添加, 结合各种填料的优点, 取长补短. 然而, 由于有效介质理论的局限性, 以及热逾渗理论的滞后研究, 对于不同形貌填料的协同机制依旧缺乏探索. 为了剔除不同材料的耦合影响, 本文采用不同形貌的同种氧化铝作为填料, 分别制备了添加氧化铝球、氧化铝片以及球/片1∶1混合的环氧树脂复合材料. 通过稳态法测量样品的热导率, 发现球/片1∶1混合样品热导率得到显著提升. 结合热逾渗理论, 以及对填料微观分析的观测, 发现片状和球状填料复合添加的协同作用对热逾渗网络有促进作用.
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开展中子星宏观性质的研究, 对于揭示中子星内部组成和结构具有重要意义. 本文基于相对论平均场理论模型, 研究了 δ 介子对传统中子星和超子星物态方程、最大质量、勒夫数和潮汐形变能力的影响. 结果表明, 对于中小质量传统中子星(或超子星), δ介子使其潮汐形变能力变强; 随着传统中子星(或超子星)质量的增加, δ介子对其潮汐形变能力影响逐渐减弱; 尤其对于大质量超子星, 含有δ介子的超子星潮汐形变能力相比不含δ介子的超子星变弱. 此外, 在相同质量下超子的存在会降低星体的潮汐形变能力, 在本文所选的参数下, 含有δ介子的星体中, 仅同时含Λ, Σ和Ξ超子的超子星潮汐形变能力能同时满足GW170817和GW190814天文观测约束. 随着与中子星相关的引力波数据逐渐增加, 将为人们判断超子星内超子种类提供一个可能的途径.
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