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高电荷态重离子的双电子复合精密谱实验不仅能够为天体物理、聚变等离子体物理等研究提供诊断和建模的关键原子物理数据, 还可以用于检验强电磁场条件下的量子电动力学(QED)效应、相对论效应以及电子关联效应等基本物理模型. 我国正在建设的“十二五”大科学装置强流重离子加速器(HIAF), 其中高精度环形谱仪(SRing)装备有450 kV电子冷却器和80 kV超冷电子靶装置, 能够在宽质心能量范围(从meV到几十keV)内对高电荷重离子开展双电子复合谱精密测量. 本文首先采用分子动力学方法模拟了SRing上超冷电子靶的电子束温度分布, 结果表明, 热阴极产生的电子束经过磁场的绝热膨胀和电场加速后, 电子束的横向温度从100 meV降至5 meV以下, 而纵向温度则能从100 meV降至0.1 meV以下, 这为开展高分辨和高精度的双电子复合实验提供了独一无二的实验条件. 接着分析了SRing上超冷电子靶的电子束温度对双电子复合实验中共振峰能量分辨的影响, 以类锂$ {}_{~\,54}^{129}{{\mathrm{X}}{\mathrm{e}}}^{51+} $和$ {}_{~\,92}^{238}{{\mathrm{U}}}^{89+} $重离子为例, 模拟了SRing上的双电子复合共振谱, 并与兰州重离子储存环CSRe上的模拟结果进行了比较. 结果表明, 基于SRing超冷电子靶的双电子复合精密谱学实验在质心系能量较低的时候具有极高的能量分辨, 能够测量更为精细的双电子复合共振结构. 本研究为SRing上开展高电荷态重离子双电子复合谱精密测量检验强场QED效应和提取原子核结构信息等前沿实验奠定了坚实的基础.
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石墨烯是具有蜂窝结构的特殊二维材料, 在电子器件应用方面具有潜力. 拓扑安德森绝缘体现象是一种在无序诱导下系统从金属转变为拓扑绝缘体即拓扑安德森绝缘体的新奇现象. 本文基于Haldane模型, 利用非平衡格林函数理论, 分别计算了不同状态下ZigZag边界准一维石墨烯条带的输运性质随无序的变化. 研究发现拓扑平庸和拓扑非平庸状态下的系统都具有鲁棒的边缘态. 当费米能处于导带中, 两种状态的系统在较弱和较强无序作用下电导快速下降, 而在中等无序强度下, 前者电导下降减缓, 后者出现电导为一的平台, 表明系统出现拓扑安德森绝缘体相. 对边缘态与体态的传输系数的分析表明Haldane模型中上述现象的形成基础是体态与鲁棒边缘态的共存, 随着无序的增强体态被局域化, 拓扑平庸的边缘态能一定程度下抵抗中等强度的无序, 有拓扑保护的边缘态鲁棒性更强几乎不受影响, 使得系统输运稳定性增强并产生电导平台.
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在光伏技术快速发展的背景下, 晶硅太阳电池作为主流的光伏器件, 其性能的提升成为研究的热点. 晶硅太阳电池包括硅异质结(SHJ)太阳电池、隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳电池及钝化发射极和背面接触(PERC)太阳电池. 晶硅太阳电池的表面钝化层作为提升电池性能的关键之一, 其发展历程与晶硅太阳电池的发展紧密相连. 然而, 由于钝化层的复杂机制和实验研究的高要求, 实现高质量的表面钝化面临挑战. 本文综述了SHJ太阳电池、TOPCon和PERC太阳电池界面钝化技术的关键问题和研究进展, 首先系统地回顾了SHJ太阳电池关键技术突破的研究进展, 并讨论了生长条件对SHJ太阳电池钝化性能的影响以及掺杂层对本征层和钝化性能的影响作用; 其次阐述了近5年来提升TOPCon和PERC太阳电池钝化性能的重要策略和研究成果; 最后给出钝化层技术的发展趋势展望. 将为晶硅太阳电池未来技术改进和性能提升提供参考.
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非视域成像技术是对视域外隐藏目标进行光学成像的新兴技术. 由于历经多次漫反射, 信号回波微弱, 门控单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode, SPAD)在低信噪比环境中探测信号发挥了重要作用. 然而, 实际使用门控SPAD进行目标信号探测时, 现有方法多需要借助先验信息进行门宽位置预设, 无法完全避免非目标信号干扰和信号丢失, 并且存在数据采集量大、耗时长等问题. 针对上述问题, 本文利用三角定位原理和少量特征点信息, 提出一种自适应门控算法, 该算法可自动识别回波信号并计算其宽度, 无需额外先验信息或人工干预, 降低数据采集量, 提高处理效率等功能. 同时, 搭建了基于门控SPAD的共焦非视域成像系统, 对提出的算法进行验证. 此外, 本文就门控SPAD对目标信号提升效果和目标成像质量进行了定量评估, 并对比了主流的非视域图像重构算法成像质量. 实验结果表明, 自适应门控算法可以有效识别回波信号, 实现门控参数的自动调节, 并在减少数据采集量、提升处理效率的同时, 提高目标成像质量.
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通过以大晶粒水热ZnO薄膜作为发光层并加以恰当图案化处理的策略, 显著抑制了基于ZnO薄膜的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构发光器件的电抽运随机激射的随机性. 采用激光直写光刻工艺, 先将硅衬底上的晶粒大小超过500 nm的水热ZnO薄膜图案化为大量的小方块(Block)和“街道(Street)”, 然后制备基于上述图案化ZnO薄膜的MIS结构(Au/SiO2/ZnO)发光器件(light-emitting device, LED). 研究表明: 在相同的注入电流下, 基于图案化ZnO薄膜的发光器件比基于未图案化ZnO薄膜的发光器件具有更少的随机激射模式; 且前者随Block边长的减小而具更少的激射模式, 同时其最强激射模式的波长在更窄的范围内波动. 值得指出的是: 在适当的条件(小注入电流和小Block边长)下, 基于图案化水热ZnO薄膜的发光器件还可产生单模随机激射. 此外, 对比研究还表明: 基于大晶粒水热ZnO薄膜的LED比基于小晶粒溅射ZnO薄膜的LED具有更小的激射阈值电流, 且在同样的注入电流下具有更少的激射模式和更高的激射光功率. 关于上述结果背后的物理机制, 分析指出: 对基于图案化ZnO薄膜的发光器件而言, 一方面由于单个Block内ZnO薄膜中的晶粒和晶界数量有限, 光多重散射被严重削弱, 那些能够通过光多重散射获得净光增益而产生随机激射的路径与ZnO薄膜未经图案化处理的情形相比要少得多. 另一方面, 由于单个Block空间有限, 不同激射模式之间的增益竞争使得空间上重叠较大的激射模式不能同时存在. 由于上述两方面的原因, 随着Block边长的减小, 发光器件随机激射的模式会变得更少. 此外, Block之间的光学耦合效应会加剧单个Block内部激射模式之间的增益竞争, 从而进一步减少发光器件的随机激射模式.
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优势提纯提供了一种从弱关联性比特对中提取强关联性比特对的有效方法, 已被广泛应用于多种量子密钥分发协议. 然而, 该方法的增益效果主要体现在远距离密钥传输中, 目前在实验系统中尚未得到充分验证. 本文将优势提纯方法应用于三强度诱骗态BB84协议, 并基于SiO2的非对称马赫-曾德尔干涉仪构建实验平台进行验证. SiO2光波导芯片具有低耦合损耗和低波导传输损耗的优点. 实验结果表明, 在105 km的传输距离下, 系统安全密钥率达到了59 bits/s, 充分证明了优势提纯方法在提升量子密钥分发系统性能方面的重要作用.
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无磁光学非互易在量子通信、量子网络和光信息处理等方面具有重要的应用. 本文通过简并二能级热原子系统, 在单向泵浦场作用下, 考虑热原子的多普勒效应, 实现双路简并四波混频信号的非互易放大. 在此基础上, 再引入一束对向共线传播的泵浦场, 形成了空间复用的多重四波混频过程, 从而实现了双通道四波混频信号的互易放大. 进一步, 利用多组涡旋相位片分别对信号光和泵浦光加载螺旋相位, 产生携带光学轨道角动量的高阶拉盖尔-高斯涡旋光束, 并参与到四波混频过程中, 实现了泵浦光的轨道角动量向增益光场的转移; 同时利用马赫-曾德尔干涉仪, 进一步分析了各路四波混频信号场在非互易-互易放大转换下, 光学轨道角动量的守恒特性. 该结论为实现基于复杂结构光的光学非互易器件的应用研究提供了重要的参考.
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本文研究了具有Stark势的一维相互作用任意子模型. 通过数值计算能谱统计、半链纠缠熵和粒子非平衡态占据数等来观测有限尺寸下的多体局域化现象. 随着线性势强度的增强, 系统的能谱统计分布从高斯系综向泊松系综过渡, 过渡区域的平均能级差比率表现为强烈依赖于统计角的非单调行为. 平均半链纠缠熵服从体积律到面积律转变且转变点对统计角有非单调依赖关系, 遍历相的半链纠缠熵随时间线性增长, 而在局域相中随时间呈对数增长, 其演化行为也与统计角有关. 最后随着线性势增大, 长时极限下粒子非平衡态占据数由零变为有限值, 有限值的大小与任意子统计角的取值有关, 这种演化行为进一步验证了任意子模型中统计角的重要性. 该研究结果为任意子系统中多体局域化的研究提供了新的视角.
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呼吸子作为一种独特的非线性脉冲现象, 在激光器性能优化、非线性光学过程研究以及复杂信号传输中发挥着关键作用. 与稳定孤子不同, 呼吸子脉冲的能量随着时间发生周期性波动, 表现为脉冲频率和振幅的周期性变化. 通过适当的非线性效应, 激光器能够产生稳定的呼吸子脉冲, 实现呼吸锁模状态, 展现出类似“呼吸”的周期性模式. 基于此, 本文设计并搭建了一台基于可饱和吸收体作为锁模元件的光纤激光器, 并在较低泵浦功率下成功观察到稳定的呼吸态. 通过利用高速探测技术和时间拉伸色散傅里叶变换(TS-DFT)技术, 对快速脉冲进行了时间放大和频谱分析, 并实时监测呼吸子脉冲在时域和频域上的演化过程. 实验结果表明, 泵浦功率的变化显著地影响附加振荡引发的周期性调制, 从而调控呼吸比, 直至形成稳定的孤子. 当泵浦功率达到470—480 mW时, 实验首次观察到呼吸子的形成, 其呼吸比高达4.5. 随着泵浦功率的增加, 呼吸效应逐渐减弱, 并在510 mW时完全消失, 呼吸比降至1. 这一结果验证了泵浦功率对呼吸子状态及其转变过程的关键控制作用, 为超快激光技术和非线性光学领域提供新视角.
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非平衡稠密等离子体中电子离子能量弛豫对理解惯性约束聚变、实验室等离子体和天体物理中的非平衡演化以及宏观热力学和输运性质至关重要. 受密度及温度等环境效应的影响, 等离子体中多种物理效应之间的竞合作用共同主导电子离子能量弛豫过程. 本文从量子Lenard-Balescu动理学方程出发, 建立了考虑电子和离子集体激发及其耦合效应的能量弛豫模型, 并在此基础上采用电子离子解耦、静态极限和长波近似构建了不同的简化模型, 系统研究了静态屏蔽、动态屏蔽、电子和离子等离激元激发及其耦合等效应对电子离子能量弛豫的影响机制. 通过不同模型之间的对比, 发现电子离子集体激发之间的耦合效应以及中等波长和短波区间的屏蔽效应对温热稠密等离子体中电子离子能量弛豫有着显著的影响. 这一结论表明, 准确描述等离子体中的动态响应和屏蔽效应将制约着相关物理体系中非平衡演化建模的精确性和有效性.
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