亮点文章
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针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz—1 Hz频段激光强度噪声需求, 基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点, 采用零偏置电压方案, 结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路, 优化跨阻电容以及跟随电路; 进一步通过主动温控对光电二极管控温来稳定光电二极管响应度, 研发出在0.1 mHz—1 Hz频段内超低电子学噪声的光电探测器. 利用自研的强度噪声评估系统对其噪声进行时域及频域全面评估测试, 实验结果表明: 所研发探测器的电子学噪声谱密度达到2×10–6 V/Hz1/2@0.1 mHz—1 Hz, 探测器增益能够达到 35 kV/W @1064 nm. 该探测器噪声性能比空间引力波探测中对激光强度噪声(1×10–4 V/Hz1/2)的要求小两个数量级, 为高增益光电反馈控制以及空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件及技术支撑.
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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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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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自发极化强度是衡量铁电材料极化能力的关键指标. 新兴的纤锌矿铁电材料因较高的自发极化而受到广泛关注, 但目前对影响这一性质的关键因素的理解仍然不足. 本文旨在通过结合机器学习和第一性原理方法来解决这一问题. 首先, 计算了40种二元和89种简单三元纤锌矿材料的自发极化强度, 并从元素基本属性、晶体结构参数和电子性质中提取了多种特征. 随后, 采用Boruta算法和距离相关系数分析方法进行特征筛选, 提出了一个全面而精确的纤锌矿材料自发极化强度的机器学习预测模型. 进一步借助SHapley Additive exPlanations分析方法, 阐明了影响自发极化强度的关键因素是阳离子离子势的均值IPi_Aave和晶胞参数a等. 本研究弥补了目前对自发极化强度多因素的影响机制理解的缺乏, 为系统评估新兴纤锌矿材料的自发极化强度提供了帮助, 有助于加快性能优异的纤锌矿铁电材料的筛选. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00073 中访问获取.
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高平均功率(>500 W)、大脉冲能量(>1 mJ)飞秒光纤激光对包括阿秒光学在内的众多科研领域极为重要. 受限于增益光纤较小的模场面积, 多种非线性效应将从单根增益光纤放大产生的飞秒脉冲的能量限制在百微焦量级. 平均功率和脉冲能量的进一步提升需要使用相干合成技术, 将多路光纤的输出合成为一束. 本文搭建了一套基于填充孔径相干合成的高功率大能量超快光纤激光系统, 采用商用掺镱棒状光纤并利用随机并行梯度下降法实现四路放大器之间的相位锁定. 在重复频率为1 MHz时, 该相干合成系统输出平均功率为753 W, 经过光栅对压缩后的平均功率为672 W, 脉冲宽度为242 fs, 对应的脉冲能量为0.67 mJ, 系统具备良好的稳定性. 降低重复频率至500 kHz, 该系统输出压缩后的脉冲平均功率为534 W, 脉冲宽度为247 fs, 对应脉冲能量可达1.07 mJ. 脉冲的平均功率和能量均可通过增加合成路数进一步提升, 通过添加已着手研发的延迟和指向锁定系统, 有望通过八路相干合成实现平均功率超过1 kW、脉冲能量超过2 mJ的飞秒脉冲输出.
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高电荷态离子俘获靶原子、分子中的电子是一个多原子中心束缚态电子跃迁相关的基本原子物理过程, 所形成的高激发态离子的退激辐射对于X射线天文建模、聚变等离子体诊断及离子束与物质作用机理研究等方面至关重要. 经过不断的完善和发展, 冷靶反冲离子动量谱仪(COLTRIMS)技术已经广泛应用于测量电子俘获过程中的量子态选择布居. 基于复旦大学150 kV高电荷态离子碰撞实验平台及冷靶反冲离子动量谱仪, 本文开展了1.4—20.0 keV/u的Ar8+ 炮弹离子与He原子碰撞过程中双电子俘获量子态选择截面的系统测量, 并获得了3l 3l'至3l 7l' 双激发态的相对截面. 研究发现Ar8+-He双电子俘获过程中, 随着碰撞能量的增大, 更多的量子态转移反应通道被打开, 而且量子态选择布居的相对截面对炮弹离子能量呈现强烈的依赖关系.
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热反射技术是测量块体和薄膜材料热物性的重要工具, 但参数间复杂的相互关系为数据解析带来挑战. 本文以频域热反射法(FDTR)为例, 利用奇异值分解(SVD)对热反射信号进行了深入分析, 系统地揭示了不同变量之间的关联, 并提出了热反射实验中的关键组合参数. 这种方法不仅厘清了变量间的关系, 还明确了实验中可提取的最大参数数量. 作为应用实例, 本文对铝/蓝宝石样品进行了测量和信号分析, 发现相较于常规仅拟合衬底热导率和界面热导两个参数的做法, 最佳拟合FDTR信号能够同时确定金属膜热导率、衬底热导率、衬底比热容和界面热导四个参数. 拟合结果与文献参考值和其他方法测量结果进行了对比, 验证了该方法的有效性. 本研究深化了对热反射现象的理解, 为热表征技术和材料研究的进一步发展提供了有力支持.
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超快扫描电子显微镜将泵浦探测技术与显微成像相结合, 能够实现高时空分辨率下光诱导表面电荷动力学的可视化研究, 对于半导体表面态以及光电器件的高分辨检测具有非常重要的意义. 本文基于首台全国产化超快扫描电子显微镜的研制工作, 阐述了将热发射电子枪改造成光发射电子枪后的参数化设计, 定量分析了偏压, 阴极、韦氏极、阳极的空间位置与交叉点位置、大小、发散角的依赖关系. 分析结果显示, 当韦氏极与阳极位置从8 mm调整到23 mm后, 通过将灯丝深度从0.65 mm调整至0.45 mm, 配合偏压调节可以实现热发射高分辨成像、低工作电压以及光发射的正常使用. 此外, 也分析了反射镜分布对电子光路的影响, 发现当阳极高出反射镜1.4 mm后, 图像畸变几乎消失. 还研究了偏置电压对脉冲光电子在时域上的影响, 结果表明随着偏压的增大, 光发射的时间零点会推后且时间展宽变大. 这些工作将为后续超快电子显微镜的发展及光发射电子源的设计奠定基础.
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在磁性原子气体中, 偶极弛豫过程将系统的自旋与动能自由度耦合, 从而实现体系动能向塞曼能的转化. 利用光泵浦过程, 可以将偶极弛豫至高自旋态的原子重新泵浦回基态, 实现持续的冷却循环, 有效降低体系温度. 由于单次冷却循环中移除的能量远大于散射光子能量, 这种退磁冷却方案显著提升了冷却效率并减少了原子损失. 本文通过建立结合偶极弛豫与光泵浦过程的态耦合方程, 对镝原子的退磁冷却进行了理论建模与计算, 研究了相关实验参数对冷却效率及冷却极限温度的影响, 确定了实现镝原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验参数范围和技术指标要求. 结果表明, 在最优实验参数下, 退磁冷却可以在亚秒时间内直接制备大原子数的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚, 其冷却效率比传统蒸发冷却高一个数量级.
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卤化物钙钛矿具有优异的电学和光学性能, 是光电子器件中理想的有源层候选材料, 特别是在高性能光探测方面显示出更具竞争力的发展前景, 其中全无机钙钛矿CsPbBr3因其良好的环境稳定性而被广泛关 注. 本文报道了一种具有快响应速度和低暗电流的垂直MSM型CsPbBr3薄膜光电探测器. 由于采用垂直 结构缩短了光生载流子的渡越距离, 器件具有超快的响应速度63 μs, 比传统平面MSM型光电探测器提高了两个数量级. 然后, 通过在p型CsPbBr3与Ag电极之间旋涂一层TiO2薄膜, 提升了界面光生载流子的分 离效率, 实现了钙钛矿薄膜与金属电极间的物理钝化, 从而大大降低了器件的暗电流, 在–1 V的偏压下暗电流只有–4.81×10–12 A. 此外, 该种垂直MSM型CsPbBr3薄膜光电探测器还具有线性动态范围大(122 dB)、探测率高(1.16×1012 Jones)和光稳定性好等诸多优点. 通过Sentaurus TCAD模拟发现, 电荷传输层可以选择性的阻挡载流子传输, 从而起到降低暗电流的作用, Sentaurus TCAD模拟结果与实验数据吻合, 揭示了电荷传输层降低器件暗电流的内在物理机制.
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