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吸收成像是超冷原子实验中定量测量的基础. 典型的成像过程涉及记录探测光场和原子吸收光场的照片. 在拍摄这两张照片的时间间隔内, 由于探测光不可避免的抖动, 会在成像过程中引入条纹噪声模式. 常规的条纹去除算法虽然可以抑制这种噪声, 但由于其忽略了原子吸收效应对噪声信号的调制, 使得原子团上会出现无法完全消除的剩余条纹, 并且这一现象会随着原子密度的增大而愈发明显. 本文提出了一种创新的增强条纹去除算法, 该方法考虑了原子的吸收效应, 并通过主动调制噪声信号的强度, 从根本上避免了剩余条纹的产生并显著提高了成像的信噪比. 在处理均匀费米气体的吸收成像时, 新算法成功将表征原子密度波动的相对标准偏差降低约37%. 此外, 本文还利用该方法对6Li费米原子超流中的第二声波进行了定量观测. 与传统的条纹去除算法相比, 我们的新方法将密度波关联函数的对比度提高了近4倍, 密度响应谱强度提升约15%. 上述结果表明, 增强条纹去除算法不仅可以有效地抑制条纹噪声, 而且更有利于在高密度原子体系中识别和探测一些重要物理效应.
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对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制. 最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇. 目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构, 还结合数据处理方法来分析蛋白质的构象分布并进一步推测其热力学性质. 然而, 利用冷冻电镜技术直接对蛋白质的动力学过程作观测与定量分析的方法还在发展的初级阶段. 本文选取了一个理想的蛋白质系统, 即蓝藻生物钟蛋白对冷冻电镜分析蛋白质非平衡过程的可能性进行探索. 基于已有的实验数据, 将蓝藻生物钟蛋白KaiC的平衡态统计物理模型推广至非平衡态, 对KaiC蛋白处于非平衡态时的动力学特征进行预测. 基于动力学预测结果, 本文揭示了冷冻电镜技术具有分析蓝藻生物钟蛋白的非平衡过程的可能, 为进一步的冷冻电镜实验提供了理论依据.
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高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验研究, 不仅对天体等离子体和聚变等离子体的研究具有重要意义, 而且可以作为一种新的精密谱学工具, 用来检验强场量子电动力学效应、测量同位素移动及提取原子核电荷半径等. 在兰州重离子储存环CSRe上, 安装了专门用于电子-离子复合精密谱学实验的电子束能量调制系统, 质心系下电子-离子碰撞能量的调制范围达到0—1 keV. 在CSRe电子冷却器下游安装了自主研制的塑料闪烁体探测器和多丝正比探测器, 用于探测复合离子. 在此基础上, 使用Kr25+离子在CSRe上进行了首次双电子复合测试实验, 实验测量了质心系能量0—70 eV的双电子复合速率系数. 为了更好地理解实验测量结果, 利用FAC (flexible atomic code)程序计算了Kr25+离子的双电子复合速率系数, 并与实验做了细致对比, 整体符合很好, 而且发现$ 3{\mathrm{s}}\to 4{\mathrm{l}} \;(\Delta n=1) $ 的共振跃迁对实验谱线有很大的贡献. 实验结果表明, CSRe双电子复合实验平台具有非常好的稳定性和可重复性, 能够为下一步开展更高电荷态离子的双电子复合精密谱学实验、检验强场量子电动力学效应以及原子核性质精密测量等前沿实验提供支持.
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黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱, 导致红外波段的大部分能量不能有效利用, 降低了辐射效率. 近年来, 具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究, 这为调控热辐射提供了一个理想的平台. 在超构表面中, 采用合成维度方法为热辐射的精细调控开辟了新路径, 尤其突显了超越传统三维体系的物理特性和丰富的拓扑物理. 相比于在三维系统中探索物理现象, 研究一维或二维系统更为可行和高效. 合成维度的方法通过引入系统的结构或物理参数, 为操控光子系统中的内在自由度提供了可能性. 本文研究了利用合成维度方法实现波长选择热辐射. 首先在超晶格模型中构建合成拓扑外尔点, 通过角分辨热辐射谱(ARTES)对合成外尔锥进行实验表征, 在实现了合理的波长选择热辐射的同时能够尽可能地抑制其他波长的辐射, 对于实际的红外应用, 如热光伏和热管理装置, 是必不可少的.
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水下声学在水下通信、水下定位和导航等方面具有广泛的应用. 借助拓扑物理的概念, 研究水基声子晶体中的拓扑态为水下声波的创新性调控提供了一种全新的手段, 既有基础研究价值, 又有重要的应用前景. 本文设计了一种一维的双层铁栅水基声子晶体, 通过把层间的相对横向平移量等效成一个合成维度, 实现了合成二维狄拉克点. 相对平移量的改变导致二重简并能带打开带隙. 伴随着带隙的打开、闭合以及再次打开, 能带发生翻转, 也就是发生拓扑相变, 从一种能谷相变化到另一种能谷相. 在不同能谷相声子晶体构成的界面处, 能谷陈数保证界面态的确定性存在. 数值仿真与实验测量结果吻合良好, 都展示了不同能谷相声子晶体的体能带以及它们之间的界面态色散. 本文提出的水基声子晶体结构简单, 借助合成维度的概念, 为在低维实空间体系中研究高维体系拓扑特性提供了一种有效的途经, 有望为拓扑功能性水声器件的设计提供新思路. 此外, 可以把实空间体系拓展到二维甚至是三维, 并引入更多的合成维度, 用于研究更高维度体系的拓扑态及其输运特性.
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光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中. 然而, 目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息, 即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内. 如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白. 本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度, 实现了三维空间轨道角动量全息技术. 换言之, 在我们实现的三维空间轨道角动量全息中, 目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态, 还要求在正确的空间位置来探测物体的图像. 此外, 还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术, 并指出该复用技术可用于信息加密. 与传统的二维轨道角动量全息技术相比, 三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度, 即成像的空间位置. 因此, 基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级. 我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.
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心肌细胞的机械行为对生命健康起至关重要的作用, 通常认为电信号和化学信号对心肌细胞的行为起调控作用. 近年来发现细胞微环境的物理因素能够调控细胞的增殖、铺展、迁移和分化等行为, 但其对心肌细胞机械行为的调控研究仍然缺乏. 本文制备具有不同杨氏模量的水凝胶以模拟心肌细胞力学微环境, 并通过加载力学刺激来探究细胞外基质中不同配体对心肌细胞的力学调控. 研究表明机械力信号可以通过基质-配体-细胞的信号通路来调控心肌细胞的跳动, 进而引起细胞间的耦合振荡实现心肌细胞的节律控制. 这种力信号调控受细胞微环境的杨氏模量、细胞黏附配体种类和密度、以及力信号的强弱和节律三者共同影响, 这为理解心率失调和心肌梗死后心力衰竭等疾病提供基础.
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超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术, 可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却, 适合对熔点小于1000 ℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试. 该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时, 也产生大量的数据. 本文提出一种“俯视图”的数据分析方法, 即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面, 然后用颜色衬度代表热流强弱. 该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题, 实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的. 本文以一种Au基非晶合金为例, 从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据, 重新绘制出“俯视图”, 比较两者的优缺点. 上述方法具有普适性, 适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析. 不仅如此, “俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取.
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单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制, 在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用. 多通道单分子定位采用多个成像通道, 可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像, 也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度. 但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析, 因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节; 且由于单分子定位精度高, 其对多通道图像配准精度的要求也很高. 现有技术一般采用基于控制点的配准方法, 且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对, 以实现高精度图像配准, 对样品或实验设备要求高, 难以直接推广. 为此, 本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除, 发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法, 通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选, 以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对, 从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响, 同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计, 以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形. 结果表明, 采用该方法只需要3次迭代, 就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除, 从而实现更准确的变换模型参数估计, 将配准精度提高一个数量级, 在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度.
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电控磁效应调控二维 (2D) 反铁磁 (AFM) 材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势, 2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势, 成为领域内研究的重点. 载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制, 已被证明是调控材料磁性能的有效途径. 层内AFM材料的净磁矩为零, 磁性调控测量存在挑战, 故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚. 基于有机阳离子的多样性, 本文利用有机阳离子插层系统地调控了2D 层内AFM材料MPX3 (M = Mn, Fe, Ni; X = S, Se) 的载流子浓度, 并研究了电子掺杂对其磁性能的影响. 笔者在MPX3家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁 (FIM)/铁磁 (FM) 的转变, 并结合理论计算揭示了其调控机制. 本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解, 并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.
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