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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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铜氧超导材料问世以来, 其高温超导的理论机制仍有待解决. 近年来, 铜氧超导领域的实验进展主要集中在利用新型表征手段探索微观机理, 其中同步辐射的建设推进了先进谱学技术的发展. 基于同步辐射的共振非弹性X射线散射技术, 因具有体测量、能量动量分辨及直接探测不同元激发色散关系的能力, 在铜氧超导材料研究中得到了广泛应用. 无论是Bardeen-Cooper-Schrieffer理论框架下粘合库珀对的声子, 还是强关联体系中Hubbard模型预测的磁涨落和竞争序, 都可以用共振非弹性X射线散射实验测量, 并研究它们之间的关联. 本文介绍了利用共振非弹性X射线散射测量铜氧超导材料电荷密度波及相关低能激发, 包括声子异常现象的研究进展, 还介绍了磁激发和超导最高转变温度的关系, 最后对未来的研究方向和面临的挑战进行展望.
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2024, 73 (18): 188702.
doi: 10.7498/aps.73.20240915
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单分子运动追踪是研究软物质体系尤其是生命体系动力学过程和分子相互作用的重要方法, 但如何理解生命体系中单分子运动行为的复杂性仍是一个巨大的挑战. 针对这一问题, 本工作提出了一种可对单分子轨迹进行高效识别和分类的、基于无监督学习的“两步归类法”: 首先利用熵约束最小二乘法对扩散轨迹的受限程度进行区分, 继而通过统计检验将非受限轨迹划分为亚扩散、正常扩散和超扩散等不同运动模式类型. 利用该方法, 本工作解析了DOPC模型细胞膜和活细胞膜内的单分子扩散运动特征, 揭示了胆固醇成分对二者的差异影响. 结果显示: 模型膜和活细胞膜均包含多种不同的扩散模式; 在DOPC模型膜体系中, 胆固醇成分会阻碍膜内的分子扩散运动, 且阻碍程度与胆固醇含量正相关; 在活细胞体系中, 分子运动速率显著低于模型膜体系, 并且, 胆固醇的去除会进一步减慢分子扩散速率 . 本研究有助于从单分子运动角度深入理解生物分子运动行为的复杂性及其对体系环境的依赖性.
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活性物质的自推进特征引发了许多非平衡自组织现象, 而聚合物链的构象自由度可以使链产生独特的平衡自组装行为, 这激发了活性物质与聚合物物理的交叉研究. 本文通过分子动力学模拟, 研究了自驱动活性对ABA 型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控. 研究结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动, 活性越大则凝胶网络越容易产生大直径空洞. 在凝胶网络的拓扑缺陷方面, 当A嵌段之间吸引强度较大时, 环链比例随活性力增强而增大, 吸引强度较小时情况则相反. 交联点的分支数随活性的变化除了受到吸引强度的影响, 还与链刚性有关. 在动力学方面, 活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散. 本文的研究有助于增进对活性聚合物集体行为的认识, 为高分子活性材料的设计和应用提供了新的思路.
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量子光源是量子信息处理的关键器件之一, 是量子计算、量子通信、量子模拟等应用的重要基础, 基于量子光源制备量子态并提升其编码容量是量子信息技术发展的重大挑战. 轨道角动量 (OAM) 是光子一种无限维的空间自由度, 其空间模式构成无限维完备的正交基, 利用OAM制备高维量子态可大幅提升量子信息处理容量, 是高维量子信息处理的关键资源. 随着光量子技术的进步, 多种重要光量子器件已可在集成化芯片上实现. 然而, 微纳尺度下制备高维OAM量子态仍是实现量子光源集成化的挑战, 亟需深入研究和突破. 本文综述并讨论了集成化OAM量子光源的研究进展及其研究中面临的热点和难点问题, 为推进高维量子光源在量子信息处理中的研究及实用化进程提供参考.
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在少电子原子精密光谱测量中, 产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键, 也是改善实验测量信噪比的决定性因素. 本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案. 激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得, 根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件, 计算得到亚稳态He, Li+和Be2+的制备效率分别可达3%, 6%和2%以上. 与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比, 激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率, 也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响. 利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域.
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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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