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Vol.74 No.3
2025年02月05日
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得益于铁磁材料极高自旋密度、强自旋-晶格相互作用及力学系统对信号的谐振放大, 铁磁-力学系统在磁场精密测量领域展现出巨大潜力. 本文研究了处于均匀磁场中的铁磁体所构成的铁磁扭摆振子(ferromagnetic torsional oscillator, FMTO)的力学特性, 分析了其作为磁传感器的探测性能; 研究表明, FMTO磁传感器在基础噪声的影响下仍拥有超高的磁灵敏度, 能够超越能量分辨率极限(energy resolution limit, ERL)$2—4$个量级. 随后针对FMTO磁传感器在新相互作用探测领域的应用进行了探讨, 研究指出FMTO磁传感器测量的新相互作用耦合常数的下限领先ERL磁传感器5个量级, 并超越现有实验结果$2—9$个量级.
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利用Skyrme HF+BCS理论以及自洽的QRPA方法研究了镍同位素链原子核的第一个2+态以及矮四极态的性质随中子数增加的演化情况. 研究中分别采用了SGII, SLy5以及SkM*三种能量密度泛函以及密度依赖的零程对相互作用. 计算得到的镍同位素链原子核第一个2+态的激发能以及电磁跃迁强度能较好地再现实验值. 发现$^{70—76}{\rm{Ni}}$的同位旋标量矮四极态共振能量 (跃迁强度) 随着中子数增加而降低 (增加). 这是由于中子$1{{\mathrm{g}}}_{9/2}$态的占有概率的增加, 由该中子态产生的准粒子激发组态占比增加, 组态激发由质子主导渐变为由中子主导产生. 并发现镍同位素链原子核矮四极态对壳结构的改变比较敏感, 可以为丰中子核的壳演化提供信息.
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合理设计高容量的新型电极材料是进一步提高离子电池能量密度的关键. 石墨烯曾被认为是离子电池负极材料最有前景的候选者之一, 然而因纯的石墨烯与相应离子的相互作用较弱, 导致其理论比容量都不高. 基于此, 本文通过第一性原理评估氮氧(N, O)锚定的单原子铜掺杂石墨烯的二维材料Cu/NO2G作为锂/钠/钾离子电池负极的可行性. 计算结果显示, Cu/NO2G在热力学和动力学上都是稳定的, 在吸附Li/Na/K前后均保持良好导电性, 并且Cu/NO2G储存Li/Na/K的理论比容量分别高达1639.9 mAh/g, 2025.8 mAh/g, 1157.6 mAh/g, 在Li/Na/K嵌入的过程中, 其晶格常数变化微小(<1%), 这预示着其循环稳定性能佳. 此外, Li, Na, K在Cu/NO2G表面上的迁移势垒分别为0.339 eV, 0.209 eV和0.098 eV, 表明其具有优异的倍率性能. 综上所述, 本文结果为合理设计金属单原子掺杂石墨烯作为碱金属离子电池的新型负极材料奠定了坚实的理论基础. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00063 中访问获取.
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激光锡(Sn)等离子体光源是当前先进极紫外(EUV)光刻机中最为核心的分系统, 其辐射出的13.5 nm附近2%带宽内的EUV光的功率值和稳定性是决定整个光刻机是否成功的关键指标之一. 本文针对激光Sn等离子体光源这一复杂系统, 开展了详细的关于等离子体状态参数分布以及EUV辐射光谱的数值模拟研究. 首先基于细致能级模型, 在局域热动平衡近似条件下计算得到了Sn等离子体在12—16 nm波段的辐射不透明度数据. 随后利用激光等离子体辐射流体力学程序RHDLPP, 分别模拟了纳秒激光脉冲作用于Sn平面固体靶和液滴靶所产生的等离子体的温度和电子密度等状态参数的分布. 结合辐射不透明度数据和等离子体状态数据, 利用光谱模拟后处理子程序SpeIma3D完成了平面靶等离子体的空间分辨EUV光谱以及液滴靶等离子体在60°观测角下的角分辨EUV光谱的模拟. 最后, 得到了液滴靶等离子体在13.5 nm, 2%带宽内的带内辐射强度随观测角度的变化规律. 本文获得的所有等离子体状态参数分布和EUV光谱模拟结果与现有的实验结果具有很好的一致性, 证明了RHDLPP程序在激光Sn等离子体EUV光源方面的模拟能力, 相关结果可以为EUV光刻以及国产化EUV光源的研制提供一定的支持.
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本文探讨了有限温度下, 飞秒激光脉冲诱导的分子准直现象中内在相干性度量与其准直信号之间的定量关系. 针对超快非共振激光脉冲诱导分子准直问题, 推导了转动体系$l_1 $范数相干性度量($C_{l_1}(\rho)$即密度矩阵ρ中所有非对角元素绝对值之和)与准直幅度(准直度最大值与最小值之差)之比与电场强度之间存在的定量关系, 并通过对CO分子的数值模拟进行了验证. 在此基础上, 进一步给出了这一比值与脉冲强度面积之间的映射关系. 本文的研究结果为实验中探测转动体系的相干性度量提供了新的思路, 并为利用分子转动态进行相干性度量研究奠定了理论基础, 有利于促进超快强场物理与量子信息度量之间的交叉融合.
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相对论扭曲波方法是研究微观粒子碰撞动力学过程的常用理论方法. 本文基于多组态Dirac-Hartree-Fock (MCDHF)方法以及相应的程序包GRASP 92/2K/2018和RATIP, 发展了一套电子与原子碰撞激发过程的全相对论扭曲波方法和程序. 计算了极化电子与原子碰撞激发过程的总截面、微分截面、态多极以及碰撞激发后辐射光子的积分和微分Stokes参数等. 讨论了电子关联效应、Breit相互作用和等离子体屏蔽效应对碰撞激发截面的影响. 该方法和程序的发展为详细研究复杂靶离子的碰撞激发过程和讨论电子关联效应以及Breit相互作用对碰撞激发过程的影响提供了条件.
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轫致辐射作为原子物理中重要的辐射过程, 在天体物理、等离子体物理、磁约束和惯性约束核聚变等领域具有重要研究意义. 本文基于相对论分波展开方法研究了中高能电子碰撞中性碳原子以及各价态碳离子的轫致辐射过程, 并探讨电子屏蔽效应对轫致辐射截面及角分布的影响. 利用Dirac-Hartree-Fock理论构建靶原子波函数, 在中心场近似下建立电子-靶原子相互作用势, 基于相对论分波展开方法通过数值求解Dirac方程得到电子连续态波函数, 对不同价态碳离子的轫致辐射单重、双重微分截面以及角分布函数进行详细计算, 分析电子屏蔽效应在不同入射电子能量和出射光子能量下的作用. 结果表明, 电子屏蔽效应会使轫致辐射单重和双重微分截面降低, 在较低能电子入射时以及软光子区域抑制效果显著, 而随着入射电子能量和出射光子能量的增加, 电子屏蔽效应不断减弱. 电子屏蔽效应对轫致辐射角分布的影响则较不明显.
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高精细度光学谐振腔辅助的量子非破坏(quantum nondemolition, QND)测量可产生原子自旋/动量压缩态, 是提升原子干涉灵敏度以突破标准量子极限的重要手段. 传统Fabry-Perot腔内驻波场结构导致的光与原子相互作用不均匀性, 使得原子自旋压缩度在演化过程中逐渐衰退. 本文研究一种面向原子干涉仪均匀QND测量的光学环形腔, 分析环形腔内行波场结构对光与原子相互作用均匀性的影响, 设计并研制了高精细度($ {\cal{F}} = 2.4(1)\times 10^{4} $)高真空兼容型光学环形腔, 并测试了环形腔特性. 在此基础上, 制备88Sr冷原子系综并与环形腔模式耦合, 通过环形腔差分测量方式提取原子经过腔模过程中对环形腔造成的色散相移, 实现对原子数目的非破坏测量. 实验结果表明在探测光功率为20 μW条件下, 测得环形腔色散相移为40 mrad, 耦合进腔内原子数目约为$ 1\times 10^{5} $. 调节原子与腔模位置匹配及探测光失谐量等参数, 验证了环形腔色散相移与QND测量理论的一致性. 本文研制的光学环形腔为原子干涉仪中自旋/动量压缩态的产生提供重要解决途径, 有望进一步提升原子干涉灵敏度, 并广泛应用于腔增强型量子精密测量中.
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设计了一种高灵敏度、高品质因子、高品质因数、高频探测、双固定功能的太赫兹可调完美吸收器. 该吸收器可实现4—14.5 THz范围内7个波段的完美吸收. 在进行结构设计时将线阵结构的参数与周期进行了关联. 通过计算吸收器的相对阻抗来对器件宏观层面的电磁进行解释, 并通过分析共振频率点的表面电场和磁场分布, 来分析该器件的物理机制. 计算了7个共振频点的品质因子Q, 其中最大Q值为219.41. 通过改变外部折射率, 该吸收器的灵敏度和品质因数值最大可达5421.43 GHz/RIU和35.204 RIU–1. 通过讨论关键参数对器件的影响, 得出该器件可实现双固定性能的选择、七波段吸收以及全波段反射. 通过改变狄拉克半金属的费米能级, 证明该吸收器具有良好的动态调节能力. 通过改变外部电磁波的入射角发现该器件在中低频段具有良好的稳定性, 但在高频段受外部入射角影响较大. 本文所提出的吸收器在成像、探测、检测等领域具有巨大的应用潜力, 相关工作对光电器件的设计提供了思路.
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基于DAST晶体的太赫兹差频辐射源具有宽调谐、室温运转等优点, 但DAST晶体熔点低、热导率低的特性使其在连续泵浦条件下热积累严重、晶体易损伤, 这限制了其实际应用. 本文理论研究了基于金刚石衬底的DAST晶体的热分布特性, 实验分析了金刚石衬底对DAST晶体中热效应的改善. 进一步, 基于连续单频激光器与金刚石衬底DAST晶体搭建了差频太赫兹辐射源, 其太赫兹波频率调谐范围为1.1—3 THz, 在2.493 THz处获得最大输出功率为3.39 nW, 30 min内太赫兹波的功率不稳定度为2.19%. 该窄线宽、可调谐太赫兹辐射源在高精度光谱检测等领域具有较高的应用潜力.
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