国防科技大学建校70 周年专题
国防科技大学物理学科起源于哈军工时期的物理教授会和原子工程系, 专业积淀深厚、军事特色鲜明. 七十年传承, 始终面向国家重大战略特别是国防科技战略, 为我国相关领域培养了一大批优秀人才. 围绕国防高科技武器基础原理和新概念武器开展特色研究, 在极端条件物态物性、强场超快、聚变能源、量子技术、武器物理等方面形成优势, 孵化了核科学与技术、光学工程一级学科和量子信息、高能量密度物理等交叉学科, 形成了基础研究与军事应用紧密结合、前沿探索与高水平人才培养有机统一、自主创新与开放合作相得益彰的鲜明特色, 建成了一流的拔尖人才培养基地和前沿创新科研平台. 在国防科技大学 70年校庆之际, 在国内对基础学科发展前所未有重视之时, 国防科技大学对物理学科的支持力度也进入了全新时期, 学科发展进入快车道, 高水平成果不断涌现.
在《物理学报》编辑部的大力支持下, 我们组织了“国防科技大学建校 70周年专题”, 主要集中展示了极端条件和量子信息技术两个方向的部分成果. 在极端条件物理方面, 赵增秀等利用符合测量技术, 展示了强飞秒激光场下二氧化碳二聚体的多体解离过程; 康冬冬和戴佳钰等发展机器学习结合的大尺度精确原子尺度计算方法, 研究了类地行星内部铁流体的离子输运性质; 高城和吴建华等利用精确的多组态 Dirac-Fock方法, 计算了局域热平衡 Sn等离子体 EUV辐射不透明度, 有助于 EUV光刻光源的设计和研究; 李永强等综述了近年来利用动力学平均场方法, 开展光晶格超冷原子量子模拟的进展; 王伟权和银燕等利用粒子模拟方法, 结合机器学习, 获得了钻孔辐射压加速机制下离子峰值能量; 邹德滨等利用粒子模拟方法和蒙特卡罗方法, 研究了强激光作用超薄氘靶产生中子的过程. 在量子信息方面, 邹宏新等综述了中国空间站冷原子光钟激光系统研究进展, 该系统已于 2022年 10月 31日随“梦天”实验舱成功发射; 刘伟涛等综述了在室外环境中开展的关联成像中关于成像系统、信噪甄别技术和成像算法等方面的研究进展, 并浅析了未来发展方向; 江天等综述了典型的本征磁性拓扑绝缘体 MnBi2Te4的研究进展, 着重阐述了量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态, 并展望了下一步研究方向; 杨俊波等归纳了几种目前最常用的片上光互连器件的智能设计方法, 并详细分析了智能化设计的片上光互连器件的几个重大研究进展与趋势; 刘肯和朱志宏等综述总结了近年来在异质集成二维材料光子器件中进行非线性光学特性研究的最新进展 (2023年第 17期已发表), 阐述了基于转移方法和直接生长法制备的优势和技术难点, 指明了发展趋势.
国防科技大学物理学科的发展始终与国防科技发展紧密相连, 始终秉持“面向国防科技前沿基础, 建设特色一流物理学科”的建设理念, 坚持前沿创新, 在培养一流人才的道路上继续前进.
2023, 72 (17): 174202.
doi: 10.7498/aps.72.20230729
摘要 +
全光信号处理中具有优异非线性光学特性的光子平台对于提升器件的集成度、调制速度以及工作带宽等性能参数至关重要. 成熟的硅、氧化硅以及氮化硅光子平台由于材料本身中心对称, 基于这些平台的集成光子器件可实现的非线性光学功能受限; 二维材料尽管有着优异的非线性光学特性, 但只有原子层厚, 其非线性潜能无法被充分利用. 将二维材料与成熟的光子平台集成, 在充分利用光子平台成熟加工工艺的基础上, 可以显著提高光与二维材料的相互作用, 提升光子平台的非线性光学性能. 基于以上背景, 本文总结了近年来在基于转移方法和直接生长法制备的多种异质集成二维材料光子器件中进行非线性光学特性研究的最新进展; 阐述了相较于传统转移方法, 基于直接生长方法进行集成二维材料非线性光学研究的优势以及未来需要解决的技术难点; 指明了该领域未来的研究发展趋势; 并指出直接在各种成熟的光子平台上生长二维材料进行集成非线性光学特性的研究会对未来光通信、信号处理、光传感以及量子技术等领域的发展产生深远影响.
2023, 72 (18): 180101.
doi: 10.7498/aps.72.180101
摘要 +
国防科技大学物理学科起源于哈军工时期的物理教授会和原子工程系, 专业积淀深厚、军事特色鲜明. 七十年传承, 始终面向国家重大战略特别是国防科技战略, 为我国相关领域培养了一大批优秀人才. 围绕国防高科技武器基础原理和新概念武器开展特色研究, 在极端条件物态物性、强场超快、聚变能源、量子技术、武器物理等方面形成优势, 孵化了核科学与技术、光学工程一级学科和量子信息、高能量密度物理等交叉学科, 形成了基础研究与军事应用紧密结合、前沿探索与高水平人才培养有机统一、自主创新与开放合作相得益彰的鲜明特色, 建成了一流的拔尖人才培养基地和前沿创新科研平台. 在国防科技大学70年校庆之际, 在国内对基础学科发展前所未有重视之时, 国防科技大学对物理学科的支持力度也进入了全新的时期, 学科发展进入快车道, 高水平成果不断涌现.
2023, 72 (18): 183301.
doi: 10.7498/aps.72.20231245
摘要 +
光学成像是人类不可或缺的信息获取方式之一, 其在预警侦察、精确制导、交通运输和工业生产等军用和民用领域发挥着不可替代的作用. 在室外环境中, 由于背景光、杂散光和大气介质的影响, 光学成像的分辨率、信噪比和作用距离等受到限制. 近年来, 在光学、物理、信息论及计算机等多学科的交叉融合发展的支撑下, 新型光学成像技术不断涌现, 为发展远距离、大视场、高信息通量的室外光学成像带来新的契机. 关联成像作为新型主动成像技术之一, 具有高灵敏、抗干扰、信息并行获取等特点, 能够较好地应对室外光学成像中所面临的如远距离导致光功率急剧衰减、环境噪声干扰引起的低信噪比等问题, 并能在一定程度上减少散射、湍流等导致的图像模糊等问题, 是当前室外环境中光学成像的热门研究领域之一. 本文从光学成像原理出发, 分析室外环境中光学成像分辨率、信噪比、空间带宽积和成像距离的影响因素, 重点介绍和梳理室外关联成像在成像系统、信噪甄别技术和成像算法等方面的研究进展, 并浅析光学成像向更远距离、更广视场拓展的过程中需要研究的基础问题和待攻克的关键技术.
2023, 72 (18): 183701.
doi: 10.7498/aps.72.20230701
摘要 +
随着原子冷却技术与光晶格技术的发展, 光晶格与超冷原子气体组成的量子系统已经成为量子模拟中的有力工具. 光晶格纯净和高度可控的性质赋予其强大的调控能力, 如今, 人们可以模拟更复杂和有趣的物理现象, 从而加深对量子多体物理的认识. 本文综述了近年来本课题组利用玻色动力学平均场理论对强关联区间的光晶格玻色体系进行的一系列研究, 包括多组分玻色体系、高轨道玻色体系以及存在长程相互作用的体系等. 通过玻色动力学平均场理论的计算, 揭示了从弱相互作用区间到强相互作用区间出现的丰富物理现象, 包括不同磁序的量子相、多步凝聚、超固体相以及高轨道体系中的自旋-角动量耦合和阻挫效应.
2023, 72 (18): 184202.
doi: 10.7498/aps.72.20230412
摘要 +
中国研制的世界首台空间冷原子光钟于2022年10月31日随“梦天”实验舱成功发射, 进入中国空间站. 紧凑稳定的激光系统是实现光钟空间应用的关键环节. 本课题组提出类同步调谐方案, 研制了高性能外腔半导体激光器, 能同时满足空间光钟对激光器调谐范围、线宽和力学热学稳定性的要求. 采用注入锁定和锥形放大器进行激光功率放大, 满足了空间光钟对激光功率的要求. 本文简要介绍了空间冷原子光钟的系统构成、激光器方案和电控系统, 并对光钟激光系统面临的问题和发展方向进行了总结和展望.
2023, 72 (18): 184204.
doi: 10.7498/aps.72.20230705
摘要 +
光互连技术相比于电互连等传统通信技术具有带宽大、能耗低、抗干扰等系列优势, 正在逐渐成为短距离、甚短距离数据终端间通信的重要手段和发展趋势. 基于绝缘体上硅的片上光互连技术作为光互连在芯片尺度上的实现, 在一系列复用技术的支持下得到了非常广泛的应用. 智能设计方法具有原理直观、设计自由度高、材料兼容性好等优点. 随着智能设计方法在片上光互连器件设计活动中的广泛应用, 目前片上光互连器件逐渐呈现出超紧凑化、可调控化、系统集成化等重要发展趋势. 本文首先归纳了几种目前最常用的片上光互连器件的智能设计方法, 然后详细分析了智能化设计的片上光互连器件的几个重大研究进展与趋势, 最后对未来智能化设计的片上光互连器件的发展进行了展望.
2023, 72 (18): 187101.
doi: 10.7498/aps.72.20230704
摘要 +
本征磁性拓扑绝缘体非平庸拓扑态和磁有序的相互作用使其具备量子反常霍尔效应和轴子绝缘体等奇异物理性质, 在低功耗拓扑自旋电子器件及拓扑量子计算等方面展现广泛应用前景. 自2019年第一种本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4在实验上被发现以来, 该材料体系领域迅速吸引了大量研究者的目光, 引发了研究热潮. 本文将从MnBi2Te4基本性质出发, 介绍近期本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的一些重要研究成果, 着重阐述MnBi2Te4系列的量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态, 并列举该材料体系其他研究方向及目前存在的问题. 最后, 总结并展望MnBi2Te4的下一步研究, 期望为相关领域人员的研究提供一定参考价值.
2023, 72 (18): 183101.
doi: 10.7498/aps.72.20230455
摘要 +
锡(Sn)是13.5 nm光刻光源的材料, Sn等离子体辐射性质对光源设计意义重大. 基于细致能级模型, 在局域热平衡假设条件下计算得到了Sn等离子体辐射不透明度和发射谱. 使用多组态Dirac-Fock方法获得了${\rm{Sn}}^{6+}\text{-}{\rm{Sn}}^{14+}$ 离子的能级和辐射跃迁振子强度等基本原子参数. 针对波长在13.5 nm附近的4d-4f和4p-4d跃迁系, 重点考虑了4dm-4f m(m = 1, 2, 3, 4)和4pn-4dn(n = 1, 2, 3)的电子关联效应. 在大规模组态相互作用计算中, 每种电荷态离子的精细能级数目约为20万. 对较强的吸收谱线(振子强度大于0.01), 其长度和速度表示的相对差异为20%—30%. 基于精密原子参数, 计算了Sn等离子体在30 eV, 0.01 g/cm3条件下的透射谱, 与实验结果基本符合. 系统计算了温度16—30 eV, 密度0.0001—0.1 g/cm3条件下的Sn等离子体辐射不透明度和发射光谱, 分析了极紫外(extreme ultraviolet, EUV)光谱随温度和密度的变化规律. 研究表明温度一定时, 密度增大会使得13.5 nm附近的辐射不透明度和发射谱包络增宽. 而密度一定时, 随着温度的增加, 辐射不透明度和发射谱在13.5 nm附近存在明显的窄化效应. 本文工作有助于EUV光刻光源的设计和研究.
2023, 72 (18): 184103.
doi: 10.7498/aps.72.20230702
摘要 +
超短超强激光脉冲与固体靶相互作用可通过钻孔辐射压加速机制产生百MeV量级的离子束, 离子束的品质强烈依赖于激光和靶的作用参量. 本文以近400组激光驱动固体靶的粒子模拟结果作为数据集, 以激光强度、靶密度、靶厚和离子质量作为输入参量, 基于全连接神经网络建立了一个离子峰值能量和截止能量连续映射模型. 该模型用较为稀疏的参量取值获得了较大参量范围内的分析结果, 大大减少了多维参量大范围扫参的计算量. 基于连续映射模型的结果, 得到了钻孔辐射压加速机制下离子峰值能量的修正公式和截止能量的拟合公式, 可为激光离子加速的实验设计提供重要参考.
2023, 72 (18): 185201.
doi: 10.7498/aps.72.20230706
摘要 +
使用粒子模拟程序和蒙特卡罗方法研究了双束对射圆极化激光与超薄氘靶相互作用中氘氘聚变反应产生中子的过程. 研究发现, 由于净光压和横向不稳定性发展的差异, 激光电场矢量旋转方向和初始相对相位差对氘靶压缩及中子特性有重要影响. 选择相对相位差为0且电场矢量旋转方向相同的双束光, 可获得最高的中子产额; 而采用相对相位差为0.5π或1.5π且电场矢量旋转方向不同的对射光, 中子具有定向的空间分布. 对于强度为1.23 × 1021 W/cm2、脉宽为33 fs、相对相位差为0.5π的左旋光和右旋光, 可获得产额为8.5 × 104 n、强度为1.2 × 1019 n/s、脉宽为23 fs、前冲性较好且分布可调谐的脉冲中子源.
2023, 72 (18): 187102.
doi: 10.7498/aps.72.20231258
摘要 +
液态铁作为类地行星内核的主要组成成分, 其在高温高压条件下的热力学、输运及动力学性质研究, 对理解行星演化有着重要意义. 极端条件物态物性在实验条件下产生困难且诊断手段有限, 而理论模拟在动力学、输运性质计算方面面临着规模、精度的双重要求, 极大限制了这方面的有效进展. 本文结合深度学习技术, 通过神经网络构造液态铁的高维相互作用势能面, 在保证第一性原理计算精度的前提下, 将计算规模从数百原子扩展到数十万原子体系. 研究了从常压到核幔边界条件下液态铁的动力学及输运性质, 并与X射线衍射、非弹性X射线散射实验对比, 二者的一致性指出, 深度学习技术与分子模拟的结合为我们高通量研究极端条件下真实体系的物态物性及动力学提供了有效手段.
2023, 72 (18): 187901.
doi: 10.7498/aps.72.20230699
摘要 +
开展了强飞秒激光场诱导的二氧化碳二聚体离子${{\rm{(CO}}_2)}_{2}^{4+}$ 的三体库仑爆炸过程的实验研究. 利用冷靶反冲离子动量成像谱仪测量了关联的碎片离子的三维动量矢量和动能. 结果表明, ${\rm{(CO_2)}}_{2}^{4+}$ 离子通过序列解离通道和非序列解离通道分解为${\rm{CO}}_{2}^{2+}+{\rm{CO}}^++{\rm{O}}^+$ 离子. 在序列解离过程中, 弱范德瓦耳斯键先断裂, 然后是强的共价键C=O断裂; 而在非序列解离过程中, 3个碎片离子在一次动力学事件内几乎同时产生. 通过对比两个解离通道的事件比率, 表明序列的解离通道在${\rm{(CO_2)}}_{2}^{4+}$ 离子的三体库仑爆炸中占主导作用. 发现这种同时包含范德瓦耳斯键和共价键的二聚体或团簇在多体库仑爆炸过程中相比单体和仅有范德瓦耳斯键的团簇具有特殊的动力学性质, 两种化学键在强场动力学过程中扮演不同的角色.
2023, 72 (21): 214207.
doi: 10.7498/aps.72.20231242
摘要 +
Hong-Ou-Mandel干涉可以更好地抵抗相位噪声的干扰. 近年来基于双光子干涉的量子全息提出, 通过待测量子态和标准量子态的二阶干涉, 可以将待测光子的波函数信息解译出来. 为了更好地理解和发展该方法, 本文建立了量子全息的理论框架. 根据不同的待测态和参考态, 分别研究了利用单光子态或相干态作参考, 测量待测的单光子态和相干态. 本文讨论的所有情况下, 待测态的波函数信息以相似的数学形式反映在归一化的二阶关联函数中. 通过简洁算法便可提取待测态波函数的信息. 该量子全息也保持了Hong-Ou-Mandel干涉的鲁棒性, 相位噪声并不影响测量结果.
