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2024, 73 (4): 048901.
doi:10.7498/aps.73.20231416
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识别网络传播中最有影响力的节点是控制传播速度和范围的重要步骤, 有助于加速有益信息扩散, 抑制流行病、谣言和虚假信息的传播等. 已有研究主要基于描述点对交互的低阶复杂网络. 然而, 现实中个体间的交互不仅发生在点对之间, 也发生在3个及以上节点形成的群体中. 群体交互可利用高阶网络来刻画, 如单纯复形与超图. 本文研究单纯复形上最有影响力的传播者识别方法. 首先, 提出单纯复形上易感-感染-恢复(SIR)微观马尔可夫链方程组, 定量刻画单纯复形上的疾病传播动力学. 接下来利用微观马尔可夫链方程组计算传播动力学中节点被感染的概率. 基于网络结构与传播过程, 定义节点的传播中心性, 用于排序节点传播影响力. 在两类合成单纯复形与4个真实单纯复形上的仿真结果表明, 相比于现有高阶网络中心性和复杂网络中最优的中心性指标, 本文提出的传播中心性能更准确地识别高阶网络中最有影响力的传播者.
2024, 73 (2): 025201.
doi:10.7498/aps.73.20231056
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激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源, 在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值. 本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程, 介绍了其基本物理过程及数学描述方程, 建立了基于多物理场耦合的二维流体模型. 利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程, 探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题. 通过与高气压氙气等离子体实验结果对比, 确定了仿真模型的有效性. 相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制, 为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.
2024, 73 (2): 026102.
doi:10.7498/aps.73.20231357
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由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性, 因此在光电子学领域具有广泛的应用前景. 本文使用真空抽滤法, 将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式, 制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜; 进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数, 并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器, 这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成. 实验和仿真结果表明, 提出的太赫兹超表面吸收器在0.65, 0.85, 1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰, 实现了最高可达90%的完美吸收. 利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制. 通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层, 深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能. 研究结果表明, 这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度, 为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.
2024, 73 (2): 027703.
doi:10.7498/aps.73.20230708
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向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段, 其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管 (BNNTs), 因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注. 然而, 表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用. 基于此, 本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅 (mSiO2), 并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法, 优化BNNTs表面特性. 结果表明, 通过表面结构设计及功能化, 可显著改善BNNTs的分散特性, 提升其与环氧树脂的界面作用. 以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升, 并兼具较低的介电常数与损耗. 此外, mSiO2独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱, 有效阻碍了电子的迁移, 进而提高复合电介质的电气强度. 本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路, 亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.
2024, 73 (3): 038901.
doi:10.7498/aps.73.20231096
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量化复杂网络之间的结构相似性是网络科学中一个基本且具有挑战性的问题, 在医学、社会学等多个领域发挥了至关重要的作用. 传统的网络比较方法通常基于简单的结构特征, 例如节点度分布、最短路径长度等, 这些方法可能无法充分捕捉网络的全局结构信息, 导致得到的网络相似性不精准. 本文提出了一种基于高阶信息的网络相似性比较方法, 该方法同时考虑了网络的全局结构和局部结构. 具体而言, 通过构建网络节点的高阶聚类系数分布和节点间距离分布, 并利用基于这两个分布的Jensen-Shannon散度来量化网络之间的相似性. 实验结果表明, 相较于其他基线方法, 本文提出的方法不仅能高效地比较不同网络的相似性, 且在对真实网络进行扰动的过程中也表现出鲁棒性.
2024, 73 (1): 017501.
doi:10.7498/aps.73.20231589
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霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域, 其起源可以追溯到数百年前. 1879 年, 霍尔发现将载流导体置于磁场中时, 磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累, 这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应. 之后, 一系列新的霍尔效应被发现, 包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等. 值得注意的是, 霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化, 因此在信息传输过程中扮演着重要的角色. 在玻色子体系(如磁子)中, 相应的一系列磁子霍尔效应也被发现, 他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展. 本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应, 简述其现代半经典的处理方法, 包括虚拟电磁场理论和散射理论等. 并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源, 概述了不同类型磁子的霍尔效应. 最后, 对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.
2024, 73 (5): 055202.
doi:10.7498/aps.73.20231679
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激光等离子体不稳定性是困扰惯性约束聚变的难题之一. 宽带激光作为抑制激光等离子体不稳定性的有效手段, 近年来受到广泛关注. 然而, 宽带激光在动理学区域驱动的受激拉曼散射等高频不稳定性存在非线性爆发, 使抑制效果不及预期. 本文提出一种外加强度调制的宽带激光模型. 通过选择适当的强度调制包络, 能够打断背散光在强脉冲中的放大过程, 降低高强度脉冲诱发剧烈爆发的概率, 并大幅减少背散光份额和热电子产额. 数值模拟表明, 强度调制激光对受激拉曼散射具有较好的抑制能力. 对于平均功率为
$ 1.0\times {10}^{15}~{\mathrm{W}}/{\mathrm{c}}{{\mathrm{m}}}^{2} $
, 带宽为0.6%的二倍频宽带激光, 使用强度调制技术后, 反射率下降了1个数量级, 20 keV以上热电子能量份额也由7.34%下降至0.31%. 上述研究证实了使用强度调制宽带激光抑制高频不稳定性的可行性, 并有望为后续宽带激光驱动聚变实验设计提供参考.
2024, 73 (1): 017505.
doi:10.7498/aps.73.20231166
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拓扑材料和二维材料等新型量子材料, 为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机. 这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面, 从而改善器件表现, 更由于它们丰富的相互作用和耦合关系, 能提供新奇物理现象和新的物性调控机制, 在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值. 拓扑材料和二维材料, 尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究, 取得了丰硕的成果, 兼顾了启发性与及时的实用性. 本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果: 首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破; 其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用; 最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.
2024, 73 (2): 024201.
doi:10.7498/aps.73.20231365
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满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大, 且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化. 为此, 本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理, 提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法. 在此基础上, 提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法, 结合弯折小型化设计, 获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体. 该FSS吸波体在TE和TM极化下, 90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz (相对带宽173%), 厚度仅为0.093λL. TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°, 而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°. 当每层FSS方阻在12—30 Ω/sq范围内波动时, 吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%. 实验测试结果与仿真结果基本吻合, 证明了所提方法的有效性.
2024, 73 (1): 017103.
doi:10.7498/aps.73.20231711
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磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科, 二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础. 磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物, 为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度. 磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态, 通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应; 而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力. 当前, 新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征, 而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野. 这两个阶段的深入发展, 将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试. 本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段, 讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面, 阐述当前领域内的热点内容和发展趋势, 并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望, 以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.
2024, 73 (1): 014201.
doi:10.7498/aps.73.20231212
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基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应, 提出了一种无磁光学非互易的理论方案. 利用实验可得的合适参数, 实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移. 此外, 将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪, 选择适当的参数, 可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器, 以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器. 半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势, 此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.
2024, 73 (3): 034301.
doi:10.7498/aps.73.20231472
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声散射是海洋声学的重要内容, 海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一. 针对海底表面粗糙度声散射问题, 建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型. 该模型将简正波理论与Lambert定律相结合. 基于该模型获得了散射声场声压的振幅与相位的统计分布, 并数值模拟了海底散射声场的强度及其空间相关系数, 实现了粗糙界面条件下海底散射声场预报, 揭示了散射声场空间特性随海底粗糙度的变化规律. 结果表明, 使用Lambert定律描述粗糙界面声散射时, 在海底粗糙度小于波长情况下, 随着空间距离的增大, 空间两个不同位置的散射声场的空间相关系数具有周期性振荡衰减的变化规律, 并且在垂直方向上, 振荡周期更大, 衰减更慢. 当粗糙度增大时, 水平和垂直相关系数振荡幅度逐渐增大, 水平相关系数振荡周期数逐渐减少, 在接收点逐渐靠近海底时, 垂直相关系数不再发生衰减, 这是海底声散射减弱的结果. 本文模型理论亦可推广到粗糙海面的声散射建模中. 对于非水平海底情况, 采用耦合简正波或绝热简正波理论进行声传播建模, 可以得到距离有关波导中粗糙界面的散射声场.
2024, 73 (5): 054401.
doi:10.7498/aps.73.20231415
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微通道流动沸腾冷却技术兼具相变潜热和微尺度效应的诸多优点, 是解决微电子器件热致失效问题的重要方法之一. HFE-7100是一种安全环保的电子氟化液, 特别适用于微电子器件的冷却. 本文在水力直径为0.5 mm的矩形平行微通道内, 对HFE-7100的流动沸腾传热和两相流动特性进行了实验研究， 测量范围为常压下质量流率88.9—277.8 kg·m–2·s–1、入口过冷度20.5—35.5 ℃和有效热流密度12—279 kW·m–2. 本文分析了质量流率、入口过冷度、有效热流密度和干度对传热系数和压降的影响, 发现在较低的入口过冷度下HFE-7100出现了沸腾迟滞现象, 且增大入口过冷度和质量流率会延缓沸腾起始点的发生, 且会提高传热系数和临界热流密度. 两相压降受有效热流密度影响较大, 且在定干度下不同质量流率的两相压降在塞状流和环状流阶段有明显差异. 同时, 通过观测两相流型, 对流动沸腾传热现象进行了分析. 本文还将两相压降实验数据与文献关联式预测值进行了对比, 与Lockhart提出的关联式预测值偏差为19.6%. 本文研究结果可为微电子器件散热设备的优化设计提供理论指导: 以HFE-7100作为传热工质并将微通道流动沸腾冷却技术应用于微电子器件散热设备, 可以提高设备的稳定性和可靠性; 在不同热流密度的设备中通过控制入口过冷度和质量流率可有效地提升其散热性能; 采用Lockhart提出的两相压降关联式可预测散热设备所需的泵功.
2024, 73 (4): 044205.
doi:10.7498/aps.73.20231616
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2.94 μm纳秒铒激光是宽调谐中红外激光和临床医疗研究中重要的固体激光源. 本文研制了新型LiNbO3声光调Q Er:YAG 激光器, 研究了20 Hz重复频率下不同调Q延迟时间和耦合腔镜反射率对激光输出脉冲特性的影响规律. 根据测量激光器的热透镜焦距设计了凹凸谐振腔补偿热透镜效应, 获得了激光单脉冲能量为34.68 mJ、脉冲宽度为119.9 ns的调Q输出, 相应的峰值功率为289.24 kW, 与平平腔相比输出能量提高了2.09倍. 据我们所知, 这是目前声光调QEr:YAG激光器中获得的最高能量, 可为进一步研究宽调谐中红外激光技术提供新的手段.
2024, 73 (4): 047801.
doi:10.7498/aps.73.20231301
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近十年来, 制备近紫外有机发光二极管成为有机电子学领域的研究热点之一. 但是当器件的电致发光波长延伸到400 nm以下后, 对器件中各功能层的材料选择提出了更高要求. 本实验中, 以宽带隙小分子材料BCPO(bis-4-(N-carbazolyl)phenyl)phenylphosphine oxide)为发光层, 基于BCPO的发射光谱确定了电子传输材料和空穴传输材料, 制备了电致发光峰位波长在384 nm附近的近紫外有机发光二极管. 在最佳的器件结构下, 器件的最大外量子效率达到2.98%, 最大辐射功率达到38.2 mW/cm2. 电致发光谱中波长在400 nm以下的近紫外光占比为57%. 结果表明器件在恒压模式下展示了良好的稳定性, 此外, 对影响器件稳定性的多个关键因素给予了深入的分析.
2024, 73 (2): 027702.
doi:10.7498/aps.73.20230614
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聚合物电介质材料因其高功率密度、耐击穿、安全柔韧、易加工和自愈性等特点, 被广泛应用于智能电网、新能源汽车、航空航天、国防科技等领域. 其中, 基于三明治结构设计获得具有更高储能密度和储能效率的柔性电介质材料成为近年来聚合物储能电介质领域的研究热点和常用策略. 本文从电介质的材料构成、结构设计以及制备方法等角度综述了基于三明治结构聚合物电介质薄膜在储能密度提升方面的研究进展, 阐述了三明治结构电介质材料性能调控的微观机制和协同增强机理, 并展望了其发展趋势和应用前景.
2024, 73 (1): 010501.
doi:10.7498/aps.73.20231211
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物理忆阻器具有不对称的紧磁滞回线, 为了更加简便地模拟物理忆阻器的不对称紧磁滞曲线, 本文提出了一种含有偏置电压源的分数阶二极管桥忆阻器模型, 其具有可连续调控磁滞回线的能力. 首先, 结合分数阶微积分理论, 建立了含有偏置电压源的二极管桥忆阻器的分数阶模型, 并对其电气特性进行分析. 其次, 将其与Jerk混沌电路相融合, 建立了含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路模型, 研究了偏置电压对其系统动态行为的影响. 再次, 在PSpice中搭建了分数阶的等效电路模型, 并对其进行电路仿真验证, 实验结果与数值仿真基本一致. 最后, 在LabVIEW中完成了电路实验, 验证了理论分析的正确性与可行性. 结果表明, 含有偏置电压源的分数阶忆阻器, 可以通过调控偏置电压源的电压, 连续获得不对称紧磁滞回线. 随着偏置电源电压的改变, 非齐次分数阶忆阻混沌系统由于对称性的破环, 表现出由倍周期分岔进入混沌的行为.
2024, 73 (4): 045201.
doi:10.7498/aps.73.20231369
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在刻蚀工艺中, 通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源, 以实现对离子能量和离子通量的独立调控. 本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型, 在Ar/O2/Cl2放电中, 研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响. 研究结果表明: 当偏压频率为2.26 MHz时, 随着偏压的增加, 除了Cl–离子和ClO+离子的密度先增加后降低最后再增加外, 其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加. 当偏压频率为13.56和27.12 MHz时, 除了Cl–离子和
$ {\text{Cl}}_2^ + $
离子外, 其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似. 随着偏压频率的提高, 在低偏压范围内(<200 V), 由于偏压源对等离子体加热显著增加, 导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加; 而在高偏压范围内(>300 V), 由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强, 导致除了
$ {\text{Cl}}_2^ + $
离子和Cl–离子外, 其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先下降后增加的. 此外, 随着偏压频率的增加, 离子能量分布中的高能峰和低能峰彼此靠近, 离子能峰间距变窄, 并最终变成单峰结构. 本文的结论对于优化等离子体刻蚀工艺具有重要意义.
2024, 73 (3): 037202.
doi:10.7498/aps.73.20231393
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数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象. 当参数
$ \varDelta\neq0$
时, 此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为. 通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变, 即发生第1次局域化转变进入完全局域相后, 继续增加调制强度, 一些局域态重新恢复成了退局域化态, 进一步增加调制强度, 系统将再次进入完全局域化相. 最后给出了局域化相图. 当参数
$ \varDelta=0$
时, 此系统仅存在单频率调制. 通过解析和数值求解证明了, 系统存在解析的迁移率边, 但不存在重返局域化. 该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考, 也为重返局域化的研究提供了新的视角.
2024, 73 (1): 010301.
doi:10.7498/aps.73.20231795
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20世纪初, 以原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术发明为标志性成果的第一次量子革命, 促进了物质文明的巨大进步, 从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌. 自20世纪90年代以来, 量子调控技术的巨大进步, 使得以量子信息科学为代表的量子科技突飞猛进, 标志着第二次量子革命的兴起. 量子信息科技包括量子通信、量子计算、量子精密测量等方面, 为保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等提供了革命性解决方案, 可为国家安全和国民经济高质量发展提供关键支撑. 经过近30年的发展, 我国在量子信息科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃, 在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位; 在量子计算方面牢固占据国际第一方阵; 在量子精密测量的多个方向进入国际领先或先进水平. 当前, 需要根据国家战略需求和国际竞争态势, 做好未来5—10年我国在量子信息领域的发展重点研判, 率先建立下一代安全、高效、自主、可控的信息技术体系.
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