Vol. 60, No. 12 (2011)
2011年06月20日
总论
2011, 60 (12): 120201.
doi:10.7498/aps.60.120201
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以同伦近似对称法为理论依据研究了远场模型方程, 通过归纳各阶相似约化解和各阶相似约化方程的通式构造相应的同伦级数解. 各阶相似约化方程均为线性变系数常微分方程, 并且可以从零阶开始依次求解. 同伦模型中的辅助参数影响同伦级数解的收敛性.
2011, 60 (12): 120202.
doi:10.7498/aps.60.120202
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提出了一种由钟状光滑孤子(或孤波)解构造尖峰孤子解的方法,即根据已知的钟状孤子(或孤波)解的形式直接拟定尖峰孤子解的形式,然后确定拟解中的待定参数,得到具体的解式.通过5个非线性方程(组)对该方法进行了验证, 表明方法是可行的.钟状光滑孤子(或孤波)解与尖峰孤子解这两种性质完全不同的解可以同时存在,尖峰孤子解的表达式包含了钟状光滑孤子(或孤波)解,后者可以作为前者的特例.
2011, 60 (12): 120301.
doi:10.7498/aps.60.120301
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研究四量子比特海森堡XXZ模型中配对纠缠的性质,在该系统中引入了Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用,通过求解配对纠缠度来讨论最近邻和次近邻两量子比特之间的热纠缠性质. 研究结果表明:对于铁磁和反铁磁两种情形而言,次近邻两量子比特之间不存在配对热纠缠;但在最近邻两量子比特情况时,DM相互作用和各向异性参数对配对热纠缠和临界温度Tc都具有重要的影响,且随着温度T的增加,配对纠缠度逐渐减小直至消失. 因此,选择和调整合适的DM相互作用和各向异性参数,可以有效地控制和提高配对热纠缠.
2011, 60 (12): 120302.
doi:10.7498/aps.60.120302
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量子Fisher信息作为经典Fisher信息的自然推广,与量子信息中的纠缠判断具有密切联系.在表现为典型量子混沌特征的受击两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中,研究了与经典相空间对应的纠缠和量子Fisher信息动力学性质. 结果表明,初次撞击后的系统量子态是纠缠的,与初态所处相空间中的混乱程度无关.而量子Fisher信息的动力学演化对系统初态非常敏感,当初态处于混沌区域时,量子Fisher信息值比初态处于规则区域时大.利用这种较好的量子-经典对应关系,得到量子Fisher信息可以刻画量子混沌的结论.
2011, 60 (12): 120303.
doi:10.7498/aps.60.120303
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研究了由一个型三能级原子、一个V型三能级原子和光纤连接的双模腔构成的系统,给出了系统态矢的演化. 采用部分转置密度矩阵的负本征值来描述两个子系统间的纠缠,利用数值计算方法研究了原子与原子之间和腔场与腔场之间的纠缠特性. 讨论了光纤模与腔场间的耦合强度对纠缠特性的影响. 研究结果表明:随光纤模与腔场间的耦合强度增强,原子间的纠缠和腔场间的纠缠均增强.
2011, 60 (12): 120304.
doi:10.7498/aps.60.120304
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研究了非对称周期势阱中玻色-爱因斯坦凝聚原子的空间混沌分布结构. 在凝聚体相位为常数的情况下, 凝聚体内部不存在原子流,凝聚原子的空间分布结构可以用一个无阻尼双驱动Duffing方程描述. 理论分析给出了原子间呈排斥作用系统的Mel'nikov混沌判据.数值模拟结果显示,化学势的增大能够对原子混沌分布产生明显的抑制作用,甚至使混沌完全消失. 对于原子间呈吸引作用的系统,在一定参数条件下,调节光格势强度比可以使凝聚原子由周期状态进入到空间混沌分布状态,随着化学势的增大这种空间混沌分布被完全抑制.
2011, 60 (12): 120305.
doi:10.7498/aps.60.120305
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陷俘于光晶格中的Mott绝缘体态原子是非相干物质波波源. 这种物质波从光晶格释放后不会出现一阶干涉现象,但是存在二阶干涉(密度关联)效应. 针对这一现象,理论上给出了自由膨胀超冷原子气体的密度关联函数,该函数表现出清晰的干涉峰,其条纹结构与光栅衍射谱类似. 进一步研究表明,密度关联函数的峰值结构与两探测器的相对位置有关,出现了物质波的亚波长干涉现象.
2011, 60 (12): 120401.
doi:10.7498/aps.60.120401
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利用4单形及其对偶1-骨架,描述了纯空时的跃迁. 对自旋网编织成的三维空间在跃迁的两个台阶间体积的改变做出了证明. 给出了四维空时体积的一个平坦量子涨落模型. 利用自旋网腿中的圈线刺过曲面时产生的激发,获得了三维空间的2阶对称离散张量hab,按照空时是激发和跃迁体系的观点,得到了离散引力场h的产生与改变机制.
2011, 60 (12): 120501.
doi:10.7498/aps.60.120501
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研究了乘性非高斯噪声和加性高斯白噪声共同激励下非对称双稳系统的平均首次穿越时间和随机共振问题. 利用路径积分法和两态模型理论,推导出平均首次穿越时间和信噪比的表达式. 研究结果表明:势阱非对称性对两个不同方向的平均首次穿越时间的影响是不同的. 信噪比是加性噪声强度和势阱非对称性的非单调函数,系统出现了随机共振现象;信噪比是乘性噪声强度的单调函数,没有共振峰出现. 这说明该系统中乘性噪声强度和加性噪声强度对信噪比的影响是不同的.
2011, 60 (12): 120502.
doi:10.7498/aps.60.120502
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具有记忆功能的忆阻器是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本二端电路元件. 提出了由-q平面上的一条三次单调上升的非线性曲线来确定的光滑磁控忆阻器,它有着斜8字形的类紧磁滞回线的伏安特性曲线. 采用此忆阻器和负电导构成的有源忆阻器替换蔡氏混沌电路中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的混沌振荡电路. 此外,利用常规的运算放大器和乘法器等元器件给出了有源忆阻器的等效电路实现形式. 理论分析、数值仿真和电路仿真结果一致,均表明忆阻混沌电路的动力学行为依赖于忆阻器的初始状态,在不同初始状态下存在混沌振荡、周期振荡或稳定的汇等不同的运行轨道.
2011, 60 (12): 120503.
doi:10.7498/aps.60.120503
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含双滞后环力-位移关系的系统在工程中有增多的趋势,但相关的动力学研究还较少.以形状记忆合金减振系统为背景,研究了双线性双滞后环系统的主共振分岔问题.首先用平均法求得了正弦激励下系统主共振幅频响应方程.然后利用非光滑系统的约束分岔理论,讨论了环境温度和外激励幅值变化对幅频响应曲线的影响.结果表明:环境温度和外激励幅值组成的参数平面可分成11个区域,每个区域对应一种定性不同的幅频响应解.此外,为便于幅频响应图的描述和比较,提出了一种编码规则来描述响应在扫频时的跳跃现象.这对于系统频响模式的设计具有直接的指导作用.
2011, 60 (12): 120504.
doi:10.7498/aps.60.120504
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Sprott系统通过单绝对值项的非线性作用实现混沌,引入新的控制参数,可实现对该系统的恒Lyapunov指数谱混沌锁定,锁定以后的混沌信号幅度与相位可以调节. 基于Lyapunov势函数法,构建了反同步系统,在响应系统中只引入一个控制项,实现了锁定系统的反同步.
2011, 60 (12): 120505.
doi:10.7498/aps.60.120505
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首先基于LaSalle不变集定理设计一种自适应控制器,实现了永磁同步电动机中的混沌控制. 然后在控制项中增加一个控制强度因子,给出了一种改进的自适应控制器. 与以往的控制方案相比,该控制方案具有最简形式,控制器可以施加在状态方程的任何一项上. 仿真结果表明了该方法的有效性和对外界随机干扰的鲁棒性.
2011, 60 (12): 120506.
doi:10.7498/aps.60.120506
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通过设计一个非线性反馈控制器,实现了分数阶混沌系统的同步.与其他的分数阶混沌系统同步方法相比,提出的控制器设计方法保留了部分误差系统中的非线性项,而没有完全抵消同步误差系统的非线性项,有效改善了误差系统的控制性能.同时,应用区间分数阶线性时不变系统稳定性原理和线性矩阵不等式技术,得到了一个新的分数阶混沌系统同步的充分条件,进而获得的控制器保证了混沌系统同步.仿真结果验证了提出方法的有效性.
2011, 60 (12): 120507.
doi:10.7498/aps.60.120507
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在符号计算软件 Maple 的帮助下,利用投射方程法和变量分离法,得到了(3+1)维 Jimbo-Miwa(JM)方程的新显式精确解. 根据得到的孤立波解,研究了 JM 方程新颖的局域激发.
2011, 60 (12): 120508.
doi:10.7498/aps.60.120508
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根据反射光谱可用于分析固体表面介质凝聚状态的原理,理论分析了不锈钢表面上不同厚度薄液膜对表面反射率的影响,确定了在冷凝过程中该表面上冷凝液形成和更新过程导致相应反射率变化的范围. 通过分析滴状冷凝实验过程反射光谱的文献数据,研究了滴状冷凝过程壁面上蒸气分子凝聚特征,发现在实际的滴状冷凝传热过程中,液滴脱落后形成的裸露表面上存在反射特征介于液膜与体相蒸气分子之间的介质. 结合蒸气冷凝过程的分子团聚模型,得到了在滴状冷凝过程中近壁面附近的蒸气分子形成分子团聚分布的合理性. 此外,分析发现表面微观结构将改变团聚体分布密度,从而影响冷凝核化过程的现象. 这为冷凝传热强化方法的研究提出了新的思路.
2011, 60 (12): 120509.
doi:10.7498/aps.60.120509
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自适应网络是节点动力学和网络动力学相互作用和反馈的演化网络. 基于元胞自动机建立自适应网络中易感-感染-易感(susceptible-infected-susceptible)的病毒传播模型,研究节点为了规避病毒传播所采取的多种网络重连规则对病毒传播及网络统计特征的影响. 结果表明:自适应网络中的重连规则可以有效减缓病毒传播速度,降低病毒传播规模;随机重连规则使得网络统计特征趋于随机网络;基于元胞自动机建立的传播模型清晰地表达了病毒在传播过程中的双稳态现象.
核物理学
2011, 60 (12): 122101.
doi:10.7498/aps.60.122101
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用有效质量口袋模型描述奇异夸克物质,研究了耦合常数和口袋常数的选取对奇异夸克物质的状态方程及奇异星性质的影响.结果表明,随着耦合常数和口袋常数的增大,奇异夸克物质的状态方程变软,相应的奇异星的引力质量和对应的半径均变小.当耦合常数从0.5增大到2.0时,奇异星的质量从1.43M⊙(M⊙=1.991030 kg)减小到1.25M⊙,相应的半径由8.3 km减小到7.7 km;当口袋常数B1/4由160 MeV增大到175 MeV时,奇异星的质量和半径分别由1.47M⊙和8.6 km减小到1.22M⊙和7.4 km.这说明奇异夸克物质及奇异星的性质明显依赖于模型参数的取值.
原子和分子物理学
2011, 60 (12): 123101.
doi:10.7498/aps.60.123101
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对Ge原子采用6-311++G**基函数,Te和Se原子采用SDB-cc-pVTZ基函数,利用密度泛函理论的局域自旋密度近似方法优化得到了GeTe和GeSe分子的稳定构型,并计算了外电场作用下GeTe和GeSe基态分子的平衡核间距、总能量、最高已占据分子轨道能量EH、最低未占分子轨道能量EL、能隙、谐振频率和红外谱强度. 在上述计算的基础上利用单激发组态相互作用-局域自旋密度近似方法研究了GeTe和GeSe分子在外电场下的激发特性. 结果表明:随着正向电场强度的增大,分子核间距逐渐增大,分子总能量逐渐降低,谐振频率逐渐减小,红外谱强度则逐渐增大. 在0-2.05691010 Vm-1的电场范围内,GeTe分子的EH 均高于GeSe分子的EH;随着正向电场的增大,GeTe与GeSe的EH差逐渐变大,GeTe的EL低于GeSe的EL,它们的EL均随正向电场的增大而增大. 无外场时,GeTe分子的能隙比GeSe分子的能隙要小;在外电场反向增大的过程中, GeTe和GeSe的分子能隙始终减小. 外电场的大小和方向对GeTe和GeSe分子的激发能、振子强度及跃迁的波长均有较大影响.
2011, 60 (12): 123102.
doi:10.7498/aps.60.123102
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基于DTO(1 A1)分子的多体展式分析势能函数,用准经典的Monte Carlo轨迹法研究了T+OD(0,0)体系的分子反应动力学过程. 结果表明,在碰撞能较低(小于121.34 kJ mol-1)时,可以生成长寿命DTO(1 A1)络合物,并且该络合反应是有阈能反应,这与用多体项展式理论计算的DTO分子势能曲线结果一致. 随碰撞能增加,逐渐出现置换产物DT和OT,最终分子被完全碰散成D,T和O原子,而且反应T+OD(0,0)OT+D,T+OD(0,0)DT+O和T+OD(0,0)D+T+O也是有阈能反应. 由于D和T原子的同位素效应,T+OD(0,0)与D+OT(0,0)体系的碰撞反应特征存在非一致性.
2011, 60 (12): 123103.
doi:10.7498/aps.60.123103
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采用内收缩多参考组态相互作用方法和相关一致基对AsN(X 1 +)自由基的势能曲线进行了研究. 计算过程中对两原子分别采用不同基组,As原子为aug-cc-pV5Z基组,N原子为aug-cc-pV6Z基组. 通过最小二乘法将势能曲线拟合成Murrell-Sorbie函数,并进一步计算得到AsN(X 1 +)自由基的光谱常数.光谱常数分别为De=4.97 eV,Re=0.16259 nm, e=1061.14 cm-1, exe=5.4715 cm-1, Be=0.53919 cm-1和e=0.003409 cm-1. 通过比较发现它们与实验值符合非常好. 利用得到的解析势能函数, 求解双原子分子核运动的径向Schrdinger方程, 找到了J=0时该自由基存在的全部67个振动态. 对于每一振动态, 分别计算了振动能级、经典转折点、惯性转动常数和离心畸变常数. 与实验结果比较后发现,计算结果达到了很高的计算精度.
2011, 60 (12): 123201.
doi:10.7498/aps.60.123201
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提出了由波长为800 nm、脉冲宽度为5 fs的啁啾激光与半周期脉冲形成组合场,并利用这种组合场驱动一维模型氦原子获得单个阿秒脉冲. 通过数值求解一维氦原子的含时薛定谔方程,发现氦原子在组合场驱动下高次谐波谱的截止位置可以扩展到Ip+21.6Up. 对第二平台区域不同范围内高次谐波的叠加都能得到单个阿秒脉冲,最短可达37 as,特别是对平台区域的前端进行叠加不仅能够得到较短的单个阿秒脉冲,而且与截止位置附近高次谐波构造的阿秒脉冲相比,强度提高了3个数量级.
2011, 60 (12): 123301.
doi:10.7498/aps.60.123301
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根据键极化率与拉曼峰强之间的关系,得到咔唑分子拉曼激发虚态随时间演化的键极化率. 将得到的键极化率的末态与用密度泛函理论得到的基态键电荷密度进行了对比,讨论并分析了拉曼激发虚态键极化率随时间弛豫的特征. 研究表明:咔唑分子在拉曼激发初态时,电子由两个骨架六元环向连通两六元环的连通键上流动,而并非向外围的CH键上流动. 拉曼激发末态键极化率分布趋势与基态键电荷密度分布很相似,说明激发的电子又流回到分子骨架,即弛豫到基态. 通过对拉曼激发虚态键极化率弛豫过程特征时间的研究,发现连通两六元环的CC键以及靠近连通键的CC键的键极化率的弛豫时间较其他键的极化率弛豫时间都长,进一步说明了拉曼激发虚态电子弛豫特征. 这些结果反映了咔唑这类具有连通键的多元环分子在拉曼激发虚态所具有的特征与性质,这对拉曼激发虚态的研究有重要意义.
2011, 60 (12): 123401.
doi:10.7498/aps.60.123401
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给出了一种由分子流体的冲击Hugoniot实验数据确定原分子之间和离解产物分子、原子相互间作用势参数的方法. 在较低压强下,采用Ross硬球微扰理论软球修正模型确定原分子之间的相互作用势参数;在较高压强下,采用基于统计物理的化学平衡方法来确定分子离解后的分子和原子之间的相互作用势参数. 与传统的由对应状态定律确定势函数参数的方法相比,所得到的势函数参数在很大的压强范围内都能较好地描述冲击实验.
2011, 60 (12): 123402.
doi:10.7498/aps.60.123402
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从理论上研究了两束啁啾脉冲控制H+D+的光缔合反应. 第一束脉冲用来加速碰撞伴的碰撞速度,第二束脉冲用来增加产物HD+的产率. 结果表明:第一束脉冲的参数决定了第二束脉冲的优化参数以及产物HD+的布居. 产物的布居可以通过调节两束脉冲的延迟时间得到控制.
2011, 60 (12): 123601.
doi:10.7498/aps.60.123601
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利用密度泛函理论在B3LYP/6-311G*水平上对叠氮化合物(HMgN3)n(n=15)团簇各种可能构型进行了几何优化,预测了各团簇的最稳定结构. 并对最稳定结构的成键特性、电荷分布、振动特性及稳定性进行理论研究. 结果表明:HMgN3团簇最稳定结构为直线型;(HMgN3)n(n=2,5)团簇最稳定结构为叠氮基中N原子和金属原子相连构成MgNMg结构;(HMgN3)n(n=3,4)团簇最稳定结构为叠氮基与Mg原子相互链接形成的环状结构. 团簇最稳定结构中金属Mg原子均显示正电性,H原子均显示负电性,叠氮基中间的N原子显示正电性、两端的N原子显示负电性,且与Mg原子直接作用的N原子负电性更强. MgN键和MgH键为典型的离子键,叠氮基内N原子之间是共价键. 团簇最稳定结构的红外光谱分为三部分,其最强振动峰均位于22582347 cm-1,振动模式为叠氮基中NN键的反对称伸缩振动. 叠氮基在团簇和晶体中结构不变,始终以直线型存在. 稳定性分析显示,(HMgN3)3团簇相对于其他团簇更为稳定.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2011, 60 (12): 124101.
doi:10.7498/aps.60.124101
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基于经典电动力学理论,从麦克斯韦方程组和麦克斯韦张量出发,推导出无工质微波推力器的推力计算方程. 应用有限元分析软件,计算了特定谐振模式下的特定圆台谐振腔在不同功率条件下的电磁场分布;根据推导出的理论计算公式,计算了不同功率条件下推力器的总推力. 计算结果表明:推力与功率成正比,而且磁场力决定着总推力的大小;圆台谐振腔消耗20200 W电磁波功率时所产生的推力在20250 mN范围内.
2011, 60 (12): 124102.
doi:10.7498/aps.60.124102
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提出一种解析的随机泛函方法(SFA),计算导体Gauss粗糙面上三维导体目标的复合电磁散射.推导粗糙面的随机Green函数,用一种新的四路径模型描述面体复合散射机理,用SFA求解双站差场雷达散射截面.以导体球目标为算例,与其他数值计算方法比较后验证了SFA的有效性与准确性,同时讨论了粗糙度、体目标尺寸以及距离粗糙面高度等参量变化对结果的影响,给出复杂形状体目标的双站差场雷达散射截面的空间角分布.
2011, 60 (12): 124201.
doi:10.7498/aps.60.124201
摘要 +
研究了布拉格光栅中光波和声波的相互作用. 利用多重尺度方法,将光声耦合方程约化为非线性薛定谔方程,并给出了单光声孤子和双光声孤子近似解析解. 进一步讨论了光声孤子抑制光速的机理和双光声孤子的相互作用性质.
2011, 60 (12): 124202.
doi:10.7498/aps.60.124202
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提出一种由四重对称的金属线构成的双层平面手征结构,并对两层金属线之间旋转角和介质层厚度h进行了优化. 数值模拟结果显示,在一定的和h下,该结构在近红外波段具有极强的旋光性和大的手征参数,且在一定的波段范围内具有负折射率.
2011, 60 (12): 124203.
doi:10.7498/aps.60.124203
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图像的非线性扩散滤波来源于热方程的思想,其关键在于计算适当的扩散系数和控制扩散方向. 在已有的扩散模型中,由于扩散系数仅依赖于图像的梯度,因而这类模型容易受噪声的干扰;同时,图像的细节信息(如纹理)容易被误认为是噪声而被去除. 为克服这些不足,首先给出了一种采用双树复小波变换计算扩散系数的方法;然后设计了一种用于图像滤波的非线性扩散模型,最后提出了基于双树复小波变换和波原子阈值相结合的图像滤波算法. 仿真结果表明,所提出的算法在对含噪图像滤波的同时,能够较好地保持图像的边缘和纹理等细节信息.
2011, 60 (12): 124204.
doi:10.7498/aps.60.124204
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光学相干层析成像的轴向分辨率和横向分辨率是互为独立的,其轴向分辨率由系统光源带宽和探测光束的聚焦条件共同决定,而横向分辨率由系统样品臂的聚焦条件决定. 提高光学相干层析成像的轴向分辨率的方法主要基于宽带光源技术以及变迹术与相干门相结合的方法,而这些方法对于横向分辨率并没有提高. 提出了一种通过光程编码与相干合成的方法,可以同时提高其轴向分辨率和横向分辨率. 通过在光学相干层析成像系统的样品臂中加入光程编码分束器形成多种对应不同光程延迟的有效响应函数,基于光学相干层析成像术固有的光程分辨能力可以得到同一样品对应于不同有效响应函数的多幅图像. 通过数字控制不同有效响应函数的相对贡献对其进行相干合成,可以同时实现轴向和横向的超分辨效果. 与以前的方法相比,光程编码与相干合成方法简单易行、成本低廉,不仅可以避免系统复杂和价格昂贵等不足,而且可以同时较大幅度地提高系统的轴向分辨率和横向分辨率.
2011, 60 (12): 124205.
doi:10.7498/aps.60.124205
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建立了包含拼接光栅的三类典型构型(双程Z型、X型及菱型)激光脉冲压缩器的理论模型. 利用光线追迹法计算压缩器引入的相位变化,结合傅里叶变换的方法仿真分析并比较了各压缩器相应的光栅拼接误差容限. 以远场焦斑峰值能量下降到理想值的0.9倍为限确定了三类压缩器光栅拼接误差容限,明确了不同构型激光脉冲压缩器对拼接误差的敏感程度. 这对脉冲压缩器的选型和设计具有指导意义.
2011, 60 (12): 124206.
doi:10.7498/aps.60.124206
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研究由辐射压力与驱动Fabry-Perot光学腔相耦合而产生的腔光机械动力学行为. 通过量子朗之万方程具体研究了机械振子的涨落光谱、机械阻尼与共振频移和基态冷却. 随着输入激光功率的增加,振子的涨落光谱呈现简正模式分裂的现象,并且数值模拟结果和实验结果相符合. 同时推导了有效机械阻尼和共振频移. 红移边带导致了机械模的冷却,蓝移边带引起了机械模的放大. 此外,引入一种近似机制来研究振子的基态冷却,并且考虑在解析边带机制下简正模式分裂对机械振子冷却的影响. 最后,数值讨论了初始浴温度、输入激光功率和机械品质因数这三个因素对机械振子冷却的影响.
2011, 60 (12): 124207.
doi:10.7498/aps.60.124207
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以光纤光栅为谐振腔搭建了波长为1020 nm的光纤激光器,并通过两级级联放大获得了590 mW的最大输出功率. 利用获得的波长为1020 nm的激光进行了波长为1064 nm种子光同带抽运放大,实验研究了不同增益光纤长度时放大器的输出功率和转换效率. 当增益光纤长度为8.5 m时,放大器最大输出功率为385 mW,斜率效率为81%. 进行了波长为976 nm的半导体激光器直接抽运波长为1064 nm种子光的实验. 在增益光纤长度最优时,其斜率效率为56.4%. 实验结果表明,同带抽运方式比传统抽运方式具有更高的转换效率. 研究结果可为波长为1020 nm的激光高功率放大和波长为1064 nm的光纤激光高功率同带抽运放大提供一定的参考.
2011, 60 (12): 124208.
doi:10.7498/aps.60.124208
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提高激光雷达对空间小目标探测能力的重要手段是增大发射到目标上的光强,激光相干合成是在目标上获得较大光强的有效途径.为了评价相干光束在目标上的合成效果,引入了适合空间小目标探测的相干合成效果评价参数(合成效果因子),在此基础上讨论了光束相干合成效果的影响因素.研究表明: 合成效果因子随合成光束束腰间距的增大呈周期振荡变化,振荡幅度逐渐减小;达到理想合成效果需要的光束传输距离随光束间距的增大而增加,这对设计相干合成系统光束束腰间距具有参考意义.同时,还研究了光束的相位控制精度与合成效果之间的关系. 结果表明:当相位控制精度达到/4时,合成效果可以达到理想效果的80%;当相位控制精度为/2时,合成效果降为理想效果的50%.研究还表明,激光偏振方向不平行对合成效果的影响不明显.
2011, 60 (12): 124209.
doi:10.7498/aps.60.124209
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固体材料的激光制冷是近年来发展起来的一个新的研究领域. 掺Tm3+的ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF-PbF2(ZBLANP)玻璃材料是激光冷却的典型材料之一. 与另一种制冷掺杂离子Yb3+相比,Tm3+具有更好的制冷潜力. 目前制约材料制冷的一个主要机理就是荧光再吸收. 首先根据Tm3+:ZBLANP的光谱参数,利用半经典的随机行走模型得到了不同情况下的平均荧光再吸收次数,随后分析了荧光光子界面出射的全反射效应,并对所得结果进行了修正. 计算结果表明,荧光再吸收会导致量子效率降低0.5%-1%,出射荧光波长红移达到2-10 nm,激光制冷的效率和功率降低. 为了有利于荧光出射和净制冷的实现, 宜采用小体积细长棒的制冷元.
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2011, 60 (12): 124210.
doi:10.7498/aps.60.124210
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从啁啾脉冲放大的基本理论出发,详细计算了啁啾脉冲在多通预放大中各个时间点的增益情况,并设计了一个十通预放大器进行了实验研究. 结果显示,在抽运通量为1.6 J/cm2的非饱和放大情况下,种子脉冲经过十通预放大之后信噪比由10-5提高到10-7. 这表明在非饱和抽运通量下,多通预放大器可以有效提高激光脉冲的信噪比.
2011, 60 (12): 124211.
doi:10.7498/aps.60.124211
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飞秒脉冲技术的不断发展能够较方便地产生不同波段和结构特性的飞秒脉冲. 对已有的改进型零附加相位光谱相位相干电场重构系统进行优化整合,使之胜任不同特性飞秒脉冲的测量. 利用该系统测量了两台飞秒激光系统输出不同波长的脉冲及其通过厚度为80 mm的BK7玻璃块而得到的啁啾脉冲. 实验结果表明,该系统的适用范围较宽.
2011, 60 (12): 124212.
doi:10.7498/aps.60.124212
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利用外部光注入混沌激光器产生了完全符合美国联邦通信委员会关于室内无线通信频谱限定的超宽带(UWB)微波信号.基于外部光注入光反馈半导体激光器的速率方程组,理论研究了外部及内部参量对半导体激光器输出混沌UWB脉冲信号的影响.研究表明,UWB信号的-10 dB带宽随着光注入强度、注入失谐量以及线宽增强因子的增大而增大,随着激光器偏置电流的增大而减小.同时,UWB信号的中心频率在58 GHz范围内变化.在实验中,通过设定其他参量和调节光注入强度,得到中心频率及带宽可调谐的混沌UWB微波信号,传输速率达到500 Mbit/s.实验结果与理论分析相符合.
2011, 60 (12): 124213.
doi:10.7498/aps.60.124213
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用改进的垂直沉积法在光纤端面制备了高质量的SiO2胶体光子晶体,经过烧结、固化构成胶体光子晶体-光纤结构. 用扫描电子显微镜确定了样品为面心立方密排结构,其密排面平行于光纤基底表面. 利用全光纤传感网络测试了该胶体光子晶体,反射峰中心位于845 nm处,与Bragg理论计算值符合很好. 将该样品浸入不同折射率的液体中,反射光谱的峰值位置随着液体折射率的改变而发生偏移,近似呈线性关系,实现了峰位可调. 对于不同浓度引起的液体折射率的变化,基于光纤的胶体光子晶体结构也能够很好地分辨出来.
2011, 60 (12): 124214.
doi:10.7498/aps.60.124214
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根据窄带相位调制光在非线性吸收介质中的近简并四波混频的物理机理,分析了采用电光调制器实现调制转移光谱(MTS)技术的电磁场激励及其动态演化过程,建立了MTS中频率色散谱和吸收谱的理论模型. 研究结果表明:以分子吸收谱线色散谱信号作为频率误差鉴别信号时,系统调制频率取0.72倍谱线线宽附近可以得到最佳的色散信号强度;解调相位的变化对吸收谱的影响很大,但对色散谱而言,解调相位在90附近的小范围波动对频率误差信号解调效果影响不大;调制度在0.51区域可以得到较好的综合稳频效果.
2011, 60 (12): 124215.
doi:10.7498/aps.60.124215
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针对光纤环形镜(FLM)在单偏振控制下波长间隔不可调等缺点,对多偏振控制FLM的输出特性进行了理论和实验研究. 用Jones矩阵法分析了单偏振、双偏振和三偏振控制FLM的透射谱,研究发现: 相比单偏振控制FLM,多偏振控制FLM具有波长间隔可调和边频抑制等特性;透射谱的偏振可调性随偏振控制级数的增加而增强,实验结果与理论研究一致. 实验中利用双偏振控制FLM作为波长选择的光纤激光器输出激光的边模抑制比较采用单偏振控制FLM时提高了近5 dB.
2011, 60 (12): 124301.
doi:10.7498/aps.60.124301
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将点缺陷阵列应用于声子晶体波导,提出一种具有高定向辐射性能的复合声子晶体波导. 基于有限元法的数值分析表明,附加到声子晶体波导表面的点缺陷阵列可激发出作为次级声源的谐振模. 谐振模辐射的声波与波导出射端口直接辐射的声波相互干涉,可以使声子晶体波导的法向辐射声压提高161.21%、发散角减小85.35%. 当点缺陷的数目增大到一定程度后,波导的定向辐射性能不再有明显的改善. 该研究为改善波导的定向辐射性能提供了一种新方法.
2011, 60 (12): 124302.
doi:10.7498/aps.60.124302
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采用高斯展开法,研究了具有三个瓣的小瓣数贝塞尔声束的基波和二次谐波的传播性质.根据准线性近似下Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程的积分形式解,分析了媒质的声吸收(声衰减)对波束形状的影响.结果表明:吸收参量对二次谐波径向分布有很大的影响.当瓣数较少时,实际的有限孔径贝塞尔声束二次谐波仍然具有理想无限大孔径贝塞尔声束的主要特征,在近场无衍射区,径向几乎无衍射.
2011, 60 (12): 124303.
doi:10.7498/aps.60.124303
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提出了一种用于评估非线性碰摩的碰撞能量模型(IEM),根据模型特性可得出IEM指标用于评估碰摩故障的严重程度或发生概率. 通过对在不同阻尼比状态下IEM指标随转速比的响应变化趋势研究,给出了随和的响应联合分布. 结合IEM模型特性提出了敏感区域的概念. 此区域概念的提出,不仅对于转子设备的操作运行具有较大的参考价值,对于转子系统的设计更有重要的指导意义.
2011, 60 (12): 124501.
doi:10.7498/aps.60.124501
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采用所建立的四方程线性弹性-阻尼离散单元模型,同时考虑了液桥力的作用,对填充量为40%、含液量为3%的水平薄滚筒内S型(不同直径颗粒)二元湿颗粒体系混合过程进行了数值模拟,并与同等操作条件下不含液的干颗粒体系的混合行为进行了比较,分析了液体对颗粒体系混合行为的影响. 同时还将计算结果与文献中的实验结果进行了比较. 结果表明,由于湿颗粒间液桥力的牵引作用使不同性质的颗粒不易分离,使部分颗粒聚结成团,减弱了离析作用的影响,使得滚筒内湿颗粒的混合程度高于相同条件下的干颗粒体系,且接触力的分布较干颗粒体系更加均匀. 通过对混合过程的模拟,直观地反映了混合过程中颗粒的微观运动特性和内部的力学结构,为研究湿颗粒体系混合过程机理提供了依据和参考.
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2011, 60 (12): 124502.
doi:10.7498/aps.60.124502
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利用分子动力学方法,模拟了5000个表面轻微摩擦(=110-4)的弹性颗粒组成的体系在各向同性压缩过程中的堵塞(jamming)现象,研究了颗粒体系对边壁压强P和对关联函数第一个峰的高度g1随体积分数的变化规律. 结果表明,当体系的体积分数大于临界体积分数c时,P()曲线表现出明显的黏滑(stick-slip)行为,法向的力-力关联函数、切向的力-力关联函数和颗粒的位置-位置关联函数同时发生跳变,说明宏观黏滑现象源自内部的力位形和几何构形的调整. 体系在缓慢增大过程中得到了不同的堵塞态,随着颗粒粒径的缓慢减小,体系得以松弛(unjamming),实现松弛过程并得到相应的c. 对于不同堵塞态,其边壁压强P与-c遵从幂律标度P(-c)0.964.
前沿领域综述
2011, 60 (12): 124216.
doi:10.7498/aps.60.124216
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有机分子非线性光学材料在频率转换、电光调制和双光子吸收等方面具有重要的应用.介绍了近年来分子动力学模拟方法在有机分子非线性光学性质理论研究中的主要应用,包括电场极化效应、局域场因子、非线性极化率和双光子吸收等.此外,结合最新的科研工作,介绍了分子动力学模拟方法在溶剂效应和聚集效应研究中发挥的重要作用.
气体、等离子体和放电物理
2011, 60 (12): 125201.
doi:10.7498/aps.60.125201
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利用一个空间零维大气等离子体模型对其中的氮氧化物在不同电离度情况下的变化规律进行了数值模拟,得到了放电后不同初始电子密度下的氮氧化物(包括NO,NO+,NO2,NO2+,N2O,N2O+,NO3和N2O5)及影响其产消的主要反应物N和O3的密度随时间的演化规律.结果表明,电子初始密度ne0=109 cm-3时,NO和NO2的去除率较高,氮氧化物总密度较小,最适合消除氮氧化物污染.同时,还对N和O3随电离度变化的行为进行了分析.
2011, 60 (12): 125202.
doi:10.7498/aps.60.125202
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将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,对110 GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行了理论研究. 研究发现:在高气压下等离子体成丝状;中等气压下等离子体先成丝状,在向微波源移动的过程中逐渐向连续的等离子体区域过渡;低气压下电离产生连续的等离子体区域. 不同气压下等离子体区域都向微波源方向移动. 初始电子数密度分布只影响放电初始阶段的等离子体区域形状,不会影响成丝与否. 等离子体区域在垂直于电场方向和平行于电场方向的移动规律不同. 当电场平行于计算平面时,由于沿着电场方向等离子体两端存在强场区,等离子体区域被拉长,在较低的气压下会出现等离子体丝阵.
2011, 60 (12): 125203.
doi:10.7498/aps.60.125203
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为进一步研究霍尔推进器壁面二次电子发射对推进器性能的影响,采用流体模型数值模拟了二次电子磁化效应的等离子体鞘层特性.得到二次电子磁化鞘层的玻姆判据.讨论了不同的磁场强度和方向、二次电子发射系数以及不同种类等离子体推进器的鞘层结构.结果表明:随器壁二次电子发射系数的增大,鞘层中粒子密度增加,器壁电势升高,鞘层厚度减小;鞘层电势及粒子密度随着磁场强度和方位角的增加而增加;而对于不同种类的等离子体,壁面电势和鞘层厚度也不同.这为霍尔推进器的磁安特性实验提供了理论解释.
2011, 60 (12): 125204.
doi:10.7498/aps.60.125204
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大气压空气放电由于脱离了真空装置,易于实现流水线生产,因而在工业上具有广泛的应用. 采用等离子体针装置在空气中产生了稳定的大气压均匀放电. 利用光谱法对等离子体的相关参数进行了空间分辨率测量,并通过光学方法对放电机理进行了研究. 结果表明,等离子体针产生的放电存在电晕放电和等离子体羽放电两种模式. 在稳定的等离子体羽放电模式中,发光分为强光区和弱光区. 弱光区放电的发展速度远大于强光区的发展速度,电子能量和电子密度均是弱光区比强光区大. 对均匀放电的气体温度和振动温度的研究表明,强光区放电遵循汤生击穿机理而弱光区为流光放电. 这些结果对大气压空气放电的工业应用具有重要意义.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2011, 60 (12): 126101.
doi:10.7498/aps.60.126101
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合金凝固过程中存在于枝晶尖端液相区的强制对流和自然对流均能改变溶质扩散层厚度,从而会对枝晶形貌产生较大影响.在元胞自动机模型基础上,耦合液体流动方程、热传导方程和溶质对流扩散方程,建立了新的计算微观组织演化的数值模型,并利用该模型研究了强制对流和自然对流对枝晶生长的影响.三维数值模拟结果再现了强制对流作用下等轴枝晶的生长过程,揭示了强制对流对枝晶生长速率和尖端半径的影响特点.同时利用该模型模拟了NH4Cl-H2O溶液定向凝固过程中自然对流对柱状晶生长的影响,并采用相应的实验进行验证.模拟结果与实验结果符合良好,从而证明该模型是可靠的,可推广到实际合金系中.
2011, 60 (12): 126201.
doi:10.7498/aps.60.126201
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基于单孔洞近似,对不同撞击速度下高纯铝的部分层裂实验进行了数值模拟研究,讨论了微孔洞长大对波传播的影响及其在自由面速度波剖面上的表现. 通过分析微孔洞周围的应力场变化,认识到实测自由面速度波剖面出现回跳特征并不能说明材料发生完全层裂,其直接原因是样品内部微孔洞长大所引起的局部卸载效应. 将计算得到的自由面速度波剖面和微孔洞相对体积与实验结果进行了对比分析,发现两者均符合很好,表明采用单孔洞增长来近似描述部分层裂样品中随机损伤发展及其对波传播的影响是可行的.
2011, 60 (12): 126202.
doi:10.7498/aps.60.126202
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利用轻气炮冲击加载手段和透光性在线测试技术研究了融石英对水的再冲击结冰相变过程的影响.实验结果表明,当再冲击压力为1.28 GPa时,与融石英直接接触的水会发生凝固相变,而与融石英不接触的水在约2 s观测期间仍然保持液相,证实融石英对水的冲击凝固相变过程产生了明显的诱导作用.同时还给出了相变动力学的解释.
2011, 60 (12): 126401.
doi:10.7498/aps.60.126401
摘要 +
基于玻璃化转变的分子串模型的分子串弛豫方程,提出了更为精确的模拟分子串中所有空间弛豫模式(SRM)的蒙特卡罗模拟方案. 模拟得出各个SRM的弛豫时间随温度和分子串长度的变化结果与分子串模型中分子串弛豫方程的预言完全一致,即理论预期和模拟结果相互印证. 应当指出,分子串能否作为液态中集体单元的必要条件是在考虑到分子串之间的不均匀随机相互作用后,分子串的所有SRM的定性特征是不能改变的,这就需要对不同分子串的SRM之间的耦合进行研究. 但是迄今为止,仍未发现相关的严格解,仅有近似的自洽弛豫平均场方法. 由此可知,所提出的模拟方案为研究不同分子串的SRM之间的耦合(包括上述自洽场的可行性)提供了必要的基础.
2011, 60 (12): 126402.
doi:10.7498/aps.60.126402
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在对胶体晶体的研究中,带电粒子胶体晶体的形成机理比硬球胶体晶体更加复杂,对其形成条件目前还缺少有效的判断依据. 有效硬球模型判据提出以有效直径作为判断参数. 为了验证该判据的有效性,利用布朗动力学模拟研究了不同有效直径下带电粒子胶体晶体的特性. 为了更加定量地研究单因素对带电胶体晶体形成的影响,取有效直径为2.8至0.8,并对一定的有效直径,研究了粒子几何直径和排斥力不同情况下的结晶行为. 在布朗动力学模拟过程中,采用径向分布函数和键序参数方法检测体系的结构变化,并分析所形成的晶体结构. 结果表明,在判断带电粒子胶体体系能否形成有序结构方面,有效硬球模型判据有一定的合理性. 但是,并不能将有效直径作为唯一的判别参数,而是需要综合其他参数的影响,这显示出该判据的片面性.
2011, 60 (12): 126501.
doi:10.7498/aps.60.126501
摘要 +
采用等离子体辉光放电聚合技术,在不同四甲基硅烷(TMS)流量条件下制备了硅掺杂辉光放电聚合物(Si-GDP)薄膜,采用傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和热重(TG)分析技术分析了不同TMS流量对Si-GDP薄膜结构与热稳定性的影响.结果表明:随着TMS流量在00.06 cm3/min范围变化,Si-GDP薄膜中Si的原子含量CSi为016.62%;含Si红外吸收峰的相对强度随TMS流量的增加而明显增大;Si-GDP薄膜的TG分析显示,温度在300 ℃时,随TMS流量的增加,Si-GDP薄膜的失重减少,热稳定性增强.
2011, 60 (12): 126601.
doi:10.7498/aps.60.126601
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利用线性响应理论对Ar流体输运参数进行了分子动力学模拟,结果发现:导热系数和黏度会随着自相关积分函数积分时间的增加而产生剧烈波动,而扩散系数却相对稳定. 针对积分稳定性这一问题,对导热系数和黏度中的热流密度和应力张量进行了分解分析,发现含分子间作用力项是影响稳定性的最大因素. 从牛顿力学出发对作用力项的影响机理进行了分析,指明减小这种影响的最主要方法是使在体系进行统计输运参数前达到稳定平衡状态,即最小的预平衡步数应该满足使体系达到该状态下熵最大或者能量最低,并尽量减小温度对体系的影响. 同时,还对模拟盒尺寸、统计步长等因素对积分稳定性的影响进行了分析,给出了保持稳定性的建议.
2011, 60 (12): 126602.
doi:10.7498/aps.60.126602
摘要 +
采用分子动力学方法模拟了不同温度下He原子及He团簇在金属Ti中的迁移特性,并计算了扩散前系数和激活能. 研究发现这种扩散的各向异性非常显著,具体表现在He原子及He团簇在不同方向上扩散系数的前系数完全不同,但它们的激活能却相同. 研究表明:在预测金属中He的扩散行为时,必须采用动态模拟方法才能得到准确的前系数,仅仅考虑势垒的静态模拟方法是不行的. 另外,还发现一个不同于直觉的现象,即较低温度下He二聚物的扩散系数比单个He原子的扩散系数大;此外,在所模拟的温度范围内Arrhenius方程能够很好地描述它们的扩散. 这说明动力学模拟对预测金属中He的扩散行为具有重要的意义.
2011, 60 (12): 126801.
doi:10.7498/aps.60.126801
摘要 +
采用脉冲激光烧蚀技术,在室温、低压Ar气条件下通过改变气体压强及靶与衬底间距,对纳米Si晶粒成核的气压阈值进行了研究.根据扫描电子显微镜图像、拉曼散射谱和X射线衍射谱对制备样品的表征结果,确定了在室温、激光能量密度为4 J/cm2、靶与衬底间距为3 cm条件下形成纳米Si晶粒的阈值气压为0.6 Pa.结合流体力学模型和成核分区模型,对纳米晶粒的成核动力学过程进行了分析.通过Monte Carlo数值模拟,表明在气相成核过程中,烧蚀Si原子的温度和过饱和密度共同影响着纳米晶粒的成核.
2011, 60 (12): 126802.
doi:10.7498/aps.60.126802
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利用散射矩阵方法,比较了被一维凸形量子点、凹形量子点调制的量子线中膨胀模的声子输运和热导性质. 研究结果表明: 声子的输运概率与热导受制于量子点几何结构,具有凸形量子点结构的量子线中声子输运概率与热导KCV大于具有凹形量子点结构的量子线中声子输运概率与热导KCC. 两者热导之比KCV/KCC依赖于一维量子点的具体结构,且随着温度及主量子线与量子点横截面的边长差SL的增加而增加. 两种具有不同散射结构的一维量子线中热输运性质的区别在于凸形量子点结构中膨胀模数量总是大于凹形量子点结构中膨胀模数量的缘故.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2011, 60 (12): 127101.
doi:10.7498/aps.60.127101
摘要 +
采用基于密度泛函理论的投影缀加波方法研究了Heusler合金Pd2CrAl的四方变形、磁性和弹性常数. 四方变形中,Pd2CrAl在c/a1.20处出现总能的局域最小值,对应一个稳定的马氏体. Pd2CrAl的L21结构和四方结构的单胞总磁矩分别为3.825B和3.512B. 在这两种结构中Cr原子均是Pd2CrAl总磁矩的主要贡献者,Pd和Cr原子间存在很强的杂化作用,Cr的3d电子的t2g和eg两个亚能带是Pd2CrAl磁性的主要来源. 弹性常数的计算结果显示,Pd2CrAl的L21结构和四方结构的弹性常数均满足相应结构的稳定性判据.
2011, 60 (12): 127102.
doi:10.7498/aps.60.127102
摘要 +
基于密度泛函理论,从头计算了N掺杂立方结构钛酸盐的电子结构和磁学性质.结果表明,N掺杂钛酸盐在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小,说明N掺杂钛酸盐的基态具有铁磁性.从态密度和自旋密度分析可知,其磁性源于掺杂的N 2p电子和价带顶O 2p电子间的p-p耦合作用.
2011, 60 (12): 127103.
doi:10.7498/aps.60.127103
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采用基于密度泛函理论的全势能线性缀加平面波方法,对闪锌矿结构CrS和CrSe的电子结构进行自旋极化计算.闪锌矿相CrS和CrSe处于平衡晶格常数时为半金属性,它们的分子自旋磁矩都为4.00B. 使晶体相对于平衡晶格在10%的范围内发生各向同性应变,并计算闪锌矿相CrS和CrSe的电子结构.计算结果表明,闪锌矿相CrS和CrSe相对于平衡晶格的各向同性应变分别为-1%10%和-4%10%时仍然保持半金属铁磁性,并且分子总磁矩都稳定于4.00B.
2011, 60 (12): 127201.
doi:10.7498/aps.60.127201
摘要 +
基于紧束缚模型和格林函数方法,研究了有机磁体晶格扰动和侧基自旋取向扰动对金属/有机磁体/金属三明治结构有机自旋器件自旋极化输运特性的影响.计算结果表明:晶格扰动的存在降低了器件的起始偏压,减小了导通电流,并使得电流-电压曲线的量子台阶效应不再显著,扰动不太强时电流仍呈现较高的自旋极化率;而侧基自旋取向扰动减小了体系的自旋劈裂,增加了器件的起始偏压,低偏压下随着扰动的增强器件电流及其自旋极化率明显降低.进一步模拟了温度对器件自旋极化输运的影响.
2011, 60 (12): 127202.
doi:10.7498/aps.60.127202
摘要 +
用第一性原理方法研究了在微观尺度具有三重对称磁结构的IrMn合金的反铁磁自旋阀(AFSV)的电子输运.研究表明:基于有序L12相IrMn合金的Co/Cu/IrMn自旋阀的巨磁电阻(GMR)效应具有三重对称性,可以利用这一特性区分反铁磁材料的GMR与传统铁磁材料的GMR.基于无序相IrMn合金的IrMn(0.84 nm)/Cu(0.42 nm)/IrMn(0.42 nm)/Cu(0.42 nm)(111) AFSV的电流平行平面构型的GMR约为7.7％,大约是电流垂直平面构型的GMR(3.4％)的两倍,明显大于实验中观测到的基于共线磁结构的FeMn基AFSV的GMR.
2011, 60 (12): 127203.
doi:10.7498/aps.60.127203
摘要 +
利用有限元分析方法,研究了金刚石对顶砧中电极与样品接触点位置变化对范德堡法测量样品电阻率精度的影响.结果表明:当电极中心与样品边缘的间距bd/9(d为样品直径)时能得到精确的电阻率测量结果;当电极位置远离样品边缘而逐渐接近样品中心时,其位置变化对电阻率测量精度的影响迅速增大;相同的电极位置变化对具有较大电阻率的半导体样品电阻率测量精度的影响更明显.
2011, 60 (12): 127204.
doi:10.7498/aps.60.127204
摘要 +
采用格林函数方法研究了堆叠石墨片对锯齿型石墨纳米带电子输运性质的影响,计算了两种不同堆叠方式下锯齿型石墨纳米带的电导.研究发现,由于堆叠石墨片与石墨纳米带的耦合作用,锯齿型石墨纳米带的电导谱出现了电导谷.在远离费米能处,两种堆叠方式下的电导谷位置相近甚至重合;而在费米能附近,两种堆叠方式下的电导谷存在差异.此外,讨论了堆叠石墨片的几何尺寸对锯齿型石墨纳米带电子输运的影响.结果显示,随石墨片几何尺寸的增大,锯齿型石墨纳米带在两种堆叠方式下远离费米能处的电导谷逐渐向费米能方向移动,同时其费米能附近的电导谷在两种堆叠方式下的差异随石墨片尺寸的增大变得更为明显.研究结果表明,堆叠石墨片能够有效地调制锯齿型石墨纳米带的电子输运性质.
2011, 60 (12): 127301.
doi:10.7498/aps.60.127301
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在有效质量近似和球形方形势模型下,计算了开放型球状纳米系统电子散射截面及电子按能量的概率分布,探讨了线度、势垒宽度对电子散射截面和共振能量以及共振宽度的影响.结果表明:电子的散射截面随能量的分布曲线有一极大值和极小值,而且电子能量的概率分布曲线的极大值位置总是介于散射截面分布曲线的极大值与极小值的能量位置之间;散射截面随内核半径r0的增大而增大,而且散射截面分布曲线随r0的增大由较平滑变得较尖锐;散射截面随势垒宽度的增大而增大,但在＝1.4aCdS1.7aCdS的范围内,变化出现异常,在=1.6aCdS时散射截面出现极小;电子共振能量El 随的变化与电子所处状态有关,而电子共振宽度l随的增大而减小;不论取何值, El和l都满足能量和时间的测不准关系.
2011, 60 (12): 127302.
doi:10.7498/aps.60.127302
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利用基于密度泛函理论的第一性原理,对不同浓度Er掺杂Si纳米晶粒的结构稳定性、电子和光学性质进行了研究.结果表明: Si纳米晶粒中Er掺杂浓度越低,结构越稳定;Er掺杂后的Si纳米晶粒引入了杂质能级,导致禁带宽度变窄;掺杂后的Si纳米晶粒在低能区出现了一个较强的吸收峰,随着浓度的降低,吸收峰峰值逐渐减小,甚至消失. 这为Si基发光材料的设计提供了理论依据.
2011, 60 (12): 127303.
doi:10.7498/aps.60.127303
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利用计入卷曲效应的单壁碳纳米管(SWCNT)的能量色散关系,计算最低导带的电子速度及有效质量,并与不计入卷曲效应的结果进行了比较.计算结果表明:卷曲效应对电子速度及有效质量的影响与SWCNT的类型密切相关,金属锯齿型SWCNT对卷曲效应最为敏感,其次是扶手椅型SWCNT,最不敏感的是半导体锯齿型SWCNT.由此可以推断,卷曲效应对金属锯齿型SWCNT电子结构及低偏压输运特性影响最大,其次是扶手椅型SWCNT,影响最不明显的是半导体锯齿型SWCNT.这些结果与实验测量及密度泛函理论计算结果完全一致.
2011, 60 (12): 127304.
doi:10.7498/aps.60.127304
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制备了CuI/Al为源极和漏电极的并五苯基场效应晶体管.相对于纯金属(Al, Au)电极的晶体管,所研制的晶体管的迁移率、阈值电压VT、开关电流比Ion/Ioff等参数都有明显改善.研究发现,在Al电极与并五苯半导体之间引入CuI作为空穴注入层,能够明显降低Al电极与并五苯之间的空穴注入势垒.紫外-可见光谱和X射线光电子能谱数据表明,这种空穴注入势垒的降低源自并五苯和Al向CuI的电子转移.
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2011, 60 (12): 127305.
doi:10.7498/aps.60.127305
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对二维BC2N薄片的结构稳定性和电子性质进行了系统的研究.计算了BC2N化合物16种可能的二维单层结构.对它们的能带结构分析发现,对称性最高的构型与石墨烯一样是一种半金属,而其他二维结构则为有不同带隙的半导体,其中最稳定的构型是带隙值为1.63 eV的直接带隙半导体.对最稳定构型的差分电荷密度分析和Bader分析发现:在最稳定的构型中,CC键、CN键、CB键和BN键主要以共价键的形式呈现,也具有比较明显的离子性.在应力作用下最稳定构型的单层BC2N的带隙宽度会发生变化,压缩时带隙变宽,而拉伸时带隙变窄,但仍然为直接带隙半导体.
2011, 60 (12): 127401.
doi:10.7498/aps.60.127401
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涂层导体用金属基带的表面状况对在其上制备的过渡层的形貌和取向有很大影响.在Ni单晶、轧制辅助双轴织构基带(RABiTS)Ni和经过硫化处理的Ni基带三种不同衬底上采用磁控溅射法制备了CeO2过渡层.结果表明,在Ni单晶和硫化处理的Ni基带上制备的CeO2薄膜取向较差,而在RABiTS Ni上制备的CeO2薄膜完全呈c轴取向,表面平整致密.反射高能电子衍射图显示,RABiTS Ni具有的c(22)的S超结构对CeO2薄膜的取向生长起到了很重要的作用.
2011, 60 (12): 127501.
doi:10.7498/aps.60.127501
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研究了Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2合金薄带为磁芯的螺线管(FeCo基磁芯螺线管)的巨磁阻抗效应与磁芯长度之间的关系.研究结果表明,磁芯长度是影响FeCo基磁芯螺线管巨磁阻抗效应的重要因素.当磁芯长度小于螺线管长度时,磁芯螺线管巨磁阻抗的最大值(Z/Z)max与磁芯长度呈线性关系,其线性相关系数可以根据电磁学理论推导得到;当磁芯的长度大于螺线管的长度时,由于漏磁作用,(Z/Z)max与磁芯长度的关系偏离了线性关系,(Z/Z)max与磁芯长度的关系曲线中有一个极值点,(Z/Z)max在极值点达到最大.磁芯螺线管巨磁阻抗效应曲线的尖刺部分高度(Z/Z)T与磁芯长度的关系也有类似的极值点,(Z/Z)T在极值点达到最大值.磁芯螺线管巨磁阻抗效应曲线的尖刺部分对弱磁场敏感,受磁芯退磁场的影响明显,磁芯的退磁场与磁芯长度呈负指数关系.
2011, 60 (12): 127502.
doi:10.7498/aps.60.127502
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运用基于密度泛函理论的第一性原理的投影缀加波方法,对Hg2CuTi型Mn2NiAl在由立方结构至四方结构的畸变过程中电子结构和磁性的变化规律及其对压力响应的规律进行了研究.研究发现:在由奥氏体相到马氏体相的相变中,由于Ni-Mn(A)原子间距的减小而使得杂化程度增强,导致占据态的态密度向低能区域移动,体系的能量降低,致使在马氏体相中的稳定性增大;在从奥氏体相到马氏体相的相变中,能带变宽,成键作用加强,从而在马氏体相中的稳定性增大;在四方畸变过程中,总磁矩的变化主要来源于Ni原子磁矩的变化;计算得到Mn2NiAl的零压体积弹性模量为125.69 GPa,其抗压缩性比其他常见的Heusler型合金弱.
2011, 60 (12): 127503.
doi:10.7498/aps.60.127503
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采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料.
2011, 60 (12): 127701.
doi:10.7498/aps.60.127701
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采用传统的固相反应法,在14001500 ℃下烧结,制备得到Al2O3-Y2O3-ZrO2三相复合陶瓷.样品的结构、形貌和电性能分别用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及介电谱表征.XRD表明此三相复合体系无其他杂相,加入Y2O3及ZrO2后使得Al2O3成瓷温度降低;SEM表明此体系晶粒直径为200500 nm,并且样品随烧结温度的升高而变得更加致密,晶界更加清晰;介电损耗谱中出现峰值弛豫现象,根据Cole-Cole复阻抗谱得出其为非德拜弛豫.
2011, 60 (12): 127801.
doi:10.7498/aps.60.127801
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采用水热法合成了不同粒径的NaLa(MoO4)2∶Eu3+微晶.通过调节乙二醇浓度和反应时间,研究了NaLa(MoO4)2∶Eu3+微晶的形貌演变过程,在水热条件下180 ℃反应16 h获得了均一梭子形NaLa(MoO4)2∶Eu3+微晶,其晶粒长度约为2.0 m.荧光光谱分析表明,Eu3+取代了NaLa(MoO4)2中La3+的格位, Eu3+在613 nm处红光发射(5D07F2跃迁)的浓度猝灭机理是电偶极-电四极相互作用,并发生了Eu3+( 5D1 ) + Eu3+(7F0 ) Eu3+( 5D0 ) + Eu3+(7F3) 交叉弛豫,由此导致浓度猝灭.
2011, 60 (12): 127802.
doi:10.7498/aps.60.127802
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采用化学共沉淀法制备了Ca2-xMgSi2O7:xEu2+绿色荧光粉.用X射线衍射仪、荧光分光光度计及光色综合测试系统对Ca2-xMgSi2O7:xEu2+绿色荧光粉的相结构、发光性能进行了测试.结果表明:其激发光谱分布在300480 nm波长范围,谱峰位于389,430 nm处,可以被InGaN管芯产生的360480 nm辐射有效激发;在波长为430 nm蓝光激发下,其发射光谱谱峰位于531 nm处.Ca2-xMgSi2O7:xEu2+绿色荧光粉的发光强度随Eu2+掺杂量的增加而增强,当Eu2+掺杂量x为0.04时,发光强度达到最大值,而后开始降低,发生浓度猝灭.根据Dexter能量共振理论,浓度猝灭是由电偶极-电偶极相互作用引起的.
2011, 60 (12): 127803.
doi:10.7498/aps.60.127803
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以聚氧化乙烯(PEO)为基质,成功制备出纳米ZnO掺杂的(PEO)8-ZnO-LiClO4离子导电聚合物电解质,并利用多种实验技术,包括扫描电子显微镜、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱和正电子湮没寿命谱(PALS),系统地研究了纳米ZnO与基质间相互作用及其对聚合物链段运动、纳米尺度自由体积、离子输运和复合电解质电导率的影响.实验结果发现,纳米ZnO的掺杂使聚合物电解质的离子电导率得到了大幅度提高,当ZnO与PEO质量比为6%时达到最大,(PEO)8-ZnO-LiClO4的电导率为1.8210-4 S cm-1,比(PEO)8-LiClO4的电导率(6.5810-5 S cm-1)提高了大约一个数量级.XRD结果显示,纳米ZnO的加入降低了PEO的结晶性,增加了锂离子传输的非晶相,从而提高了电导率.离散PALS测量结果表明,随着纳米ZnO的加入,复合电解质的自由体积、浓度和相对自由体积分数fr均增加.连续PALS分析揭示了自由体积的分布由一个峰劈裂成两个峰,表明纳米ZnO的掺杂对聚合物的微结构有很大影响.基于实验测量的fr和离子电导率,研究了离子导电机理.研究发现, fr与电导率之间存在一个直接关系,即fr越大,越有利于锂离子的传输,导致电导率越大.这个结果支持聚合物电解质导电的自由体积理论.
2011, 60 (12): 127901.
doi:10.7498/aps.60.127901
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采用Cs源持续、O源断续的交替方法成功激活了GaN光电阴极,原位测试了透射模式下的光谱响应曲线,获得了透射模式下高达13%的量子效率.从一维定态薛定谔方程入手,得到了GaN真空面电子源材料的电子透射系数的表达式.对于一定形状的阴极表面势垒,电子透射系数决定于入射电子能量、表面势垒的高度和宽度.根据具有负电子亲和势(NEA)特性的透射式GaN光电阴极的能带及Cs,O覆盖过程中阴极表面势垒的变化情况,结合双偶极层[CaN(Mg):Cs]:O-Cs表面模型,分析了GaN真空面电子源材料NEA特性的形成原因.研究表明:Cs,O激活过程中形成的双偶极层对电子逸出起促进作用,双偶极层的形成是材料表面真空能级下降的原因.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2011, 60 (12): 128101.
doi:10.7498/aps.60.128101
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应用离散单元法,模拟了粉末高速压制成形过程中的压力传播过程.根据粉末高速压制成形的工艺特性,把一次压制过程分为弹性加载、塑性变形、弹性卸载三个阶段;基于离散单元法的基本理论,分别建立了三个阶段的控制方程;应用PFC2D软件对粉末高速压制过程模腔内部颗粒的运动状态进行了数值模拟,给出了压坯内部的压力分布,得出了实验中无法测量的压坯内部应力传播波形.数值模拟结果显示,压力作用曲线表现出明显的弛豫现象,形成了倾斜度不同的锯齿状加载波形和卸载波形,压坯底层的应力波与实验得到的应力波相符.
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2011, 60 (12): 128201.
doi:10.7498/aps.60.128201
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利用含时波包法研究了NaI分子在飞秒脉冲激光作用下的动力学演化情况.由于受非绝热效应的影响,波包运动到势能面的交叉区域时发生分裂.研究表明:非绝热效应引起的波包分裂是分子解离的根源,而且随着演化时间的增加非绝热效应变得越来越明显.同时,分别采用量子力学和经典力学理论探讨了NaI分子在非绝热过程中的演化规律以及解离概率随脉冲波长的变化关系.
2011, 60 (12): 128401.
doi:10.7498/aps.60.128401
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在速调管双间隙耦合谐振腔中,电子与每个间隙的电场相互作用进行能量交换,在两个间隙上体现出不同的电子负载效应.传统的电子电导计算模型,只能从整体上而无法在每个间隙上考虑这个效应.基于空间电荷波理论,建立了双间隙耦合腔中单个间隙电子电导的理论模型,推导出相应的计算公式.利用三维粒子模拟工具进行了仿真研究,理论计算与仿真结果相符.与传统的电子电导模型相比,该理论模型能反映出双间隙耦合腔中每个间隙的电子负载效应.利用该模型能更加深入和准确地进行间隙注波互作用的研究以及耦合腔中模式稳定性的分析.
2011, 60 (12): 128402.
doi:10.7498/aps.60.128402
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分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了104 W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB.
2011, 60 (12): 128403.
doi:10.7498/aps.60.128403
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采用三维粒子模拟,开展了2工作模式下同轴辐射相对论磁控管的频率调谐研究.利用在互作用区的谐振腔中填充固体电介质来实现器件的频率调谐.通过改变电介质的相对介电常数以及内半径考察了所研究的同轴辐射相对论磁控管的工作频率、平均输出功率以及效率的变化情况,并对电介质的频率调谐作用进行了简单的理论分析.模拟结果表明:在不改变基本结构参数以及工作点的情况下,仅调整固体电介质的相对介电常数或内半径实现了所研究的同轴辐射相对论磁控管S波段到L波段的跨频段调谐;电介质的插入同时也改善了输出性能,当相对介电常数在615且内半径在4.184.40 cm之间时,功率效率得到提升,提升幅度可达80%,单边调谐宽度小于55%.
2011, 60 (12): 128404.
doi:10.7498/aps.60.128404
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太阳电池组件由于局部电压不匹配,其中部分电池可能较长时间工作在负偏压状态下,从而影响电池光电性能.借助拉曼光谱、电化学阻抗谱和入射单色光量子效率(IPCE)等测试手段,研究长期负偏压作用下染料敏化太阳电池光电性能的变化及其影响机理.拉曼光谱研究结果表明:电池在1000 h负偏压作用下,电解质中阳离子(Li+)会向光阳极(TiO2电极)移动并嵌入TiO2薄膜中;长期负偏压作用还会致使TiO2/电解质界面阻抗增大和IPCE下降,导致电池开路电压升高和短路电流减小.通过加入苯并咪唑(BI)添加剂,经1000 h负偏压后电池的拉曼光谱实验表明,BI能在一定程度阻碍Li+的嵌入,电池具有较好的长期稳定性.不同负偏压下的老化实验进一步表明,通过加入添加剂能够使电池在长期负偏压下保持较好的稳定性.
2011, 60 (12): 128501.
doi:10.7498/aps.60.128501
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针对线下参数退化模型由于温度冲击而引入误差的问题,基于在线序进应力加速退化实验,建立了在线参数退化模型,提高了以参数变化为计算基础的参数退化模型的准确性.并以3CG120型高频晶体管为例,在150230 ℃范围内进行了在线序进应力加速实验.利用建立的在线参数退化模型,得到3CG120型高频晶体管的寿命误差为6.5%,比线下参数退化模型的误差(23.2%)要小.
2011, 60 (12): 128701.
doi:10.7498/aps.60.128701
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根据空间分辨漫反射的双点源-P1近似理论模型,采用非线性最小二乘法,从反射率的测量数据中反演得到了生物组织的吸收系数a、有效散射系数' s和二阶参量.研究表明,在光源与探测器之间距离大于一个输运平均自由程的情况下,双点源-P1近似能较好地描述光源附近的光辐射分布,而且能够根据参量与' s的关系得到组织的各向异性因子g.这些研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义.
2011, 60 (12): 128801.
doi:10.7498/aps.60.128801
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用分子动力学(MD)模拟方法研究水合物法储氢的促进机理,系统研究纯H2水合物、H2+四氢呋喃(THF)水合物、H2+四丁基溴化铵(TBAB)半笼型水合物和H2+四异戊基溴化铵(TiAAB)半笼型水合物的微观结构及性质.模拟分析客体与笼子之间的稳定能EGH,得出水合物中大笼子对稳定水合物起到主要作用.THF进入大笼子能促进H2水合物稳定,降低H2水合物形成压力,模拟结果与实验一致.模拟对比不同客体在大笼子中的EGH值,得出从小到大的顺序依次为TiAAB,TBAB,THF,H2.模拟结果表明半笼型水合物的稳定性比结构Ⅱ型水合物强,同时得出H2+TiAAB半笼型水合物的结构最稳定.MD模拟为TiAAB成为一种水合物新型促进剂和新型储氢材料提供了理论依据.
2011, 60 (12): 128901.
doi:10.7498/aps.60.128901
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基于自动巡航控制的元胞自动机交通流模型,研究了单车道上不同类型车辆的最大速度、混合比例、速度期望因子以及质量对混合交通系统的能耗影响.通过计算机数值模拟,得到了混合交通系统在不同参数下的能耗,同时借助于平均场理论对其进行解析.理论解析与数值模拟结果相一致.
地球物理学、天文学和天体物理学
2011, 60 (12): 129401.
doi:10.7498/aps.60.129401
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电离层掩星数据的传统反演方法是电离层球对称假设下的Abel变换反演方法,但是实际的电离层电子密度分布不是球对称的,电离层的非球对称分布给电离层电子密度反演带来误差.发展了一种新的非球对称电离层掩星反演方法,利用国际参考电离层模型提供的三维电离层电子密度分布先验信息来修正掩星总电子含量 ,再通过球对称假设下的Abel变换反演出电离层电子密度.利用新方法反演了星座气象、电离层和气候观察系统掩星实测数据,并将得到的反演结果与电离层探测器资料进行了比较.结果表明,新方法能够较好地反演出电离层电子密度.