Vol. 61, No. 21 (2012)
2012年11月05日
总论
2012, 61 (21): 210201.
doi:10.7498/aps.61.210201
摘要 +
研究了一类具有一般广义阻尼力和强迫周期力项的相对转动非线性动力学模型的周期解问题. 讨论了对应自治系统的周期解问题. 运用Mawhin重合度理论, 得到了该模型的周期解存在惟一性结果, 推广了已有的结果, 并且列举了具体的例子来说明结果的新颖性.
2012, 61 (21): 210202.
doi:10.7498/aps.61.210202
摘要 +
电压型逆变器中存在快慢变两种非线性动力学行为. 研究了输入电压变化时产生的倍周期分岔和低频振荡不稳定现象. 基于频域传递函数思想, 提出一种通用的稳定控制策略, 能同时抑制逆变器产生的快变和慢变不稳定行为, 且不改变原系统的动静态工作性能. 施加控制后, 变换器的稳定工作范围得到进一步拓展. 分别采用谐波平衡法和小信号平均模型对快慢标分岔控制进行了可行性论证, 并计算得到系统的稳定边界区域. 理论和仿真分析表明所提控制策略正确可行.
2012, 61 (21): 210203.
doi:10.7498/aps.61.210203
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采用高分辨X射线衍射技术对大尺寸磷酸二氢钾(KDP)晶体的晶格应变进行了测量, 并定量分析了其晶格应力. 探讨出KDP晶体容易沿着[001]方向发生开裂, 与实际工作中的开裂现象相符合; 进一步归纳总结了晶体生长过程中引入内应力而导致晶体开裂的主要因素. 研究结果为提出相应的晶体防裂措施提供了重要的理论基础.
2012, 61 (21): 210204.
doi:10.7498/aps.61.210204
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进行穿透扫描探测实验时, 在回波图像中发现了由于介质具有倾斜角度产生的周期性干涉条纹, 这种干涉条纹对介质后或者介质中的目标成像有严重影响. 研究表明, 这种干涉条纹主要由介质表面反射波及透射后的层面反射波引起. 文中建立点源辐射模型分析干涉条纹现象的形成机理, 推导出薄层介质的干涉条纹间距表达式. 考虑到天线的影响, 建立了角锥喇叭天线近场模型, 并且基于该模型进行精确的电磁仿真. 商用软件Computer Simulation Technology的电磁仿真结果与MATLAB程序的数字计算结果进一步验证了干涉条纹的成因分析及其与介质倾斜角度的关系. 从推导的薄层介质干涉条纹间距表达式可以看出, 干涉条纹间距与介质倾斜角度有关, 控制影响条纹间距的因素, 可以抑制干涉条纹现象, 从而达到提高目标分辨率和成像质量的效果.
2012, 61 (21): 210301.
doi:10.7498/aps.61.210301
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开放量子系统, 即系统-热库模型, 可以用一个关于密度算符的主方程来描述, 比如, 用来描述固态物理中耗散现象的Caldeira-Leggett 主方程. 虽然已经有人为了求解此主方程的约化密度矩阵的精确表达式而做过一些努力, 但迄今还未见有解答. 本文使用了一种全新的方法来求解Caldeira-Leggett 方程, 用这个新方法可以得到积分形式的显式表达. 该方法的要点在于利用有序算符内积分技术把关于密度算符的微分方程首先转化成关于密度态矢量的微分方程, 再将密度态矢量投影到热纠缠态表象中, Caldeira-Leggett 方程就转变成了关于波函数的微分方程, 而波函数是函数. 这样就可以使用数学中求解微分方程的方法来求解出波函数. 再次利用有序算符内积分技术, 再将波函数转化为态矢量和算符, 就得到了Caldeira-Leggett 方程的积分形势解.
2012, 61 (21): 210302.
doi:10.7498/aps.61.210302
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利用有序算符内的积分技术, 给出了三参数双模压缩算符, 构建了三参数双模压缩粒子数态, 并且研究了该量子态的压缩效应、反聚束效应和对Cauchy-Schwartze不等式的违背. 给出了量子态产生压缩效应和反聚束效应的条件, 以及三参数双模压缩粒子数态的Wigner函数的解析式. 讨论了参数变化和光子数变化对压缩效应、反聚束效应和Cauchy-Schwartze不等式的违背的影响. 研究结果表明: 随光子数的增大, 压缩效应、反聚束效应和光场两模间的非经典相关性减弱; 另一方面, 随参数模的增大, 压缩效应增强, 但反聚束效应和光场两模间的非经典相关性却减弱.
2012, 61 (21): 210303.
doi:10.7498/aps.61.210303
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运用非马尔可夫量子理论与熵压缩理论, 研究了非马尔可夫环境下经典场驱动Jaynes-Cummings模型中原子的熵压缩, 考察了非马尔可夫效应、经典场驱动、体系失谐量对原子熵压缩的影响. 用非马尔可夫过程的记忆效应解释了原子熵压缩的动力学行为. 结果表明: 非马尔可夫效应和经典场驱动的共同作用有利于原子熵压缩的产生与维持. 在非马尔可夫环境下, 通过选择适当的系统参数, 可以产生压缩度大、 压缩持续时间长的原子熵压缩态. 研究结果为利用光场-原子相互作用制备压缩度大、 压缩持续时间长的最佳原子压缩态提供了可能途径.
2012, 61 (21): 210304.
doi:10.7498/aps.61.210304
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研究了非马尔可夫噪声环境影响下两个量子比特纠缠的动力学行为. 对比讨论了因式化纠缠在描述纠缠动力学演化的有效性. 结果表明: 对于贝尔态、最大纠缠混合态等特殊初态, 当噪声环境的影响比较弱时, 利用纠缠的因式化分解形式可以有效地刻画纠缠的动力学演化; 对于一般初态的情况, 当系统的纠缠比较大, 噪声环境的影响比较弱时, 纠缠的因式化分解形式也可以有效地刻画纠缠的动力学演化.
2012, 61 (21): 210305.
doi:10.7498/aps.61.210305
摘要 +
研究了一维光格中旋量玻色-爱因斯坦凝聚体的高阶非线性作用下的孤子激发, 得出了用椭圆积分表示的明孤子解和特定参数条件下的暗孤子解析解, 并求得了能量表达式.
2012, 61 (21): 210501.
doi:10.7498/aps.61.210501
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选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数, 采用闪烁棘轮势, 建立了过阻尼分数阶Brown马达模型. 结合分数阶微积分的记忆性, 分析了粒子在过阻尼分数阶Brown马达作用下的运动特性. 研究发现, 较之整数阶情形, 过阻尼分数阶Brown马达也会产生定向输运现象, 并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 此外, 还讨论了阶数和噪声强度对系统输运速度的影响, 发现当阶数固定时, 其平均输运速度会随噪声变化出现随机共振; 当噪声强度固定时, 其输运速度会随阶数变化而振荡, 即出现多峰的广义随机共振现象.
2012, 61 (21): 210502.
doi:10.7498/aps.61.210502
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应用多尺度纠缠重整化算法模拟自旋为1/2的一维量子XYX 模型, 通过计算局域序参量和度量纠缠的单缠节(one-tangle)、 并发纠缠(concurrence)和纠缠比率R, 确定系统的基态相图和纠缠相图. 发现系统的纠缠相图比基态相图包含更多的物理信息. 另外, 从局域序参量和能隙与外磁场的标度关系, 萃取出与磁化率和关联长度有关的临界指数β 和ν.
2012, 61 (21): 210503.
doi:10.7498/aps.61.210503
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针对强背景噪声下信噪比极低的微弱特征信号的识别问题, 提出了基于奇异值分解的随机共振特征提取方法. 该方法首先利用奇异值分解对实际采样信号进行预处理和重构, 然后寻找到特征信号分量与噪声强度相匹配的分量信号. 此分量信号再经过非线性双稳系统的随机共振处理, 可实现从强噪声背景中检测极微弱的特征信号.
2012, 61 (21): 210504.
doi:10.7498/aps.61.210504
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针对已有混沌直接序列扩频通信系统的破译算法在低扩频因子和较大多径衰落下无法有效破译信息码的问题, 提出了一种基于双模型无迹卡尔曼滤波混沌拟合的破译算法. 所提算法联合多模型滤波原理, 利用信息符号为有限集的特点, 针对其不同取值分别建立对应的滤波模型. 各模型下滤波器并行工作, 利用广义同步系统同时拟合原混沌系统并估计混沌直扩信号, 通过估计误差确定最佳匹配滤波模型, 从而得到信息符号的估计. 进一步通过引入误差控制因子, 增大了不同模型下估计误差的距离, 不仅有利于信息符号判定, 并且减小了噪声和多径衰落对破译结果的影响. 理论推导和仿真结果均证明提出的算法优于已有破译算法.
2012, 61 (21): 210505.
doi:10.7498/aps.61.210505
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针对双稳态压电悬臂梁发电系统进行了动力学建模与分析. 首先建立了能引发系统双稳态现象的磁力模型, 给出了两磁铁之间磁力的数学表达式; 其次建立了压电悬臂梁发电系统的集中参数模型, 得到了系统发生双稳态现象时磁铁之间的距离范围; 通过数值计算分析了系统的响应特性, 发现双稳态运动大大提高了系统的频率响应范围, 并且系统在低激励频率和低激励幅值下能发生大幅运动, 而激励幅值越大, 系统具有越高的能量逃离势阱产生大幅运动; 最后通过实验对数值计算结果进行了验证. 研究结果为双稳态压电悬臂梁发电系统的设计与应用提供了理论依据.
2012, 61 (21): 210506.
doi:10.7498/aps.61.210506
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采用Bär模型研究了三层耦合可激发介质中螺旋波的控制. 相邻层之间采用双向耦合. 利用加在第二层介质上的局域周期信号产生的平面波来消除螺旋波. 数值模拟表明: 只有当三层介质的耦合满足一定条件才可能实现螺旋波的控制, 可以通过耦合互补方式实现螺旋波的控制; 平面波与低频螺旋波的相互作用可以产生高频螺旋波, 导致螺旋波不能被消除; 存在优化的驱动宽度, 过大或过小的驱动宽度需要增加第一、三层介质的耦合强度. 观察到控制结果依赖控制时机的现象. 研究结果可用于植入式心脏除颤器的设计.
2012, 61 (21): 210507.
doi:10.7498/aps.61.210507
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提出了一种利用同相电流传输器(CCII+)实现网格多涡卷混沌吸引子的方法. 首先, 构建一个三维网格多涡卷混沌系统, 并对该系统进行基本动力学特性分析. 其次, 在考虑电流传输器端口寄生参数的情况下, 构建了电流输出的饱和函数电路并设计一个具有串联结构的网格多涡卷混沌电路, 使得该电路的工作频率得到提高. 最后, 通过硬件电路实验验证了该方法的可行性.
2012, 61 (21): 210508.
doi:10.7498/aps.61.210508
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针对单相交直流全桥变流电路, 推导出其在脉宽调制下的连续等效摄动解析模型. 首先通过研究非线性振荡过程得到其连续微分方程, 该方程含有控制参数和摄动参数. 随后通过数学理论证明正则摄动方法能够求出其近似解, 求解后对比PSCAD/EMTDC的仿真结果从而验证了解析的正确性. 该方法在大规模计算中具有优势. 最后分析了控制参数和摄动参数的物理意义, 指出这两个参数能够影响变流器的工作状态, 甚至引发倍周期混沌. 该摄动建模方法不仅适用于单相变流电路, 也适用于三相变流电路甚至多相变流电路.
2012, 61 (21): 210509.
doi:10.7498/aps.61.210509
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采用 Bär 模型研究了通过被动介质耦合的两二维可激发系统中螺旋波的同步, 被动介质由可激发元素组成, 这些元素之间不存在耦合. 数值模拟结果表明, 被动介质对螺旋波的同步有很大影响, 当两系统中的初态螺旋波相同时, 被动介质可导致稳定螺旋波发生漫游, 螺旋波转变为螺旋波对或反靶波; 当两系统中的初态螺旋波不同步时, 在适当的参数下, 两螺旋波可以实现同步、相同步, 此外还观察到两螺旋波波头相互排斥、多螺旋波共存、同步的时空周期斑图、 系统演化到静息态等现象. 在被动介质中, 一般可观察到波斑图, 但是在某些情况下, 被动介质会出现同步振荡现象. 这些结果有助于人们理解心脏系统中出现的时空斑图.
2012, 61 (21): 210510.
doi:10.7498/aps.61.210510
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正压流体中, 从有外源的准地转位涡方程出发, 采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有β效应、缓变地形和外源的Rossby孤立波方程, 得到Rossby波振幅满足带有缓变地形与外源强迫的非齐次 mKdV-Burgers方程的结论. 通过分析孤立Rossby波振幅的演变,指出了β效应、 地形效应以及外源都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素; 说明了在缓变地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下, Rossby孤立波振幅的演变满足非齐次mKdV-Burgers方程; 给出在切变基本气流下缓变地形和正压流体中Rossby波的相互作用关系.
2012, 61 (21): 210511.
doi:10.7498/aps.61.210511
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节点的聚集现象是复杂网络的重要特性. 以往研究主要发现无权复杂网络中的社团, 较少涉及加权网络的社团发现. 由于加权网络的复杂性远高于无权网络, 一般认为加权网络的社团发现是一个较难的问题. 本文基于统一的数据基础, 从社团评价指标的有效性和现有算法的效果两个角度开展研究. 首先, 总结了加权网络三种常见的社团评估指标, 并在社团大小、密度和局域特点均不同的模拟数据集上分析指标的有效性; 其次, 针对5个数据集, 分析现有的3种加权复杂网络社团发现算法的效果. 研究表明: 上述指标无论在评价最基本的社团结构, 还是在分析结构复杂的社团时都有较大缺欠; 现有的加权网络社团发现算法的泛化能力不强.
2012, 61 (21): 210701.
doi:10.7498/aps.61.210701
摘要 +
光镊利用光学梯度力捕获和操控微小粒子, 已经成为深入研究生物分子间相互作用等微观机制的独特技术. 光镊光束操控系统一般由扩束输入镜、扩束输出镜、调焦透镜、 耦合透镜和压电转镜等光学元器件组成, 以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控. 光镊阱位的三维精确操控是实现光镊位钳和力钳模式的基本条件. 本文根据矩阵光学, 对基于无穷远校正显微镜的光镊操控光路进行计算, 分析扩束输入镜、调焦透镜和物镜轴向位置调整, 以及压电转镜、调焦透镜和耦合透镜安装位置误差对光镊径向阱位操控精度的影响, 得到了物镜高度调整基本不会影响光镊径向位置操控, 压电转镜和调焦透镜的安装位置误差对光镊径向阱位操控精度影响最大等结论, 提出了能够实现径向阱位精确操控的轴向阱位动态操控范围, 为光镊设计和操控提供理论和实验指导.
核物理学
2012, 61 (21): 212801.
doi:10.7498/aps.61.212801
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以Nd(Ⅲ)作为放射性核素An(Ⅲ)的模拟替代物, 以Gd2O3和ZrO2粉体为原料, 通过高温固相反应法(1500 ℃, 保温72 h)合成了Gd2-xNdxZr2O7(0≤ x ≤ 2.0) 微米级的钆锆烧绿石固化An(Ⅲ)的模拟固化体. 利用X射线衍射仪、显微硬度计和扫描电子显微镜等对所制备样品的物相、 密度、维氏硬度和微观形貌进行了表征. 结果表明: Gd2-xNdxZr2O7(0≤ x ≤ 2.0)系列固化体样品多呈板状, 均为烧绿石相; 其密度值随固溶量x值的增加, 呈逐渐下降趋势, 但均 ≥5.76 g·cm-3. 固化体的维氏硬度值(HV)随x值的递增呈逐渐减小趋势, x值与维氏硬度值之间满足HV=695.18636-162.64091 x的线性关系, 但维氏硬度值均≥ 400 kg·mm-2以上.
2012, 61 (21): 212802.
doi:10.7498/aps.61.212802
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利用数值模拟程序模拟了不同高度核爆炸下距离爆点不同位置处大气的X射线电离及演化过程, 分析了高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸电离效应的影响. 结果表明: 高能电子碰撞电离过程对高空核爆炸的电离结果产生了重要影响, 在80 km爆高1 kt当量高空核爆炸条件下, 在距离爆点1.5 km处高能电子的碰撞电离效应使得电子的峰值数密度提高了约2个数量级; 随着时间的增加, 高能电子能谱逐渐向低能方向发展, 在5 μs后高能电子数密度随电子能量近似呈负指数分布; 电子峰值时间与爆高有关, 随着爆高的增加而增大, 电离的影响区域也随着爆高的增加而增大. 在80 km爆高1 kt当量情况下电离效应对近百千米范围内的微波通信具有严重影响.
原子和分子物理学
2012, 61 (21): 213101.
doi:10.7498/aps.61.213101
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使用量子化学从头计算方法, 在CCSD(T)/AUG-CC-PV5Z +bf(3s3p2d1f)水平下, 计算了He-HD(HT, DT)非对称碰撞体系的靶分子取不同键长的相互作用能数据. 运用质心变换-拟合方法、Tang-Toennies势模型和非线性最小二乘法拟合构造了碰撞体系在入射角分别取θ=0°,20°,40°,60°,80°,90°, 100°,120°,140°,160°,180°时的振转相互作用势. 通过密耦计算, 得到了入射原子能量分别为60, 90和120 meV时碰撞体系微分截面的信息. 根据计算结果, 分析讨论了微分截面随入射能量、体系约化质量和散射角变化的规律.
2012, 61 (21): 213102.
doi:10.7498/aps.61.213102
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运用基于密度泛函理论的投影缀加波方法研究了Heusler合金Mn2NiGa的四方变形, 对立方和四方结构的磁矩、电子结构、弹性常数及声子谱进行了计算和分析. Mn原子是Mn2NiGa总磁矩的主要贡献者, 但Mn(A)、Mn(B)原子磁矩的值不等且呈反平行耦合, 因而Mn2NiGa合金在两种状态下均表现为亚铁磁结构. 四方变形中, Mn2NiGa在c/a=0.94和c/a=1.27处出现总能的局域极小值和局域最小值, 分别对应一个稳定的马氏体. 弹性常数的计算结果显示, Mn2NiGa的立方结构不满足立方相稳定性判据, 四方结构(c/a=0.94和c/a=1.27)的弹性常数满足相应的稳定性判据. 立方结构声子谱中存在虚频, 而四方结构(c/a=0.94和c/a=1.27)则不存在虚频, 验证了Mn2NiGa四方结构比立方结构稳定. c/a=1.27的四方结构Mn2NiGa转变为c/a=1.0的立方结构的相变温度在315 K左右.
2012, 61 (21): 213301.
doi:10.7498/aps.61.213301
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利用激光冷却俘获技术在双暗磁光阱中获得高密度的超冷铷原子和铯原子, 通过光缔合方法制备超冷铷铯极性分子. 采用共振增强双光子电离技术探测基三重态a3∑+的铷铯分子, 产率约为104/s. 通过改变缔合光频率, 获得(2)0+, (3)0-, (2)0-等分子态的高分辨振转光谱, 拟合得到相应的转动常数分别为0.00349 cm-1, 0.00649 cm-1, 0.00372 cm-1.
编辑推荐
2012, 61 (21): 213302.
doi:10.7498/aps.61.213302
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对基于高温超导量子干涉仪的低场核磁共振成像进行了较为系统的探索. 首先对低场核磁共振系统进行了改进和完善, 使得装置能够用于成像实验. 在此基础上进行了一维、二维成像实验并取得了成功. 二维成像分别采用了直接背投影成像法和傅里叶变换重建法. 采用直接背投影方法成功获得了不同水样品分布的图形并与实物符合较好, 同时还尝试对生物样品如青椒和芹菜的切片进行了成像, 也得到了符合原物的二维投影像. 尝试用傅里叶变换法对水样品进行成像, 得到的图形能够显示样品轮廓, 但信噪比偏低. 对两种二维成像方法进行了比较和讨论.
2012, 61 (21): 213401.
doi:10.7498/aps.61.213401
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利用基于多组态Dirac-Fock理论方法的原子结构及性质计算程序GRASP92, 详细研究了类氟W65+到类锂W71+离子的2p3/2—2s1/2跃迁性质. 计算结果与Podpaly等[Phys. Rev. A 80 052504 (2009)]的实验结果符合得非常好. 在此基础上, 利用全相对论扭曲波方法研究了2s1/2—2p3/2的电子碰撞激发总截面和磁子能级碰撞激发截面以及部分谱线的线性极化度, 分析了电子碰撞激发截面和谱线线性极化度随碰撞能量的变化规律.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (21): 214201.
doi:10.7498/aps.61.214201
摘要 +
首次提出圆顶轴棱锥这一新型光学元件. 由衍射理论分析了平面波通过圆顶轴棱锥后的光场强度分布, 用软件对光强分布进行仿真. 结果表明, 平行光通过圆顶轴棱锥后可以形成多个局域空心光束 (bottle beam), 由于球面波能量在焦点附近高度集中, 所得的 bottle beam在焦点附近强度极大. 通过仿真对比得知用圆顶轴棱锥产生的 bottle beam的暗域周围光强远大于用两束Bessel光束干涉所得, 大幅度提高了 bottle beam囚禁粒子的效率. 通过比较这两种方法产生的 bottle beam对粒子囚禁的散射力, 证实了圆顶轴棱锥产生 bottle beam在粒子囚禁方面更具优势.
2012, 61 (21): 214202.
doi:10.7498/aps.61.214202
摘要 +
提出了光束运动的概念和物理模型, 针对光谱色散匀滑技术方案, 以正弦位相调制脉冲和线性啁啾脉冲为例, 理论分析了啁啾宽带光束的横向"运动"特性及其对焦斑匀滑效果的影响, 详细讨论了运动速度大小、运动周期以及运动方式等对焦斑束匀滑特性的影响, 得到在相同带宽下线性啁啾脉冲的匀滑效果要优于正弦位相调制脉冲匀滑效果的结论.
2012, 61 (21): 214203.
doi:10.7498/aps.61.214203
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基于连续变量GHZ态的纠缠特性, 提出一种三方量子确定性密钥分配协议, 其中密钥由GHZ态的振幅产生, 而相位可以用来验证信道的安全性. 现有的量子确定性密钥分配协议一次只能向一个接收方传送密钥, 现实生活中经常要向多个接收方发送确定性密钥. 信息论分析结果表明, 当信道传输效率大于0.5时, 该协议可以同时向两个接收方安全传送确定性密钥, 制备多重纠缠态后, 该协议还能够扩展成多方量子确定性密钥分配协议, 这极大提高了密钥的整体传送效率, 而且连续变量量子GHZ态信道容量较高, 因此该协议具有重要的现实意义.
2012, 61 (21): 214204.
doi:10.7498/aps.61.214204
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研究了一束低强度探测脉冲光场在一个非对称半导体量子阱中的传输特性. 在相同参数条件下, 通过由自发辐射相干产生的交叉耦合系数来调控介质对探测场吸收、色散的变化规律. 结果表明: 从自发辐射相干的引入到达到相干最大, 介质的吸收不断减小, 同时强色散也随之进入透明窗口.
2012, 61 (21): 214205.
doi:10.7498/aps.61.214205
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在真空或惰性气体中制备的硅量子点发光很弱, 硅量子点表面被氢较好钝化后的发光也不强. 硅量子点表面的硅氧键或硅氮键能破坏这种钝化并在带隙中形成局域电子态, 在局域电子态对应的激活中心有很强的发光. 可以用这种方式构建发光物质, 控制硅量子点表面的键合可获得不同波长的发光. 在硅量子点的发光激活处理过程中, 退火是很重要的环节. 对于硅量子点发光激活的机理, 本文给出了相应的物理模型. 实验证明, 在600和700 nm波长附近观察到了激活硅量子点的受激发光, 在1500 nm到1600 nm波长范围观察到了激活硅量子点的较强发光.
编辑推荐
2012, 61 (21): 214206.
doi:10.7498/aps.61.214206
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在数太瓦钛宝石啁啾脉冲放大系统中(极光Ⅱ升级装置), 对多脉冲序列的放大过程进行了详细的实验研究, 获得了多脉冲序列的放大输出. 每一个放大脉冲串中包含有19个独立的飞秒单脉冲, 其相邻间隔为14.8 ns, 对应的重复频率为67. 5 MHz. 脉冲串的总能量约为122 mJ, 各单脉冲能量从20 mJ指数衰减至0.5 mJ, 脉宽约为60 fs, 对应的峰值功率约为10111010 W. 这种脉冲序列在产生长寿命激光等离子体、 激光微加工等方面有重要应用前景.
2012, 61 (21): 214207.
doi:10.7498/aps.61.214207
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文章研究了如何兼顾质子注入型垂直腔面发射激光器的功率和阈值性能. 从模拟和实验两方面分析了质子注入能量与器件功率和阈值特性的关系. 发现注入能量过高时, 损伤有源区, 降低了功率性能. 而能量过低则会减弱对注入电流的限制, 增加阈值. 计算和实验结果表明, 对于文中的器件结构, 315 keV的注入能量是合适的. 在10 μm的注入孔径下获得器件的阈值为4.3 mA, 功率为1.7 mW.
2012, 61 (21): 214208.
doi:10.7498/aps.61.214208
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搭建了基于反射型体光栅和半导体可饱和吸收镜的线型腔全正色散掺镱光纤激光器, 室温下实现了稳定的波长可连续调谐的连续被动锁模脉冲输出. 重复频率16.42 MHz, 锁模脉冲中心波长1030 nm时, 脉冲光谱带宽0.32 nm, 最大平均输出功率10.2 mW, 单脉冲能量0.63 nJ. 转动体光栅角度, 利用其分光谱和选波长的特性, 可使锁模脉冲的中心波长在约1011.91050.6 nm的范围内调谐, 调谐范围约38.7 nm. 实验中亦可观察到调Q锁模、二次谐波锁模、双波长和三波长输出现象. 输出单波长锁模脉冲时, 由于其波长可调谐的特性, 该激光器可用作波分复用/光时分复用通信系统的光源和光学相干层析的调谐光源.
2012, 61 (21): 214209.
doi:10.7498/aps.61.214209
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采用化学气相沉积法制备了不同层数的石墨烯样品. 根据石墨烯透过率曲线分析石墨烯样品层数与550 nm处透过率关系的同时, 利用拉曼光谱法分析了不同层数石墨烯样品在强激光辐照下的损伤特性. 结果表明: 单层石墨烯样品经强激光辐照后, G带和2D带均向高频移动; 多层石墨烯样品经强激光辐照后只有G带发生了略微的频移; 石墨烯样品拉曼光谱G带与2D带强度比值表征了石墨烯的层数, 此比值随激光辐照时间的增加而减小, 这表明强激光对石墨烯样品具有明显的剥离现象.
2012, 61 (21): 214210.
doi:10.7498/aps.61.214210
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利用有限元方法对纤芯中心带有一个微小空气孔的光子晶体光纤进行了分析, 得到了其模场分布、损耗及色散特性随光纤结构参数及波长的变化规律. 根据光的衍射原理及光子晶体光纤的传输特性, 对空气孔传光的物理本质进行了解释. 得到了微小空气孔低损耗、高强度、单模传输时, 光子晶体光纤结构参数及波长的取值范围. 设计出了一种优化的光子晶体光纤结构, 其模场很好地集中在纤芯微小空气孔中, 限制损耗α=5.9× 10-5 dB/km, 为微小空气孔传光的光子晶体光纤设计及制备提供了理论指导. 光在空气孔中高强度、长距离传输, 为光与物质相互作用及非线性光纤光学提供了新的条件.
2012, 61 (21): 214211.
doi:10.7498/aps.61.214211
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使用加速器对量子阱半导体激光器进行了总通量110-16 cm-2的电子辐照实验. 辐射实验结果表明, 在辐射环境下激光器的输出功率下降、阈值电流增加. 从理论上分析了位移效应对量子阱激光器的影响, 并推导了电子通量与相对阈值电流变化、相对输出功率变化的函数关系式. 该公式的计算结果与实验测试结果符合很好, 有效地反映了电子辐照环境下激光器的性能变化趋势. 该公式可用于预测激光器在辐射环境下的性能变化, 有着较大实际应用价值.
2012, 61 (21): 214301.
doi:10.7498/aps.61.214301
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研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述, 隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述. 考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式. 数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图, 并据此进行机理分析. 通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现, 除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外, 加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线, 并且发生隔板共振与壳体弹性波、 Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象. 通过实验对理论进行了验证, 在实验的频率范围内, Bragg散射亮线与理论符合得很好, 部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.
2012, 61 (21): 214302.
doi:10.7498/aps.61.214302
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最近研究表明, 将声子晶体中的局域共振现象引入到水下吸声材料的设计中, 可以观察到由局域共振引起的低频声吸收现象. 为了进一步揭示局域共振低频吸声机理并获得更优的水下低频声吸收性能, 研究了内嵌不同形状散射子的黏弹性声学覆盖层. 利用晶格和散射子在空间排布的对称性, 传统有限元方法得到简化, 从而节约了计算时间和存储空间, 并通过将简化有限元法计算得到的结果与传统有限元法计算的结果进行对比, 验证了简化有限元方法的正确性. 结合位移云纹图, 考察了特定频率点上振动模态与相应的局域共振吸声峰之间的关系, 揭示了内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层的吸声机理. 进一步讨论了相同体积下不同形状的圆柱形散射子对黏弹性覆盖层吸声性能的影响, 给出了提升覆盖层低频吸声性能的优化思路. 通过讨论不同芯体材质对内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层吸声性能的影响, 找到了改变第一共振峰位置的方法, 从而可以通过调整第一共振峰来实现特定频率范围内的宽带吸声.
2012, 61 (21): 214501.
doi:10.7498/aps.61.214501
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提出了相对论性力学系统的一种新的对称性, 并给出了此对称性导致的守恒量. 提出了相对论性力学系统的Birkhoff对称性, 即对应于相对论性力学系统的一组Birkhoff动力学函数的运动微分方程的解都满足从另一组Birkhoff动力学函数得到的运动微分方程. 证明了与两组Birkhoff动力学函数分别给出的相对论性Birkhoff方程相关联的系数矩阵的各次幂的迹是系统的一个守恒量, 从而将Currie和Saletan提出的力学系统的等效Lagrange函数定理拓展到了相对论性Birkhoff动力学系统. 给出了两个例子以说明结果的正确性.
2012, 61 (21): 214502.
doi:10.7498/aps.61.214502
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基于大量静止颗粒堆积而成的物体属于非线性弹性体的观点, 计算了其弹性势能的声速表达式(考虑圆柱对称和沿主应力方向传播的平面波情形). 通过与已报道的一些实验数据的对比, 认为精密的声学方法能够测定势能中的所有材料参数, 因此是研究这类材料非线性弹性行为细节的一个重要观测手段, 但需要对样品的所有应力、密度和均匀程度进行全面仔细的监控.
2012, 61 (21): 214503.
doi:10.7498/aps.61.214503
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利用多车道元胞自动机模型研究双下匝道系统的交通流动态演化特征. 采用可变情报板来实现交通诱导, 着重分析驾驶员选择目标匝道的决策行为及其对道路通行能力的影响. 分别建立了无可变情报板的基本模型和有可变情报板的诱导模型. 通过数值模拟, 分别给出了相应的相图、道路通行能力、流量图和时空斑图, 分析了进车概率、出车比例和出车道长度对交通行为的影响. 通过对两个模型模拟结果的比较分析, 发现当出车道长度较小而进车概率、出车比例都较大时, 可变情报板的诱导信息能明显提高下游匝道的利用率, 改善道路交通流状况, 从而缓解交通拥堵.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (21): 215201.
doi:10.7498/aps.61.215201
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介绍了一种通过实验测量获得的法拉第旋转角和电子密度分布获得托卡马克等离子体安全因子分布的模拟计算方法. 该方法采用大环径比的近似, 适用于平衡态等离子体物理分析. 在欧姆和电子回旋加热的放电情况下, 获得了合理的安全因子q分布和电流密度分布, 计算结果与软X射线测量的结果一致.
2012, 61 (21): 215202.
doi:10.7498/aps.61.215202
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在强电场条件下, 由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应, 因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数. 场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关, 而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响. 为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响, 建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型, 利用第一性原理的粒子模拟方法, 研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性, 得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系. 结果表明, 场致发射过程开始后, 阴极表面电场先有个振荡过程, 随后趋于稳定; 在同一外加电场条件下, 间隙距离越长, 稳态电场的绝对值越小, 且达到稳态所需的时间也越长; 间隙距离越短, 当阴极表面电场达到稳定状态时, 二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.
2012, 61 (21): 215203.
doi:10.7498/aps.61.215203
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采用辉光放电技术和等离子体质谱诊断技术, 研究了H2/C4H8混合气体等离子体中正离子成分及主要正离子能量随射频功率的变化规律, 并分析了H2/C4H8混合气体主要的离解机理和形成过程. 研究表明: 随着射频功率的增加, 碳氢碎片离子的浓度增加, 在20 W时达到最大值, 25 W后有所减小. 当射频功率小于10 W时, H2/C4H8混合气体等离子体中C4H9+相对浓度最大, 当功率大于或等于10 W时, C3H3+相对浓度最大. 随着射频功率的增大, 碳氢碎片离子的能量逐渐增加. 对H2/C4H8混合气体等离子体的组成与能量进行的定性分析, 将为H2/C4H8混合气体辉光放电聚合物涂层工艺参数优化提供参考.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (21): 216101.
doi:10.7498/aps.61.216101
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针对碳纳米管场致发射冷阴极在微波、毫米波电真空辐射源器件中的应用需求, 采用2 μs, 20 kV的脉冲高压对碳纳米管场致发射冷阴极的脉冲发射特性进行了实验研究. 通过改变阴阳极间距, 对碳纳米管冷阴极发射电流特性及发生脉冲高压打火后的碳纳米管冷阴极发射特性进行了测试研究. 在直径为4 mm的圆形平面碳纳米管冷阴极上获得最大发射电流16 mA, 电流密度为127 mA/cm2. 以实验测试数据为基础, 结合粒子模拟软件建立碳纳米管冷阴极场致发射仿真模型, 给出了该仿真模型的相关参数, 为下一步设计研制碳纳米管冷阴极电子光学系统及相关辐射源器件奠定基础.
2012, 61 (21): 216102.
doi:10.7498/aps.61.216102
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采用落管无容器处理技术实现了Ti61.2Cu32.5Fe6.3三元包共晶合金在自由落体条件下的快速凝固, 获得了直径为801120 m液滴的凝固组织. 实验中获得的过冷度范围为34293 K, 最大过冷度达0.23TL. 研究发现, 在自由落体条件下, 由于受到无容器、微重力、超高真空等因素的影响, 合金熔体的凝固组织中包含Cu0.8Fe0.2Ti相、CuTi2相和CuTi3 相, 显著偏离了平衡状态. Cu0.8Fe0.2Ti为初生相, 同时又与CuTi2相形成两相共晶; CuTi3相则呈现枝晶形貌, 并发生了明显的溶质截留效应. 随着过冷度的增大, 共晶组织由层片共晶向不规则共晶转变, 形貌由长条状共晶团变为椭球状共晶团, 最终变为球状共晶胞; Cu0.8Fe0.2Ti相枝晶形貌由粗大枝晶变为碎断枝晶, 进一步变成不规则的粒状晶粒; CuTi3相枝晶则由碎块状转变为完整枝晶.
2012, 61 (21): 216801.
doi:10.7498/aps.61.216801
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通过将疏水的纳米颗粒吸附在岩心微通道壁面, 可以形成具有类荷叶表面的双重微结构表面, 从而在注水开发的过程中在岩心微通道壁面产生水流滑移, 达到降低注水压力、增加注水量的目的. 研究纳米颗粒吸附岩心切片表面的强疏水特征对纳米颗粒吸附法减阻技术具有重要的意义. 本文简要叙述了荷叶、蚊子腿以及水黾腿的超疏水特征; 介绍了制备具有亚微米、纳米双重微结构的强疏水表面的纳米颗粒吸附法; 给出了规则排列时纳米颗粒吸附岩心切片表面的强疏水特征的物理机制, 根据真实的纳米颗粒吸附岩心切片, 给出了接触角的范围, 计算结果与实验数据一致. 岩心流动实验结果表明, 经纳米颗粒分散液处理后, 岩心的平均水相渗透率提高94%.
2012, 61 (21): 216802.
doi:10.7498/aps.61.216802
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制备了InP基近红外波段量子线激光器, 在激光器温度特性分析中, 观察到了反常的特征温度分布曲线. 随着热沉温度增加, 在120—180 K时, 激光器阈值电流随温度升高出现下降趋势, 即出现了负的特征温度. 分析认为负特征温度的出现是由于随温度变化载流子再分布引起的.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (21): 217101.
doi:10.7498/aps.61.217101
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基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法, 采用局域密度近似, 计算了不同结构的α-Nb5Si3, β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3的电子结构、态密度以及光学性质. 计算结果表明, Nb5Si3费米能级附近价带主要是由Nb的4d轨道及Si的3s和3p轨道贡献, 导带主要由Nb的4d轨道贡献; Nb5Si3的光学性质具有各向异性的特征, 其零频介电常数ε1(0)=207, 折射率n0=13; 在15 eV以上的高能区表现为无色透明.
2012, 61 (21): 217102.
doi:10.7498/aps.61.217102
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基于第一性原理密度泛函理论的赝势平面波方法, 对Si(111)基外延稳定正交相OsSi2的能带结构、 态密度以及光电特性进行了研究. 研究结果表明, Si(111)基外延稳定正交相的OsSi2是一种间接带隙半导体, 禁带宽度为0.625 eV; 其价带主要是由硅的3s, 3p态电子和锇的5d态电子构成, 导带主要由锇的5d态电子与硅的3s, 3p态电子构成; 其静态介电函数为15.065, 折射率为3.85, 吸收系数最大峰值为3.9665× 105 cm-1. 利用理论计算的能带结构和态密度研究了Si(111)基外延稳定正交相OsSi2的介电函数、折射率、吸收系数、光电导率和能量损失函数的变化规律, 为Si(111)基外延OsSi2的应用提供了理论基础.
2012, 61 (21): 217103.
doi:10.7498/aps.61.217103
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在In0.6Ga0.4As/GaAs量子点中, 采用一维等效势模型和有限差分法理论计算了激子态的性质, 得到了激子跃迁能和束缚能随磁场、横向束缚强度以及量子点尺寸的变化关系. 结果表明: 加入磁场后, Zeeman效应使得激子的能级简并度解除, 激子的基态跃迁能与实验符合得很好; 横向束缚强度或磁场强度的增加使得激子的束缚增强; 量子点的尺寸对激子的束缚产生重要的影响; 通过电子-空穴间平均距离以及激子体系波函数分布图像分析了其产生的物理机制.
2012, 61 (21): 217104.
doi:10.7498/aps.61.217104
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采用熔融缓冷技术制备了不同Ag掺杂量的p型Agx(Pb0.5Sn0.5)1-xTe化合物, 系统地研究了Ag掺杂对所得材料的相组成、微结构及其热电传输性能. Ag的掺入显著增加了材料的空穴浓度, 但是材料的空穴浓度远小于Ag作为单电子受主时理论空穴浓度, 且在掺杂量为5%时未出现任何第二相, 这表明Ag在可能进入晶格间隙位置而作为电子施主, 起到补偿作用. 随着Ag掺杂量的增加, 样品的电导率逐渐增加, 而Seebeck系数表现出复杂的变化趋势: 在低于450 K时逐渐增加, 而在温度大于450 K时逐渐降低, 这主要源于材料复杂的价带结构. 由于空穴浓度的优化和重空穴带的主导作用, 1% Ag掺杂样品获得最大的功率因子, 在750 K可达2.1 mWm-1K-2. 此外, Ag的掺入引入的点缺陷大幅散射了传热声子, 使得晶格热导率随着Ag掺量的增加逐渐降低. 结果1% Ag掺杂样品在750 K时获得了最大的热电优值ZT=1.05, 相比未掺样品提高了近50%, 这一数值同商业应用的p型PbTe材料的性能相当. 但是Sn取代显著降低了有毒重金属Pb的用量, 这对PbTe基材料的商业化应用及其环境相适性具有重要意义.
2012, 61 (21): 217301.
doi:10.7498/aps.61.217301
摘要 +
从纳米Ag颗粒表面等离子激元光学及表面高能电场特性两方面入手, 较为系统地研究了周围介质的导电特性对表面等离子激元的影响. 通过对复合薄膜紫外-可见-近红外光谱及表面增强拉曼散射光谱的分析, 指出绝缘性的Al2O3介质薄膜能够起到良好的表面电场定域效果, 且不会引入附加的光吸收损失; 而导电性的ITO薄膜则会引入表面价电子的溢出损失, 加速了表面电场的衰逝, 同时引起长波方向上显著的光吸收损失. 研究还表明致密的Al2O3介质薄膜能够起到良好的屏蔽作用, 且纳米Ag颗粒表面等离子激元特性仅受最近邻材料特性的影响. 研究结果为在硅基薄膜太阳电池中实现对纳米Ag颗粒的阻挡、 寄生光吸收损失的降低以及表面高能电场的利用, 提供了一条有效的解决途径.
2012, 61 (21): 217302.
doi:10.7498/aps.61.217302
摘要 +
通过自洽求解一维泊松方程和薛定谔方程, 得到了p-GaN/p-AlxGa1-xN异质结界面处的价带结构和二维空穴气(2DHG)分布, 研究了Al组分和压电极化效应对界面处2DHG性质的影响, 给出了异质界面处2DHG的面密度、浓度分布以及价带结构. 实验结果表明: 随着Al组分的增加, 异质结界面处势阱明显加深变窄, 这使得2DHG的峰值密度加速上升, 也使得面空穴密度近直线上升; 压电极化效应也明显使界面处势阱加深变窄, 并且使费米能级向势垒顶端移动, 峰值浓度的位置向界面处移动; 另外, 价带带阶高度和受主杂质浓度对2DHG的影响较小. 利用这层2DHG制作的p-AlxGa1-xN的欧姆接触, 电流电压特性明显好于直接制作的电极, 说明了2DHG可以显著改善p-AlxGa1-xN的欧姆接触性能.
2012, 61 (21): 217303.
doi:10.7498/aps.61.217303
摘要 +
采用八能带K-P理论以及有限差分方法, 研究了沿[001]方向生长的InAs/GaSb二类断带量子阱体系的能带结构、 波函数分布和对[110]方向线性偏振光的吸收特性. 研究发现, 通过改变InAs或GaSb层的厚度, 可有效调节该量子阱体系的能带结构及波函数分布. 计算结果表明, 当InAs/GaSb量子阱的导带底与价带顶处于共振状态时, 导带基态与轻空穴基态杂化效应很小, 且导带基态与第一激发态的波函数存在较大的重叠, 导带基态与第一激发态之间在布里渊区中心处的跃迁概率明显大于导带底与价带顶处于非共振状态时的跃迁概率. 研究结果对基于InAs/GaSb二类断带量子阱体系的中远红外波段的新型级联激光器、探测器等光电器件的设计具有重要意义.
2012, 61 (21): 217304.
doi:10.7498/aps.61.217304
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从模拟和实验两个方面对高迁移率In0.6Ga0.4As沟道金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOSHEMT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件开展研究工作. 研究发现InAlAs势垒层对In0.6Ga0.4As MOSHEMT的特性具有重要影响. 与In0.6Ga0.4As MOSFET相比, In0.6Ga0.4As MOSHEMT表现出优异的电学特性. 实验结果表明, In0.6Ga0.4As MOSHEMT的有效沟道迁移率达到2812 cm2/V·s-1, 是In0.6Ga0.4As MOSFET的3.2倍. 0.02 mm栅长的MOSHEMT器件较相同栅长的MOSFET器件具有更高的驱动电流、更大的跨导峰值、更大的开关比、更高的击穿电压和更小的亚阈值摆幅.
2012, 61 (21): 217305.
doi:10.7498/aps.61.217305
摘要 +
应用负偏置温度不稳定性(negative bias temperature instability, NBTI), 退化氢分子的漂移扩散模型, 与器件二维数值模拟软件结合在一起进行计算, 并利用已有的实验数据和基本器件物理和规律, 分析直流应力NBTI效应随器件沟道长度、栅氧层厚度和掺杂浓度等基本参数的变化规律, 是研究NBTI可靠性问题发生和发展机理变化的一种有效方法. 分析结果显示, NBTI效应不受器件沟道长度变化的影响, 而主要受到栅氧化层厚度变化的影响; 栅氧化层厚度的减薄和栅氧化层电场增强的影响是一致的, 决定了器件退化按指数规律变化; 当沟道掺杂浓度提高, NBTI效应将减弱, 这是因为器件沟道表面空穴浓度降低引起的; 然而当掺杂浓度提高到器件的源漏泄漏电流很小时(小泄露电流器件), NBTI效应有明显的增强. 这些结论对认识NBTI效应的发展规律以及对高性能器件的设计具有重要的指导意义.
2012, 61 (21): 217306.
doi:10.7498/aps.61.217306
摘要 +
忆阻器因其优异的非易失存储特性, 且具有结构简单、存储速度快、能耗低、集成度高等优势, 在新型电子器件研究领域引起了广泛关注. 本文从忆阻器结构出发, 对忆阻器主要材料、机理等进行了综述, 介绍了忆阻器在电子电路及人工智能等领域的研究进展, 重点讨论了界面效应对忆阻行为及性能改善等方面的重要作用, 提出了界面纳米点嵌入结构对优化忆阻性能的显著效果, 并分析了忆阻器可能的发展趋势.
2012, 61 (21): 217307.
doi:10.7498/aps.61.217307
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为了分析电介质桁架结构对频率选择表面(FSS)传输特性的影响, 以Y环单元的FSS和聚酰亚胺材质制备的桁架结构为例, 采用时域有限差分方法进行计算和分析. 建立物理模型并定义了孔径阻挡比P, 通过分析证明了改变桁架的周期T以及肋骨的宽度D会对FSS的传输性能产生规律性影响, 成为衡量电介质桁架结构的主要参数, 且孔径阻挡比P的提高将增加传输损耗. 当T值由无限大变为80 mm时, 通带透过率平均下降超过0.9 dB; 当D值由0变为20 mm时, 通带透过率平均下降超过1 dB. 当P值小于12.11%时通带不产生偏移现象; 当P值小于4.12%时, 桁架对FSS的影响可忽略不计. 采用镀膜和光刻工艺制备FSS试件、数控机械加工方式制备电介质桁架, 并在微波暗室中进行测量, 验证实验与计算结果相符合, 为拟采用电介质桁架结构的FSS隐身雷达罩工程应用提供了理论与实验的参考依据.
2012, 61 (21): 217701.
doi:10.7498/aps.61.217701
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无铅弛豫铁电体具有较好的介电可调性, 在顺电相有较大的介电常数和极小的损耗, 因较大的优值而被广泛地用于微波器件. 根据现有的介电可调性理论, 通过参量的适当修正, 对介电可调性的表达式做了合理的探讨, 结论适用于处理实验结果. 比较发现, 在电场作用下顺电相保持不变的近似得出的结论与实验结果差距较大, 而转化为铁电相与实验结果完全吻合. 考虑外加电场和自发极化对弹性吉布斯自由能的修正, 导出了高电场对介电常数的修正关系, 与实验结果相符. 提出了介电可调度的概念与计算公式, 能够定量表示掺杂对介电可调性的影响.
2012, 61 (21): 217801.
doi:10.7498/aps.61.217801
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光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术. 在传统光声成像中, 由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降, 从而降低诊断的准确性. 为了克服这一影响, 本文提出了一种自适应多光谱光声成像技术. 该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响, 提高系统成像分辨率与图像对比度. 此外, 该系统还融合了多光谱成像技术, 可在多种波长下对目标成像, 从而更好地进行组织结构识别、组分分析等. 实验结果表明, 该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像, 可极大地增强光声成像性能, 在生物医学领域具有广阔的应用前景.
2012, 61 (21): 217802.
doi:10.7498/aps.61.217802
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采用高温固相法成功合成了单一相的Eu3+, Bi3+共掺的Mg5SnB2O10红色荧光粉, 并通过X射线衍射、漫反射光谱、光致发光光谱等手段对该体系的结构及其发光特性进行了测试和研究. 激发光谱表明, 该荧光粉在393 nm呈现Eu3+的7F0—5L6特征激发, 可以与用于发光二极管的近紫外芯片很好地匹配. 在393 nm激发下, 其发射光谱在591, 612, 701 nm处呈现Eu3+的5D0—7F1, 5D0—7F2, 5D0—7F4的特征发射. 并且当固定Eu3+的浓度时, 随着Bi3+含量的增加, 发现Bi3+, Eu3+在这一体系中存在能量传递现象, 系列样品发光强度大幅度提高. 通过研究系列样品在不同Bi3+, Eu3+掺杂浓度下的发光性能, 得出最佳样品为Mg4.89Eu0.1Bi0.01SnB2O10, 其积分强度达到了商用Y2O2S: Eu3+的1.1倍.
2012, 61 (21): 217803.
doi:10.7498/aps.61.217803
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通过高温裂解法制备了非晶SiOx:C颗粒, 该颗粒在空气中经不同温度进行煅烧.利用傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和荧光光谱仪对SiOx:C颗粒样品的结构、 形貌和光学性质进行了研究. 结果显示: 随着煅烧温度的升高, 样品的荧光光谱的峰位发生蓝移; 当煅烧温度为500 ℃时, 样品的荧光峰蓝移到417 nm处, 且强度最强; 而且该颗粒拥有红、绿、蓝三色的荧光效应; 但经高温(600 ℃和800 ℃) 煅烧后, 样品的荧光强度大大降低. 我们认为这种现象与样品被充分氧化后其中的氧缺陷减少有关.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (21): 218101.
doi:10.7498/aps.61.218101
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采用离子束溅射沉积的方法在Si衬底上生长Ge量子点, 观察到量子点的生长随Ge原子层沉积厚度θ的增加经历了两个不同的阶段. 当θ在6—10.5个单原子层(ML)范围内时, 量子点的平均底宽和平均高度随θ增加同时增大, 生长得到高宽比较小的圆顶形Ge量子点, 伴随着量子点的生长, 二维浸润层的厚度同时增大, 量子点的分布密度缓慢增加; 当θ在11.5—17 ML范围内时, 获得高宽比较大的圆顶形Ge量子点, 量子点以纵向生长为主导, 二维浸润层的离解促进量子点的成核和长大, 量子点的分布密度随θ的增加快速增大; 量子点在θ由10.5 ML增加到11.5 ML时由一个生长阶段转变到另一个生长阶段, 其分布密度同时发生6.4倍的增加. 离子束溅射沉积Ge量子点的生长演变与在热平衡状态下生长的量子点不同, 在量子点的不同生长阶段, 其表面形貌和分布密度的变化特点是在热力学条件限制下表面原子动态演变的结果, θ的变化是引起系统自由能改变的主要因素. 携带一定动能的溅射原子对生长表面的轰击促进表面原子的扩散迁移, 同时压制量子点的成核, 在浸润层中形成超应变状态, 因而, 改变体系的能量和表面原子的动力学行为, 对量子点的生长起重要作用.
2012, 61 (21): 218102.
doi:10.7498/aps.61.218102
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研究了喷射成形高温合金FGH4095在温度为1010—1140 ℃、 应变速率为0.001—10.0 s-1下的热变形行为, 并使用双曲正弦模型建立了喷射成形FGH4095的本构方程. 结果表明: 本构方程预测结果与实验值符合较好, 为喷射成形FGH4095热加工过程的数值模拟提供了较准确的模型.
2012, 61 (21): 218501.
doi:10.7498/aps.61.218501
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通过二维数值模拟, 深入分析了NMOSFET在不同漏极偏置、 不同栅长度和不同注入位置下的单粒子效应. 研究结果表明: 漏极偏置电压越高, 栅长度越短, 器件的单粒子瞬态电流越大, 收集电荷越多. 通过研究不同注入位置情况下的单粒子效应表明: 单粒子瞬态脉冲电流的大小和器件中该处对应的电场强度成比例变化. 研究结果为设计抗单粒子器件提供了重要指导.
2012, 61 (21): 218502.
doi:10.7498/aps.61.218502
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制备了用过渡金属氧化物V2O5修饰Al源、 漏电极的C60/Pentacene双层异质结有机场效应管. 该构型器件与未修饰器件相比, 呈现出典型的双极型晶体管传输特性. 电子迁移率和空穴迁移率分别达到8.6× 10-2 cm2/V·s-1和6.4× 10-2 cm2/V·s-1, 阈值电压分别为25 V和-25 V. 器件性能改善的原因主要是由于插入V2O5修饰层后, 可以明显降低Al电极与Pentacene之间的接触势垒, 提高空穴的有效注入, 从而使电子和空穴的注入接近平衡. 研究表明, 采用V2O5修饰电极方法, 是制备低成本、 高性能的双极型有机场效应管并实现其商业应用的有效途径.
2012, 61 (21): 218701.
doi:10.7498/aps.61.218701
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RecA是原核生物体内参与DNA同源识别过程的一种关键蛋白, 长期以来一直是同源重组相关课题的重要研究对象. 通过荧光显微示踪方法, 发现在同源识别过程中 RecA与单链DNA形成的核蛋白丝与模板DNA的结合是短时(τ=0.2 s)和短程(l=1.05 μm)的, 结合后搜寻模板DNA上的同源位点的过程可分为布朗运动和定向运动两种模式. 结合时核蛋白丝并不是缠绕在模板DNA上, 而是以一种更弱的方式结合在模板DNA外侧进行位点搜寻. 如果在该过程中没有找到同源位点, 核蛋白丝就会脱离模板DNA, 并寻找下一次与模板DNA结合的机会, 重复以上过程.
2012, 61 (21): 218702.
doi:10.7498/aps.61.218702
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无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像, 并能够原位、 定量分析是X射线成像技术发展方向之一. 最新发展起来的相干X射线衍射成像技术, 也称为无透镜成像技术, 为实现这一目标提供了可能. 本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程, 以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展, 例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像, GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像, 染色大肠杆菌的二维成像, 鱼骨的二维成像及矿化机理研究, 单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像, 未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析. 最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望. 随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合, 相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.
2012, 61 (21): 218703.
doi:10.7498/aps.61.218703
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激光距离多普勒成像技术在航天和国防应用领域受到极大的关注. 文章建立了锥柱复合目标的激光距离多普勒像分析模型, 包括底面的贡献. 该模型能分析锥柱复合目标的几何参量、表面粗糙度、姿态、 角速度和脉冲宽度等因素对激光距离多普勒像的影响, 并能退化到圆柱和圆锥的激光距离多普勒像分析模型, 也能退化到平面波下的多普勒谱分析模型. 分析了几何参量和姿态对距离多普勒像的影响. 计算结果表明, 锥柱复合目标距离多普勒像能体现出目标的几何形状和姿态信息. 理论和测量相结合, 该分析模型能用来进行圆柱、圆锥及锥柱复合目标物理和几何参量的识别, 其解析表达式对于多普勒速度计和激光雷达应用有着重要的意义.
2012, 61 (21): 218901.
doi:10.7498/aps.61.218901
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社团结构对复杂系统的结构特性和动力学特性有重要影响. 提出了一个度量社团相似度的模型, 称为簇相似度. 该模型能够度量两个社团的相似度大小, 为研究社团间的作用机制提供帮助. 而且基于该模型, 设计了一个社团划分算法. 算法采用层次聚类的思想, 每次合并两个相似度最大的社团, 并通过一个评价函数选择最优社团划分. 数值实验以及与CNM, GN, EigenMod等主流算法做比较, 表明本算法的精度和效率都比较高, 尤其对于边密度较高的网络, 性能非常理想.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (21): 219201.
doi:10.7498/aps.61.219201
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地表动量和热量输送对全球气候和大气环流变化具有重要影响, Monin-Obukhov (M-O)相似性函数是计算近地层动量和热量通量的重要手段, 获得准确的总体输送系数是提高大气模式模拟能力的关键环节. 本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层湍流通量观测资料, 对M-O相似性函数进行了修订, 拟合出了经验公式, 并建立了10 m高度水平风速与动量总体输送系数和感热总体输送系数的关系. 研究发现, 修订的M-O相似性函数计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比, 动量通量低估了10.8%, 感热通量高估了6.5%; Businger-Dyer通量廓线关系计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比, 动量通量低估了37.0%, 感热通量高估了16.1%. 近地层大气层结不稳定时, 动量总体输送系数与10 m高度水平风速满足关系CD=0.009U-0.322, 感热总体输送系数与10 m高度水平风速满足CH=0.184U-1.978; 近地层大气层结稳定时, 总体输送系数与10 m高度水平风速符合对数规律, 并随风速增大趋于中性或近中性. 修订的M-O相似性函数可显著提高平均梯度观测资料计算草原下垫面湍流通量的准确性; 总体输送系数与10 m高度水平风关系的建立, 为描述草原下垫面湍流输送特征提供了可靠的参数化方案.
2012, 61 (21): 219401.
doi:10.7498/aps.61.219401
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电离层对无线电通信、卫星导航有重要的影响, 因此对电离层电子总含量(total electron content, TEC)的预报研究十分重要, 而目前国际上的各种经验电离层预报模型的精度只有60%左右, 不能满足实际需求. 本文提出一种新的TEC预报模型: 利用经验正交函数对TEC数据进行时空分解, 利用遗传算法结合混沌预测的思想对时间场系数进行非线性时间序列预测, 从而达到对TEC数据预报的目的. 实验结果表明, 此方法可较好地对TEC数据进行不同时间尺度的预测, 提前1, 2, 4, 7 d的预报精度分别达到0.32, 0.48, 0.68, 0.94 TECU.
2012, 61 (21): 219402.
doi:10.7498/aps.61.219402
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磁层顶位置和形状的动态特征描绘是地球物理和空间物理研究的难点之一. 文章基于太阳风-磁层-电离层耦合的全球磁流体力学(MHD)数值模拟, 运用电流密度极大法确定磁层顶位形, 并具体研究两种典型太阳风动压(Dp)和几种不同行星际磁场的z分量(Bz)条件下, 地球赤道面上方磁层顶动态特征. 模拟结果显示, 磁层顶日下点高度r0主要由Dp控制. 随着Dp增加, 磁层顶被压缩, r0显著减小. 相同Dp条件下, 在Bz由南向(Bz0)逐渐减小, 并转为北向(Bz0)逐渐增大的过程中, r0缓慢增大. 不同条件下, 磁层顶张角变化较小, 反映了赤道面磁层顶结构的相似性. 与Shue98低纬磁层顶经验模型比较, MHD模拟能再现磁层顶日下点位置r0对Dp的响应, 而r0随Bz变化的饱和性仅出现在低速太阳风条件下. MHD模拟和经验模型的磁层顶张角差别小于2.5, 但模拟显示随Bz的变化趋势并非简单线性关系.
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2012, 61 (21): 219501.
doi:10.7498/aps.61.219501
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光变巡天是搜寻类星体的一个很有效的方法. 应用归一化结构函数对SDSS stripe 82中存在光变的1411个类星体和174个恒星进行分类, 选取幂函数模型拟合这些样本5个波段的结构函数. 综合幅值和幂指数两个物理量设置了合适的分类判据, 获得了比较理想的分类结果, 类星体和恒星最高分类正确率分别达到了92.2%和83.6%. 结果表明, 改正后的结构函数对类星体的证认有很好的效果, 能节约大型望远镜宝贵的观测时间, 让类星体巡天获得比较高的观测效率. 分析结论支持大部分类星体的光变缘于盘的不稳定性.