Vol. 62, No. 16 (2013)
2013年08月20日
总论
2013, 62 (16): 160201.
doi:10.7498/aps.62.160201
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研究完整系统Appell方程Mei对称性的共形不变性与守恒量. 引入无限小单参数变换群及其生成元向量, 定义完整系统动力学方程的Mei对称性和共形不变性, 给出该系统Mei对称性共形不变性的确定方程. 利用规范函数满足的结构方程导出系统相应的Mei守恒量. 举例说明结果的应用.
2013, 62 (16): 160202.
doi:10.7498/aps.62.160202
摘要 +
研究了一类具时滞的厄尔尼诺-南方涛动充电-放电振子模型. 给出了产生Hopf分岔的临界时滞条件, 利用Mawhin重合度理论,探讨了该模型的周期解问题.
2013, 62 (16): 160203.
doi:10.7498/aps.62.160203
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利用修正的CK直接方法得到了Broer-Kau-Kupershmidt (简写为BKK)方程组的对称、约化, 通过解约化方程得到了该方程组的一些精确解, 包括双曲函数解、 三角函数解、 有理函数解、 艾里函数解、 幂级数解和 孤立子解等.
2013, 62 (16): 160301.
doi:10.7498/aps.62.160301
摘要 +
电路量子电动力学的实验实现了光与人造原子的超强耦合相互作用, 相互作用强度与光场频率在同一个数量级.在超强耦合区域, 著名的旋波近似失效, 因此系统的动力学必须用含有反旋波项的Rabi模型描述.本文研究Rabi模型中的光场压缩.数值模拟结果发现, 光场压缩不是随耦合强度线性增加, 而是在合适的超强区域获得最大值.同时, 我们还发现, 较小的反旋波项有助于提高光场压缩.所得结果有利于实验上在超强区域中制备所需的压缩态.
2013, 62 (16): 160302.
doi:10.7498/aps.62.160302
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提出一种量子投票协议, 协议基于非对称量子通道受控量子局域幺正操作隐形传输(quantum operation teleportation, QOT). 由公正机构CA提供的零知识证明的量子身份认证, 保证选民身份认证的匿名性. 计票机构Bob制造高维Greenberger-Horne-Zeilinger 纠缠态建立一个高维量子通信信道. 选民对低维的量子选票进行局域幺正操作的量子投票, 是通过非对称基的测量和监票机构Charlie的辅助测量隐形传输的. Bob在Charlie帮助下可以通过幺正操作结果得到投票结果. 与其他一般的QOT量子投票协议相比, 该协议利用量子信息与传输的量子信道不同维, 使单粒子信息不能被窃取、防止伪造.选举过程由于有Charlie的监督, 使得投票公正和不可抵赖.由于量子局域幺正操作隐形传输的成功概率是1, 使量子投票的可靠性得以保证.
2013, 62 (16): 160303.
doi:10.7498/aps.62.160303
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在周期调制场下, 通过对双势阱中费米子数目及相互作用参数的调节, 研究了该系统中玻色子的自俘获现象. 研究发现, 系统中费米子数目及相互作用参数都会影响玻色子的自俘获现象, 并且随着 相互作用及粒子数目的变化, 玻色子的自俘获发生临界现象.
2013, 62 (16): 160401.
doi:10.7498/aps.62.160401
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讨论了荷电(磁)质点的量子力学波方程及其解. 由磁场中解的奇异性讨论了磁单极的存在; 由Rubakov-Callan模型推知中子星可能含有大量磁单极. 然后采用中子星的结构方程, 讨论了磁荷对中子星质量半径比的约束, 分别得到了磁荷对中子星质量半径比上限的影响 和磁荷对中子星质量半径比下限的影响的数学表达式.
2013, 62 (16): 160501.
doi:10.7498/aps.62.160501
摘要 +
通过对二次型Boost变换器开关状态的完整描述, 推导了两个电感电流边界, 建立了电流控制二次型Boost变换器的分段光滑迭代映射模型. 对比分析了以输入电感电流或储能电感电流作为电流反馈量的非线性分岔行为. 通过稳定性和工作模式分析, 得到了电流控制二次型Boost变换器从稳定的周期1工作状态到次谐波振荡状 态转移以及从电感电流不连续导电模式到连续导电模式转移的条件, 并采用参数空间映射图, 对二次型Boost变换器的工作状态域进行了估计. 设计了实验电路, 由实验结果证明了不同的参数变化有着不同的分岔路由, 存在工作模式转移现象, 电流控制二次型Boost 变换器呈现复杂的动力学行为, 实验结果验证了理论分析的正确性.
2013, 62 (16): 160502.
doi:10.7498/aps.62.160502
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在许多实际可激系统中局部不均匀是广泛存在的, 它们是螺旋波形成以及动力学行为改变的重要因素. 本文研究了可激性障碍对螺旋波动力学行为的影响. 研究表明, 在障碍区域内可激性参数大于区域外情况下障碍会对其附近的螺旋波波头有吸引作用, 多局部障碍共存时吸引行为不仅依赖障碍分布, 而且依赖障碍的大小以及区域内可激性参数的具体取值. 通过抑制变量小值区域的变化分析了这些行为发生的原因. 在障碍区域内可激性参数小于区域外情况下障碍对其近邻的螺旋波波头有排斥作用, 排斥后波头的运动依赖初始螺旋波是刚性旋转的还是漫游的. 多局部障碍共存时排斥作用对螺旋波动力学行为的改变依赖障碍的分布、大小与区域内可激性参数的具体取值以及初始螺旋波的类型.
2013, 62 (16): 160503.
doi:10.7498/aps.62.160503
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为实现在工况变化条件下对旋转机械的故障预测, 提出使用相空间曲变和平滑正交分解理论在变工况条件下跟踪旋转机械的故障演化过程. 首先在对目标系统的观测时间序列相空间重构的基础上, 通过量化相空间曲变构建信号损伤演化的跟踪函数, 为弥补累积模型误差和相空间点局部分布概率差异造成的误差, 将时间序列和相空间进行分割, 并以此构建跟踪矩阵; 再利用平滑正交分解方法将跟踪矩阵中分别由实际损伤劣化和工况变化造成的演化趋势进行分离, 根据平滑正交特征值提取出其中能够反映实际故障演化趋势的平滑正交分量; 最后以变转速情况下轴承外环故障退化的仿真信号为例验证算法的有效性. 计算结果表明: 本文提出的算法能够对旋转机械故障的演化趋势实现有效跟踪, 基本排除转速波动造成的工况变化影响.
核物理学
2013, 62 (16): 162801.
doi:10.7498/aps.62.162801
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极化中子照相技术通过分析极化中子束的自旋相移对样品磁场进行成像, 自旋极化/分析装置是照相系统的主要组成部分. 引入中子自旋极化/分析装置的极化效率参数, 从中子极化矢量与磁场相互作用机理出发, 重新推导探测中子强度与磁场分布的定量关系, 利用谱仪模拟软件VITESS, 选取bender型超镜极化器和 3He 自旋过滤器作为极化/分析装置, 对量化修正式进行验证, 并综合装置极化效率、单色器能量分辨精度和bender型极化器的几何结构等参数, 初步分析极化中子照相技术的磁场定量检测能力, 相关结果可为极化中子照相的实验数据处理技术研究及装置设计提供参考.
2013, 62 (16): 162901.
doi:10.7498/aps.62.162901
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采用金属有机化合物气相淀积法在(0001)取向的蓝宝石衬底上生长一层 大约20 nm厚的AlN缓冲层, 在缓冲层上生长大约2 μm厚、 晶体质量良好的AlxGa1-xN外延层, 通过深紫外光致发光法测量发光峰的能量Eg 判断外延层中铝含量的均匀性, 取样品均匀性良好的氮铝镓外延片进行卢瑟福背散射(RBS)实验, 通过两个高能离子束实验室分别进行RBS随机谱分析, 每个实验室测量六个样品, 由分析软件拟合随机谱获得外延层中的xAl. 并对样品的均匀性、堆积校准、计数统计、散射角、离子束能量与阻止截面 等影响测量结果准确性的不确定度来源进行分析. 结果表明, 采用入射离子4He, 能量为2000 keV, 散射角为165° 时, 氮铝镓外延片中铝含量(x=0.8) 的测量不确定度为2.0%, 包含扩展因子k=2.
2013, 62 (16): 162902.
doi:10.7498/aps.62.162902
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在实验室HPGe探测器测量分析氙气样品过程中需要用到相对方法进行分析, 然而由于放射性氙同位素半衰期较短, 制作相应的标准气体比较难, 给谱仪系统刻度带来困难.针对该问题, 提出使用混合面源模拟刻度四种氙同位素气体源的效率, 并提出将积分中值定理应用到面源刻度实验过程, 大大简化了中间流程, 提高了测量的准确性.利用氙分离纯化系统在高氡环境下采集样品, 获得了天然放射性133Xe气体γ谱, 通过计算得到其活度浓度. 积分中值位置处的混合面源刻度结果和气体源刻度结果一致, 说明本文提出的面源刻度技术及积分中值定理的思想在HPGe 探测器效率刻度测量分析中是有效可行的.
原子和分子物理学
2013, 62 (16): 163101.
doi:10.7498/aps.62.163101
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根据ab initio 计算构造的拟合势研究了He-HF, HCl, HBr三个系统的微分散射截面, 并与实验测量值比较. 结果表明: 该计算方法可以得到较为准确的相互作用势; 随着卤族原子半径的增大, 在0° 时, 相互作用势最小值变浅, 势阱位置向远处移动, 更多的是各向异性性质; 180°时, 相互作用势最小值变深, 势阱位置也同时向远处移动, 表现出更多的各向同性; 每个系统在T型结构下的势阱深度比线型结构下均要浅; 卤族原子半径变大, 反而表现出更多的球对称性, 并且从各向异性势的径向系数, 可以明显看出V1, V2, V3, ··· 相对于V0的贡献是在逐渐减小的, 这对理解激发态动力学的研究有着很重要的参考价值.
2013, 62 (16): 163102.
doi:10.7498/aps.62.163102
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利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对黑索金晶体的电子结构和光学性质进行了计算. 结果表明: 黑索金是能隙值为3.43 eV的绝缘体, 价带主要由C, N和O的2s与2p态构成, 而导带主要由N-2p和O-2p态构成; 静态介电函数ε1(0)=1.38, 介电常数的虚部有5个峰值, 其中最大峰值在光子能量4.59 eV处, 并对造成这些峰值的可能的电子跃迁做了详细分析. 利用能带结构和态密度分析了黑索金的光反射系数、吸收系数及能量损失函数等光学性质, 发现黑索金是对光吸收、反射及能量损失不敏感的材料.
2013, 62 (16): 163103.
doi:10.7498/aps.62.163103
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采用含Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用的方法和考虑相对论修正, 在价态范围内的最大相关一致基 aug-cc-pV6Z 的条件下, 对SF分子的基态2∏及几个低激发态4∑-, 2∑-, 2Δ进行了势能扫描计算. 对SF分子的势能曲线进行拟合, 得到了该分子的光谱常数Re, ωe, ωeχe, D0, De, Be和 αe, 通过比较发现它们与已有的实验结果较为一致. 利用SF分子的势能曲线, 通过求解双原子分子核运动的径向Schrödinger方程得到J=0 时SF分子所计算各电子态的多个振动态. 对于每一振动态, 分别计算了振动能级、惯性转动常数和离心畸变常数.
2013, 62 (16): 163301.
doi:10.7498/aps.62.163301
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基于量子力学理论和D2的零点振动能, 计算出了D2的低模式能量, 分析判断出了发生振转能量跃迁概率最大模式. 利用自主研制的低温平面冷冻靶系统和低温红外测量系统, 制备出了光滑、均匀、透光性好的平面固体氘膜, 测得了其红外吸收谱. 其中吸收明显的峰位主要由于Q1(0)+S0(0), Q1(0)+S0(1), Q1(0)+S0(0)+S0(1) 振动、转动模式构成.实验结果与理论计算结果一致.
2013, 62 (16): 163302.
doi:10.7498/aps.62.163302
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通过共振多光子电离-飞行时间法, 记录了氯化氢分子在84800-85700 cm-1范围内, F1Δ2 (v’=1) 里德堡态以及V1∑+ (v’=13, 14) 离子对态的电离产物H+, 35Cl+, H35Cl+ 及其同位素的光谱数据. 由于受离子对态V1∑+ 的作用, F1Δ2 (v’=1)态呈现出明显的近共振相互作用特性. 为了分析F1Δ2与V1∑+态之间存在的光谱微扰, 基于光解离电离通道的分析, 并针对F1Δ2 (v’=1)态离子信号比的变化, 将离子信号二能级作用模型优化到三能级的作用模型, 计算得到了微扰强度值为0.6 cm-1, 预解离系数γ为0.025. 此外, 对于F1Δ2 (v’=1) 与V1∑+ (v’=13, 14)态的三个振动能级的光谱峰位置, 采用光谱解微扰法拟合, 同样得到了类似的微扰强度和去微扰后的各光谱参数. 研究表明, 激发至F1Δ2 (v’=1)态得到的H+, Cl+ 离子主要是该态通过与离子对态耦合作用而产生, 而F1Δ2 (v’=1) 态光谱位置偏移不仅受离子对态而且还受其他里德堡态作用的影响. 同时, 非零γ 值证实了F1Δ2态预解离的存在.
2013, 62 (16): 163401.
doi:10.7498/aps.62.163401
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利用一级玻恩近似理论及Brauner-Briggs-Klar (BBK)理论计算了不同能量入射条件下, 电子单电离氢原子(e, 2e)反应中的二重微分散射截面, 把计算结果与实验数据及其他理论结果进行了比较, 对BBK模型和考虑动力学屏蔽的BBK模型在二重微分截面 中的非一阶效应进行了详细的分析和探讨.
2013, 62 (16): 163402.
doi:10.7498/aps.62.163402
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利用冲量近似理论和玻恩近似方法, 以氢原子(1s)为例, 在共面不对称几何条件下用多种模型分别计算了若干入射能、 散射角情形下电子碰撞电离(e, 2e) 反应的三重微分散射截面. 与其他的理论方法和实验数据进行了比较, 分析了曲线结构差异及原因, 对其适用范围进行了研究, 并探讨了交换效应的贡献, 验证了早期的研究.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (16): 164101.
doi:10.7498/aps.62.164101
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针对时域有限差分法处理跨介质元胞现有共形技术中存在误差大、平行方向未被包含等问题, 提出一种利用电场数值加权法来进行跨介质元胞共形计算的新算法. 该算法不再对介电常数ε做加权平均处理, 而是根据中值定理对时域有限差分法真正的求解分量电场强度进行权值选择, 并将权值乘入积分路径中. 该方法同时考虑了跨介质安培环路元胞与跨介质法拉第环路元胞对结果带来的不连续影响, 而且对介质界面与元胞中场分量的各种位置关系均能应用, 通用性强、精度高且易于实现. 利用介质填充圆波导作为数值模型来进行理论数值计算和仿真验证, 比较不同共形方法的二维TE模式的特征根与理论值的偏差以及由共形技术所带来的各向相异性. 数值结果表明, 本文所提出算法求得的特征根最接近理论值, 而且造成的各向相异性更小, 从而验证了该算法在处理跨介质元胞时的有效性.
2013, 62 (16): 164102.
doi:10.7498/aps.62.164102
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用T矩阵方法计算电磁散射问题时, 如果散射体的几何结构满足点群对称性, 即在群变换作用下保持不变, 可以利用群论找出散射体的几何对称性和T矩阵元的对称性之间的关系, 通过预知部分矩阵元的精确值以及 它们之间的关系来达到数值求解过程 中节约运行时间的目的.
2013, 62 (16): 164201.
doi:10.7498/aps.62.164201
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针对分层媒质目标反演问题, 提出了一种基于等效电流源的目标重建方法. 该方法首先利用散射数据重建辐射电流源, 然后将等效电流源的求解转化为最优化问题来处理, 通过共轭梯度方法搜索得到全局最优解, 进而实现对目标的反演, 该方法充分挖掘了散射数据所包含的信息, 缩小了解的搜索空间维度, 具有求解效率高的优点. 深入研究了频率、 采样间隔、 采样长度、 噪声水平以及背景估计对反演结果的影响, 并对上述结果做了理论分析. 仿真结果表明, 该方法能够较好地实现分层媒质目标的反演, 可以应用于穿墙成像、地质勘探等领域.
2013, 62 (16): 164202.
doi:10.7498/aps.62.164202
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理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为103, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来.
2013, 62 (16): 164203.
doi:10.7498/aps.62.164203
摘要 +
根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系.
2013, 62 (16): 164204.
doi:10.7498/aps.62.164204
摘要 +
提出了一种联合谱域与深度域光谱相位显微方法, 该方法利用谱域相位信息克服2π歧义, 并结合深度域相位信息, 以实现高动态范围、高灵敏度的相位检测. 首先通过理论推导和信号模拟, 进行了深度域相位和谱域相位的灵敏度比较, 证明了深度域相位在灵敏度上要高于谱域相位. 进而详细介绍了联合谱域与深度域光谱相位显微方法. 最后通过盖玻片和光学分辨率板实验验证了所提出的联合谱域 与深度域光谱相位显微方法能够在实现高动态测量范围的同时保持高相位灵敏度.
2013, 62 (16): 164205.
doi:10.7498/aps.62.164205
摘要 +
信号与闲置光子波长均为1550 nm 通信波段的全光纤关联光子对源, 具有低成本以及可与现有光纤网络低损耗连接的特点. 进一步优化其纯度, 将有助于提高这种量子光源的实用化程度.当抽运脉冲光在光纤中传输时, 由于色散和Kerr非线性效应的影响, 会不可避免地引入啁啾. 本文利用脉冲激光抽运零色散位移光纤, 研究了抽运光啁啾对关联光子对纯度的影响. 结果表明, 通信波段小失谐关联光子对的纯度随啁啾的增大而下降. 若采用变换极限的锁模激光为抽运源, 将有助于抑制Raman散射对自发四波混频的影响, 提高光子对的纯度.
2013, 62 (16): 164206.
doi:10.7498/aps.62.164206
摘要 +
利用锁模飞秒脉冲激光二次谐波为抽运源, 同步抽运单共振光学参量振荡器, 抽运光中心波长为425 nm, 重复率为76 MHz, 脉宽180 fs, 光学振荡器下转换晶体采用Ⅰ类共线PPKTP, 实验上实现了压缩度为2.58 dB的正交位相压缩光.考虑到实验系统的效率, 可以推知光学参量振荡器输出的下转换光压缩度为 4.48 dB.
2013, 62 (16): 164207.
doi:10.7498/aps.62.164207
摘要 +
提出了一个由两个弱探测场和两个强耦合场驱动的四能级双V型原子系统, 研究发现在四波混频共振条件下, 两探测场均可被放大而无须粒子数反转. 值得注意的是, 由于所选择的激发态为超精细结构的两个近能级, 这里必须考虑自发辐射相干效应的影响. 与不考虑自发辐射相干相比, 同样参数条件下探测场的增益得到大幅度提高.而且, 探测场增益对相位非常敏感, 即增益-吸收线型受相位周期性调制, 同时也受两个偶极矩之间夹角θ制约. 此外还分析了相干抽运场 (强耦合场)的失谐对增益谱线产生的影响.
编辑推荐
2013, 62 (16): 164208.
doi:10.7498/aps.62.164208
摘要 +
通过电子注入的方法制备了含氮空位色心单光子源的金刚石荧光纳米颗粒. 自旋回声测试结果表明, 纳米颗粒中氮空位色心的相干时间T2很短, 介于0.86 s至5.6 s之间. Ramsey干涉条纹测试结果表明, 氮空位色心NV1点的退相干时间T2* 最大, 为0.7 s, 其电子自旋共振谱可分辨的最小线宽为1.05 MHz. 并且NV1点的电子自旋共振谱可分辨氮空位色心本身的14N核自旋与 氮空位色心电子自旋之间的2.2 MHz超精细相互作用, 这对于在金刚石纳米颗粒中实现核自旋的操控和多个量子比特的门操作具有重要意义.
2013, 62 (16): 164209.
doi:10.7498/aps.62.164209
摘要 +
利用双光反馈垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs) 两个正交偏振模式输出的两个混沌信号作为混沌载波, 构建了一个双信道的混沌保密通信系统, 并对该系统的通信性能进行了数值仿真研究.研究结果表明: 通过合理的选取反馈参量, 双光反馈VCSELs两个偏振模式输出的混沌信号能很好地隐藏外腔反馈延时特性; 双光反馈VCSEL两个偏振模式输出的混沌信号通过偏振保持注入到接收VCSEL中, 在强注入锁定条件下可以实现很好的混沌同步, 同步性能对频率失谐的容忍性随着注入强度的增加而加强; 在附加混沌调制加密方式下, 500 Mbit/s的信号在传输过程中能够得到很好的隐藏, 同时在接收端可以成功解调; 随着通信速率的增加, Q因子呈现下降的趋势, 但对于 6 Gbit/s的信息, Q因子仍大于6.
2013, 62 (16): 164210.
doi:10.7498/aps.62.164210
摘要 +
利用Rytov方法结合ABCD传输矩阵理论, 推导了地-空-地双程湍流大气路径中单个角反射器回波在接收孔径平面上的强度协方差函数及闪烁指数公式. 根据角反射器阵列的各角反射器单元回波相位相互独立假设, 计算了接收孔径平面上的强度协方差函数、孔径平滑因子和闪烁指数, 比较分析了单个角反射器与角反射器阵列回波闪烁指数. 证明角反射器阵列不改变闪烁指数, 但大气湍流会引起光强起伏放大两倍的规律.
2013, 62 (16): 164211.
doi:10.7498/aps.62.164211
摘要 +
一些辐射学和光度学的测量是以高精度测量精密光阑面积为基础的, 因此高精度测量孔径光阑的面积有着至关重要的意义. 目前高精度测量孔径光阑面积主要有以下两类方法: 接触法与非接触法, 几何法与有效面积法.本文首先对各种方法进行简单介绍, 并对非接触法、 几何法和有效面积法进行重点阐述.最后通过对比不同方法的测量精度、 实现难易程度以及测量设备成本情况, 得出结论: 几何法和有效面积法是非常有前景的.然而要进一步提高孔径光阑面积的测量精度, 稳定的激光光源、精准的移动平台是必不可少的.
2013, 62 (16): 164212.
doi:10.7498/aps.62.164212
摘要 +
探讨了低压液晶透镜设计的规律. 由五种液晶材料的Δneff随驱动电压变化的规律可知: 如果液晶材料归一化Δneff控制在 95%以下, 驱动电压可控制在10 V以下; 在能满足透镜性能和制备工艺允许的前提下, 设计液晶透镜时选取的归一化Δneff越小, 获得的液晶透镜驱动电压越低. 该规律可为高性能液晶透镜的设计与制备提供指导.
2013, 62 (16): 164501.
doi:10.7498/aps.62.164501
摘要 +
基于非保守系统的El-Nabulsi动力学模型, 研究了非保守动力学系统Noether对称性的摄动与绝热不变量问题.首先, 引入El-Nabulsi在分数阶微积分框架下基于Riemann-Liouville分数阶积分提出的类分数阶变分问题, 列出非保守系统的Euler-Lagrange方程; 其次, 给出了Noether准对称变换的定义和判据, 建立了Noether对称性与不变量之间的关系, 得到了精确不变量; 最后, 提出并研究了该系统受小扰动作用后Noether对称性的摄动与绝热不变量问题, 证明了绝热不变量存在的条件及形式, 并举例证明结果的应用.
2013, 62 (16): 164502.
doi:10.7498/aps.62.164502
摘要 +
在颗粒流的研究中引入了一个正态分布的随机力场, 并通过计算机模拟研究了该力场对均匀颗粒流的影响. 结果发现: 随机力场基本上不改变均匀颗粒流的平均密度和速度, 对颗粒流密度的涨落也影响很小. 随机力场对均匀颗粒流的影响主要体现在它可提高速度的涨落, 它与颗粒体系的耗散性质相抗衡, 使颗粒流维持一定的波动能量. 研究结果还显示: 通过随机力场所获得的波动能量并没有均匀分布到各个自由度上, 由于颗粒体系的耗散性质颗粒体系难以达到能均分状态.
2013, 62 (16): 164503.
doi:10.7498/aps.62.164503
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对准二维、水平边界振动驱动的颗粒气体体系的流体力学 参量进行了局域态本构关系的实验研究. 实验观测结果与经典动力学理论预测进行了比较.由于颗粒气体空间分布的不均匀性, 颗粒体系的整体本构关系不成立, 有必要对局域态进行分析. 局域态本构关系是指颗粒系统的局域温度、局域压强和局域数密度之间的关系. 通过颗粒速度的方向变化, 可以得到颗粒的碰撞点. 因此在计算压力张量的对角线项时, 除了动力学部分之外, 我们计入了颗粒碰撞的影响, 得到了一个约为常数的压力张量迹, 即颗粒压强的空间分布, 与流体力学理论预测以及分子动力学模拟结果相符合; 但是颗粒温度和数密度的空间分布, 在振动的正反两个方向的分量出现差异, 并且温度、压强和数密度之间的局域本构关系, 无论在低密度或高密度区域, 实验与理论预测在定性上一致, 但定量上都有较大差别. 因此经典流体力学理论在描述这样的体系时需加以修正.
2013, 62 (16): 164601.
doi:10.7498/aps.62.164601
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微细观结构对材料动态损伤、破坏的影响是目前国内外力学领域的研究热点之一. 基于相关文献的实验结果, 通过理论分析, 给出了一个新的反映晶粒尺度效应的孔洞成核模型, 并将其耦合到延性金属材料层裂损伤模型中. 采用数值方法分析了晶粒尺度对高纯铜材料层裂损伤演化过程的影响. 计算结果显示: 随着材料平均晶粒尺度的增加, 自由面速度回跳点降低, 回跳后速度曲线的斜率增加; 损伤材料内部的孔洞数减少、平均孔洞尺寸增大.计算结果与相关文献所报道的实验 分析结果定性上符合较好. 该结果对于层裂损伤的深入研究具有一定的启发性.
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2013, 62 (16): 164701.
doi:10.7498/aps.62.164701
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制备了二氧化钛前驱体粉体, 它具有优良的巨电流变效应, 但不含一水草酸钙的成分. 通过X射线衍射谱、扫描电子显微镜、电感耦合等离子体光谱仪和热失重-质谱联用仪等一系列实验手段, 对二氧化钛前驱体粉体进行了表征, 发现它是非晶形态的纳米粉体, 其主要成分为TiOC2O42H2O和TiO(OH)2. 由二氧化钛前驱体配置的电流变液具有与钛酸钙前驱体电流变液类似的温度特征, 即 当处理温度超过160℃后, 电流变液的屈服强度会逐渐降低, 至200℃后, 巨电流变效应完全消失. 通过对比分析发现, 伴随上述巨电流变效应消失过程的化学反应是TiOC2O42H2O 在加热过程中失去了结晶水. 这些特征在所有钛酸盐系列的电流变液中均可观察到, 因此我们推断TiOC2O42H2O是钛酸盐系列巨电流变液中的关键物质.
2013, 62 (16): 164702.
doi:10.7498/aps.62.164702
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针对含硼推进剂固体火箭冲压发动机内单颗粒硼的着火过程展开了系统研究. 考虑硼颗粒周围气相流动以及硼颗粒与周围环境间的传热传质过程, 建立了考虑Stefan流作用的一维硼颗粒着火模型, 研究了硼颗粒实现着火和未能实现着火两种典型情形下硼颗粒及周围气相的参数变化规律, 对两种情形下Stefan流的变化规律及其成因展开了详细分析. 研究表明, 在硼颗粒实现着火的过程中, 液态B2O3的蒸发及硼的 氧化均能在硼颗粒的反应自加热作用下急剧加速, 硼颗粒表面附近的氧气和气相B2O3分布变化剧烈; 在未能实现着火的过程中, 液态B2O3的蒸发和氧气消耗的质量流率相对较小, 并逐渐趋于稳定, 硼颗粒表面附近的氧气和气相B2O3分布相对变化很小.在两种典型情形下, 硼颗粒外表面的Stefan流都会经历先由周围空间流向颗粒表面, 而后变为由颗粒表面流向周围空间的过程.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (16): 165201.
doi:10.7498/aps.62.165201
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研究了超短超强激光与不同厚度薄膜Al靶相互作用中靶背法线方向碳离子的最初来源. 通过对比分析碰撞电离率和场致电离率所起的作用, 发现C4+ 及更低价态的碳离子主要由场致电离产生, 而高价态的C5+和C6+ 离子主要来自于超热电子与靶表面的碰撞电离.
2013, 62 (16): 165202.
doi:10.7498/aps.62.165202
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脉冲激光束在低真空(约2 Pa)环境下聚焦到高纯Zn靶表面, 烧蚀区域不仅有中心深孔的宏观损伤, 而且还发现大量微米量级的类似足球形状的金属Zn球体结构附着生长在孔洞内侧表面. 实验过程中采用等离子体光谱诊断技术研究宏观和微观损伤对后续脉冲激光的影响程度. 与聚焦于金属Zn平滑表面相比, 宏观损伤可以使后续激光诱导的Zn原子334.5 nm谱线强度提高10.3%, 在此基础上大量Zn微米球体附着在内表面可以使谱线强度再提高34.3%. 因此, 推断这些金属Zn微球表面镶嵌着光洁的纳米量级六边形和五边形小平面, 可以对后续脉冲激光产生镜面反射, 使得激光能量汇聚并耦合增强, 提高烧蚀效率. 实验结果还表明, 这些微米球体的数目随着激光脉冲次数的增加而增多, 使得后续激光能够诱导产生更为致密高温的等离子体. 研究结果有望为激光-金属微孔技术提供新思路.
2013, 62 (16): 165203.
doi:10.7498/aps.62.165203
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通过分子动力学模拟了入射能量对H原子与晶Si表面相互作用的影响. 通过模拟数据与实验数据的比较, 得到H原子吸附率随入射量的增加 呈先增加后趋于平衡的趋势. 沉积的H原子在Si表面形成一层氢化非晶硅薄膜, 刻蚀产物(H2, SiH2, SiH3和SiH4)对H原子吸附率趋于平衡有重要影响, 并且也决定了样品的表面粗糙度. 当入射能量为1 eV时, 样品表面粗糙度最小. 随着入射能量的增加, 氢化非晶硅薄膜中各成分(SiH, SiH2, SiH3)的量以及分布均有所变化.
2013, 62 (16): 165204.
doi:10.7498/aps.62.165204
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对高气压(约100 Torr) 直流辉光碳氢等离子体的气相过程进行了光谱和质谱原位诊断. 在高气压下, 等离子体不同区域光发射特性存在明显差异. 正柱区存在着以C2和CH为主的多个带状谱和分立谱线, 阳极区粒子发射谱线明显减少, 而在阴极区则出现大量复杂的光谱成分, 表明高气压情形下等离子体与阴极间强烈的相互作用将导致复杂的原子分子过程. 从低气压到高气压演变过程中, 电子激发温度降低而气体分子转动温度升高. 在高气压下, 高甲烷浓度导致C2, C2H2及C2H4增多而C2H6减少. 表明在高气压条件下, 气体温度对气相过程的影响作用显著增强.
2013, 62 (16): 165205.
doi:10.7498/aps.62.165205
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利用三电极介质阻挡放电装置, 在主放电区产生了较大体积的大气压空气均匀放电. 利用光学与电学方法, 对主放电特性进行了研究, 发现随驱动功率的不同, 主放电存在等离子体羽和等离子体柱两种模式, 等离子体羽的击穿电压随外加电压峰值的增加而减小. 利用光电倍增管对两种放电模式进行了空间分辨测量, 发现等离子体羽是以发光光层的形式传播, 而等离子体柱是连续放电. 通过采集两种放电的发射光谱, 对其振动温度和转动温度进行了测量. 发现两种放电模式的振转温度均随着Up的增大而降低.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (16): 166101.
doi:10.7498/aps.62.166101
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采用量子 Sutton-Chen多体势, 对熔体初始温度热历史条件对液态金属Ni快速凝固过程中微观结构演变的影响进行了分子动力学模拟研究. 采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法、原子团类型指数法和三维可视化等分析方法对凝固过程中微观结构的演变进行了分析. 结果表明: 熔体初始温度对凝固微结构有显著影响, 但在液态和过冷态时的影响并不明显, 只有在结晶转变温度Tc附近才开始充分显现出来. 体系在11012 K/s的冷速下, 最终均形成以1421和1422键型或面心立方(12 0 0 0 12 0)与六角密集(12 0 0 0 6 6) 基本原子团为主的晶态结构. 末态时, 不同初始温度体系中的主要键型和团簇的数目有很大的变化范围, 且与熔体初始温度的高低呈非线性变化关系. 然而, 体系能量随初始温度呈线性变化关系, 初始温度越高, 末态能量越低, 其晶化程度越高. 通过三维可视化分析进一步发现, 在初始温度较高的体系中, 同类团簇结构的原子出现明显的分层聚集现象, 随着初始温度的下降, 这种分层现象将被弥散开去. 可视化分析将更有助于对凝固过程中微观结构演变进行更为深入的研究.
2013, 62 (16): 166102.
doi:10.7498/aps.62.166102
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采用第一性原理计算方法研究金刚石中由空位或者N掺杂引起的磁特性. 发现-1价和-2 价的碳空位能分别产生3 B和2B的磁矩; -2价的碳空位能够引发长程有序的铁磁耦合状态, 而-1价的碳空位更倾向于反铁磁耦合.掺杂N元素能有效地控制空位的荷电状态及相应的磁相互作用, 这一结果为在金刚石中实现非过渡族金属掺杂的铁磁性提供了一条新的路径.
2013, 62 (16): 166801.
doi:10.7498/aps.62.166801
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在核聚变堆的辐照环境中, 核嬗变产物氢、氦对结构材料的抗辐照性能将产生很大的影响. 本实验采用离子注入和电子辐照模拟研究了氦和氘对具有体心立方结构的纯铁的影响. 采用离子加速器在室温分别对纯铁注入氦离子和氘离子, 经500℃时效1 h后在高压电镜下进行电子辐照.结果表明: 室温注氦和室温注氘的纯铁在500℃时效后分别形成间隙型位错环和空位型位错环. 在电子辐照下, 间隙型位错环吸收间隙原子而不断长大, 而空位型位错环吸收间隙原子不断缩小. 通过计算位错环的变化速率发现, 空位型位错环比间隙型位错环吸收了更多的间隙原子, 即室温注氘纯铁的位错偏压比室温注氦纯铁的偏压参量大, 这意味着相同实验条件下空位型位错环对辐照肿胀的贡献大于间隙型位错环对辐照肿胀的贡献. 利用氦-空位复合体和氘-空位复合体的结构, 分析了注氦和注氘后在纯铁中形成不同类型位错环的原因.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (16): 167201.
doi:10.7498/aps.62.167201
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采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了 纯的和不同高氧空位浓度金红石型TiO2-x (x=0, 0.083, 0.125, 0.167, 0.25)超胞的能带结构分布、态密度分布.同时, 采用局域密度近似+U方法调准了带隙.结果表明, 高氧空位浓度越高, 金红石型TiO2的最小带隙越变窄、电子有效质量越减小, 自由电子浓度越高, 电子迁移率越低、电导率越低.计算结果与实验结果的变化趋势相符合.
2013, 62 (16): 167202.
doi:10.7498/aps.62.167202
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基于扩展的Su-Schrieffer-Heeger紧束缚模型, 利用非绝热动力学方法研究了链内无序效应对共轭聚合物中极化子输运机制的影响. 研究发现, 极化子的输运由外加电场和链内无序效应共同作用的结果所决定. 在一般情况下, 链内无序效应不利于极化子的输运, 但随着电场强度的增大, 无序对极化子输运的影响减小.
2013, 62 (16): 167301.
doi:10.7498/aps.62.167301
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表面等离子体可以将光子局域在金属表面附近, 并形成很强的近场能量密度, 可以大大提高金属表面附近分子的发光效率和光电转换吸收材料的利用率, 从而提高发光器件和光电转换器件的效率. 本文研究了在一维周期性金属-介质混合结构的光栅中表面等离子体激元的耦合条件, 给出了耦合效率随着结构和填充因子的变化, 并证明了在光栅的填充因子较高以至光栅的金属间隔较小时, 光子耦合成为表面等离子体的效率较高, 可以达到94%以上.
2013, 62 (16): 167302.
doi:10.7498/aps.62.167302
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金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案.
2013, 62 (16): 167303.
doi:10.7498/aps.62.167303
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作为一种特殊的金属表面态, 光学Tamm态 (OTS) 对光的控制和操作具有独到优势, 在新一代光子器件设计中备受青睐. 本文基于分布式Bragg反射镜(DBR)-金属-DBR(DMD)结构, 通过金属两侧 DBR中心频率的失配引入不对称机制, 设计和控制可见光区域OTS的产生; 通过分析反射谱及电场分布特性, 揭示了金属两侧OTS的相互作用及变化规律. 结果表明: DMD结构可支持两个不同本征波长OTS 存在, 失配量将影响两个OTS的强度及本征波长, 即随着变化OTS 出现上下两个分支; 同时, 入射光的偏振态、入射角等也对OTS的强度及本征波长具有明显影响.
2013, 62 (16): 167304.
doi:10.7498/aps.62.167304
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金属与Ge材料接触时界面处存在着强烈的费米钉扎效应, 尤其与n型Ge形成的欧姆接触的比接触电阻率高, 是制约Si基Ge器件性能的关键因素之一. 本文对比了分别采用金属Al和Ni 与Si衬底上外延生长的p型Ge和n型Ge材料的接触特性. 发现在相同的较高掺杂条件下, NiGe与n型Ge可形成良好的欧姆接触, 其比接触电阻率 较 Al接触降低了一个数量级, 掺P浓度为21019 cm-3时达到1.4310-5 cm2. NiGe与p型Ge接触和Al接触的比接触电阻率相当, 掺B浓度为4.21018 cm-3时达到1.6810-5 cm2. NiGe与n型Ge接触和Al电极相比较, 在形成NiGe过程中, P杂质在界面处的偏析是其接触电阻率降低的主要原因. 采用NiGe作为Ge的接触电极在目前是合适的选择.
2013, 62 (16): 167305.
doi:10.7498/aps.62.167305
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通过对功率金属氧化物半导体场效应晶体管在静态应力下的负偏置温度不稳定性的实验研究, 发现器件参数的退化随时间的关系遵循反应扩散模型所描述的幂函数关系, 并且在不同栅压应力下, 实验结果中均可观察到平台阶段的出现. 基于反应扩散理论的模型进行了仿真研究, 通过仿真结果分析和验证了此平台阶段对应于反应平衡阶段, 并且解释了栅压应力导致平台阶段持续时间不同的原因.
2013, 62 (16): 167306.
doi:10.7498/aps.62.167306
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将谐振型频率选择表面负载阻抗分离可形成基于耦合机制的互补频率选择表面(CFSS). 控制容性表面单元的旋转角, 可调节CFSS谐振频点. 以Y形单元为例, 利用耦合积分方程法计算了CFSS的频响特性, 并通过自由空间法测试250 mm250 mm样件. 计算与测试结果表明: 随着 角变化, CFSS能够实现主动变频功能, 为主动FSS设计提供借鉴.
2013, 62 (16): 167307.
doi:10.7498/aps.62.167307
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为了实现双通带频率选择表面(FSS)在较厚介质基底、 较大频带间隔和入射角度下的工程应用, 设计制备了一种性能优良的Ku/Ka波段双频FSS结构. 利用FSS栅瓣图分析了FSS具有稳定滤波特性的条件. 应用矢量模式匹配法计算了基于分形技术和复合图形技术的FSS的传输特性. 根据单元谐振模式和FSS传输特性归纳了厚介质基底、较远双通带FSS的设计原则, 最终优化出一种由方环复合Y环单元组成的FSS结构. 结果表明: 该结构在6.7 mm厚介质基底上0-45扫描范围内, 在Ku/Ka波段具有稳定的双频传输特性, 透过率均优于75%. 这为设计基底厚度较大、频带间隔较远、入射角度要求较高的双带FSS结构提供了理论参考与实验依据.
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2013, 62 (16): 167401.
doi:10.7498/aps.62.167401
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拓扑绝缘体的出现为寻找拓扑超导体和Majorana费米子提供了一种可能的途径. 在拓扑绝缘体Bi2Te3表面沉积极薄的不连续铅膜, 试图通过邻近效应感应出大片的超导区, 为下一步研究拓扑超导电性创造条件.借助四引线电输运测量实验, 在0.25 K的低温下看到了超流现象, 表明沉积在Bi2Te3表面的厚度小于20 nm的颗粒化铅膜能够诱导邻近效应, 并且使大片Bi2Te3超导.
2013, 62 (16): 167501.
doi:10.7498/aps.62.167501
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研究了Mn42Al50-xFe8+x合金的结构、磁性和磁热效应. 通过成分调节, 居里温度TC在室温附近一宽温区连续可调, 分别为270 K (Mn42Al42Fe16), 341 K (Mn42Al40Fe18)和370 K(Mn42Al38Fe20). 磁化强度在相变温度处发生一陡降, 热磁曲线和等温磁化曲线均未观察到热和磁的滞后, 表明发生一可逆的二级相变. 在各自居里温度附近, 0-5 T的外磁场变化下磁熵变峰值分别为2.48, 2.52和2.40 Jkg-1K-1. Mn50-xAl50-yFex+y合金的磁熵变峰值虽然与许多优良的磁制冷材料相比并不大, 但是制备该化合物的原材料价格非常低廉, 制备工艺简单, 加工成型也较容易, 化合物本身耐腐蚀性、延展性较好, 且在居里温度附近发生的是可逆的二级相变, 无晶格或结构的变化, 有利于制冷剂的多次循环使用.
2013, 62 (16): 167502.
doi:10.7498/aps.62.167502
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尖晶石型钴铁氧体(CoFe2O4)因具有良好的电磁性质, 广泛应用于计算机技术、航空航天及医学生物等领域. 特别是钴铁氧体薄膜在磁电复合材料中具有良好的应用前景. 本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似, 通过采用更接近于实验上外延生长的二维应变模型, 研究了钴铁氧体薄膜的结构稳定性、电子结构和磁性能. 结果表明: 在二维应变作用下, 反尖晶石结构的钴铁氧体比正尖晶石结构的稳定, 但是与平衡基态相比, 两者能量差减小, 这表明在应变作用下, 八面体晶格中的Co2+离子与四面体晶格中的Fe3+离子更容易进行位置交换, 形成混合型结构的钴铁氧体; 同时随着应变的增大, 钴铁氧体的能带带隙减小, 晶格中的原子磁矩发生变化, 但总磁矩变化不明显.
2013, 62 (16): 167503.
doi:10.7498/aps.62.167503
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采用Monte-Carlo方法研究了高斯型非均匀应力对的铁磁薄膜磁化性质的影响.结果表明: 与易轴平行的拉应力和与易轴垂直的压应力能够增大系统的矫顽场, 而与易轴平行的压应力和与易轴垂直的拉应力则会减小系统的矫顽场.在矫顽场增大(减小)的同时, 系统还伴随着剩磁及其矩形度的增大(减小).更有意义的是, 在与易轴平行的压应力或与易轴垂直的拉应力作用下, 在应力的集中区域会出现易轴旋转的现象. 这种产生易轴旋转的应力集中区域的范围强烈地依赖于应力的强度和分布宽度.
2013, 62 (16): 167701.
doi:10.7498/aps.62.167701
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采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在AgZn和NO所形成的众多受主复合体中, AgZn-NO受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, AgZn-NO受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, AgZn-NO受主对容易与Ni形成AgZn-(N2)m O施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, Hi易与AgZn-NO受主对形成 受主-施主-受主复合结构(AgZn-Hi-NO), 此复合体的形成不仅提高了AgZn-NO受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段.
2013, 62 (16): 167702.
doi:10.7498/aps.62.167702
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以多孔聚丙烯(PP)膜为原材料, 通过压缩气体膨化工艺和电晕极化方法成功制备出PP压电驻极体膜, 并研究了该功能膜的压电和声学性能. 结果表明PP压电驻极体膜厚度方向和横向的杨氏模量分别为1.4和480 MPa, 因此压电系数d33比d31和d32高2个量级以上, d33是该类压电膜压电效应的主要性能指标, 而 d31和d32可以忽略不计. PP压电驻极体膜的准静态压电系数d33在15-35 kPa的压强范围内具有良好的线性度. 在2-300 Hz的测试频率范围内, 300 Hz 下的d33是2 Hz下的81%, 这主要是由PP膜的杨氏模量随频率增大而增强引起的. 在100 Hz-100 kHz 的音频和超声波频率范围内, PP压电驻极体膜具有平坦的频响曲线; 在1 kHz下其开路电压灵敏度和压电系数d33分别为0.85 mV/Pa和164 pC/N.
2013, 62 (16): 167801.
doi:10.7498/aps.62.167801
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利用时域有限差分方法, 研究硅薄膜上下表面周期半圆凹槽结构对于太阳光吸收的增强效应. 研究发现这种结构可以实现太阳光宽波段的光吸收增强, 通过调节SiO2表面减反层厚度和凹槽半径长度来实现薄膜太阳能电池最大的光吸收, 并实现了波长在300-1000 nm范围的太阳光吸收总能量比没有这种 结构下硅薄膜光吸收提高了约117%.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (16): 168101.
doi:10.7498/aps.62.168101
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研究了单晶硅片中维氏压痕诱生的位错在不同气氛下高温快速热处理中的滑移行为.研究表明: 在快速热处理时, 位错在压痕残余应力的弛豫过程中能发生快速滑移; 当快速热处理温度高于1100℃时, 在氮气氛下处理的硅片比在氩气氛下处理的硅片有更小的位错滑移距离. 我们认为这是由于氮气氛下的高温快速热处理在压痕处注入的氮原子钉扎了位错, 增加了位错的临界滑移应力, 从而在相当程度上抑制了位错的滑移. 可以推断氮气氛下的高温快速热处理注入的氮原子增强了硅片的机械强度.
2013, 62 (16): 168102.
doi:10.7498/aps.62.168102
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硅表面固有的菲涅耳反射, 使得硅基半导体光电器件(如太阳能电池、红外探测器)表面有30%以上的入射光因反射而损失掉, 严重影响着器件的光电转换效率. 寻找一种方法降低硅基表面的反射率, 进而提高器件的效率成为近年来研究的重点.本文基于纳米压印光刻技术, 在2 英寸单晶硅表面制备出周期530 nm, 高240 nm的二维六角截顶抛面纳米柱阵列结构. 反射率的测试表明, 当入射光角度为8° 时, 有纳米结构的硅片相对于无纳米 结构的硅片来讲, 在400到2500 nm波长范围内的反射率有很明显的降低, 其中, 800到2000 nm波段的反射率都小于10%, 在波长1360 nm附近的反射率由31%降低为零. 结合等效介质理论和严格耦合波理论对结果进行了分析和验证.
2013, 62 (16): 168103.
doi:10.7498/aps.62.168103
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通过光发射光谱监测高速沉积微晶硅薄膜过程中I(Hα*)/I(SiH*) 随沉积时间的变化趋势, 分析高速率微晶硅薄膜纵向晶化率逐渐增大的原因. 通过氢稀释梯度法, 即硅烷浓度梯度和氢气流量梯度法来改善材料的纵向均匀性.结果表明: 硅烷浓度梯度法获得的材料晶化率从沉积300 s时的53%增加到沉积600 s时的62%, 相比于传统方式下纵向晶化率从55%到75%的变化有了明显的改善. 在硅烷耗尽的情况下, 增加氢气流量一方面增加了气体总流量, 使得电子碰撞概率增加, 电子温度降低, 从而降低氢气的分解, 抑制SiHx基团的放氢反应, 同时背扩散现象也得到了一定的缓解, 使得I(Hα*)/I(SiH*) 在沉积过程中逐渐增加的趋势有所抑制, 所制备的材料的纵向晶化率在240 s 后维持在53%-60%范围内, 同样改善了薄膜的纵向结构.
2013, 62 (16): 168401.
doi:10.7498/aps.62.168401
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为得出Buck变换器的输出本质安全判据, 基于安全火花试验装置, 对其输出短路火花放电特性进行了试验研究, 发现其放电过程可分为介质击穿、火花产生、火花维持和火花熄灭四个阶段.基于得出的火花放电特性, 对其输出短路火花放电能量进行了深入分析, 指出对于给定电感的Buck变换器, 当负载电阻 RL小于给定电感对应的临界电阻RLC时, 火花放电能量是关于RL的凹函数; 而在RL > RLC时, 是关于RL的凸函数.考虑到实际的参数取值范围, 进一步指出: RL RLC时的火花放电能量随RL的增加而增大, 且在RL=RLC时达到最大值; 而在RL > RLC时, 则随着RL的增加, 先增大后减小, 在增加到特征电阻RL, DCM时达到最大值. 得出了变换器在全动态范围内的最危险工况: 变换器在输入电压最高及负载电阻等于RL, DCM 时工作于DCM, 此时, 短路火花放电能量达到最大值.基于能量等效, 提出了可模拟变换器输出短路放电特性的等效简单电容电路及输出本质安全判据, 仿真和试验结果验证了理论分析及所提出判据的正确性和可行性.
2013, 62 (16): 168402.
doi:10.7498/aps.62.168402
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提出了基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计方法, 以全电磁粒子模拟软件UNIPIC模拟的高功率微波器件输出功率作为适应度函数, 采用浮点数编码的遗传算法对高功率微波源器件进行优化. 采用该算法, 对相对论返波管的布拉格反射器位置以及高度进行了浮点数编码,然后在巨型机上进行参数的全局优化, 获得了该返波管布拉格反射器的全局最优参数.
2013, 62 (16): 168701.
doi:10.7498/aps.62.168701
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为了提高小波分析在心音信号处理中的性能, 在分析小波构造理论的基础上, 构造了一种专门用于心音信号处理的小波基. 首先提出一种构造滤波器长度为偶数的紧支撑双正交小波的一般方法; 然后根据心音信号的特点, 讨论心音小波的构造原则和一种基于心音 小波族的心音信号合成模型, 并且在此基础上构造出心音小 波. 为了突出使用心音小波处理心音信号的先进性和实用性, 对心音小波进行了比较全面的理论和数值仿真分析. 实验结果表明, 相比常用的db, bior系列小波, 运用心音小波对心音信号进行处理, 能够获得更好的去噪效果、 更精确的心音分类信息以及更小的重构误差率, 为心音特征提取和身份识别的深入研究提供了一种新方法, 在表征心音个体特征的细节方面具有积极的意义. 本文根据应用对象设计专用小波的方法也为工程应用中小波基的选择提供了一种新途径.
2013, 62 (16): 168702.
doi:10.7498/aps.62.168702
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全覆盖圆轨迹扫描的成像视野受探测器宽度限制, 对于大物体的成像效率较低.半覆盖扫描可以将成像视野扩展近1倍, 图像重建首推使用反投影滤波型算法. 反投影滤波型算法按PI线重建, 各PI线积分区间的不一致性导致通信和计算消耗大, 影响重建效率. 针对半覆盖成像中扁平形状物体的重建问题, 提出了一种改进的反投影滤波型算法, 且证明了当扁平物体的厚度小于2Rsin(2π/Np) (R为扫描半径, Np 为圆扫描一周均匀采集的投影数量)时, PI线积分区间的不一致性在数值计算过程中的误差是可以忽略的. 改进后的算法相比原半覆盖反投影滤波算法具有两个明显的优势: 一是数值计算过程中角度循环移至PI线循环之外, 算法的通信需求显著降低; 二是投影数据求导、反投影和沿PI线滤波三个步骤均能够并行计算, 算法的并行性得到增强.数值仿真与实际数据的实验结果表明, 本文算法与原半覆盖反投影滤波算法的重建精度相当, 但计算效率提高了4.6倍.
2013, 62 (16): 168703.
doi:10.7498/aps.62.168703
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传统磁镊的测量精度受限于磁球的布朗涨落, 当磁力小于约10 pN时, 磁球的布朗涨落明显增大, 对应磁镊的空间分辨率显著下降. 为了提高传统磁镊在小力条件下的测量精度, 本文将全内反射荧光技术引入到磁镊技术中, 并建立相适应的磁球-手柄-荧光微球-待测生物分子单分子连接系统, 在小力条件下(小于10 pN)获得纳米量级的测量精度. 应用改进的磁镊对DNA发卡的折叠-去折叠态的转变过程进行了研究, 依据DNA发卡的折叠-去折叠态转变的性质对全内反射场的穿透深度进行了校正, 并结合实验结果对改进后的磁镊的测量精度进行分析. 观察了Bloom解旋酶的解旋动力学过程, 获得初步实验结果, 证实了改进的磁镊在单分子研究中的实用性.
2013, 62 (16): 168801.
doi:10.7498/aps.62.168801
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采用数学模拟方法分析了不同背接触势垒高度(φb) 对于CdS/CdTe薄膜电池的J-V(电流密度-电压)方程的影响, 得出了势垒高度与roll-over的变化对应关系. 采用相应Cu/Mo背电极的CdS/CdTe薄膜电池在220-300 K的变温J-V曲线的数值分析与理论分析相对照, 分析了背势垒对于J-V曲线拟合参数的影响. 修正了φb 与反向饱和电流(Jb0)关系式, 理论与实验符合得非常好.
2013, 62 (16): 168802.
doi:10.7498/aps.62.168802
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通过调节单层SiNx:H减反射膜的厚度制备各种颜色的多晶硅太阳电池. 测试了太阳电池片和组件的光学和电学性能, 用PC1D软件对其性能进行模拟. 通过分析得到以下结论: 1)当减反射膜的厚度小于50 nm时, 影响彩色组件和电池片功率变化的主要因素是开路电压(Voc)和短路电流(Isc), 当减反射膜的膜厚度大于50 nm时, 随着减反射膜钝化作用的稳定, 影响彩色组件和电池片功率变化的主要因素是Isc; 2)大多数彩色电池片的效率比传统蓝色电池片的效率低, 但是在封装之后, 彩色电池组件可以有不同程度的增益, 主要原因是减反射膜与乙烯-醋酸乙烯共聚物和玻璃匹配性较好.
2013, 62 (16): 168901.
doi:10.7498/aps.62.168901
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车辆的横向偏移现象在现实的交通流中广泛存在, 交通瓶颈处的横向偏移现象往往更加显著. 车辆间横纵向的运动相互干扰, 使得瓶颈交通流组织十分混乱, 通行能力受到显著影响. 为了研究瓶颈处车辆横纵向行为规律及其对交通流的影响, 提出一个考虑横向偏移特征的车辆行为模型: 通过引入目标转向角概念,并结合经典优化速度模型, 给出了用于描述车辆的横纵向运动规律的运动方程, 同时通过分析车辆横向偏移特征, 制定了基于车辆行驶状态划分的目标转向角确定规则集. 数值模拟结果表明: 车辆的横向偏移会对交通流的运行产生影响, 在一定的横向偏移反应阈值下, 瓶颈处横向干扰于交通流的影响随着密度的增加而增加; 同时观察到了实际城市交通瓶颈的宏观及微观现象, 验证了模型的有效性.
2013, 62 (16): 168902.
doi:10.7498/aps.62.168902
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导师-学生关系是科研合作网络中重要的关系类型之一, 准确识别此类关系对促进科研交流与合作、评审回避等有重要意义. 以论文合作网络为基础, 依据学生发表论文时通常与导师共同署名的现象, 抽象出能够反映导师-学生合作关系的特征, 提出了基于最大熵模型的导师-学生关系识别算法. 利用DBLP中1990-2011年的论文数据进行实例验证, 结果显示: 1)关系类型识别结果的准确率超过95%; 2)导师-学生关系终止时间的平均误差为1.39年. 该方法在识别关系时避免了特征之间相互独立的约束, 准确率优于其他同类识别算法, 且建模方法对识别社交网络中的其他关系类型也具有借鉴意义.
2013, 62 (16): 168903.
doi:10.7498/aps.62.168903
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多关系网络已经吸引了许多人的注意, 目前的研究主要涉及其拓扑结构及其演化的分析、 不同类型关系的挖掘、重叠社区的检测、级联失效动力学等. 然而,多关系网络上流行病传播的研究还相对较少. 由此提出一种双关系网络模型(工作-朋友关系网), 研究多关系对于流行病传播动力学行为的影响. 在全接触模式下, 多关系的存在会显著降低网络中的爆发阈值, 使得疾病更容易流行而难以控制. 对比ER (Erdös-Rènyi), WS (Watts-Strogatz), BA (Barabási-Albert)三种网络, 由于结构异质性的差异, WS网络受到的影响最大, ER网络次之, BA网络最小. 有趣的是, 其爆发阈值的相对变化大小与网络结构无关. 在单点接触模式下, 增加强关系的权重将显著提升爆发阈值, 降低感染密度; 随着强关系的比例变化将出现最优值现象: 极大的爆发阈值和极小的感染密度. 随着强关系的边权增加, 达到最优值的边比例将减少. 更为有趣的是, 三个网络中优值出现的位置几乎一致, 独立于网络结构. 这一研究不但有助于理解多关系网络上的病毒传播过程, 也为多关系网络研究提供了一个新的视角.
2013, 62 (16): 168904.
doi:10.7498/aps.62.168904
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针对复杂网络拓扑结构中模体的存在性, 在传统的顶点度和边聚类系数定义的基础上, 提出了基于模体的顶点度和边度来衡量网络中顶点和边的重要性. 用Rand-ESU算法对不同规模的8个网络进行模体检测, 验证了网络中模体的存在性, 重点分析了Karate网络和Dolphin网络中模体的结构和特征. 用Pearson相关系数衡量基于模体的顶点度与传统顶点度、基于模体的边度与边聚类系数的相关性, 仿真分析结果表明相关性大小与模体种类有关, 基于模体的顶点度和边度是对原定义的一种改进和拓展, 更全面地刻画了顶点和边在网络中的重要性.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (16): 169501.
doi:10.7498/aps.62.169501
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大气湍流三维波前探测是实现多层共轭自适应光学技术的关键和前提. 对湍流三维波前探测中最常用的模式法层析技术进行理论研究与分析, 提出该算法存在原理性限制, 并基于此对模式法层析技术产生误差的原因展开分析, 最后针对不同类型的模式层析重构误差给出数值仿真实验结果.分析表明, 模式层析重构中使用了Zernike分解基的一部分作为新的分解基进行波面拟合, 从而引入模式混淆和模式耦合两个方面的误差; 部分Zernike分解基不相关是避免模式混淆误差的必要条件, 模式耦合误差则无法避免. 最后结合仿真结果提出大视场探测、小区域重构的方法, 很好地抑制了模式耦合误差.