Vol. 62, No. 18 (2013)
2013年09月20日
总论
2013, 62 (18): 180201.
doi:10.7498/aps.62.180201
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Liu和Barabasi将现代控制理论应用到线性系统的网络可控性问题上, 提出了最小驱动节点集的计算方法, 解决了复杂网络控制的可计算问题. 针对现实网络中存在的节点因负荷过载而失效的问题, 本文提出了基于节点负荷失效的网络可控性模型. 通过对网络采用介数和Weibull失效模型, 在随机和目标失效机制下进行仿真, 研究结果表明: 维持无标度网络可控性的难度要明显大于随机网络; 在目标节点失效机制下, 即使对网络输入极少的失效信号, 也能极大地破坏网络的可控性; 使高介数节点失效要比使度高节点失效更能破坏网络的可控性, 说明高介数节点在维持网络可控性上发挥着重要作用; 对不同的负荷失效模型, 要合理采取措施, 防止网络发生阶跃性全不可控现象.
2013, 62 (18): 180202.
doi:10.7498/aps.62.180202
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对一类普适传质规律等温节流过程进行了研究, 应用最优控制理论导出了对应于过程质量积耗散最小时最优性条件, 然后基于普适优化结果导出了传质规律[g∝(Δ p)m]和线性传质规律[g∝Δ(μ)] 等各种特例下的优化结果, 并与熵产生最小、压力之比为常数和压力之差为常数等各种传质策略下的结果进行了比较, 给出了[g∝(Δp)1/2], [g∝Δ(p)]和[g∝Δ(μ)] 等各种特例下的数值算例. 本文的研究结果对于实际节流过程 和设备的最优设计与运行具有一定的理论指导意义.
2013, 62 (18): 180203.
doi:10.7498/aps.62.180203
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改进了一种基于傅里叶变换红外光谱法测量CO2气体的装置, 改进后的装置能够提高CO2检测精度, 并能同时测量CO2碳同位素比值. 研究了温度和压力对CO2浓度值和CO2碳同位素比值测量的影响规律. 利用该装置连续测量了标准CO2气体和环境大气, 对标准CO2气体测量得到的CO2浓度值及其碳同位素比值进行温度和压力影响修正, 获得了较好的精度和准确度.
2013, 62 (18): 180301.
doi:10.7498/aps.62.180301
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通过精确求解带有偶极-偶极相互作用的两个二能级原子与一个共同热库相互作用模型, 得到了两原子间量子纠缠和量子失谐(quantum discord)的解析表达式. 综合考虑了环境的非马尔可夫效应、原子间的偶极-偶极相互作用以及原子的本征频率同腔模中心频率之间的失谐量对两原子间量子纠缠和quantum discord的影响. 研究显示: 在非马尔可夫机制下, 且原子的本征频率与腔模中心频率是共振时, 当两原子初态处于纠缠态时, 原子间偶极-偶极相互作用可以显著抑制包括量子纠缠和quantum discord等量子关联的衰减, 更特别的是, 如果原子的本征频率同腔模中心频率有一定的失谐时, 利用原子间偶极-偶极相互作用可大大地延长两原子退纠缠的时间; 当两原子初态处于可分离态时, 从短时间来看, 原子间偶极-偶极相互作用可以提高量子纠缠和quantum discord振荡的振幅,而在长时间极限下, 原子间偶极-偶极相互作用不会改变量子纠缠和quantum discord达到的稳定值. 最后, 讨论了原子间偶极-偶极相互作用对量子纠缠和quantum discord动力学不同的影响.
2013, 62 (18): 180302.
doi:10.7498/aps.62.180302
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通过比较被动系统与主动系统的特性, 得出可信光源、不可信光源主动系统和不可信光源被动系统的密钥生成率随距离的变化关系; 采用标准误差分析法, 得到相应变量的偏离量; 基于诱骗态方案分析不可信光源被动系统暗计数率和光源强度参数波动对系统安全特性的影响, 得出在1310 nm 和1550 nm通信窗口下, 系统最大安全通信距离范围分别为[73.2 km, 96.5 km] 和[104.5 km, 137.9 km]. 这可为实用量子通信实验提供重要的理论参数.
2013, 62 (18): 180501.
doi:10.7498/aps.62.180501
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研究了由高斯白噪声和色噪声作用下的非线性动力学系统的不稳定态演化问题. 在弱噪声极限下, 运用本征值本征矢理论得到了非定态解ρ(x, t)的近似表达式; 分析了色噪声自关联时间τ, 强度α对ρ(x, t)以及对一、二阶矩的影响. 数值模拟发现: 1)t在一定范围内, ρ(x, t)是变量x和t的单调函数, 且随τ的增大而增大, 反之, 随α的增大而减小; 2)一阶矩是τ和α的单调函数, 但二阶矩却是非单调函数, 在参数影响下发生了相变现象.
2013, 62 (18): 180502.
doi:10.7498/aps.62.180502
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不同的混沌振子具有不同的混沌检测性能. 本文围绕Duffing振子的混沌检测方法, 从混沌系统临界点相图的突变性、混沌区间保持性以及混沌临界点的容噪性等三个方面的检测性能做了进一步研究, 并分别分析了影响这些性能的因素, 最后围绕这三个方面对两个不同混沌振子的混沌检测性能做了分析和比较.
2013, 62 (18): 180503.
doi:10.7498/aps.62.180503
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研究了一类具有分数阶导数阻尼的五次方振子系统中的叉形分叉及振动共振现象. 基于快慢变量分离法, 消去系统中的高频激励成分, 得到关于慢变量的等效系统, 根据等效系统中稳态平衡点的变化情况研究了系统的叉形分叉现象. 结果表明: 高频信号幅值的递增变化会引起亚临界叉形分叉, 高频信号频率和分数阶导数阻尼阶数的递增变化都会引起超临界叉形分叉; 振动共振和叉形分叉是关联的, 当叉形分叉发生时, 振动共振曲线会出现两个峰值, 否则只会出现一个峰值. 通过解析结果和数值模拟结果的对比, 验证了解析分析的正确性.
2013, 62 (18): 180504.
doi:10.7498/aps.62.180504
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针对含有参数不确定性的永磁同步电机混沌系统, 结合主动控制与有限时间稳定控制理论, 提出一种改进的主动有限时间稳定控制器. 该控制器不仅具有较强的鲁棒性, 而且可以通过调整终端吸引子比例系数, 有效地缩短系统的响应时间, 以提高系统的响应能力. 通过仿真实验, 验证了该控制器比传统的控制器的具有更强的鲁棒性和响应能力.
2013, 62 (18): 180505.
doi:10.7498/aps.62.180505
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针对一类部分线性的分数阶混沌系统修正函数投影同步问题, 可通过单变量耦合构造出这类系统的响应系统, 从而提出修正函数投影同步的设计方法. 根据Routh-Hurwitz条件, 给出耦合部分线性系统实现修正函数投影同步的方法, 并设计了控制器. 该方法中控制器和误差动态方程的选择都是确定的, 理论分析和数值仿真都说明了该方法在部分线性的分数阶混沌系统中应用具有可行性和有效性.
2013, 62 (18): 180701.
doi:10.7498/aps.62.180701
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针对传统的Gamma分布下最大后验概率降斑算法不能有效保留均匀区域的点目标, 不能有效保留弱边缘以及不能有效滤除强边缘区域的斑点等问题, 提出了基于第二类统计量的先验参数估计的高分辨率合成孔径雷达图像Gamma 分布下最大后验概率降斑算法. 使用Mellin卷积和斑点的乘性模型, Gamma先验分布的参数可由观察图像的前两阶对数累积量精确估计.所提算法具有解析的滤波输出, 便于实现.农田和城区的高分辨率合成孔径雷达图像的降斑实验表明, 与传统的Gamma分布下最大后验概率降斑算法相比, 所提算法既能有效保留均匀区域的点目标, 又能有效保留弱边缘, 还能有效滤除强边缘区域的斑点.
2013, 62 (18): 180702.
doi:10.7498/aps.62.180702
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采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数, 建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型, 得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图. 研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以及压 头形状对位错的形核和发射产生的影响. 从微观角度分析了接触变形机理. 结果表明, 随着接触深度的增加, 球形压头下部两侧的原子受力方向不断变化, 使得载荷-位移响应曲线出现不同于方形压头的阶梯状. 由于压头形状的影响, 压头两侧的密排原子面实现部分滑移形成了肖克利不完全位错. 脱离过程中, 原子紧贴压头向上移动, 实现部分弹性恢复, 残余位移为0.3 nm, 非常接近单晶铝单位位错的伯格斯矢量的 模0.285 nm.
2013, 62 (18): 180703.
doi:10.7498/aps.62.180703
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通过分析二级6-8型大腔体静高压装置八面体压腔的受力状况, 研制了一种使用成本低、尺寸大且易于加工的多晶金刚石-硬质合金复合二级(末级)顶锤(压砧). 采用原位电阻测量观测Zr在高压下相变(α-ω, 7.96 GPa; ω-β, 34.5 GPa)的方法, 标定了由多晶金刚石-硬质合金复合末级压砧构建的5.5/1.5(传压介质边长/二级顶锤锤面边长, 单位: mm)组装的腔体压力. 实验表明, 自行研制的多晶金刚石-硬质合金复合末级压砧可使基于国产六面顶压机构架的二级加压系统的压力产生上限从约20 GPa提高到35 GPa以上, 拓展了国内大腔体静高压技术的压力产生范围. 应用这一技术, 我们期望经过末级压砧材料与压腔设计的进一步优化, 在基于国产六面顶压机的二级6-8 型大腔体静高压装置压腔中产生超过50 GPa的高压.
2013, 62 (18): 180704.
doi:10.7498/aps.62.180704
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原子间的自旋相互作用力对原子级别磁性纳米构造体的表面磁性质的理解是极为重要的. 磁交换力显微镜是测量表面自旋作用力的重要手段, 但它的缺点一是需要加外部强磁场, 二是不能分离表面形貌和自旋信息, 这就导致材料表面受外部磁场的影响, 而且表面形貌和自旋信息之间相互影响, 使自旋间的相互作用力的检测和成像研究受到限制.为了解决上述问题, 利用原子力显微镜, 并采用微波照射的方法, 根据铁磁共振原理, 分别独立提取磁性材料表面形貌和自旋信息, 称之为铁磁共振磁交换力显微镜, 理论和实验结果表明此方法可以有效地分离两种信息. 铁磁共振磁交换力显微镜可以促进对原子级磁性材料机能的理解以及磁性相关科学领域的进步, 特别是对自旋电子元件的发展有很大的促进作用, 是新世纪高度信息化社会不可缺少的测量技术.
2013, 62 (18): 180705.
doi:10.7498/aps.62.180705
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研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法. 该算法应用非线性最优估算法, 通过MAX-DOAS测量的氧的二聚体(O4), 反演气溶胶消光系数垂直廓线和光学厚度(AOD). 首先研究了非线性最优估算法中权重函数、先验廓线协方差矩阵、测量不确定度协方差矩阵的计算方法, 针对中国气溶胶浓度较高且变化剧烈的特征, 设计了非线性迭代方案. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种状态下, 通过计算机仿真模拟验证了MAX-DOAS气溶胶消光系数垂直分布反演算法, 讨论了误差来源. 之后在合肥地区开展了连续观测实验, 并将反演的AOD与CE318太阳光度计对比, 两者的相关性系数达到了0.94. AOD反演的相对误差约为20%. 又将反演的最低层(0–0.3 km)气溶胶消光系数与能见度仪对比, 两者的相关性系数为0.65. 近地面气溶胶消光系数反演的总相对误差约为10%. 模拟验证和对比实验均说明本文研究的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法可以较好地获取对流层的气溶胶状态.
基本粒子物理学与场
2013, 62 (18): 181101.
doi:10.7498/aps.62.181101
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在Regge唯象下, 首先研究自旋-宇称多重态中六个介子质量间的关系式. 运用验证后的关系式, 重点计算基态矢量介子多重态(13S1)中尚未观测到的双重粲-底介子 Bc*的质量. 还计算了径向激发态23S1多重态的介子质量和轨道激发态13G5介子九重态的质量. 根据计算结果结合实验数据和其他理论进行讨论, 建议在6355 MeV附近寻找和研究 Bc*介子, 将 D(2600)和 Ds1(2700)分别作为主要成分为 nc(23S1)和 sc(23S1)的态进行研究; 分别在5812, 5917, 6896 MeV附近寻找矢量介子第一径向激发态 B*(2S), Bs*(2S)和 Bc*(2S). 建议将 5(2250)安排在13G5介子九重态的同位旋标量态, 实验上在2259 MeV附近进一步研究 5(2350)的性质, 在2438 MeV附近寻找和研究 5(13G5). 研究结果对于相关介子的自旋-宇称安排和通过实 验寻找新的介子激发态具有重要的参考价值.
核物理学
2013, 62 (18): 182801.
doi:10.7498/aps.62.182801
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构建了一个定量化的相场模型, 用于研究金属铁(Fe)中空位团簇的演化行为. 基于理想气体自由能函数构造了体系的总能量, 并给出了将相场模型中的计算参数与实验数据相结合的方法. 此相场模型能够定量描述空位团簇在金属Fe中生长和粗化的过程以及晶界对于空位团簇演化过程的影响. 这些结果为进一步研究金属Fe中氢/氦等杂质原子与空位之间的相互作用及其演化行为提供了途径.
原子和分子物理学
2013, 62 (18): 183101.
doi:10.7498/aps.62.183101
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根据爱因斯坦方程和Marcus电荷传输模型, 使用密度泛函理论B3lyp/6-31g**理论水平计算6 个吐昔烯衍生物分子的结构和电荷传输性质. 结果显示: 6个吐昔烯的衍生物分子的空穴迁移速率为0.018–0.062 cm2·V-1·s-1, 电子迁移率为0.055–0.070 cm2·V-1·s-1, 其中3, 8, 13-辛烷氧基吐昔烯衍生物分子适合作为双极性传输材料. 三条烷氧基链的吐昔烯衍生物分子上引入三个甲氧基或羟基, 均使空穴和电子传输率降低. 引入给电子基团或共轭性基团可减小吐昔烯衍生物分子的能隙, 达到有机半导体的能隙要求.
2013, 62 (18): 183201.
doi:10.7498/aps.62.183201
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利用格子液体方法对Ξ型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体与单模压缩相干态光场相互作用系统的哈密顿量进行了改进, 并且研究了Ξ 型三能级原子单模光场系统中光场压缩性质.结果表明: 光场两正交分量交替呈现周期性压缩, 其最大压缩深度由光场与原子间的相互作用强度和光场初始压缩因子决定, 而压缩时间与光场的圆频率有关.
编辑推荐
2013, 62 (18): 183301.
doi:10.7498/aps.62.183301
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通过超冷铯原子光缔合制备激发态的超冷铯分子. 利用冷原子荧光频率调制技术获得了超冷铯分子第一激发态6S1/2+6P3/2离解限0g-长程态高分辨振转光谱, 计算得到0g- 长程态振动量子数从0到51的不同振动能级的转动常数, 和Daniel研究小组的理论结果符合得很好.
2013, 62 (18): 183302.
doi:10.7498/aps.62.183302
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通过高温固相法分别制备了CaWO4和CaWO4:1%Eu3+ 样品. 测量了样品不同温度(10–300 K)的荧光光谱、荧光衰减曲线和 时间分辨荧光光谱. 样品的荧光光谱表明: 在240 nm紫外光激发下, 两个样品在430 nm处都展现出来源于WO42-的蓝色发射; 样品CaWO4:Eu3+的Eu3+(5D0→7F1, 2, 3,4)的特征发射则归属于WO42-到Eu3+ 间的能量传递.由样品室温(300K)荧光衰减曲线发现: 纯CaWO4的荧光寿命为8.85μs,Eu3+掺杂之后WO42-的荧光寿命缩短至6.27μs,这从另一方面证明了WO42-与Eu3+间能量传递的存在. 由荧光寿命得到T=300K时, CaWO4: 1%Eu3+中WO42-与Eu3+间的能量传递效率(ηET)为29.2%, 能量传递速率(ωET)为4.65×104 s-1.通过时间分辨荧光光谱, 获得了从WO42-到Eu3+之间的能量传递的时间演变过程,当温度由10 K增加到300 K时, 能量传递出现的时间单调变小. 测试了不同温度(10–300 K)对CaWO4:Eu3+的荧光寿命的影响, 发现在10–50K时,Eu3+的荧光寿命增加, 但温度超过50K时发生猝灭, 荧光寿命开始下降; WO42-的荧光寿命则是随着温度的升高逐渐缩短.
2013, 62 (18): 183401.
doi:10.7498/aps.62.183401
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采用修正的扭曲波玻恩近似方法, 在共面不对称几何条件下, 计算了能量为70.8 eV电子与Ar(3p)碰撞电离的(e, 2e)三重微分截面, 并与最新实验数据进行了比较. 结果表明电子交换效应和后碰撞相互作用在低能电子碰撞的(e, 2e)过程中起着重要作用.
2013, 62 (18): 183402.
doi:10.7498/aps.62.183402
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用DS3C模型计算了入射能为32.5, 36.5, 40.7 eV时电子入射单电离氦原子的二重微分散射截面, 并把计算结果与实验结果进行了比较, 对屏蔽效应进行了分析. 通过对二重微分散射截面在全空间的角度积分得到了电子入射单电离氦原子的单微分散射截面, 利用3C模型和DS3C模型计算了入射能为32.5, 36.5, 40.7, 50 eV时氦原子的单微分散射截面, 并把计算结果与实验结果进行了比较. 对截面的结构进行了分析, 并系统研究了交换效应对截面的贡献.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (18): 184201.
doi:10.7498/aps.62.184201
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采用几何光线模型, 将基模高聚焦高斯光束对微米量级介电球和左手性材料球的轴向作用力进行了理论推导和数值模拟, 并对介电球和左手性小球的受力进行了比较. 对于介电球, 可以实现单光束陷阱捕陷介电球; 在右手性材料环境中的左手性材料小球, 受到的轴向作用力总是沿光传播的方向, 激光和左手性材料球的参数共同决定轴向力的最大值出现在光轴上的位置. 而在相对折射率较小时, 左手性材料小球的受力是介电球的百倍.
2013, 62 (18): 184202.
doi:10.7498/aps.62.184202
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基于光子晶体光纤中脉冲演化遵循的非线性薛定谔方程, 用数值模拟的方法分别研究了飞秒脉冲在单零色散点和双零色散点光子晶体光纤中超连续谱的产生和色散波的孤子俘获现象. 结果表明: 与单零色散点光子晶体光纤相比, 双零色散点光子晶体光纤产生的超连续谱既包含了蓝移色散波, 又包含了红移色散波, 且当满足群速度匹配时, 孤子通过四波混频不仅能俘获蓝移色散波, 而且能俘获红移色散波, 从而产生新的俘获波频谱成分. 为了清楚地观察脉冲传输的时频特性, 通过模拟交叉相关频率分辨光学开关技术, 得到了孤子俘获色散波的演化过程.
2013, 62 (18): 184203.
doi:10.7498/aps.62.184203
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基于理论分析, 实验研究了二维磁单负材料/双正材料/磁单负材料表面等离子波导的滤波效应. 研究表明, 该波导结构具有低通滤波性质, 引入分支缺陷之后, 由于谐振效应该波导具有带阻滤波效应. 分支缺陷相当于亚波长谐振腔, 谐振腔的长度决定带阻滤波器的中心频率, 而中心频率几乎不受缺陷位置的影响; 滤波器透射率下降的幅度由耦合距离决定. 通过引入谐振腔及改变谐振腔的长度、数量以及耦合间距等参数, 可以实现可调节的表面等离子波导滤波器. 实验结果与理论分析符合得很好, 该性质将在可调的单通道或多通道带阻滤波器件中具有潜在的应用价值.
2013, 62 (18): 184204.
doi:10.7498/aps.62.184204
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提出一种可以通过单次曝光实现 PIE(ptychographic imaging engine)成像的方法, 该方法用正交光栅将入射细光束衍射为传播方向不同的子光束簇以对样品进行照明, 并用CCD同时记录各个子光束所形成的衍射光斑阵列. 该方法很好地克服了现有PIE方法的成像质量易受机械扫描误差影响和数据采集时间过长两个缺点, 具有很好的实用价值.
2013, 62 (18): 184205.
doi:10.7498/aps.62.184205
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热光鬼成像的图像质量在实际应用中具有重要作用. 通过理论分析和数值模拟, 发现光场的强度涨落程度会影响热光鬼成像的对比度, 基于此, 提出可以通过调节热光场的平均强度和强度波动的方差来提高成像对比度, 并且研究了这一方法对成像信噪比的影响. 将这种方法与另一种提高成像对比度的方法——高阶鬼成像进行了对比, 所得结果将有助于提高对热光鬼成像的理解.
2013, 62 (18): 184206.
doi:10.7498/aps.62.184206
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提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级.
2013, 62 (18): 184207.
doi:10.7498/aps.62.184207
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提出一种应用机器视觉技术的激光干涉法, 可以研究压电材料的逆压电系数. 在传统干涉测量法中引入机器视觉实现干涉图像灰度最佳估计, 使用数字图像处理技术, 一方面应用降噪算法有效去除激光干涉图样中的噪声, 从而确定激光干涉场的光强分布, 另一方面将干涉图样的明暗变化进一步转化为可量度的灰度变化以提高测量分辨力. 通过合理设计算法, 该方法中对位移的理论测量分辨力可以提高达一个数量级, 为干涉光波长的1/1024, 因此在逆压电系数d31 的实验测量中可以有效提高分辨力.
2013, 62 (18): 184208.
doi:10.7498/aps.62.184208
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全光连续可调的慢光技术在全光网络和光信息处理等领域具有重要的应用前景. 利用自行设计并拉制的高非线性微结构光纤, 实验研究了基于受激布里渊散射的可调谐慢光延迟. 采用单抽运光和单级延迟方案, 当抽运光功率为162.6 mW时, 在长度为120 m的高非线性微结构光纤中获得了最大76 ns的延迟量, 相当于0.76个脉冲宽度. 通过调节抽运光功率的大小, 可以实现对慢光延迟量的可调谐.该慢光延迟方案具有延迟量大、 全光可调谐及与现有光通信系统兼容等优势.
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2013, 62 (18): 184209.
doi:10.7498/aps.62.184209
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研究了Rb85原子蒸气D1线系统中的受激Raman增益与损耗现象. 实验中观察到 随着抽运光失谐量的增大, 受激Raman谱明显地呈现出一个从增益到损耗的陡峭转变. 从缀饰态模型出发, 我们提出这是对探测光有相反贡献的不同速度原子群之间极化干涉的结果.
2013, 62 (18): 184210.
doi:10.7498/aps.62.184210
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利用预估校正分步傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程, 模拟超短激光脉冲在全正色散光子晶体光纤中传输时的演化情况, 分析了不同脉宽和能量的脉冲对产生的超连续谱的影响. 结果表明: 无啁啾高斯脉冲在此全正色散光子晶体光纤中传输时, 始终保持单个脉冲特性, 提高脉冲峰值功率可进一步展宽获得的超连续谱.模拟结果同时表明, 利用中心波长为1060 nm, 脉宽和能量分别为50 fs, 15 nJ的脉冲抽运此光纤, 当传输12 cm 后便可获得具有较好的光谱连续性和光谱平坦度的超连续谱. 进一步模拟结果表明, 采用棱镜对对其进行脉冲压缩, 可获得脉宽约15 fs, 谱宽约700 nm的理想超连续谱光源.
2013, 62 (18): 184211.
doi:10.7498/aps.62.184211
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实现玻璃微晶化过程控制的基础是要充分认识其析晶行为及动力学机理. 利用示差扫描量热法和析晶热处理等手段, 研究发现 20GeS2·80Sb2S3硫系玻璃属于表面析晶, 在268℃(Tg+30℃)下热处理60 h, 可以获得表面约40 μm的Sb2S3晶层复合玻璃陶瓷样品. 在此基础上, 利用非等温法从理论上分析该玻璃的析晶动力学机理. 计算得到其析晶活化能Ec为(223.6±24.1)kJ·mol-1, 在热处理温度(268℃)下的析晶速率常数K为1.23×10-4 s-1, 属于较难析晶的玻璃组成; 玻璃的晶体生长指数m和晶体生长维数n均为2, 表明其Sb2S3相的析晶行为是二维生长过程, 与析晶实验结果完全相符. 由此可知, 对于Sb2S3晶体复合的硫系玻璃陶瓷样品可通过玻璃粉末压片烧结、带铸法或丝网印刷法制备获得, 为今后功能硫系玻璃的开发提供实验依据和理论指导.
2013, 62 (18): 184212.
doi:10.7498/aps.62.184212
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利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维光子晶体中的光子局域态随单轴应力发生变化的特性. 对于镜像异质三周期光子晶体, 由于其镜像结构, 破坏了光子晶体的有序性, 产生了一个缺陷态, 使其在较宽的光子禁带中心有一个光子局域态透射峰. 研究表明: 当对镜像异质三周期光子晶体施加单轴应力时, 其中的光子局域态透射峰会随着应力的改变而发生剧烈的变化. 当外部微弱的机械应力施加到光子晶体上时, 对光子晶体形成一个拉伸应变, 拉伸应变引起光子晶体结构的变化, 进而大幅度影响光子局域态透射峰的透射率.结果表明: 透射峰的透射率明显受单轴应力的影响. 这些特性可为用此结构的光子晶体设计超高灵敏度压力传感器提供理论参考.
2013, 62 (18): 184213.
doi:10.7498/aps.62.184213
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光波导横向耦合模理论包含正交耦合模理论和非正交耦合模理论两大类, 为了追求形式上的完美, 两类理论没有统一的解析解, 并且都没有对非匹配耦合系统中耦合功率的非对称性进行深入研究. 本文一方面由Helmholtz方程出发推导出了一种新型的非正交耦合模方程, 并对两类理论中的耦合模方程进行了统一处理和求解, 得到了一种统一的解析解; 另一方面根据所得到的统一的解析解对非匹配耦合系统中耦合功率的非对称性进行了详细研究, 计算结果表明非匹配耦合系统中的最大互耦合功率和最小自耦合功率均可用统一的解析解进行近似计算.
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2013, 62 (18): 184214.
doi:10.7498/aps.62.184214
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硅基光子集成芯片的研究近年来发展迅速, 已成为信息技术领域中最热门的研究方向之一, 光通信、光互连、光传感等相关研发应用机构高度关注其发展, 并积极介入. 硅基光子集成芯片中, 光栅耦合器作为光信号的输入和输出装置受到极大重视, 尤其在封装和测试等环节体现出极具价值的技术优势. 本文主要分析了光栅耦合器的工作原理、基本特性及国内外的发展现状和趋势, 同时也概括了本课题组近期在该方向上的研究成果.
2013, 62 (18): 184215.
doi:10.7498/aps.62.184215
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提出了一种新型三角芯抗弯曲大模场面积光子晶体光纤.该结构采用单一尺寸的圆形空气孔, 降低了制作难度.在波长1.064 μm处, 在平直状态和弯曲半径为30 cm时, 模场面积分别为1386 μm2和1153 μm2, 弯曲带来的模场面积减少量仅为16.85%. 当弯曲半径为30 cm时, 基模的损耗为0.087 dB/m, 二阶模的损耗大于1.5 dB/m, 大的损耗差有效保证了光纤单模运转.此外, 弯曲半径30 cm时, 弯曲方向角扩展至±180°, 光纤弯曲不再受弯曲方向的限制. 所设计的光纤结构具有大模场面积、小的模场面积减少量、 低的弯曲损耗以及低的弯曲方向敏感度等优势, 为小型化、集成化高功率激光传输及光纤激光器和放大器的研究奠定了基础.
2013, 62 (18): 184301.
doi:10.7498/aps.62.184301
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针对多输入多输出正交频分复用 图样选择 峰均比(peak-to-average-power-ratio PAPR)抑制算法需要传递边带信息的缺点, 提出了一种无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法. 该算法利用不同分布图样的梳状导频携带加扰相位序列选择信息, 结合浅海水声信道的稀疏特性在接收端对加扰图样进行自主区分, 实现了无边带信息的图样选择峰均比抑制.仿真和水池实验结果证实: 无边带信息传输的图样选择峰均比抑制算法可以在不损失PAPR抑制性能的前提下, 准确解算出传输相位序列选择信息、对抗突发噪声、实现无边带信息传输的可靠水声通信.
2013, 62 (18): 184302.
doi:10.7498/aps.62.184302
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针对标准Capon波束形成器在存在导向矢量失配时性能急剧下降问题, 提出了一种基于半定规划和秩-1分解的稳健波束形成算法. 该方法通过对实际导向矢量的估计提高自适应波束形成算法稳健性. 首先分别从干扰抑制和噪声抑制两个方面推导了新导向矢量应满足的约束条件, 并证明了利用矩阵滤波器构造约束条件的合理性; 构造了估计最优导向矢量的优化问题并将其转化为易于求解的松弛半定规划问题, 同时引入秩-1分解理论用于优化问题的求解. 仿真分析表明, 与目前较为常见的算法相比, 本文算法只需利用期望信号可能入射区间这一先验信息, 能获得更高输出信干噪比和功率估计精度.
2013, 62 (18): 184401.
doi:10.7498/aps.62.184401
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分析了平板前表面遭受任意周期热扰动这类非Fourier传热情形下的温度响应. 采用双曲型热传导方程描述平板表面温度急速变化时的热传导问题. 为求解此类方程, 首先 利用分离变量法和Duhamel积分原理, 得到了平板前表面遭受突变热流和简谐热流两种情况下的解析解.然后, 在此基础上应用Fourier级数展开法和叠加原理, 获得了平板前表面热流任意周期变化时非Fourier热传导下温度场的解析表达式. 利用得到的解析表达式进行数值模拟, 分析了不同热松弛时间、 不同时刻和不同位置对温度响应的影响, 讨论了非Fourier热传导模型所给出的温度响应与Fourier热传导模型的差别. 这种方法能够处理许多在生产实际中具有周期边界条件的非Fourier热传导问题.
2013, 62 (18): 184501.
doi:10.7498/aps.62.184501
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利用颗粒离散元方法, 研究了由2048个光滑颗粒组成的体系在各向同性压缩条件下, 颗粒尺寸分散度s对颗粒体系力学和几何结构特性的影响. 结果表明: 配位数、剪切模量、静态结构因子以及取向序关联函数等都随分散度的变化而变化, 而力的累积分布不受分散度的影响. 其中, 单分散体系(亦即s=0)的静态结构因子在低波数区域(亦即低k)遵从幂律标度S(k)∝0.2k-4/3, 各分散度下取向序关联函数峰值符合e指数变化规律g6(r)∝ae-r/ξ6, 其中序关联长度ξ6随分散度s增大而减小.
2013, 62 (18): 184701.
doi:10.7498/aps.62.184701
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利用量级分析和风洞实验研究了末制导光学外冷窗口典型流动(可压缩混合层流动)气动光学效应的规律性.理论分析主要针对视线误差(boresight error, BSE)与混合层流场特征参数之间的关系进行了讨论. 研究结果表明: 在可压缩混合层中影响时均BSE的特征参数主要有 对流马赫数、雷诺数、自由流与混合层界面剪切应力、自由流速度比和密度比等因素; 采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的关系.
2013, 62 (18): 184702.
doi:10.7498/aps.62.184702
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在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强.
2013, 62 (18): 184703.
doi:10.7498/aps.62.184703
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采用高速摄像仪以10000 帧/s的拍摄速度对液滴低速撞击润湿球体表面过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击后的反弹、局部反弹和铺展等现象, 考察了黏度对撞击过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展特征参数随撞击速度、球体直径和黏度的变化规律. 观测发现: 黏度较大且撞击速度较低时, 撞击后可能出现反弹和局部反弹, 黏度较小时则不发生; 铺展面积随撞击速度的增大而增大; 黏度增大时, 铺展因子减小; 在球体直径为4–20 mm范围内, 随着球体直径的增加, 铺展因子呈上升趋势.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
2013, 62 (18): 186101.
doi:10.7498/aps.62.186101
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采用分子动力学方法和镶嵌原子势, 模拟了500个Ni原子(简称Ni500)组成的纳米团簇的等温晶化过程. 通过对纳米Ni团簇的动力学行为和微观结构演变的研究, 发现Ni500在高温时是一步晶化的, 在低温时则呈现出多步晶化的特征. 在多步晶化的过程中, 团簇结构会陷入多个亚稳态结构, 经过原子重排, 进入能量更低的亚稳态, 最后完成晶化. 在多步晶化过程中, 原子的位置重排是通过协同跳跃运动实现的, 其协同运动方式不但有常见的线型协同运动, 也有多个原子的集体平移运动等其他形式.
2013, 62 (18): 186102.
doi:10.7498/aps.62.186102
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选用锯齿(zigzag)型石墨烯纳米片为研究对象, Au作为电极, 分子平面与Au的(111)面垂直, 并通过末端S原子化学吸附于金属表面, 构成两种分子器件: 一种是在纳米片的边缘掺杂N(B)原子, 发现电流-电压具有非线性行为, 但是整流系数较小, 特别是掺杂较多时, 整流具有不稳定性; 另一种是用烷链把两个石墨烯片连接, 在烷链附近和石墨烯片的边缘进行N(B)掺杂, 发现在烷链附近掺杂具有较大的整流, 但是掺杂的原子个数和位置会影响整流性能. 研究表明: 整流主要为正负电压下分子能级的移动方向和空间轨道分布不同导致. 部分体系中的负微分电阻现象主要由于偏压导致能级移动和透射峰形态的改变, 并且在某些偏压下主要透射通道被抑制而引起.
2013, 62 (18): 186103.
doi:10.7498/aps.62.186103
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蒙特卡罗(MC)方法被广泛应用于模拟金属材料在退火过程中的静态再结晶行为. 在已有两相材料晶粒长大MC模型基础上, 引入形核阶段, 综合考虑再结晶晶粒吞并形变晶粒和再结晶晶粒竞争长大两种情况, 建立了退火时两相合金再结晶MC模型.结合电子背散射衍射所测 初始晶粒形貌、相成分、晶体学取向及应变储能相对值, 该模型被应用于TC11钛合金退火过程中的微观组织及织构演变模拟.结果表明, 所建模型能够较好体现退火过程中两相晶粒的形核及晶粒长大行为. 与β相相比较, α相具有较低的再结晶速率和较高的晶粒长大速率, 前者主要归结于α相较低的初始应变储能, 后者则体现了该条件下初始组织形貌、分布及两相比例对晶粒长大具有重要影响; 由于非均匀形核的影响, 模拟得到的再结晶速率变化与 假设均匀形核的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov 再结晶方程存在明显差异.同时, 两相的基本织构特征在退火过程中无明显变化, 但织构强度增加.
2013, 62 (18): 186201.
doi:10.7498/aps.62.186201
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利用高速拉伸实验机在宽的应变率范围内(0.001–1200 s-1), 研究了NiTi形状记忆合金的宏观力学性能随应变率的变化规律, 并借助透射电子显微镜深入研究了微观结构在不同应变率下的演变机制. 研究发现: NiTi合金马氏体(B19’相)孪晶的解孪晶应力随应变率的升高而近乎线性增大, 表明NiTi 合金解孪晶应力具有正向应变率相关性. 在拉伸应变率为10 s-1的样品微观结构中发现了大量的解孪晶区域, 而当应变率进一步增大到100 s-1和 1200 s-1时, 在样品中没有发现解孪晶区域的存在, 样品微观组织以孪晶形式存在. 该结果表明, NiTi合金的马氏体解孪晶速率应在 10–100 s-1范围内. 在高应变率下(≥qslant10 s-1)均发现了热引发奥氏体相(B2)的存在, 表明随应变率的增加, 拉伸过程由等温过程逐渐变为绝热过程. 此外, 在1200 s-1 的样品差示扫描热量曲线中还发现了一个小肩峰, 表明相变过程由一步相变变为两步相变.
2013, 62 (18): 186202.
doi:10.7498/aps.62.186202
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通过分子动力学模拟对聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的形态结构、 热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和纳米颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明, 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物为各向同性的无定形态结构, 铜纳米颗粒与聚酰亚胺基体之间通过较强的范德华作用结合在一起使结构更加稳定, 铜纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 在铜颗粒和聚酰亚胺基体之间形成界面层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的等容热容随着颗粒尺寸增大而明显增高, 随温度变化比聚酰亚胺体系更为缓慢, 在较低温度下较小颗粒尺寸复合物的热容比聚酰亚胺体系更低. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热压力系数随颗粒尺寸增加而显著增大, 比聚酰亚胺体系的热压力系数更小, 且随温度升高而减小的程度要小得多. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热力学性质表现出明显的尺度效应, 温度稳定性明显高于聚酰亚胺体系. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚酰亚胺体系更低的杨氏模量和泊松比, 随温度升高分别减小和增大, 与聚酰亚胺体系随温度的变化趋势相反, 且杨氏模量的温度稳定性显著提高, 同时泊松比随纳米颗粒尺寸增大而减小, 具有明显的尺度效应. 加入铜纳米颗粒形成复合物可获得与聚酰亚胺体系显著不同的力学新特性.
2013, 62 (18): 186301.
doi:10.7498/aps.62.186301
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利用第一性原理研究了覆盖度分别为1.00, 0.50和0.25 ML时CO分子单层膜在Cu(100)表面的吸附系统. 计算表明CO分子对不稳定. 获得了CO分子单层膜在虚拟Cu(100)表面的原子结构, 以及CO分子单层膜在Cu(100)表面吸附系统的原子结构. 当CO分子单层膜在Cu(100)表面的三个吸附位吸附, 覆盖度为1.00 ML时, 顶位和桥位都稳定, 而空心位不稳定; 覆盖度为0.50和0.25 ML时, 三个吸附位都稳定.比较吸附前后CO分子单层膜的原子结构, 可知CO分子和Cu(100)表面的相互作用强于CO分子单层膜之间的相互作用.
2013, 62 (18): 186302.
doi:10.7498/aps.62.186302
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用一种非简谐晶格动力学方法, 使用相互作用势作为惟一的输入参数, 准确地计算了固体氩的各个声子的频率和弛豫时间. 并将这些结果进一步和玻尔兹曼输运方程相结合, 预测了固体氩从10 K 到80 K 区间的热导率, 并得到了与实验值非常符合的结果. 分析了运用非简谐晶格动力学方法进行数值计算过程中的各个相关的计算参数, 包括布里渊区中倒格子矢量的选取, δ 函数的展宽的选择等对热导率和声子弛豫时间预测结果的影响. 通过对各个声子模式对热导率贡献的分析, 发现随着温度升高, 高频声子对于热导率的贡献率也逐渐变大, 结果和理论预测完全一致.
2013, 62 (18): 186501.
doi:10.7498/aps.62.186501
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理论分析了声子和电子输运对Cu, Ag金属纳米线热导率的贡献. 采用镶嵌原子作用势模型描述纳米尺寸下金属原子间的相互作用, 应用平衡分子动力学方法和Green-Kubo函数模拟了金属纳米线的声子热导率; 采用玻尔兹曼输运理论和Wiedemann-Franz定律计算电子热导率; 并通过散射失配模型和Mayadas-Shatzkes模型引入晶界散射的影响. 在此基础上, 考察分析了纳米线尺度和温度的影响. 研究结果表明: Cu, Ag纳米线热导率的变化规律相似; 电子输运对金属纳米线的导热占主导地位, 而声子热导率的贡献也不容忽视; 晶界散射导致热导率减小, 尤其对电子热导率作用显著; 纳米线总热导率随着温度的升高而降低; 随着截面尺寸减小而减小, 但声子热导率所占份额有所增加.
2013, 62 (18): 186801.
doi:10.7498/aps.62.186801
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采用射频磁控溅射方法, 在混合气氛下制备了ZrN/TaN多层膜. 利用X射线衍射、慢正电子束分析、增强质子背散射、扫描电子显微镜, 分别对ZrN/TaN多层膜中相结构、氦相关缺陷、氦含量、截面形貌等进行了分析. 结果表明, 调制周期为30 nm的ZrN/TaN多层膜在600℃退火后, 氦的保持率仍能达到45.6%. 在适当的调制周期下, ZrN/TaN多层膜能够耐氦损伤并且其界面具有一定的固氦性能.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (18): 187101.
doi:10.7498/aps.62.187101
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基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了Zn吸附到TiO2(101)清洁表面、含有氧空位(VO)的缺陷表面以及既含有氧空位(VO)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO2(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO2-VO-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO2的光催化活性.
2013, 62 (18): 187102.
doi:10.7498/aps.62.187102
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基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS2的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS2 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS2体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS2 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用.
2013, 62 (18): 187201.
doi:10.7498/aps.62.187201
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采用溶胶-凝胶结合放电等离子烧结的方法制备了Ba, Ag双掺杂的BaxAgyCa2.8Co4O9块体热电氧化物材料, 利用X射线衍射仪, 扫描电子显微镜和热参数测试仪分析了所得样品的物相、微观组织结构和热输运性能. 结果表明, 通过Ba, Ag双掺杂有效调制了Ca3Co4O9的热传输性能, 增加Ba掺杂量能有效降低其热导率. 分析结果表明, Ba, Ag双掺杂对热导率的调制来源于对晶格热导率的调制, 其中Ba, Ag等量掺杂所得样品热导率最低, 其总热导率和晶格热导率在973 K时分别达到了1.43 W/mK和1.10 W/mK.
2013, 62 (18): 187301.
doi:10.7498/aps.62.187301
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采用紧束缚模型分别描述单层、双层石墨烯的能带结构, 利用光子-电子相互作用的二阶微扰理论分别计算单光子和双光子吸收系数.计算结果表明: 单层石墨烯单光子吸收系数为常数, 约为6.8×107 m-1, 即单层石墨烯对入射光的吸收率约为2.3%; 双层石墨烯的单光子吸收比单层石墨烯的单光子吸收强, 且随入射光波长呈分段性变化.单层石墨烯的双光子吸收系数与波长λ4成正比; 双层石墨烯双光子吸收系数在红外波段(～ 3100 nm处)有一个很强的共振吸收峰. 研究结果可为石墨烯材料在光电子器件的研究和制作方面提供指导.
2013, 62 (18): 187302.
doi:10.7498/aps.62.187302
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用化学气相沉积法在硅衬底上合成了宽1 μm左右、长数十微米的ZnO纳米带. 采用微栅模板法得到单根ZnO纳米带半导体器件, 由I-V特性曲线测得室温下ZnO纳米带电阻约3 MΩ, 电阻率约0.4 Ω·cm. 研究了在20–280 K温度范围内单根ZnO纳米带电阻随温度的变化. 结果表明: 在不同温度区间内电阻随温度变化趋势明显不同, 存在两种不同的输运机制. 在130–280 K较高的温度范围内, 单根ZnO纳米带电子输运机制符合热激活输运机制, 随着温度继续降低(< 130 K), 近邻跳跃传导为主导输运机制.
2013, 62 (18): 187801.
doi:10.7498/aps.62.187801
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SiO2薄膜是重要的低折射率材料之一, 针对离子束溅射(IBS)和电子束蒸发(EB)的SiO2薄膜, 采用红外光谱反演技术获得在400–1500 cm-1波数内的介电常数, 通过对介电能损函数的分析获得了两种薄膜在横向和纵向光学 振动模式下的振动频率和Si–O–Si键角.研究结果表明, 在EB SiO2薄膜短程有序范围内, SiO4的连接方式主要是类柯石英结构、3-平面折叠环和热液石英结构的SiO4连接方式; 在IBS SiO2薄膜短程有序范围内, SiO4的连接方式复杂主要是类柯石英结构、3-平面折叠环、 4-平面折叠环结构和类热液石英结构.
2013, 62 (18): 187802.
doi:10.7498/aps.62.187802
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测量了室温(20℃)条件下极性溶剂1, 2-二氯乙烷-碘溶液中的β胡萝卜素 紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱. 结果表明, 生成络合物的β胡萝卜素在460 nm处的紫外-可见吸收峰消失, 并在1000 nm处出现β胡萝卜素与碘形成络合物的吸收峰, 致使514.5 nm激光激发时察觉不到络合物中β胡萝卜素离子CC键的共振拉曼光谱.而溶液中没有形成络合物的β胡萝卜素CC键拉曼散射截面随络合物浓度增加而减小, 拉曼光谱线宽增加, π电子-声子耦合系数增加, 其机理是随络合物增加溶液混乱程度增加、β胡萝卜素分子结构有序性减小所致, 且可以用“相干弱阻尼电子-晶格振动”、“有效共轭长度”、“振幅模型”等理论给予解释.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (18): 188101.
doi:10.7498/aps.62.188101
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金刚石经电子辐照后会形成大量的点缺陷, 而这些缺陷很多都是带有电荷的. 提出一种用于研究缺陷电荷状态的新思路, 即利用扫描电子显微镜(SEM)的高能电子照射辐照区域, 通过比较SEM 照射前后的低温光致发光光谱, 为缺陷电荷状态的确定提供了一些依据.
2013, 62 (18): 188102.
doi:10.7498/aps.62.188102
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采用一锅水热法在180 ℃ 下制备三维Eu3+-石墨烯自组装复合材料. 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征了合成样品的物相及形貌特征. 结果表明: 合成的样品具有多孔性结构, 层与层之间堆叠成三维结构, 并且结果显示产物中没有Eu3+的团聚体. 经过拉曼光谱, 傅里叶红外光谱分析表明, Eu3+通过含氧官能团与石墨烯复合. 通过振动样品磁强计测定样品的磁滞回线, 对其磁学性能进行研究, 剥离顺磁信号后, 测得相应的矫顽力Hc ≈ 39.61 Oe(1 Oe=79.5775 A/m), 饱和磁化强度Ms ≈ 0.08 emu/g, 发现该产物具有弱的铁磁性, 与石墨烯相比, Eu3+的加入使得产物的铁磁性有较大提高.
2013, 62 (18): 188103.
doi:10.7498/aps.62.188103
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对国产六面顶压机平台下使用多晶种法合成宝石级金刚石单晶进行了系统的研究. 通过合理调整温度梯度法的合成腔体组装, 采用多晶种法, 探索多晶种法金刚石合成的压力和温度区间, 在单个合成腔体内放置3–5颗金刚石晶种, 成功合成出多颗(3–5)优质Ib型宝石级金刚石单晶. 多颗晶种的引入, 单次实验合成的多个金刚石晶体晶形及品质一致; 同时, 晶体的整体生长速度也有明显的增大. 多晶种法金刚石单晶合成的研究, 可以有效地利用腔体空间、提高单次金刚石单晶合成的效率, 解决压机大型化下高温高压资源利用率低的问题; 同时, 为宝石级金刚石单晶商业化生产提供重要的依据.
2013, 62 (18): 188104.
doi:10.7498/aps.62.188104
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采用纳米球刻蚀法结合热蒸发技术制备了银和氧化硅交替层叠的纳米颗粒阵列. 扫描隧道显微镜测量结果表明, 该纳米阵列呈锥形多层结构. 分光光度计测量样品表明, 该纳米阵列在近红外波段存在明显的透射谷, 该透射谷来源于金属纳米颗粒局域等离激元的激发, 随着金属/介质层数的增多, 透射谷的位置向短波方向移动. 利用HFSS软件对该纳米阵列进行了仿真, 并分析了透射谷蓝移的原因.
2013, 62 (18): 188105.
doi:10.7498/aps.62.188105
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作为新一代的半导体加工工艺, 直接金属纳米压印以其步骤简单、成本低等显著优点得到迅速的发展. 然而目前纳米压印中所采用的转移介质在流动状态下为牛顿流体, 牛顿流体的黏度是一个常量, 而假塑性流体具有黏度随着剪切速率的增大而逐渐减小的趋势, 更适用于纳米压印. 综合假塑性流体的剪切稀化特性以及直接金属图形转移的优点, 将不同大小的金属纳米粒子分散在基液中制成假塑性金属纳米流体并将其作为转移介质用于纳米压印中. 基于假塑性流体的Carreau流变模型利用COMSOL软件仿真分析金属纳米粒子假塑性流体参数集对图形压印转移的影响, 完成假塑性流体与牛顿流体分别作为转移介质实现图形转移的对比分析. 同时还得到了压印过程中影响填充度的各个因素, 如流体黏度、施加压强、掩模板移动速度等. 研究工作为金属纳米粒子假塑性流体制备以及纳米压印流程的设计提供了理论基础.
2013, 62 (18): 188106.
doi:10.7498/aps.62.188106
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在已有的几种溶质再分配计算模型的基础上, 建立了一个新的更为合理的溶质再分配模型.该模型充分考虑了枝晶生长过程中可能出现的固/液界面元胞的各种状态及其邻居元胞的各种状态, 根据这两者的不同状态, 分别建立不同的计算公式展开计算. 利用所建立的模型消除了原有的扩散控制的元胞自动机(CA)生长模型存在的在晶界处元胞不凝固的缺陷. 接着, 为了进一步验证模型的可靠性, 在Kurz-Giovanola-Trivedi方法控制的CA生长模型中引入新的溶质再分配计算模型, 对Al-4.7 wt%Cu 合金铸锭进行了模拟计算, 并与实验结果进行了金相组织和成分分布两方面的对比, 表明新模型具有较好的精确性.
2013, 62 (18): 188501.
doi:10.7498/aps.62.188501
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在磁通调制超导量子干涉器件(SQUID)的读出电路中, 匹配变压器具有放大信号和阻抗匹配的功能, 是实现SQUID低噪声读出的关键元件. 利用模拟SQUID电路对匹配变压器进行性能测试, 研究了不同绕制匝数变压器的传输特性, 确定最佳绕制匝数比. 在变压器拾取SQUID电压信号的耦合网络中, 研究了不同电容对变压器传输特性的影响, 实现了变压器耦合网络参数的匹配和优化. 室温下匝数比为1:20的匹配变压器在匹配电容C=1μF时, 输出源电压增益为21.2, 带宽范围可达到210 kHz. 最后在基于磁通调制式DC SQUID读出电路中, 对匹配变压器的工作性能进行了评估与验证.
2013, 62 (18): 188502.
doi:10.7498/aps.62.188502
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基于解析分析对比了大尺寸与深亚微米尺度下静态随机存取存储器(static random access memory, SRAM)单元单粒子翻转敏感性的表征值及引入累积辐照后的变化趋势. 同时借助仿真模拟计算了0.18 μm工艺对应的六管SRAM单元在对应不同累积剂量情况下, 离子分别入射不同中心单管时的电学响应变化, 计算结果与解析分析所得推论相一致, 即只有当累积辐照阶段与单粒子作用阶段存储相反数值时, SRAM单元的单粒子翻转敏感性才会增强.
2013, 62 (18): 188503.
doi:10.7498/aps.62.188503
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研究了反向衬底偏压VB下纳米N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中栅调制界面产生(GMG)电流IGMG特性, 发现IGMG曲线的上升沿与下降沿随着|VB|的增大向右漂移. 基于实验和理论模型分析, 得出了VB与这种漂移之间的物理作用机制, 漂移现象的产生归因于衬底偏压VB 调节了表面电势φs在栅电压VG 中的占有比重: |VB|增大时相同VG下φs会变小, φs 的变化继而引发上升沿产生率因子gr减小以及下降沿产生率因子gf增大. 进一步发现IGMG 上升沿与下降沿的最大跨导GMR, GMF 在对数坐标系下与VB成线性关系, 并且随着|VB|增加而增大. 由于漏电压VD在IGMG 上升沿与下降沿中的作用不同, 三种VD下GMR-VB曲线重合而GMF-VB曲线则产生差异. 增大VD 会增强gf 随VG的变化, 因此使得给定VB 下的GMF变大. 同时这却导致了更大VD下GMF-VB 曲线变化的趋势减缓, 随着VD从0.2 V变为0.6 V, 曲线的斜率s从0.09减小到0.03.
2013, 62 (18): 188701.
doi:10.7498/aps.62.188701
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通过分析光阱中颗粒位移信号特性, 建立描述粒子受限布朗运动过程的自回归模型, 进而提出了一种基于自回归模型的光阱中颗粒运动信号模拟的新方法. 对半径为1 μm的粒子处于光阱刚度分别为10, 20, 50 pN/μm 光阱时的位移信号进行了模拟, 得到的模拟位移信号的自相关函数与理论值相一致. 为了进一步阐明自回归模型的有效性, 在相同光阱参数下, 分别采用自回归模型与蒙特卡罗方法模拟光阱中微粒的位移信号, 采用功率谱法分别对两种模拟方法所得的微粒位移标定光阱刚度, 结果表明自回归模型方法能够取得和蒙特卡洛法相同的精度. 因此, 本文为分析光阱中粒子的随机运动提出了一种新的模拟方法, 可以用来对光阱中的噪声及特性进行分析.
2013, 62 (18): 188702.
doi:10.7498/aps.62.188702
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在混沌系统的同步控制中, 由于混沌系统对初始状态的敏感性, 一旦两个混沌系统的状态初值偏差大, 其状态同步往往需要高幅值的控制律来达到, 这给同步控制实现带来了困难, 并且在同步控制中, 两个混沌系统的初始值通常是未知的. 本文考虑控制输入受限情况下的混沌同步控制问题, 基于符号函数的近似表示式, 将受限的控制输入建模为连续可微的光滑函数, 在每一个采样点将同步控制误差系统近似为局部最优线性模型并设计连续型线性二次型调节器(LQR)最优控制律. 为降低混沌同步控制律的幅值和维持同步系统采样时刻之间的动态, 设计了等价的离散最优控制律, 并通过调整LQR性能加权矩阵值, 确保同步控制信号不会超出其受限的上界. 最后对统一混沌模型下的三种不同混沌系统同步控制进行了仿真研究. 仿真结果验证了方法的有效性.
2013, 62 (18): 188801.
doi:10.7498/aps.62.188801
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用inline方式全部近空间升华方法制备n-CdS/p-CdTe取得了～11%的转换效率(AM1.5). 把其中n-CdS层采用磁控溅射方法取得了～10%的转换效率(AM1.5). 基于其电流密度-电压(J-V)曲线和外量子效率曲线, 分析了其拟合关键参数对于电池性能的影响程度, 并从理论分析上把目前器件性能参数与当今前沿性能参数以及其理论值进行比较, 指出了如何提高电池转换效率(η)的方法: 提高开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因子(FF).
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (18): 189201.
doi:10.7498/aps.62.189201
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目前汛期预测主要针对季风系统形成的降水, 而对台风等热带系统的影响并未考虑, 其主要原因是台风是一个剧烈的天气尺度过程, 与短期气候预测尺度并不匹配, 因而无法进行考虑. 这也成为提升汛期预测技巧的一个制约因素. 针对这样的问题, 本文从气候的角度, 提出一个能较为客观地衡量台风对夏季降水影响强弱的指数––台风影响指数. 利用1960–2011年中国东部站点降水资料及中国气象局上海台风所整理的热带气旋资料, 从月、季尺度对中国夏季台风影响强弱变化特征进行分析, 探讨台风对东部地区夏季降水的贡献. 结果表明: 1)台风从6月至8月呈增强的趋势, 6月份最弱, 7月份居中, 8月份最强; 2)从台风降水及占总降水的比例分布来看, 纬向呈东部高西部低, 经向呈从东北地区至华南地区依次增大的趋势, 长江以南地区台风降水量占夏季降水量的比重可达10%以上, 7, 8月份东南沿海地区的台风降水量最大可达100 mm以上, 可达当月总降水量的40%; 3)台风影响指数与夏季降水的相关表明, 台风对中国东部降水的影响具有时、空差异性, 6月份与华南地区呈负相关, 7 月份与东南沿海地区呈正相关, 而与长江中下游地区呈负相关; 8月份与华南、华北地区呈正相关、与长江中下游地区呈负相关. 这主要是由台风、夏季风和西北太平洋副热带高压共同影响的.
2013, 62 (18): 189202.
doi:10.7498/aps.62.189202
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利用闪电光通道高速摄像、 地面电场变化和峰值辐射强度同步资料, 对比分析了负地闪连续电流阶段和人工触发闪电放电过程中M变化特征. 结果表明, 通道亮度资料能够辅助地面电场波形来准确判断是否为真实的M过程. 在经典M变化产生前及其过程中会产生很多快速电场变化MP(称为预M变化)变化, 大量MP促成了M变化. MP变化和K变化在脉冲特征上没有太多差别, 产生的物理机制是相似的. MP变化是连续电流阶段快速电场变化, 是击穿过程引起的电荷快速流动的结果, 并伴有通道突然增亮和高强度辐射. M变化脉冲波形多数为单极性, 有正有负, 少数呈现不规则变化, 持续时间在0.1 ms之内.而经典M变化的U 形结构只适用于近闪, 波形是静电场所致, 持续时间约0.2–0.8 ms. MP和K变化都是击穿所致, 只是MP变化有电荷流入原回击通道, 而K变化没有.
2013, 62 (18): 189203.
doi:10.7498/aps.62.189203
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GPS无线电掩星资料的良好特性使其作为十分重要的观测资料在欧洲 及美国数值天气预报中效果明显. 本文设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法和质量控制策略. 详细阐述了一维弯曲角正演算子及其切线性/伴随算子在全球四维变分资料同化系统中的实现步骤和过程, 其中折射率计算中采用Reger的折射率最佳平均因子的三项表达式, 计算出更加精确的折射率值. 对2012年8月份的GPS无线电掩星资料进行了观测误差统计, 引入了更加符合四维变分资料同化系统实际情况的一维弯曲角观测误差模型和质量控制策略. 同时, 对比了观测误差统计试验中同化GPS无线电掩星资料的模式背景场和未同化GPS无线电掩星资料的背景场的观测误差统计结果, 发现同化GPS无线电掩星资料之后的观测误差统计结果在全球区域正作用十分明显, 尤其是在中低纬度地区, 高度在10 km 以上的区域观测误差减小十分明显.
2013, 62 (18): 189204.
doi:10.7498/aps.62.189204
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自然界许多复杂系统的动力学结构因其受外强迫的作用, 常常会发生与人类生活密切相关的突变. 对突变做出准确预测并采取相应对策的有效途径就是检测. Fisher信息(FI)是一种能够敏锐捕捉并刻画系统变量的概率密度分布发生微小变化的量; 而当系统的动力学结构发生突变时, 来自突变前后两种不同动力学结构的数据其概率密度分布肯定会发生不同程度的改变. 基于此，本文将它用于检测和识别系统动力学结构所发生的突变, 以一种全新的思路来解决突变检测问题. 首先通过理想数据序列展示了使用FI来表征各种不同类型理想信号突变的能力. 进而应用于中国气象局国家气象信息中心“西北地区地面气候资料日值数据集”兰州站1960–2008年日平均气温资料的实际检测中, 结果表明与已有历史记载相符合, 进一步验证了该方法的有效性和实用性.