Vol. 66, No. 23 (2017)
2017年12月05日
总论
2017, 66 (23): 230302.
doi:10.7498/aps.66.230302
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介绍了路径纠缠微波及其生成原理，将生成信号以量子力学算符的形式表示，并在光子数态表象下展开，定性地给出了生成信号与压缩参量之间的关系.提出了一种路径纠缠微波信号质量评价方法，即通过信号中纠缠微波光子总数的期望值表征信号的纠缠度，间接实现对信号质量的评价.基于这种信号质量评价方法，提出了一种生成质量最优路径纠缠微波信号的压缩参量选取方法：在近似确定有效纠缠微波光子数的前提下，找出生成不同微波光子数纠缠概率最大时的一组压缩参量值，进而得出各个压缩参量值所对应的一组纠缠微波光子总数的期望值，其中的最大值对应的压缩参量值即为生成质量最优信号所要选择的压缩参量值.通过理论分析，发现路径纠缠微波信号质量由压缩参量决定，且只与压缩幅有关，而与压缩角无关.仿真实验结果表明，在纠缠微波光子数的最大有效值取为“26”时，纠缠微波光子总数期望值的最大值对应的压缩幅值为1.77，即压缩幅取此值时所得到的路径纠缠微波信号质量最佳，仿真结果表明该方法是有效的.本文的研究为路径纠缠微波在实验研究和实际应用中如何生成高质量信号的问题提供了思路.
2017, 66 (23): 230303.
doi:10.7498/aps.66.230303
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量子保密通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等主要形式.在量子密钥分发和秘密共享中，传输的是随机数而不是信息，要再经过一次经典通信才能完成信息的传输.在量子信道直接传输信息的量子通信形式是量子安全直接通信.基于量子隐形传态的量子通信（简称量子隐形传态通信）是否属于量子安全直接通信尚需解释.构造了一个量子隐形传态通信方案，给出了具体的操作步骤.与一般的量子隐形传态不同，量子隐形传态通信所传输的量子态是计算基矢态，大大简化了贝尔基测量和单粒子操作.分析结果表明，量子隐形传态通信等价于包含了全用型量子密钥分发和经典通信的复合过程，不是量子安全直接通信，其传输受到中间介质和距离的影响，所以不比量子密钥分发更有优势.将该方案与量子密钥分发、量子安全直接通信和经典一次性便笺密码方案进行对比，通过几个通信参数的比较给出各个方案的特点，还特别讨论了各方案在空间量子通信方面的特点.
2017, 66 (23): 230501.
doi:10.7498/aps.66.230501
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交通流时间序列的研究主要采用数据挖掘和机器学习的方法，这些“黑箱”挖掘方法很难直观反映序列特性.为增强交通流时间序列及其特征分析的可视化性，结合可视图理论来构建交通流时间序列的关联网络，从复杂网络角度实现交通流时间序列的特性分析.在网络构建的过程中，考虑到不同交通状态下交通流表征具有的差异性，首先利用交通流参量的相关性对交通流状态进行分类，然后构建不同交通状态下的时间序列复杂网络，并对这些网络的特征属性给出统计分析，如度分布、聚类系数、网络直径、模块化等.研究表明，可视图法可为交通流时间序列映射到网络提供有效途径，并且不同状态下交通流时间序列构建的复杂网络的模块化、聚类系数和度分布等统计特征呈现一定的变化规律，为交通流运行态势的研究提供了可视化的分析角度.
2017, 66 (23): 230102.
doi:10.7498/aps.66.230102
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利用数值有限差分法处理二维氢原子的基态波函数时，计算结果发现其存在着数值奇异特性.本文通过构造一套具有正交完备性的离散贝塞尔基函数，并结合基于Lanczos技术的数值精确对角化方法研究二维氢原子中的基态波函数的数值奇异特性，得到的波函数数值解及其相应的本征能量均与解析结果相一致.这套新的完备的离散贝塞尔基函数，可以在研究一些波函数具有数值奇异特性的体系中发挥至关重要的作用.
2017, 66 (23): 230301.
doi:10.7498/aps.66.230301
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玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案，研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学，得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明，当自旋相关光晶格关闭后，非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉，形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时，扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射，反射波与入射波产生二重干涉，在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡，干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识，为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.
2017, 66 (23): 230502.
doi:10.7498/aps.66.230502
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Chua系统展现出丰富的动力学行为，易于电路实现，因而成为混沌研究的经典范例.然而，现有针对Chua系统的研究大都局限于系统的正参数空间.基于分数阶的时域求解法，研究了分数阶Chua系统在负参数空间下的动力学行为.采用分数阶稳定性理论分析了系统平衡点的稳定性，用分岔图、最大李雅普诺夫指数研究了系统控制参数和阶次变化时系统的动力学行为.为了实验验证系统的动力学行为，采用运放、电阻、电容等模拟器件实现了负参数空间下的分数阶Chua系统，实验结果与数值仿真结果完全一致.该研究成果对进一步完善Chua系统，推动Chua系统在混沌中的应用具有参考价值.
2017, 66 (23): 230101.
doi:10.7498/aps.66.230101
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小基站通常部署在写字楼、商贸区等城市密集区域以弥补传统宏基站在覆盖和传输方面的不足.小基站的分布一般是根据高峰时的网络负荷设计的，这必然导致网络负荷较低时的资源浪费.讨论了在平均接入率和信道容量双重约束下基于休眠机理的三维小基站蜂窝网络的能效优化问题.借助泊松点过程理论推导了三维小基站网络下行信道容量和平均接入率的数学表达式.通过分析下行信道容量和平均接入率的单调性得出同时满足传输信道容量和接入率要求的最佳休眠概率.分析了小基站最大用户连接数的最佳值，通过对该参数的合理配置，可以在满足通信指标的前提下最大程度地降低网络能耗.仿真结果表明，设计的基站休眠机理可以使小基站网络的能耗下降约21%.
2017, 66 (23): 230503.
doi:10.7498/aps.66.230503
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针对目前大数据环境中存在的数据安全问题，提出一种基于Hadoop大数据平台和无简并高维离散超混沌系统的加密算法.算法采用流密码对称加密方式，在Hadoop平台上读取存储于HDFS（Hadoop distributed file system）的大数据，进行分片处理和MapReduce编程后，用Map函数实现数据并行加密和解密，通过Reduce函数实现数据的合并操作并存储于HDFS.该算法具有较好的执行效率.与正李氏指数发生简并的低维混沌系统相比，无简并高维离散超混沌加密算法能提高系统安全性能，李氏指数均为正并且足够大，具有更好的统计特性，可通过严格的TESTU01测试，并行加密的密文之间互相关性很小.密钥参数众多使得估计或辨识难度增大.在密文闭环反馈条件下，具有抵御已知明文攻击和选择明文攻击的能力.
2017, 66 (23): 230601.
doi:10.7498/aps.66.230601
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基于金刚石氮-空位色心对精确测量微弱静磁场进行了探索.金刚石氮-空位色心电子自旋的退相干时间高度依赖于外磁场，而不同的退相干特征时间对磁场的灵敏度不同.对金刚石氮-空位色心电子自旋在不同强度外磁场下的退相干过程进行模拟，得到不同退相干特征时间与磁场大小的高准确度关系，提出了基于响应度最高的退相干特征时间测量静态弱磁场大小和方向的方法，并分析了该方法测量静态弱磁场的灵敏度，证明该方法的测量灵敏度比一般磁场测量仪器更高.
2017, 66 (23): 230701.
doi:10.7498/aps.66.230701
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利用高温固相法合成Na2CaSiO4：Sm3+，Eu3+系列荧光粉末，研究了Sm3+和Eu3+掺杂对Na2CaSiO4晶体结构的影响、材料发光特性以及存在的能量传递现象.X射线衍射结果表明Sm3+和Eu3+单掺及共掺样品均为单相的Na2CaSiO4结构，晶体结构没有改变.Na2CaSiO4：Sm3+荧光样品在404 nm激发波长下呈现峰峰值为602 nm的橙红色荧光，来源于4G5/2→6H7/2跃迁.Na2CaSiO4：Eu3+荧光样品在395 nm激发波长下发射出峰峰值为613 nm的红色荧光.对光谱和荧光寿命的测试和分析结果表明Sm3+与Eu3+之间存在能量传递，通过理论计算得到Sm3+和Eu3+之间的能量传递临界距离为1.36 nm，相互作用形式为电四极-电四极相互作用.随着Eu3+掺杂浓度的增加，能量传递效率也逐渐提高至20.6%.
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2017, 66 (23): 230304.
doi:10.7498/aps.66.230304
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研究了具有三角自旋环的伊辛-海森伯链在磁场作用下的热纠缠性质.分别讨论了三角自旋环中自旋1/2粒子间相互作用的三种情形，即XXX，XXZ和XYZ海森伯模型.利用转移矩阵方法，数值计算了具有三角自旋环的伊辛-海森伯链的配对纠缠度.计算结果表明，外加磁场强度和温度对系统处于上述三种海森伯模型的热纠缠性质均有重要影响.给出了系统在不同的海森伯模型下，纠缠消失对应的临界温度随磁场强度的变化图，由此可以得到系统存在配对纠缠的参数区域，同时发现在特定的参数区域存在纠缠恢复现象.因此适当调节温度和磁场强度，可以有效调控具有三角自旋环的伊辛-海森伯链热纠缠性质.
原子和分子物理学
2017, 66 (23): 233301.
doi:10.7498/aps.66.233301
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分子离子I2+的禁戒跃迁光谱有可能用于测量α和μ常数的变化，并且具有增强的灵敏度.通过分析I2+在11860–13100 cm-1范围内的转动光谱，拟合了A2Π3/2-X2Π3/2系统31个振转带的5759根吸收谱线，得到5个属于X2Π3/2态和9个属于A2Π3/2态的振动能级准确的转动光谱常数.在量子噪声极限和1 Hz跃迁线宽的条件下，计算得到X2Π3/2和X2Π1/2之间的禁戒跃迁对α和μ常数变化测量的灵敏度为δα/α ≈ 2.37×10-19a-1和δμ/μ ≈ 1.18×10-18a-1.
2017, 66 (23): 233101.
doi:10.7498/aps.66.233101
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采用高精度的多参考组态相互作用方法计算OH分子基态和第一激发态的势能曲线.为获得更精确的计算结果，在计算过程中考虑Davidson修正、标量相对论效应、核价相关效应和自旋轨道耦合效应.基于计算的Λ-S和Ω态的势能曲线，对一维径向薛定谔方程进行数值求解，得到各个电子态的光谱数据，与已报道的实验值和理论值相符合.获得OH分子的永久偶极矩、跃迁偶极矩、振动能级、Franck-Condon因子及辐射寿命，结果表明，A2Σ+→X2Π跃迁具有高度对角化的Franck-Condon因子（0.9053）和短的辐射寿命（5.8363×10-7s），符合激光冷却分子的条件.制定了激光冷却OH分子的具体方案，计算得到激光冷却跃迁A2Σ+→X2Π所需的三束激光波长，主光束波长为307.1532 nm，两束重抽运激光波长为344.9163和349.7659 nm.计算结果为超冷OH分子的实验制备提供重要的理论依据.
2017, 66 (23): 233701.
doi:10.7498/aps.66.233701
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用包含偶极和四极虚势能项的非厄米哈密顿算符来描述Paul阱中囚禁阻尼单离子在静电场下的量子运动.通过导出和分析系统的精确解，得到在PT对称和不对称情形下的不同实能谱与稳定量子态，以及PT不对称情形的虚能谱和衰减量子态，同时给出相应于不同态的参数区域和存活概率.结果发现该非厄米系统外场参数能惟一确定量子稳定态并导致波函数形态变化，据此提出非相干操控相应量子跃迁的方法.让量子态衰减导致的离子位置期待值的衰减与经典阻尼谐振子的衰减一致，得到虚势能参数与经典阻尼参数的对应关系.所得结果将进一步丰富具有广泛应用背景的囚禁离子动力学.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2017, 66 (23): 234201.
doi:10.7498/aps.66.234201
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在结构光三维扫描测量中，强反射表面因编码结构光照射后易产生局部镜面反射的特性，引起相机曝光饱和，淹没了所要检测的表面几何特征信息.为解决强反射表面的视觉成像难题，基于数字微镜器件（digital micromirror device，DMD）具有调制入射光线空间信息的特性，本文提出一种基于DMD的自适应高动态范围成像方法.设计与搭建了一套新型可编程的计算成像系统，建立其光学系统模型，并实现了DMD微镜与CMOS像素的匹配与映射；分析了基于逐像素编码曝光的高动态范围成像原理，并设计了基于DMD的光强编码控制算法，实现对入射光线强度的自适应精确调制，从而使进入成像系统中的入射光强始终处于相机的合适曝光强度内.实验表明：该方法突破了普通数字相机的动态范围限制，能够精确地控制被测强反射表面各个区域的入射光线强弱，并实现了对强反射表面的局部过曝光区域的清晰成像.该研究成果将为从根源上解决强反射表面因局部过曝光造成的三维点云缺失问题提供重要的解决方案.
2017, 66 (23): 234202.
doi:10.7498/aps.66.234202
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提出了一种基于三维物体的多重菲涅耳计算全息水印方法.将水印信号作为虚拟三维物体的层面，首先结合分区复用层析法和菲涅耳双随机相位编码方法产生复噪声形式的水印信号；然后对水印信号的频谱作共轭对称处理实现实值编码；为减小对宿主全息图数字重建的影响，将水印信号的频谱设置于对宿主数字重建影响小的频谱非感兴趣区域；编码后的信号以一定强度叠加于宿主全息图，水印信号恢复无需原始宿主全息图信息，可实现盲提取，对宿主全息图重建像面的二维码可扫描识别.仿真测试结果表明，所提出的方法具有较好的透明性和稳健性，在宿主全息图遭受滤波、JPEG（联合图像专家小组）压缩、高斯噪声、剪切、旋转等各种攻击的情况下，不论对宿主还是水印信号仍具有良好的数字重建质量，对重建像面的二维码仍可扫描识别；而重建像面水印信号的无干扰可控重建后处理操作解决了不同层面水印信号之间的衍射干扰问题，提高了水印信号的重建质量.虚拟光学手段的应用丰富了水印信号设计方法并提升了算法的安全性.
2017, 66 (23): 234204.
doi:10.7498/aps.66.234204
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混沌外腔半导体激光器输出明显存在弛豫振荡特征，弛豫振荡频率小于外腔振荡频率时，外腔半导体激光器输出态是短腔机制；反之，外腔半导体激光器输出态是长腔机制.首先对比分析了弛豫振荡频率为5.6 GHz，腔长对频谱有效带宽的影响.然后同时调节注入电流和载流子寿命来大幅度地增加弛豫振荡频率.最后在弛豫振荡频率为40 GHz、腔长为毫米级（4–20 mm）时，实现由短腔机制到长腔机制的转换，进而分析了外腔反馈率和外腔长对外腔半导体激光器频谱带宽的影响.分析结果表明：短腔机制下，输出混沌态不稳定，0.1 mm的偏差就会导致混沌态与非混沌态之间的转化；长腔机制下，输出混沌态稳定，输出混沌区域较大，证明长腔机制下更有益于获得宽带连续的混沌区域.在弛豫振荡频率为40 GHz、外腔长度为毫米级时，实现了外腔半导体激光器的长腔机制，从而增大了高带宽混沌的参数空间.
2017, 66 (23): 234205.
doi:10.7498/aps.66.234205
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提出了一种基于混沌激光多位量化的高速物理随机数实时产生方法.利用外腔反馈混沌半导体激光器作为物理熵源，通过时钟速率为7 GHz的多位模数转换器对其采样量化，生成6位有效位的二进制随机比特，然后利用现场可编程软件抽取低2位有效位的随机序列并进行自延迟异或处理，获得了实时速率为14 Gb/s的物理随机数.该随机数具有良好的统计随机性，可成功通过随机数行业测试标准（NIST SP 800-22）.
2017, 66 (23): 234206.
doi:10.7498/aps.66.234206
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在高功率光纤放大器实验中，时常发现增益光纤抽运注入熔接点后10–50 cm处容易发生光纤烧毁现象.为了对该现象进行理论预测，基于光纤激光器速率方程模型和增益光纤的热传导模型，从种子功率、抽运功率和抽运吸收三个方面对掺镱双包层光纤放大器中的放大自发辐射（ASE）和温度特性进行研究.结果表明，在放大倍率较高、ASE较为严重等情况下，光纤放大器中的最高温度点一般不在抽运注入的熔接点处，而在距离熔接点10–50 cm处，与实验中发现光纤烧毁的位置基本符合.从光纤放大器的ASE抑制、最高温度点温度控制角度出发，对光纤放大器在种子功率、抽运功率、抽运吸收、放大倍率和抽运波长等方面的设计给出了指导性的建议.
2017, 66 (23): 234208.
doi:10.7498/aps.66.234208
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通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数，分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系，修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型，并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真，结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm，激光线宽在1 kHz，探测距离为100 m时，光学极限位移分辨率为0.266 nm，相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.
2017, 66 (23): 234501.
doi:10.7498/aps.66.234501
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数值测量了卸载过程中二维单分散圆盘颗粒系统的横波、纵波声速、声衰减系数、非线性系数随压强的变化以及声衰减系数随频率的变化.结果表明，二维（2D）圆盘颗粒体系的横波、纵波声速均随压强呈分段幂律标度：当压强P -4时，横波、纵波声速随压强的增大而减小；当P > 10-4时，有vt～ P0.202，vl～ P0.338.进一步得到其剪切模量和体积模量的比值G/B也随压强呈幂律标度，G/B ～ P-0.502，暗示在低压强下，与三维（3D）球形颗粒体系类似，2D圆盘颗粒体系也处于L玻璃态.水平激励和垂直激励下2D圆盘颗粒系统的衰减系数随频率变化也呈现分段行为：当频率f f变化；当f > 0.05时，横波纵波的衰减系数α ～ f；当f > 0.35时，横波衰减系数αT～ f2，纵波衰减系数αL～ f1.5.此外，竖直水平激励下的2D圆盘颗粒系统的非线性系数和衰减系数随压强也呈现与声速类似的分段规律：当P -4时，横波非线性系数βT～ P-0.230，其余都不随压强变化.当P > 10-4时，两者均随压强增大呈幂律减小：βT～ P-0.703，βL～ P-0.684，αT～ P-0.099，αL～ P-0.105.进而得到2D圆盘颗粒系统中散射相关的特征长度l*随压强呈幂律标度，当P -4时，l*～ P-0.595；当P > 10-4时，l*～ P0.236.
2017, 66 (23): 234701.
doi:10.7498/aps.66.234701
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为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理，提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法，并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播，采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明：无射流控制时，边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波，且二维波形式的第二模态占主导地位；壁面吹吸作用下，仅出现更加不稳定的第二模态，第一模态被抑制；速度-温度耦合控制下，射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著，射流温度与来流温度不同时，温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快，边界层速度型更加饱满，抗干扰能力增强，流动稳定性提高；高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动，扰动频率超过400 Hz时，第二模态扰动波时间增长率降低，扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快，第二模态更加稳定；扰动振幅减小为主流速度的1%时，仅出现时间增长率较小的第二模态，控制效果较好，进一步减小时，第一模态重新出现，并且波数范围与第二模态先重合后分离，对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.
2017, 66 (23): 234203.
doi:10.7498/aps.66.234203
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高功率窄线宽光纤放大器的输出功率主要受限于受激布里渊散射（SBS）效应，通过相位调制进行线宽展宽可以有效抑制SBS效应.基于窄线宽光纤放大器中的SBS动力学模型，研究了正弦信号、白噪声信号和伪随机编码信号（PRBS）对窄线宽光纤放大器光谱特性与SBS阈值的影响.研究发现，采用不同信号进行相位调制时，调制频率和调制深度等参数对调制后激光光谱的谱线间隔、谱线数目与光谱平整度的影响存在较大差异，进而影响放大器的线宽特性和SBS阈值.通过对比分析，给出了调制信号的类型选择和参数优化原则，能够为窄线宽光纤放大器的相位调制系统设计提供参考.
2017, 66 (23): 234207.
doi:10.7498/aps.66.234207
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空间频率模式的光子带隙反映了光波在周期性结构中的线性传输特性.以这种线性传输特性为基础，研究了蜂巢光子晶格中光波的无衍射和反常折射.通过详细分析带隙结构第一通带上的衍射与折射特性，得出了光波发生反常衍射和折射的入射条件.匹配不同的入射条件，数值模拟了光波的无衍射传输和反常折射现象.结果表明：将入射光束的波矢设置在蜂巢晶格布里渊区中正常、反常衍射区的交界处，可使高斯光束沿x轴、y轴方向的衍射得到有效抑制；以多光束干涉场作为入射光场，可对蜂巢晶格进行模式匹配，激发第二布里渊区的传输模式；进一步将模式匹配后入射光场的波矢设置在反常折射区，可实现光波的反常折射.
2017, 66 (23): 234301.
doi:10.7498/aps.66.234301
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北极海面冰层复杂多变，其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性，建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙，满足微扰边界条件，导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法，改变掠射角，对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.
2017, 66 (23): 234702.
doi:10.7498/aps.66.234702
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基于气泡边界层理论，引入黏性修正，采用边界积分法，考虑黏性效应和表面张力在单气泡以及双气泡耦合作用过程中的影响.首先将建立的数值模型与Rayleigh-Plesset的解析解进行对比，发现二者符合良好，验证了数值模型的有效性；在此基础上，建立考虑流体弱黏性效应的双气泡耦合模型，研究流体黏性和表面张力作用下，气泡表面变形、射流速度、流场能量转换等物理量的变化规律；最后研究雷诺数和韦伯数对于气泡脉动特性的影响规律.结果表明，流体黏性会抑制气泡脉动和气泡射流发展，降低气泡半径和射流速度；表面张力不改变气泡脉动幅值，但缩短了脉动周期，提升气泡势能.
气体、等离子体和放电物理
2017, 66 (23): 235201.
doi:10.7498/aps.66.235201
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基于多组分混合物质量分数模型，采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法，数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF6界面后，界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后，因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近，形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起，同时旋涡之间不断发生相互并对，诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应，使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后，涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速，使得物质界面沿壁面伸展，随后，旋涡从壁面回弹，并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程，能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理，分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2017, 66 (23): 237401.
doi:10.7498/aps.66.237401
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采用基于密度泛函理论的平面波赝势法，对钾钡共掺杂情形下菲分子晶体的结构、能带、电子态密度、形成能、电荷转移等电子特性进行系统的研究.通过对比计入范德瓦尔斯力作用前后晶体结构的差异，说明计算中包含范德瓦尔斯力修正的重要性.从形成能的角度证明了共掺杂的可行性和稳定性.在钾钙、钾锶、钾钡等共掺杂元素组合中，K1Ba1-菲中平均每个金属原子的形成能为-0.25 eV，远大于K1Sr1-菲和K1Ca1-菲中的-0.13和-0.04 eV，钾钡共掺杂是最合理的方案.只有单双价金属共掺杂，才能使分子呈现负三价.此时，菲分子最低未占据轨道（LUMO）和LUMO+1轨道组成的能带正好位于费米能级处，K1Ba1-菲呈现金属性.费米能级处的态密度为17.3 eV-1，电子态主要来自于碳原子的2p轨道，钡原子的5d轨道也有少许贡献.从理论模拟的角度研究了K1Ba1-菲的晶体结构和电子特性，在已有实验和理论研究尚未涉及共掺杂的背景下，提出了不同价态金属共掺杂方案，为制备芳烃有机超导体样品和调制体系电子结构提供了新的研究思路.
2017, 66 (23): 237801.
doi:10.7498/aps.66.237801
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金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应（LSPR），可以增强附近荧光分子的自发辐射速率，因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关，这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法，研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响；计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强，并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明：银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度；同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用，其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响，发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用，从而改善发光二极管性能.
2017, 66 (23): 237101.
doi:10.7498/aps.66.237101
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针对氢化非晶硅薄膜晶体管（hydrogenated amorphous silicon thin film transistor，a-Si：H TFT）的低频噪声特性展开实验研究.由测量结果可知，a-Si：H TFT的低频噪声特性遵循1/fγ（f为频率，γ ≈ 0.92）的变化规律，主要受迁移率随机涨落效应的影响.基于与迁移率涨落相关的载流子数随机涨落模型（ΔN-Δμ模型），在考虑源漏接触电阻、局域态俘获及释放载流子效应等情况时，对器件低频噪声特性随沟道电流的变化进行分析与拟合.基于a-Si：H TFT的亚阈区电流-电压特性提取器件表面能带弯曲量与栅源电压之间的关系，通过沟道电流噪声功率谱密度提取a-Si：H TFT有源层内局域态密度及其分布.实验结果表明：局域态在禁带内随能量呈e指数变化，两种缺陷态在导带底密度分别约为6.31×1018和1.26×1018 cm-3·eV-1，特征温度分别约为192和290 K，这符合非晶硅层内带尾态密度及其分布特征.最后提取器件的平均Hooge因子，为评价非晶硅材料及其稳定性提供参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2017, 66 (23): 238101.
doi:10.7498/aps.66.238101
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采用直流磁控溅射与后退火工艺相结合的方法，在掺氟SnO2（FTO）导电玻璃基底上制备了高质量的掺钨VO2薄膜，对薄膜的结构、表面形貌和光电特性进行测试，分析了钨掺杂对其相变性能的影响.结果表明，室温下掺钨VO2薄膜的阈值电压为4.2 V，观察到阈值电压下约有两个数量级的电流突变.随着温度升高，相变的阈值电压降低，且电流突变幅度减小.当施加8 V电压时，分别在不同温度下测试了掺钨VO2薄膜的透过率.温度为20和50℃时，掺钨VO2薄膜相变前后的红外透过率差量分别为23%和27%.与未掺杂的VO2薄膜相比，掺钨VO2薄膜具有相变温度低、阈值电压低和电阻率小的特点，在高速光电器件中有广阔的应用前景.
2017, 66 (23): 238801.
doi:10.7498/aps.66.238801
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锂离子电池的精确建模和状态估计对于电动汽车电池管理系统非常重要，准二维（P2D）电化学模型由于计算复杂，难以直接应用于电池管理的参数在线估计和实时控制中.本文基于多孔电极理论和浓度理论，提出一种考虑锂离子液相动力学的简化准二维（SP2D）模型.忽略锂离子孔壁流量沿电极厚度方向的变化求解SP2D模型所描述的锂离子电池锂浓度分布，基于锂离子电池电化学平均动力学行为求解固相和液相电势变化，推导出电池电压计算的简化表达式；采用恒流、脉冲以及城市循环工况放电电流对比分析了严格P2D模型与SP2D模型的终端电压和浓度分布.结果表明：SP2D模型在保持较高计算精度的同时，可显著提高计算效率.
2017, 66 (23): 238501.
doi:10.7498/aps.66.238501
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基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了多种过渡金属（TM）掺杂扶手椅型氮化硼纳米带（ABNNR-TM）的结构特点、磁电子特性及力-磁耦合效应.计算的结合能及分子动力学模拟表明ABNNR-TM的几何结构是较稳定的，同时发现对于不同的TM掺杂，ABNNRs能表现出丰富的磁电子学特性，可以是双极化磁性半导体、一般磁性半导体、无磁半导体或无磁金属.双极化磁性半导体是一种重要的稀磁半导体材料，它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的应用.此外，力-磁偶合效应研究表明：ABNNR-TM的磁电子学特性对应力作用十分敏感，能实现无磁金属、无磁半导体、磁金属、磁半导体、双极化磁性半导体、半金属等之间的相变.特别是呈现的宽带隙半金属对于发展自旋电子器件有重要意义.这些结果表明：可以通过力学方法来调控ABNNR-TM的磁电子学特性.
编辑推荐
2017, 66 (23): 238701.
doi:10.7498/aps.66.238701
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钙离子（Ca2+）是生物体内一种“生死攸关”的信号分子，Bcl-2蛋白可以直接或间接调节IP3R通道释放Ca2+的能力，借此决定细胞命运.本文基于新近的实验成果，针对Bcl-2蛋白间接调控Ca2+的信号通路建立数学模型，得到了与实验数据相符合的结果，从理论上证明了Bcl-2蛋白对钙信号有抑制作用.在对模型进行鲁棒性检验之后，本文对该信号通路中一些关键组分的作用进行了预测.以[IP3]和[Bcl-2]为双分岔参数分析的结果表明Bcl-2对刺激强度能产生Ca2+振荡的区域有重要影响.以蛋白磷酸酶1[PP1]和蛋白激酶A[PKA]为单分岔参数分析的结果揭示：PP1可以有效地抑制钙信号，而PKA对钙信号的促进作用有一定的局限性.模型结果表明，不同浓度组合的IP3，Bcl-2和PKA会对钙信号发挥复杂的调控作用.本文不仅对相关生物学实验有一定的指导作用，而且可为治疗因钙信号失调而导致的疾病提供思路.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2017, 66 (23): 236201.
doi:10.7498/aps.66.236201
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利用第一性原理研究了InOOH在高压下的氢键对称化行为及其对InOOH弹性等性质的影响.结果表明约在18 GPa时InOOH中的氢键发生了对称化转变，导致轴比率b/c对压力的斜率由负值变为正值；压缩弹性常数、非对角弹性常数、体积模量和纵波波速出现异常增加，如体积模量增加了20%40%.高压下InOOH弹性性质呈现出更加明显的各向异性.常压下InOOH呈现韧性，且伴随着氢键对称化韧性异常增加.对畸变金红石型MOOH（M=Al，In，Ga，Fe，Cr）化合物在高压下的弹性性质转变与氢键性质转变的耦合规律进行了初探.