凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2018, 67 (21): 217501.
doi:10.7498/aps.67.20181129
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构建只含有一种过渡金属元素的half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi.采用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法计算half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi的电子结构.计算结果表明，VLiBi和CrLiBi是半金属性铁磁体，它们的半金属隙分别是0.25 eV和0.46 eV，晶胞总磁矩分别为3.00 μB和4.00 μB.磁性计算结果显示，晶胞总磁矩主要来源于V和Cr的原子磁矩，Li和Bi的原子磁矩较弱，而且Bi的原子磁矩为负值.利用平均场近似方法计算合金的居里温度TC，VLiBi和CrLiBi的居里温度（TC）的估算值分别为1401 K和1551 K.使晶格常数在±10%的范围内变化，分别计算VLiBi和CrLiBi的电子结构.计算研究表明，晶格常数在-5.6%–10%和-6.9%–10%的范围内变化时VLiBi和CrLiBi仍具有半金属性，并且晶胞总磁矩稳定于3.00 μB和4.00 μB.采用局域密度近似（LDA）+U（电子库仑相互作用项）的方法计算VLiBi和CrLiBi的电子结构，当U的取值增大到5 eV时VLiBi和CrLiBi仍保持半金属性.此外，采用考虑自旋-轨道耦合（spin-orbit coupling，SOC）效应的广义梯度近似（GGA）+SOC方法计算VLiBi和CrLiBi的电子结构，计算结果显示有微弱的自旋向下能带穿过费米能级，此时VLiBi和CrLiBi在费米面处的自旋极化率分别为98.8%和94.3%，它们的晶胞总磁矩分别为3.03 μB和4.04 μB.VLiBi的半金属性几乎不受SOC效应的影响，而CrLiBi在费米面处仍有较高的自旋极化率.
2018, 67 (21): 217101.
doi:10.7498/aps.67.20181297
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尺寸效应和拓扑阻挫能够在有限石墨烯纳米片段中形成磁有序，本文对能够产生大自旋或电子自旋反铁磁耦合的石墨烯有限片段进行合理分类，提出几种能够作为基本逻辑门的特殊结构并对其进行第一原理电子结构计算，为设计高密度超快自旋器件提供了有效方案和理论依据.计算结果证明：基于有限石墨烯片段的逻辑门结构能够在室温下进行错误率较低的可纠错运算.
2018, 67 (21): 217201.
doi:10.7498/aps.67.20181509
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提出了采用双波长自由载流子吸收技术同时测量半导体材料载流子体寿命和前表面复合速率的方法.通过数值模拟，定性分析了不同载流子体寿命和前表面复合速率对信号的影响，同时对测量参数的可接受范围和不确定度进行计算并与传统频率扫描自由载流子吸收方法测量结果进行比较.结果表明：提出的双波长自由载流子吸收方法可明显减小载流子体寿命和前表面复合速率的测量不确定度，提高参数测量精度；表面杂质和缺陷越多的样品，其前表面复合速率测量不确定度越小.进一步分析表明，此现象与不同波长激光抽运产生的过剩载流子浓度分布不同有关.
2018, 67 (21): 217301.
doi:10.7498/aps.67.20181479
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石墨烯材料应用于多种电子器件时不可避免地要与金属电极接触，它们之间的接触电阻直接影响了器件的性能.为了揭示影响金属电极与石墨烯间接触电阻的因素，提出有效地抑制这些影响的措施，本文建立了一种求解接触电阻的物理模型，将载流子的输运分为金属与正下方石墨烯之间、正下方石墨烯与邻近石墨烯之间的两个过程，分别研究各个过程的输运概率；结合金属电极与石墨烯接触对载流子分布的影响分析接触电阻，据此分别探讨了金属电极材料、栅极电压、掺杂浓度、金属与石墨烯原子距离等对接触电阻的影响.为验证理论分析结果的正确性，制作了金与石墨烯接触的实验样品，实验测得的接触电阻与理论分析结果符合.理论分析结果表明，可通过选择与石墨烯功函数接近的金属材料，降低二氧化硅层厚度，增加载流子平均自由程，改进金属材料的表面形态使其更光滑，减小金属与石墨烯耦合长度等方法降低石墨烯与金属电极的接触电阻.
2018, 67 (21): 217102.
doi:10.7498/aps.67.20180882
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基于密度泛函理论的第一性原理方法，本文计算了单层2H相MoSe2纳米材料表面及两种边缘（Mo原子边缘、Se原子边缘）不同活性位点、不同氢原子吸附率下的氢吸附吉布斯自由能（Gibbs free energy，用△GH0表示），并且将对应的微观结构进行了系统分析比较，得出△GH0最接近于0 eV的吸附位点及相应的吸附率.同时，结合差分电荷密度和电负性理论，分析了单层MoSe2两种边缘氢吸附的电荷转移及成键特性，进一步解释了不同吸附位点呈现的结构与能量趋势.最后，通过基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学模拟，研究了高温热运动对两种边缘氢吸附的影响，获得了氢原子发生脱附的临界温度及对应的微观动态过程.该理论研究从原子尺度揭示了单层2H相MoSe2纳米材料边缘不同位点在不同温度下对氢原子吸附和脱附的微观机理，证实了Mo原子边缘的畸变和重构行为，加深了对实验中单层2H相MoSe2边缘在不同温度下氢吸附机理的理解，为实验中通过控制MoSe2边缘设计廉价高效的析氢催化剂提供理论参考.
2018, 67 (21): 217802.
doi:10.7498/aps.67.20181191
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基于热电子发射和热电子场发射模式，利用I-V方法研究了Pt/Au/n-InGaN肖特基接触的势垒特性和电流输运机理，结果表明，在不同背景载流子浓度下，Pt/Au/n-InGaN肖特基势垒特性差异明显.研究发现，较低生长温度制备的InGaN中存在的高密度施主态氮空位（VN）缺陷导致背景载流子浓度增高，同时通过热电子发射模式拟合得到高背景载流子浓度的InGaN肖特基势垒高度和理想因子与热电子场发射模式下的结果差别很大，表明VN缺陷诱发了隧穿机理并降低了肖特基势垒高度，相应的隧穿电流显著增大了肖特基势垒总的输运电流，证实热电子发射和缺陷辅助的隧穿机理共同构成了肖特基势垒的电流输运机理.低背景载流子浓度的InGaN肖特基势垒在热电子发射和热电子场发射模式下拟合的结果接近一致，表明热电子发射是其主导的电流输运机理.
2018, 67 (21): 217803.
doi:10.7498/aps.67.20181337
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二维层状碳化硅（two-dimensional layered silicon carbide，2d-SiC）是一种类石墨烯结构的半导体，在非线性光学频率转换上具有潜在的应用.本文基于第一性原理高精度全电子势线性缀加平面波结合态求和方法研究了层叠和拉伸下类石墨烯2d-SiC结构的非线性二次谐波系数.非线性过程物理源分析表明，三带项构成的单粒子跃迁过程是2d-SiC结构的二次谐波过程的主要微观跃迁机制，电子的带间运动显著受到带内运动的调谐，π电子离域带对非线性过程有重要贡献.理论上给出了2d-SiC结构的二次谐波系数的角度依赖，为实验研究提供理论参考.拉伸可导致不同频率的二次谐波增强.
2018, 67 (21): 217801.
doi:10.7498/aps.67.20181170
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本文基于拓扑优化方法设计并制备了一种宽频吸波复合材料，该吸波复合材料由高强玻璃纤维透波板、电阻损耗型超材料、聚氨酯泡沫和碳纤维反射板组成.仿真及测试结果表明，该吸波复合材料在2–18 GHz频段内的平板反射率均小于-12 dB.并且由于采用高强玻璃纤维及碳纤维复合材料作为面板层，聚氨酯泡沫作为芯材，因此该吸波复合材料不仅在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率，同时还具有质量轻、耐高温、耐低温、耐湿热、抗腐蚀等特点，便于实现吸波与力学性能及耐环境性能的兼容，具有一定的工程应用价值.
总论
2018, 67 (21): 210601.
doi:10.7498/aps.67.20181274
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光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源，在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿，在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛，能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源，基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹，实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到，并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距，测量相对误差为1.9×10-7.
2018, 67 (21): 210501.
doi:10.7498/aps.67.20180789
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为解决在强噪声背景下获取超声信号的难题，基于粒子群优化算法和稀疏分解理论提出一种强噪声背景下微弱超声信号提取方法.该方法将降噪问题转换为在无穷大参数集上对函数进行优化的问题，首先以稀疏分解理论和超声信号的结构特点为依据构建了粒子群优化算法运行所需要的目标函数及去噪后信号的重构函数，从而将粒子群优化算法和超声信号降噪联系在一起；然后根据粒子群优化算法可以在连续参数空间寻优的特点建立了用于匹配超声信号的连续超完备字典，并采用改进的自适应粒子群优化算法在该字典中对目标函数进行优化；最后根据对目标函数在字典上的优化结果确定最优原子，并利用最优原子按照重构函数重构出降噪后的超声信号.通过对仿真超声信号和实测超声信号的处理，结果表明本文提出的方法可以有效提取信噪比低至-4 dB的强噪声背景下的微弱超声信号，且和基于自适应阈值的小波方法相比本文方法表现出更好的降噪性能.
2018, 67 (21): 210502.
doi:10.7498/aps.67.20180072
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具有中心频率的窄带随机振动是一种典型的环境振动，其振动特征与环境的变化密切相关.本文以双稳压电悬臂梁能量采集系统为研究对象，分析系统在不同磁铁间距下的等效线性固有频率特性，以带通滤波器输出一定带宽的窄带随机激励模拟环境振动，研究系统的响应和能量采集特征.研究表明，对于一定带宽的窄带随机激励，一方面系统始终存在一个固定的磁铁间距使其输出达到峰值，另一方面当激励中心频率在一定范围内变化时，系统还分别存在另外两个或一个不同磁铁间距也能使系统输出达到峰值，而且该峰值特性是系统在其等效线性固有频率处诱导双稳或单稳“共振”形成的.研究结果可为具有窄带随机激励特征的振动能量采集提供一定的理论和技术支持.
2018, 67 (21): 210701.
doi:10.7498/aps.67.20181288
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为解决多谱段降质图像增强问题，提出了一种基于光照-反射成像模型和形态学操作的多谱段图像增强算法.首先对图像饱和度使用自适应非线性拉伸函数进行拉伸，使增强后的图像色彩更加饱和、自然；接下来利用引导滤波算法提取出图像的光照分量，提出了一种基于细节特征的加权融合策略，利用光照分布特性构造了一种自适应Gamma校正函数对光照分量进行处理，并将其与利用对比度受限的自适应直方图均衡化方法处理后的光照分量以及原始光照分量进行融合；然后在反射分量校正时，构造了一种形态学操作函数来校正反射信息；最后合并光照分量和反射分量，并与处理后的饱和度分量和色调分量一起得到增强图像.采用主客观评价指标对可见光低照度图像、水下图像、高动态范围图像、沙尘暴图像、雾天图像和热红外图像6种降质多谱段图像实验结果进行分析比较，结果表明本文算法能够有效地抑制图像噪声、增强图像细节信息、改善图像视觉效果，可应用于多种图像增强领域.
2018, 67 (21): 210702.
doi:10.7498/aps.67.20180493
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NVThermIP模型作为经典的性能模型，在指导红外系统参数的设计优化方面略有不足，因此需要构建更科学合理的综合评估模型.在经典模型基础上，结合人眼噪声的理论和实验研究，利用噪声等效温差修正了系统的对比度阈值函数.并利用现有的红外系统实验数据，对修正后的模型进行图像模糊和不同距离下辨识两方面验证，结果证明该模型具有很高的预测精确度，可为新型系统设计分析提供可靠的依据和理论指导.
原子和分子物理学
2018, 67 (21): 213101.
doi:10.7498/aps.67.20180974
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研究表明分子器件的性能受器件结构搭建精度影响，分子与电极接触构型的微弱变化可能引起电输运特性较大差异.本文运用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，研究了由金纳米线与benzene-1，4-dithiol（BDT）形成的分子结的电输运性质.通过对不同的Au-BDT接触构型输运性质的研究，发现当两电极处于对位构型时，有较好的电荷输运行为，而且比较符合制备工艺要求；当电极偏离轴线的角度不大于5°，且电极散射截面尺寸不小于4×4时，该分子结体系的电导和透射谱均比较稳定.电极截面尺寸小于4×4或者电极偏离轴线的夹角大于5°时，透射谱在费米能级附近出现不连续现象，导致体系电导降低.较小电极截面尺寸或者电极以较大角度偏离轴线将导致该分子结体系电导降低和透射谱连续性降低，主要是组成电极的金原子轨道与苯基分子轨道耦合缺失造成的.该研究为Au-BDT-Au体系设计和制备过程中电极的位置及电极截面尺寸做了科学的界定.
2018, 67 (21): 213102.
doi:10.7498/aps.67.20181228
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基于第一性原理的密度泛函理论和平面波超软赝势法，采用广义梯度近似算法研究了Sb，S两种元素共掺杂SnO2材料的电子结构与电学性质.电子结构表明：共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体；电荷密度分布改变，S原子与Sn，Sb原子轨道电子重叠加剧.能带结构表明，Sb，S共掺SnO2在能带中引入新的能级，能带带隙相比于单掺更加窄化，费米能级进入导带表现出类金属特性.电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性：在价带中部，S原子轨道与Sn，Sb轨道发生杂化，电子转移加剧，价带顶部被S 3p轨道占据，提供了更多的空穴载流子，价带顶上移；随着S掺杂浓度的增加，带隙宽度继续减小，导带逐渐变窄，导电性能呈现越来越好的趋势.
2018, 67 (21): 213201.
doi:10.7498/aps.67.20181168
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基于马赫-曾德尔干涉仪和平衡零拍探测技术研究了Cs原子6S1/2↔6P3/2↔62D5/2Rydberg态阶梯型三能级系统电磁诱导透明效应中耦合光场的噪声向探测光场相位噪声的转移特性.实验中探测光频率锁定在Cs原子6S1/2↔6P3/2态共振跃迁线上，通过扫描6P3/2到62D5/2态跃迁的耦合光频率，测量了Rydberg态电磁诱导透明光谱.利用探测光经过声光调制器后的一级衍射光实现了马赫-曾德尔干涉仪的相位锁定，测量了不同锁定相位情况下的电磁诱导透明光谱，实验结果与阶梯型三能级系统的理论计算结果符合得很好.在此基础上详细研究了耦合光频率共振在6P3/2到62D5/2态跃迁线上时，耦合光频率噪声向探测光相位噪声的转移特性，发现耦合光频率噪声转移效率在高频处显示出较明显的抑制.同时观察到耦合光在不同失谐情况时，随着耦合光功率的改变，探测光相位噪声的变化特征表现出明显差异.
2018, 67 (21): 213301.
doi:10.7498/aps.67.20181469
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基于完全活性空间自洽场方法和多参考组态相互作用（multi-reference configuration interaction method，MRCI）方法，采用MRCI+Q/CBS（TQ5）+CV+SR（方法A）和aug-cc-pwCVnZ-DK（n=T，Q，5）（方法B）方案，分别计算了包含Davidson修正（+Q）、芯-价电子关联（core-valence correlation correction，CV）效应以及标量相对论（scalar relativistic，SR）效应的CO分子的基态X1∑+和激发态a3Π，a'3∑+和A1Π的势能曲线.在此基础上，获得了这些电子态的振-转谱.通过与实验结果比较发现：方法A适合a'3∑+和A1Π等较高激发态的振-转谱的计算，方法B更适合基态X1∑+和第一激发态a3Π的振-转谱的精细计算.该研究可以为其他小分子高精度振-转谱快速计算方案选择提供参考.
2018, 67 (21): 213401.
doi:10.7498/aps.67.20181321
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以超冷Xe原子感应冷却NH（X3∑-）分子实验为背景，理论研究磁场中Xe和NH的冷碰撞动力学性质.通过从头算方法得到了解析表达的Xe-NH体系势能面，并在此基础上采用量子动力学计算方法，研究了磁场条件下NH低场追索态（n=0，mj=1）的冷碰撞塞曼弛豫截面.结果表明超冷Xe原子感应冷却NH分子可能在实验上难以实施.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2018, 67 (21): 214202.
doi:10.7498/aps.67.20181570
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操控多路激光脉冲之间的相对延时（相对相位）对于亚周期相干合成技术意义重大.当周期量级脉冲之间的相对延时接近数十飞秒时，常见的飞秒脉冲测量手段已无法满足脉冲之间相对相位的精确调控需求.本文基于瞬态光栅频率分辨光学开关装置，精确反演出脉冲之间的相对相位.此方案不仅有助于直接产生亚周期（亚飞秒）脉冲，还可应用于时间隐身学和二维相干光谱学等相关领域.
2018, 67 (21): 214208.
doi:10.7498/aps.67.20180611
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设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板，并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比，新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低，并且带宽扩大了5倍；通过在压电体表面上施加不同的电边界条件，可以实现多条完全带隙的主动调控；压电效应对能带结构有很大的影响，并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性，分析了可切换路径的压电声子晶体板波导，结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.
2018, 67 (21): 214206.
doi:10.7498/aps.67.20181112
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可见光通信作为一种新型无线通信技术，在海上舰船场景中的应用吸引了广泛的关注.海上可见光通信系统受多种因素的影响，包括海浪随机起伏和大气湍流，大气湍流将导致可见光信号的强度随机波动，降低可见光通信系统在大气中的链路质量.本文基于对数正态衰减分布，建立了采用重复编码的海上可见光通信的链路评估模型.在此基础上，根据Pierson-Moskowitz海谱，分析了海上风速、大气折射率结构常数、能见度、重复编码分集度以及接收器孔径对可见光通信系统平均误码率的影响.本文提出的海上大气链路评估模型可为海上可见光通信网络的搭建提供重要参考.
2018, 67 (21): 214201.
doi:10.7498/aps.67.20180307
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提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上，当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递，并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处，依据石墨烯的优先吸收特性，通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收，实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB，调制带宽约为50 nm，调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比，输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.
2018, 67 (21): 214203.
doi:10.7498/aps.67.20180572
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在采用自旋反转模型分析垂直腔面发射激光器（VCSELs）动力学行为的过程中，为了正确预测VCSELs的动力学行为，需要准确给出自旋反转模型中光场衰减速率k、总反转载流子衰减速率N、线性二向色性系数a、线性双折射系数p、自旋反转速率s和线宽增强因子这6个特征参量.本文对1550 nm VCSELs在自由运行和平行光注入下的输出特性进行实验分析，获取了这6个特征参量的值，并着重研究了当激光器温度在10.0030.00 ℃范围内变化时，这6个特征参量呈现的变化趋势.研究结果表明，随着温度的逐渐升高，p整体呈现逐渐增加的趋势，a，s，N和k呈现复杂的变化趋势，而则呈现逐渐减小的趋势.
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2018, 67 (21): 214205.
doi:10.7498/aps.67.20181574
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超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射，获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲，可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程，实验结果表明，在较大入射角下，圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长，发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序，分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响，很好地解释了实验观测结果.
2018, 67 (21): 214207.
doi:10.7498/aps.67.20180786
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研究一维非局域三-五次非线性模型下，暗孤子和多极暗孤子的新解和传输特性.发现非局域程度和非线性参量变化对暗孤子的峰值和束宽产生影响，并且在特定的竞争非局域非线性参数下存在稳定基态暗孤子和多极暗孤子的束缚态.另外，讨论了在局域自聚焦三次和非局域自散焦五次非线性介质中暗孤子和两极暗孤子的传输特性，发现孤子比在自散焦三次和自聚焦五次的非线性介质中传输更加稳定.进一步研究了单暗孤子和三极暗孤子的功率与传播常数和非局域程度的关系，并讨论了不同类型暗孤子的线性稳定性问题.
2018, 67 (21): 214401.
doi:10.7498/aps.67.20180743
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层合材料各层热物理参数不同，难以用常规的分离变量法求解.针对此问题对常规分离变量法进行了拓展，将层合材料受热时的温度场在时间域上分成微小时间段，在每个微小时间段内层合材料交界处的温度可认为随时间正比变化，并假设比例系数，此时在微小时间段内对各层分别利用分离变量法单独求得解析解，根据交界处温度相等能量连续的关系可求出比例系数，进而求出该微小时间段内的温度场，通过循环求解可得整个时间段内的温度场.之后，利用拓展的分离变量法对常用层合隔热材料瞬态传热进行了分析，通过与有限元方法计算的结果比较，验证了本文方法的正确性，分析了隔热材料类型、厚度，材料表面对流换热系数，空气温度等参数对隔热效果的影响.拓展分离变量法利用解析的方式求解了层合材料瞬态传热问题，物理意义比常规的数值方法明确，计算效率也较高.
2018, 67 (21): 214701.
doi:10.7498/aps.67.20181192
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在马赫数6、单位雷诺数3.1×106/m的条件下对半锥角7°直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动，分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量，通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现，相比于不添加激光聚焦扰动的结果，添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前，且扰动波的幅值大幅度地增加，在相同的流向范围内，激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段，其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时，激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时，边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快，在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81，相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时，边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz，相同范围内，其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见，当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时，其对边界层中扰动波的影响更为显著.
2018, 67 (21): 214702.
doi:10.7498/aps.67.20181343
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三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段，是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下，非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因；但是，前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此，本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制；揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响；建立在不同椭圆形前缘曲率情况下，三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系；详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论，为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.
2018, 67 (21): 214703.
doi:10.7498/aps.67.20181020
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针对含可溶性活性剂的垂直液膜排液过程，在考虑表面弹性作用的基础上，采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度、表面和内部活性剂浓度的演化方程组，通过数值计算分析了表面弹性和活性剂溶解度耦合作用下的液膜演化特征.结果表明：表面弹性是影响可溶性活性剂垂直液膜排液过程中必不可少的因素.排液初期，随表面弹性增加，液膜初始厚度增大，表面更趋于刚性化.随排液进行，弹性不同的液膜呈现不同的典型排液特征：当弹性较小时，液膜上部表面张力高，下部表面张力低，产生正向的马兰戈尼效应，与重力作用相抗衡.当弹性较大时，膜上部表面张力低，下部表面张力高，产生逆向的马兰戈尼效应，促使液膜排液加速，更易发生失稳.活性剂溶解度通过控制液膜表面的活性剂分子吸附量，进而影响表面弹性：当活性剂溶解度较大时，液膜厚度较小，很快发生破断；随溶解度降低，液膜稳定性增加，初始表面弹性也随之增大，并随液膜变薄逐渐接近极限膨胀弹性值.
2018, 67 (21): 214704.
doi:10.7498/aps.67.20172501
摘要 +
基于固体炸药爆轰过程中化学反应混合区内的固相反应物与气相生成物处于力学平衡状态及热学非平衡状态的事实，提出一种考虑热学非平衡效应的反应流动模型来描述固体炸药的爆轰流动现象.该爆轰流动模型的主要特点是，在反应混合物Euler方程和固相反应物质量守恒方程的基础上，通过附加一套关于固相反应物的组分物理量的流动控制方程来表达固相反应物与气相生成物之间的热学非平衡效应.根据反应混合区内固相反应物与气相生成物这两种化学组分保持各自内能守恒的混合规则，并借助它们具有压力相等的性质以及满足体积分数总和为1的条件，推导获得的附加方程有：固相反应物的内能演化方程、体积分数演化方程及反应混合物的压力演化方程.这样，建立的爆轰模型包括：反应混合物的质量守恒方程、动量守恒方程、总能量守恒方程、压力演化方程，以及固相反应物的质量守恒方程、内能演化方程、体积分数演化方程.对所获得的爆轰模型方程组采用一个时空二阶精度的有限体积法进行数值求解，典型爆轰问题算例结果表明本文提出的固体炸药爆轰模型是合理的.
2018, 67 (21): 214209.
doi:10.7498/aps.67.20180823
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研究了样品表面镀有不同表面粗糙度的银膜对钛酸钡（BaTiO3 glass，BTG）微球成像效果的影响，发现当银膜表面的粗糙度（RMS）从3.23 nm增大到6.80 nm时，用直径为15 μm的BTG微球观察直径为250和580 nm的微球阵列，样品的成像范围增大.另外，BTG微球还可以清晰分辨原本不可分辨的直径为200 nm的微球阵列.结果表明，粗糙银膜引起的散射作用和表面等离激元波的局域场增强效应，使得更多物体的高频信息耦合进微球，提高了微球成像的分辨率和成像范围.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2018, 67 (21): 216102.
doi:10.7498/aps.67.20181372
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基于60Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator，SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应，分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应；浅沟槽隔离（shallow trench isolation，STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加，直到达到饱和；STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移，而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合；在同一工艺下，尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响，SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应，从而改善辐照后器件的电学特性.
2018, 67 (21): 216101.
doi:10.7498/aps.67.20181140
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在室温下，利用离子加速器对纯铝透射样品分别注入He+，Ne+和Ar+三种惰性气体离子，通过透射电子显微镜原位观察分析了纯铝中三种气体气泡在电子束辐照下形貌及电子衍射花样的变化.实验表明，在200 keV电子束辐照下，三种惰性气体气泡均会合并长大，亮度逐渐增强，最终破裂，气泡内部产生许多约几个纳米的黑色斑点衬度像，选区电子衍射花样由单晶斑点衍射花样变为多晶衍射环.这一现象的原因可能是气泡在电子束辐照过程中发生了放热反应，使气泡附近铝熔化后再结晶产生多晶，从而在电子衍射花样中观察到了多晶衍射环.然而，氦气泡在80 keV电子束辐照下氦气泡形貌和选区电子衍射花样保持不变，辐照后衍射花样中无多晶衍射环产生；氦氩混合气体气泡在200 keV电子束辐照下气泡形貌和选区电子衍射花样同样保持不变；这可能与电子束能量和气泡内气体压力有关.
综述
封面文章
2018, 67 (21): 218201.
doi:10.7498/aps.67.20181636
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自从石墨烯被发现以来，机械解理技术已经成为制备高质量二维材料的重要方法之一，在二维材料本征物性的研究方面展现出了独特的优势.然而传统机械解理方法存在明显的不足，如制备效率低、样品尺寸小等，阻碍了二维材料领域的研究进展.近些年我们在机械解理技术方面取得了一系列的突破，独立发展了一套具有普适性的新型机械解理方法.这种新型机械解理方法的核心在于通过改变解理过程中的多个参数，增强层状材料与基底之间的范德瓦耳斯相互作用，从而提高单层样品的产率和面积.本文着重以石墨烯为例，介绍了该技术的过程和机理.相比于传统机械解理方法，石墨烯的尺寸从微米量级提高到毫米量级，面积提高了十万倍以上，产率大于95%，同时石墨烯依然保持着非常高的质量.这种新型机械解理方法具有良好的普适性，目前已经在包括MoS2，WSe2，MoTe2，Bi2212等几十种材料体系中得到了毫米量级以上的高质量单层样品.更重要的是，在解理过程中，通过调控不同的参数，可以在层状材料中实现一些特殊结构的制备，如气泡、褶皱结构等，为研究这些特殊材料体系提供了重要的物质保障.未来机械解理技术还有很多值得深入研究的科学问题，该技术的突破将会极大地推动二维材料领域的研究进展.
2018, 67 (21): 215202.
doi:10.7498/aps.67.20181451
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冷等离子体属于非热平衡等离子体，具有较高的电子能量和较低的气体温度，是一种制备金属催化剂的绿色新方法.等离子体强化制备金属催化剂包含复杂的物理和化学多相反应.一方面，等离子体提供的高活性环境不但可以加速化学反应，使反应时间从数小时缩短至数分钟，还可以使热力学或者动力学上不可行的反应发生，实现非常规制备；另一方面，等离子体强化制备过程中，在介观尺度上等离子体对相接触行为的影响，可使获得的金属催化剂结构区别于传统方法制备的催化剂.本综述总结了冷等离子体制备金属催化剂的反应器结构、物理化学机理、获得金属催化剂的结构特性、制备面临的挑战，并对未来发展进行了展望.重点阐述了冷等离子体反应器、制备机制及其对金属催化剂结构和性能的影响.
核物理学
2018, 67 (21): 212501.
doi:10.7498/aps.67.20180563
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瞬发裂变中子谱（prompt fission neutron spectrum，PFNS）是用于核实验诊断过程中十分重要的参数数据，传统的测量主锕系核素（U，Pu）PFNS的技术手段是采用裂变室，利用裂变碎片标识裂变中子，通过中子飞行时间技术获得裂变中子谱.目前出现了一种新的用于PFNS测量的技术，其原理是基于如下的物理事实：在一次裂变过程中，释放中子的同时伴随着释放7–8个γ射线光子，而非弹性散射效应产生的γ射线光子只有1–2个.据此，可以通过裂变γ射线的多重性将裂变中子和其他杂散中子甄选出来，达到测量PFNS的目的.本文建立了基于裂变γ标识技术的PFNS测量实验系统.利用该系统对252Cf中子源的PFNS进行了实验测量，测量结果与传统的裂变碎片标识法及ENDF/B-VⅡ数据库的标准谱进行了比较，对新方法的裂变标识率以及实验不确定度也一并进行了分析.
特邀综述
2018, 67 (21): 214204.
doi:10.7498/aps.67.20181227
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近年来，随着激光技术的快速发展，相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束，包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果；就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论；并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.
气体、等离子体和放电物理
2018, 67 (21): 215201.
doi:10.7498/aps.67.20180932
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高温全电离等离子体的辐射输运问题中，光子与电子的Compton散射与逆Compton散射是其中重要的特性，光子与相对论麦克斯韦电子散射的描述及截面的计算非常复杂且费时.本文提出了一种用于模拟计算光子与相对论麦克斯韦速度分布电子散射截面的蒙特卡罗计算方法.给出了各步骤的具体实现办法，推导了对应的计算公式，研究了相对论电子速率抽样方法，编写了光子与相对论电子散射的微观截面的蒙特卡罗计算程序.开展了高温全电离等离子体中，不同能量光子与不同温度电子散射的微观散射截面计算和分析.模拟计算结果显示，在电子温度低于25 keV情况下，本文方法与多重数值积分方法的计算结果非常接近；但随着电子温度继续升高，二者差异逐渐增大并较明显，经分析，可能是本文方法目前的电子速率抽样偏差所致，希望将来能够找到更好的相对论电子速率抽样方法以克服此缺陷.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2018, 67 (21): 218101.
doi:10.7498/aps.67.20180805
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利用外电场辅助化学气相沉积（CVD）方法，在蓝宝石衬底上制备出了由三组生长方向构成的网格状β-Ga2O3纳米线.研究了不同外加电压大小对β-Ga2O3纳米线表面形貌、晶体结构以及光学特性的影响.结果表明：外加电压的大小对样品的表面形貌有着非常大的影响，有外加电场作用时生长的β-Ga2O3纳米线取向性开始变好，只出现了由三组不同生长方向构成的网格状β-Ga2O3纳米线；并且随着外加电压的增加，纳米线分布变得更加密集、长度明显增长.此外，采用这种外电场辅助的CVD方法可以明显改善样品的结晶和光学质量.
2018, 67 (21): 218701.
doi:10.7498/aps.67.20180305
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为改善晶体相变界面形态，提高晶体品质，提出了一种融合浸入边界法（immersed boundary method，IBM）和格子Boltzmann法（lattice Boltzmann method，LBM）的二维轴对称浸入边界热格子Boltzmann模型来研究直拉法硅单晶生长中的相变问题.将相变界面视为浸没边界，用拉格朗日节点显式追踪相变界面；用LBM求解熔体中的流场和温度分布；用有限差分法求解晶体中的温度分布.实现了基于IB-LBM的动边界晶体生长过程研究.得到了不同晶体生长工艺参数作用下的相变界面，并用相变界面位置偏差绝对值的均值和偏差的标准差来衡量界面的平坦度，得到平坦相变界面对应工艺参数的调整方法.研究表明，相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数的相互作用有关，合理地配置晶体旋转参数和坩埚旋转参数的比值，能够得到平坦的相变界面.
青年科学评述
编辑推荐
2018, 67 (21): 218102.
doi:10.7498/aps.67.20181571
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柔性基底体系是晶体外延生长领域于20世纪90年代提出的概念.其核心思想是利用超薄的基底，使其在外延生长时能同时与外延晶膜发生应变，以抵消二者之间的晶格失配，从而减少外延晶膜中的位错，提高晶膜的质量.但是人工制备性能优良的超薄基底往往需要较为复杂的工艺.另一方面，过渡金属硫族化合物由于其层状结构特性和层间较弱的范德瓦耳斯相互作用，是天然的柔性基底.本文介绍近几年来新发展的过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型及应用.以Au-MoS2作为柔性基底外延生长的原型，结合密度泛函理论、线性弹性理论以及位错理论构建模型，并根据计算结果解释了早先利用透射电子显微镜观测到的Au薄膜在MoS2上外延生长的相关实验现象.此外，本文还介绍了受到该理论模型启发的相关实验工作，特别是利用Au薄膜分离大面积、单层、高质量MoS2的技术.最后，讨论了在该领域内值得关注和进一步探索的理论问题.