Vol. 68, No. 17 (2019)
2019年09月05日
特邀综述
编辑推荐
2019, 68 (17): 177101.
doi:10.7498/aps.68.20190801
摘要 +
作为典型的强关联电子体系, 重费米子材料表现出丰富的量子基态, 如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等. 相比其他强关联电子体系, 重费米子体系的特征能量尺度低, 可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控, 因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系. 本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状, 概述几类典型的重费米子材料, 并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.
总论
2019, 68 (17): 170201.
doi:10.7498/aps.68.20190572
摘要 +
针对特征基函数法在分析电大目标电磁散射特性时存在缩减矩阵方程迭代求解收敛慢的问题, 提出一种新型缩减矩阵构造方法提高特征基函数法的迭代求解效率. 首先, 应用奇异值分解技术压缩激励源, 求解出新激励源下各子域的特征基函数; 其次, 将新激励源和特征基函数作为构造缩减矩阵的检验函数和基函数, 新方法构造的缩减矩阵的对角子矩阵均为单位矩阵, 缩减矩阵条件数得到了优化. 与传统方法相比, 新方法构造的缩减矩阵方程迭代求解效率得到了显著提高; 另外, 由于矩阵方程求解次数减少, 特征基函数的构造效率也得到了提高, 数值结果证明了新方法的精确性和有效性.
2019, 68 (17): 170202.
doi:10.7498/aps.68.20190531
摘要 +
运用分子动力学方法探索了水-黑磷流-固界面各向异性、水流驱动力、黑磷通道宽度和黑磷层数等对黑磷通道内Poiseuille水流流动特性的影响规律. 研究结果表明: 随着驱动力的增加, 边界滑移速度随之增加; 各向异性也会对压力驱动作用下纳米通道内的水分子的流动特性产生影响, 具体表现为边界滑移速度会随着手性角度的增加而减小, 而水分子黏度系数却不受各向异性的影响. 发现黑磷表面天然的褶皱结构所产生的粗糙势能表面, 是导致流固界面各向异性特性的本质原因. 在加速度值保持不变的情况下, 研究纳米通道宽度和黑磷层数对水分子流动特性的影响, 发现随着纳米通道宽度的增加, 水分子滑移速度随之减小; 双层模型中水分子的速度分布与单层模型差异微小, 而随着层数的增加, 黑磷-水流固交互界面能随之增加, 各向异性规律依然保持不变. 研究结果将为水-黑磷流体器件设计与制备提供理论基础.
2019, 68 (17): 170203.
doi:10.7498/aps.68.20191047
摘要 +
基于改进的移动最小二乘插值法, 提出了黏弹性问题的插值型无单元Galerkin方法. 采用改进的移动最小二乘插值法建立形函数, 根据黏弹性问题的Galerkin弱形式建立离散方程, 推导了相应的计算公式. 与无单元Galerkin方法相比, 本文提出的黏弹性问题的插值型无单元Galerkin方法具有直接施加本质边界条件的优点. 通过数值算例讨论了影响域、节点数对计算精确性的影响, 说明了该方法具有较好的收敛性; 将计算结果与无单元Galerkin方法和有限元方法或解析解比较, 说明了该方法具有提高计算效率的优点.
2019, 68 (17): 170501.
doi:10.7498/aps.68.20190435
摘要 +
自驱动粒子系统由可以从环境获取能量并转化为主动运动的粒子组成, 与经典的被动粒子系统有显著的区别. 对于这样的主动系统, 是否存在经典的物态方程这一问题引起了广泛的关注. 最近的研究以谐振子势场中的主动系统为模型, 研究了物态方程的适定性. 与之不同, 本文探讨了封闭空间的主动粒子系统, 在墙壁与粒子间存在双电层相互作用下, 系统物态方程存在的条件及具体形式. 结果表明, 壁面压强与主动粒子的形状有关, 当有墙壁施加力矩于主动粒子时, 在力矩作用下粒子趋向转向平行于壁面的平衡态, 而壁面-粒子相互作用强度增加使平行取向的趋势增强, 从而使系统压强降低. 此时压强和壁面的关联意味着主动系统没有通用的物态方程. 同时讨论了在壁面-粒子相互作用强度极小或极大的情况下压强的形式, 通过定义有效温度, 给出了主动系统与理想气体类似的物态方程. 此外研究发现, 对于不同粒子, 其形状偏离转动对称性的程度是影响主动粒子压强的关键因素. 该结果对当前主动系统热力学性质的研究提供了一定的参考, 并为更复杂的相互作用势下研究主动系统的热力学性质提供了基础.
2019, 68 (17): 170502.
doi:10.7498/aps.68.20190212
摘要 +
研究了两个不同半导体激光器的相互耦合与其他激光器之间的混沌并行同步和多周期并行同步. 提出激光并行串联复杂动力学系统与网络, 给出光学光路与数学物理模型. 由此提出中继器运行原则, 给出了信道编码方程. 成功实现了激光混沌再生与发送, 分别完成了有中继器系统的两个异路混沌加密通信. 这是一种新型的混沌编码网络系统, 具有中继器核心技术要素, 它具有多变量、高维度、多密钥以及两路不同混沌载波特点, 具有高度的安全性、不易被破解等特性. 其研究结果对混沌在保密通信应用、光网络和激光技术的研究具有重要的参考价值.
2019, 68 (17): 170503.
doi:10.7498/aps.68.20190327
摘要 +
人工神经网络由于具有较强的非线性拟合能力, 可用来建立终端位置与接收信号之间的映射关系, 从而获得不同位置的信道特性. 神经网络建模的精度一般由所使用的训练样本数量决定, 训练样本数目越多, 模型往往越精确. 但大量的训练数据的获取, 耗时较多. 本文将经验知识融入遗传算法, 对人工神经网络模型进行优化, 实现了时间反演电磁信道的快速建模. 通过提取时间反演信号的传播参数, 并将其作为经验知识用于遗传算法的适应度函数, 来优化神经网络模型的权值和阈值. 在保证训练样本数量不变的情况下, 相比直接利用神经网络建模, 提高了建模的精度. 以一种简单的室内时间反演场景为例, 验证了方法的有效性.
2019, 68 (17): 170504.
doi:10.7498/aps.68.20190051
摘要 +
采用晶体相场法模拟了纳米尺度下小角度对称倾斜晶界的结构和位错运动, 针对弛豫过程和附加外应力过程, 观察了晶界上位错运动的位置变化和体系自由能变化, 分析了温度对小角度对称倾斜晶界的结构和晶界上位错运动的影响规律. 研究表明, 弛豫过程中体系温度越低, 体系自由能下降速率越大, 原子规则排列速率增加, 体系自由能达到稳定状态所需的时间越短, 晶界达到稳定状态时位错对排列愈发整齐, 呈现直线规则排列. 外应力作用下, 温度越低, 晶体位错对首次相遇时间越长, 晶体形成单个晶粒时间越长, 位错对首次相遇到晶体内位错对完全消失过程时间越长; 随着温度的降低, 体系自由能出现多段上升下降, 位错对反应也愈加复杂, 趋向于逐对抵消.
2019, 68 (17): 170701.
doi:10.7498/aps.68.20190205
摘要 +
光学非互易性对建立量子网络和现代通讯技术都是不可或缺的. 本文研究了双腔光力学系统在蓝失谐驱动下如何实现完美的光学非互易性. 研究发现此系统中的光学非互易性来源于系统中的光力相互作用和腔模线性耦合相互作用之间的量子干涉效应. 在应用光力学输入输出关系得出输出光场表达式后, 给出了在此系统中实现完美光学非互易性的条件以及影响非互易谱线宽度的因素. 另外还发现当系统参数(耗散速率)一定时, 可以存在两套耦合强度来实现完美的光学非互易性. 最后利用劳斯-霍尔维茨(Routh-Hurwitz)稳定性判据给出了系统的稳定条件.
原子和分子物理学
2019, 68 (17): 173101.
doi:10.7498/aps.68.20190781
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各种新型材料改善了人类的生产和生活, 二维纳米材料更以其独特的物理化学性质成为了研究的热点. 二硫化钼(MoS2)作为过渡金属硫化物的代表, 具有优异的机械性能和化学稳定性, 为研究其外场效应, 本文采用密度泛函理论方法优化了MoS2分子在0—0.1 a.u.(0—5.1423 × 1010V/m)的静电场中基态几何结构, 得到了分子密立根电荷分布、偶极矩和总能量; 在此基础上, 采用含时密度泛函方法研究了MoS2分子紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱在此静电场中的变化. 结果显示: 分子内电荷分布随着外电场的增强发生了整体转移; 伴随着电荷的整体转移, 电偶极矩随之增大, 而分子总能量随之减小; 分子最强UV-Vis吸收峰的波长为483 nm、摩尔吸收系数为461 L·mol–1·cm–1; 伴随着外电场的的逐渐增强, 分子激发态的摩尔吸收系数明显增大, UV-Vis光谱吸收峰显著红移, 外电场为0.08 a.u.时, 其吸收峰基本覆盖了整个可见光波长范围.
2019, 68 (17): 173102.
doi:10.7498/aps.68.20190869
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本文采用多组态相互作用方法计算了KCl–阴离子前两个离解极限K(2Sg) + Cl–(1Sg)和K(2Pu) + Cl–(1Sg)所对应的3个电子态(X2Σ+, A2Π和B2Σ+)的电子结构. 在计算中考虑了Davidson修正, 核-价电子关联效应及自旋轨道耦合效应. 预测了KCl–阴离子的光谱常数和跃迁性质. 计算得到(2)1/2(ν′)↔(1)1/2(ν′′)和(1)3/2(ν′)↔(1)1/2(ν′′) 跃迁具有高对角分布的弗兰克-康登因子, 分别为0.8816和0.8808; 并且(2)1/2和(1)3/2激发态的自发辐射寿命分别为45.7和45.5 ns. 分别利用(2)1/2(ν′)↔(1)1/2(ν′′)和(1)3/2(ν′)↔(1)1/2(ν′′)跃迁构建了准闭合的能级系统, 冷却KCl–阴离子所需的主激光波长分别为1065.77和1064.24 nm. 同时预测了激光冷却KCl–阴离子能达到的多普勒温度和反冲温度. 计算结果为进一步激光冷却KCl–阴离子的实验提供了理论参数.
2019, 68 (17): 173201.
doi:10.7498/aps.68.20190143
摘要 +
量子光学中的Rabi模型描述了一个与量子谐振子耦合的两能级系统, 当耦合强度与振子频率相当时, 会产生丰富的物理现象. 本文研究了谐波势阱中具有拉曼诱导自旋轨道耦合的Bose气体, 通过将受限系统映射为Rabi模型, 引入量子光学中的平移Fock态利用变分方法求解了系统的本征能态和基态, 发现左右平移Fock态的奇宇称叠加态能量低于平移态的能量，并分别研究了粒子在动量和坐标空间的动力学Zitterbewegung振荡特性以及原子极化的动力学, 给出了一个直观清晰的物理图像, 与相关实验的结果定性一致. 本文的研究结果有助于进一步研究量子光学领域目前难以实现的深度强耦合参数区域的量子Rabi模型, 对冷原子物理的研究也有一些借鉴和启发.
2019, 68 (17): 173202.
doi:10.7498/aps.68.20190790
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激光与原子、分子相互作用的高次谐波是产生超短阿秒脉冲和相干高频XUV光源的重要手段之一. 为了产生高强度的XUV光源, 需要对谐波产生机制深入研究. 本文通过数值求解含时薛定谔方程, 计算了不同空间位置的含时偶极矩进而得到不同空间位置的高次谐波发射. 对不同空间位置的谐波发射谱的分析发现, 谐波发射的主要空间位置在核区附近, 不同空间位置的谐波中奇次和偶次谐波均能被观察到, 整数阶谐波能量辐射强度较大. 进一步研究不同空间位置的谐波相位发现, 在x= 0左右两侧发射的奇次谐波相位相同, 偶次谐波相位相反. 通过滤波方法分析了不同空间位置的相同次谐波的含时偶极矩信息, 发现该相位特征导致了奇次谐波的增强, 偶次谐波的消失.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2019, 68 (17): 174201.
doi:10.7498/aps.68.20182001
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为改善中红外光参量振荡器(OPO)激光输出光束质量, 设计了一种90°像旋转四镜非平面环形腔型结构. 通过建立单位球等效计算方法, 对此种特殊腔型结构存在的像旋转角进行计算, 并由此确定了适用于中红外OPO运行的90°像旋转谐振腔结构相关参数. 在此基础上进一步建立了非对称轴环形腔中光场模式自再现模型, 分析得出随着像旋转角由0°向90°变化, 谐振腔内光场模式逐渐均匀化, 当旋转角为90°时, 基模以及高阶模都表现出非常好的中心对称性. 基于此采用中红外ZnGeP2OPO对所设计的腔型参数进行实验测量, 实现了光束质量
$M^2_X=1.81 $
和
$M^2_Y=1.61 $
. 由此可以证明所设计的90°像旋转四镜非平面环形腔对中红外OPO激光系统的输出光束质量的优化有显著效果.
2019, 68 (17): 174202.
doi:10.7498/aps.68.20190078
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全光二极管和全光三极管是实现全光逻辑器件的基础. 我们之前已经研究了基于腔量子电动力学的全光二极管的量子统计性质[
1
], 讨论了在相干光和压缩光入射的情况下, 通过二极管后输出光的压缩性质. 这里将研究拓展到全光三极管, 以基于腔光机械系统的全光三极管作为研究对象. 这种全光三极管通过改变经典抽运光的强度可以对探测光的输出进行有效调控, 并可实现光放大. 本文具体讨论以压缩光以及相干光作为探测光, 通过全光三极管后其输出光的压缩特性. 研究结果表明, 当探测光为相干光时, 不论是否工作在光放大区域, 输出光依然为相干光, 没有被压缩. 而当输入探测光为压缩光时, 在全光三极管的光放大区域, 输出光依然是压缩光, 但压缩特性受到输入光压缩特性以及系统参数的调制. 当输入探测压缩光的压缩角为0时, 输出光的压缩参量S1的最小值随输入探测光压缩系数r的增大而减小, 最小值接近压缩极限–0.25. 但当输入探测压缩光的压缩角改变时, 其对输出光的压缩参量S1,2影响很大, 压缩性会消失. 只有当压缩角θ为π的整数倍时, 输出光的压缩性最好. 这一结果在量子测量、弱信号检测等领域有着潜在的应用价值.
2019, 68 (17): 174203.
doi:10.7498/aps.68.20190151
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方波、三角波和锯齿波等微波波形在医学成像、高速通信和高精度测量系统中具有广泛应用. 本文提出了一种基于双波长时域合成技术的微波光子波形产生方案, 该方案主要采用两个激光器、两个马赫-曾德尔调制器、一个波分复用器和一个可调光延时线. 理论分析了方案中方波、锯齿波和三角波波形的时域合成原理, 并通过实验成功产生了2.5 GHz重复频率的方波、锯齿波和三角波波形. 实验结果与理论分析相符合, 验证了该波形产生方案的可行性. 并且该系统具有良好的可调谐特性, 通过改变微波源的调制频率, 可以实现输出微波光子波形的重复频率调谐. 实验也成功产生了5 GHz重复频率的方波、锯齿波和三角波波形.
2019, 68 (17): 174204.
doi:10.7498/aps.68.20190441
摘要 +
本文主要以具有六方相结构的NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+纳米晶体为核, 采用外延生长法构建具有同质结构的NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+@NaLuF4:Yb3+核壳纳米晶体. 借助X-射线衍射仪及透射电子显微镜对样品的晶体结构、形貌及尺寸进行表征. 在近红外光980 nm激光激发下, 通过构建核壳结构及有效调控外壳中敏化离子Yb3+离子的掺杂浓度, 实现Ho3+离子在NaLuF4纳米晶体中的红光发射增强. 实验结果表明: 在相同的激发条件下, 具有核壳结构的NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+@NaLuF4:Yb3+纳米晶体的红光发射均得到了增强, 同时, 当外壳中Yb3+离子的掺杂浓度为10.0%时, 其上转换红光发射强度最强, 为NaLuF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+晶体核红光发射强度的5.8倍. 根据其光谱特性及发光动力学过程, 讨论了同质壳及壳中敏化离子掺杂浓度变化对其发光特性的影响规律. 这种具有较强红光发射的核壳结构纳米晶体在生物医学、防伪编码、多色显示等领域具有较大的应用前景.
2019, 68 (17): 174301.
doi:10.7498/aps.68.20190700
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针对深海波导中的水下声源检测, 结合声传播与接收特性, 提出了一种基于简正波模态信息降维处理的窄带声源检测方法, 运用广义似然比(generalized likelihood ratio, GLR)方法导出了深海波导中的特征值检测器和恒虚警率特征值检测器(下统称为GLR检测器). 理论分析表明, 给定阵列输入信噪比下, GLR检测器的输出信噪比随接收数据空间维度的减小而增大. 根据简正波理论, 阵列接收信号声场位于由各阶采样简正波模态信息张成的空间(简称模态空间). 由于阵列孔径尺寸的限制, 在深海波导中常会出现“有效模态空间”维度小于阵元域接收数据空间维度的情况. 基于此性质并根据阵列采样的简正波模态信息, 提取“有效模态空间”以构造降维矩阵, 分别导出了使用垂直线列阵和水平线列阵时的降维GLR检测统计量. 数值仿真给出了GLR检测器的检测性能分析与对比, 验证了降维GLR检测器的性能改善效果, 同时表明水平线列阵接收声场位于更低维的“有效模态空间”, “有效模态空间”维度随阵元间距和声源频率的增大而减小.
2019, 68 (17): 174701.
doi:10.7498/aps.68.20190683
摘要 +
采用实验加仿真方法研究了等离子体合成射流对超声速混合层的影响. 使用基于纳米粒子的平面激光散射技术(nanoparticle-based planar laser scattering, NPLS)、粒子图像测速技术 (particle image velocimetry, PIV)以及纹影手段获取了单次脉冲对混合层的影响. 采用二维数值仿真对布置在不同位置的高频激励器的混合效果以及激励器的性能进行了研究. 通过对比有扰动和无扰动的NPLS、PIV以及纹影实验结果, 发现等离子体合成射流对超声速混合层有明显的扰动, 射流喷出时会产生较强的斜激波. 对数值仿真结果的分析表明, 等离子体合成射流可以有效地增强混合层的厚度. 对比激励器布置在不同位置工况下的混合层厚度, 可以看出在激励器隔板末端对混合层的扰动效果最好, 混合层对在隔板末端的激励器扰动响应也是最快的. 对等离子体合成射流激励器的性能分析表明, 在隔板末端的激励器输出的能量最多. 通过分析等离子体合成射流的作用过程, 可以看出激励器在隔板上下表面布置的作用形式是通过作用来流进而影响混合层, 在隔板尾端布置的等离子体合成射流激励器直接作用在混合层上, 实现混合增强.
2019, 68 (17): 174702.
doi:10.7498/aps.68.20190378
摘要 +
针对等离子体流场的模拟准确性问题及其对高超声速磁流体控制的影响, 通过数值求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程, 建立了三维低磁雷诺数磁流体数值模拟方法及程序, 分析了不同空气组分化学反应模型和壁面有限催化效率等因素对高超声速磁流体控制的影响. 研究表明: 不同空气组分化学反应模型对高超声速磁流体流场结构、气动力/热特性控制的影响不容忽视; 对于本文计算条件, Park化学反应模型在组分模型一致性、等离子体模拟准确性等方面具有一定优势; 磁控热防护效果, 受壁面有限催化复合系数影响较大, 两者呈非线性关系, 不同表面区域差异较大; 磁场对磁阻力伞及其磁阻力特性影响, 受壁面催化效应的影响相对较小.
气体、等离子体和放电物理
2019, 68 (17): 175201.
doi:10.7498/aps.68.20190484
摘要 +
激光尾场电子加速装置中, 为了获得可稳定重复产生的高质量单能尾场电子, 电子的可控注入是其中的关键. 基于自主设计的级联加速喷气靶, 研究离化注入、冲击波前沿注入等可控注入技术及其结合对尾场电子产生阈值、电子能谱及其稳定性的影响. 研究结果显示, 离化注入机制、冲击波前沿注入机制以及级联加速喷嘴的结合, 可以使尾场电子的注入阈值大幅度降低, 且电子的离化注入区域被限制于冲击波前沿处, 最终大幅度降低电子束的绝对能散、提高稳定性. 在最优化的条件下, 可以获得最小发散角为(3.6 × 3.8) mrad, 平均中心能量为(63.24 ± 6.12) MeV, 平均能散为(13.0 ± 3.9) MeV、平均电量为(5.99 ± 3.10) pC的重频单能尾场电子.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2019, 68 (17): 176101.
doi:10.7498/aps.68.20190559
摘要 +
酞菁是一种重要的有机光电材料, 关于其晶体结构和光电性质间的内在关联尚存争议. 本文利用高压原位拉曼散射光谱及荧光光谱技术对酞菁晶体在高压下的结构转变和光学性质进行了研究. 当压力达到12.0 GPa时, 酞菁分子本身仍保持稳定, 没有发生开环反应. 酞菁晶体结构在压力作用下由α相逐渐转变为χ相, 这一转变在卸压后恢复到初始α相. 酞菁的高压荧光光谱研究表明, 荧光强度随压力增高而衰减, 至3.0 GPa时消失. 高压下酞菁分子间所形成的激基缔合物荧光受抑制, 而常压下α相酞菁中观察不到的酞菁分子荧光在高压下出现, 这可能与酞菁晶体中呈平行排列的分子之间在压力下重叠程度减小有关.
2019, 68 (17): 176301.
doi:10.7498/aps.68.20182305
摘要 +
随着高性能电子器件需求的日益增加, 自旋电子学材料在材料研究和电子元件中具有重要地位, 因为自旋电子学器件相比于传统半导体电子元件具有非易失性, 低功耗和高集成度的优点. 本文研究了Cr离子注入GaSb的电子性质、磁学和光学性质, 采用基于密度泛函理论框架下的缀加投影平面波方法, 利用广义梯度近似下电子交换关联泛函, 考虑了Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06)杂化泛函计算进行电子能带带隙修正, 首先对不同浓度Cr离子注入下的闪锌矿结构半导体GaSb形成的Ga1–xCrxSb (x= 0.25, 0.50, 0.75)进行结构优化, 计算了无磁、铁磁及反铁磁的基态能量, 对比发现它们的基态均为铁磁态. 对电子能带结构图分析发现, 它们自旋向上的电子能带穿过费米面, 而自旋向下的电子能带存在直接带隙, 呈现铁磁半金属性质. 同时在平衡晶格常数下具有整数倍玻尔磁矩, 并在一定晶格变化范围内保持磁矩不变. 同时发现它们在红外波段具有良好的吸收能力, 这使得Ga1–xCrxSb在自旋电子学器件和红外光电器件中拥有潜在的应用前景.
2019, 68 (17): 176801.
doi:10.7498/aps.68.20190495
摘要 +
基于分子动力学方法建立了双层聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)摩擦模型, 研究了不同速度下PTFE的摩擦过程. 通过分析不同速度下接触区内下层PTFE分子键长、键角、分子形状的变化及接触过程中摩擦力和正压力的变化, 从微观角度研究了速度对PTFE摩擦系数的影响. 研究结果表明: 随着速度的增加, 接触区内PTFE粒子间的键长变短, 键角变小, 分子链沿x方向的变形量增加. 变形后的PTFE分子产生的回弹力导致上、下层PTFE分子间相互作用力增加, 从而增加了摩擦力. 当速度进一步增大时, 接触区内下层PTFE粒子间的键长和键角多处于平衡位置, 分子链沿x方向的变形量减小. 这很可能是由于接触区内下层PTFE分子沿速度方向倾斜, 使上、下层PTFE分子趋于平行滑动, 从而降低了摩擦力. 不同速度下正压力几乎保持不变. 因此, 当上层PTFE所受外载荷固定时, 摩擦系数随着速度的增加先增大后减小, 临界速度为1.2 m/s, 这与实验研究结果一致.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2019, 68 (17): 177102.
doi:10.7498/aps.68.20190368
摘要 +
Al-Mg-Si系铝合金在氢环境服役时, 因遭受氢损伤而导致力学性能退化. Mg2Si是Al-Mg-Si系铝合金主要的热处理强化相, 其力学性能直接决定着Al-Mg-Si系铝合金的强度. 本文采用基于密度泛函数理论的第一性原理计算方法, 研究了间隙H原子对Mg2Si力学性能的影响. 首先计算了Mg2Si的单晶体弹性常数C11,C12和C44, 在通过Hill模型计算了多晶体的弹性模量、泊松比及硬度, 并进一步计算了H对Mg2Si晶粒拉伸性能的影响, 最后对H原子掺杂引起的Mg2Si晶体态密度变化进行了分析. 结果表明: H原子的引入显著降低Mg2Si晶体的剪切模量和弹性模量, 从而使得体系强度、硬度降低, 韧性提高. 拉伸性能计算也表明H原子引起Mg2Si晶体断裂强度降低、断裂延伸率提高. 态密度分析表明, Mg2Si晶体中引入氢原子, 将引起Mg2Si晶体由半导体性质向金属性质的转变, 从而造成体系强度、硬度的降低, 韧性增加. 本文计算结果可以为揭示以Mg2Si为增强相的材料在氢环境中强度降低机理提供参考依据.
2019, 68 (17): 177201.
doi:10.7498/aps.68.20190432
摘要 +
基于激子输运在聚合物给体/富勒烯(或非富勒烯)受体异质结太阳能电池光伏过程中的重要作用, 本文结合最新的实验进展, 从理论上提出了由非均匀场驱动的超快激子输运机制. 动力学模拟采用扩展的一维Su-Schrieffer-Heeger紧束缚模型结合非绝热的量子动力学方法, 而非均匀场主要考虑了由受限电荷诱导的非均匀电场和分子排列相关的非均匀构型场. 研究发现: 非均匀电场和构型场均可驱动激子实现超快输运, 其输运速度比由传统的Förster或Dexter机制主导的激子输运可分别提高1和2个数量级. 另外, 本文重点分析了这两种非均匀场对激子输运的驱动机制, 定量计算了它们各自诱导的驱动力. 最后, 针对影响这两种非均匀场分布的因素(包括受限电荷相对聚合物分子的距离和聚合物分子线性排列的斜率), 讨论了它们对激子输运动力学的影响.
2019, 68 (17): 177501.
doi:10.7498/aps.68.20190364
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稀土永磁体即使内秉性质相同, 但矫顽力可能相差很大. 本文以Pr-Fe-B磁体为例, 从热激活反磁化即反磁化临界过程探讨决定矫顽力的关键因素. Pr-Fe-B晶粒表层缺陷区与晶粒内部耦合推动反磁化畴形核从而去钉扎, 晶粒表层缺陷区的各向异性对克服晶粒内部势垒具有贡献, 因此反磁化形核场和矫顽力大大降低. 由于晶粒表层缺陷区与晶粒内部耦合, 在反磁化临界过程磁畴壁尺寸稍大于理论尺寸. 具有软、硬磁相结构的Pr-Fe-B复合磁体, 软、硬磁相晶粒之间交换耦合作用也会增大反磁化畴壁尺寸. 软、硬磁交换耦合的能量对克服硬磁相晶粒内部各向异性势垒也会有贡献, 这将进一步降低磁体矫顽力. 添加Ti, Nb高熔点金属, 复合磁体矫顽力显著提高. 分析认为, 这不仅仅是磁体晶粒尺寸减小的缘故. 热激活尺寸减小说明磁畴壁中包含的硬磁相晶粒表层缺陷区尺寸减小, 硬磁相表面和两相界面各向异性对克服硬磁相晶粒内部势垒的贡献减小, 反磁化所需外磁场增大.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2019, 68 (17): 178101.
doi:10.7498/aps.68.20190035
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利用热蒸发技术在衬底温度为室温的硅衬底、氧化铟锡衬底和石英衬底上制备了红荧烯与氧化钼的混合薄膜. 将两种材料放置于不同的坩埚中, 通过控制蒸发源的温度来控制混合比例, 制备了不同比例的混合薄膜. 通过原子力显微镜对混合薄膜的表面形貌进行了测量, 发现当红荧烯与氧化钼的比例为2∶1时, 薄膜表面的平整度最好; 通过X射线衍射分析对混合薄膜的结晶性进行分析, 发现不同浓度的混合薄膜均表现出非晶态特征. 通过PL谱和吸收光谱研究了不同比例的混合薄膜的光学性质, 从光致发光谱可以发现: 混合薄膜在近红外区域有显著吸收, 说明红荧烯在氧化钼诱导下产生中间能级, 形成电荷转移络合物. 从吸收谱知: 除4∶1外, 其他比例的混合薄膜具有几乎相同的吸收峰. 根据Tauc方程计算了混合薄膜的光学带隙, 发现当红荧烯与氧化钼的比例为2∶1时, 混合薄膜的带隙最窄(～2.23 eV). 制备了结构为Al/rubrene∶MoO3/ITO的器件, 测试了J-V特性, 研究了混合薄膜的电学性质. 发现当混合比例为4∶1和2∶1时, 混合薄膜与金属电极的接触表现为欧姆接触. 本研究显示出红荧烯和氧化钼的混合薄膜在近红外区域有潜在的应用前景, 也为红荧烯和氧化钼的混合薄膜在有机光电器件的应用提供了基础.
2019, 68 (17): 178102.
doi:10.7498/aps.68.20190416
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混合气体电弧被广泛地应用于焊接制造领域, 为了深入理解混合气体电弧的传热和传质特性, 本文建立了Ar-O2混合气体电弧的二维稳态数学模型. 模型基于局域热平衡假设, 混合气体电弧的热力学参数和输运系数是温度和氧浓度的函数, 分别采用组合普通扩散系数和组合温度扩散系数描述氧和氩两种组分之间的扩散行为, 研究了不同电流条件下的氧分布及其对电弧温度场和流场的影响. 结果表明, 对于Ar-5%O2的混合气体电弧, 氧在电弧中呈现极不均匀的分布, 在电弧中心轴线附近和靠近两极的区域, 氧浓度高于混合气体浓度, 而在其他区域则明显小于混合气体浓度. 在小电流时, 氧集中分布于阴极和阳极附近, 且在阴极附近出现峰值; 而在大电流时, 氧的分布明显向阳极集中, 且在阳极中心附近出现峰值. 两种情形下, 氧在距离阳极表面0.1 mm的区域分布都不均匀. 与纯Ar保护相比, 混入5%的O2使电弧出现一定程度的收缩, 温度和等离子体流速升高.
2019, 68 (17): 178201.
doi:10.7498/aps.68.20190400
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利用精确求解原子核与电子耦合运动的三维含时量子波包法, 理论研究了HD+分子在强激光场中的光解离动力学, 并给出了量子调控HD+分子光解离通道的理论方案. 通过分析HD+分子在不同的初始振动态和激光场强度下的光解离动力学过程及其解离核动能谱, 得出了HD+分子的光解离机理及其随激光场强度的变化规律. 研究结果表明, 利用激光场的强度可以实现HD+分子光解离通道的量子调控. 当激光场强度I1= 4.0 × 1013W/cm2时, HD+分子的光解离主要是通过净单光子吸收解离和净双光子吸收解离; 当激光场强度增大到I2= 2.0 × 1014W/cm2时, 直接双光子吸收解离取代了净单光子吸收解离, 净双光子吸收解离的比重也下降了.
2019, 68 (17): 178401.
doi:10.7498/aps.68.20190535
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柱-孔汇聚结构(PHC)附近高功率脉冲电流的损失是脉冲功率技术领域的研究热点, 是研制下一代大型脉冲功率装置的技术瓶颈. 本文建立了单孔柱-孔汇聚结构的3维仿真模型, 采用粒子(PIC)仿真算法, 分别在阴极发射电子以及阴极等离子体等情况下, 计算了单孔柱-孔汇聚结构的电流传输特性, 首次在仿真过程中考虑了阴极负离子的运动对单孔PHC阴阳极间隙闭合的影响. 仿真结果表明阴极等离子体导致了阴阳极间距明显地缩短, 从而引起电流损失. 同时获得了阴极等离子体平均扩展速度为3.76 cm/μs. 更为重要的是, 当阴极等离子体中含有负离子时, 单孔柱-孔汇聚结构电流损失的现象更为显著. 同时获得了负离子平均漂移速度约为10 cm/μs. 仿真结果显示阴极负离子在PHC阴阳极间隙闭合过程中, 同样发挥了显著的作用, 是阴阳极间隙闭合的重要因素之一. 研究结果有助于深入理解高功率PHC电流损失的物理机理, 也可为高功率PHC的设计提供重要理论基础.
2019, 68 (17): 178501.
doi:10.7498/aps.68.20190699
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锗(Ge)中高激活浓度、低扩散深度的n型掺杂是实现高性能Ge n-MOSFET的重要前提条件. 本文采用低温预退火与脉冲激光退火相结合的两步退火法, 结合磷离子注入, 制备Al/n+Ge的欧姆接触以及Ge n+/p结二极管. 通过电流-电压特性测试来研究Al/n+Ge的欧姆接触以及Ge n+/p结二极管的性能, 测试结果表明: 低温预退火可初步修复注入损伤, 并降低激光退火时杂质的扩散深度; 结合离子注入工艺和两步退火工艺, Al/n+Ge欧姆接触的比接触电阻率降至2.61 × 10–6Ω·cm2, Ge n+/p结二极管在 ± 1 V的整流比提高到8.35 × 106, 欧姆接触及二极管性能均得到了显著提升.
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2019, 68 (17): 178502.
doi:10.7498/aps.68.20190693
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基于密度泛函理论, 研究了含S以及含N末端基团的分子结的拉伸与断裂过程. 计算结果显示, 对于尖端为锥形的金电极, 当末端基团为—S时, 拉断分子结的作用力大小为0.59 nN, 大于H原子未解离的—SH从金电极上断裂所需的0.25 nN作用力, 但明显小于—S末端从平面金电极上断裂下来的约1.5 nN的作用力. 当末端基团是—NH2或—NO2时, 分子结断裂所需拉力分别为0.45和0.33 nN. 体系轨道分布表明, 分子与电极通过前线占据轨道耦合后形成的扩展体系分子轨道离域性越好, 拉断分子结所需的作用力越大. 自然键轨道(natural bond orbital, NBO)分析显示, 若分子末端与电极间未形成成键轨道, 末端原子上更多的NBO净电荷可以提高分子与电极间结合的稳定性. 结合我们以前的研究可以发现, —S末端和—NH2末端对金电极界面的微观构型具有明显的识别功能, 这为精确操控并理解分子与金电极间的相互作用及界面结构提供了有用信息.
2019, 68 (17): 178701.
doi:10.7498/aps.68.20190372
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心率变异性的复杂波动反映了心脏的自主调节功能. 本文提出了一种新的心率变异性度量方法—ICBN方法, 该方法通过改进的自适应噪声完备集合经验模态分解方法对心率变异性信号进行分解, 得到多个模态分量, 计算每个模态分量的bubble熵得到熵值向量, 把该向量映射成复杂网络, 通过计算网络的特征参数, 对心率变异性在不同时频尺度状态下的非线性特征之间的耦合关系进行度量. 首先, 采用时域、频域和ICBN分析方法对29名充血性心力衰竭病人和29名正常窦性心律对象的心率变异性进行分析, 结果表明: 时域指标三角指数HRVTi, 频域指标LF/HF, 网络层级加权值WB, 平均点权值PW, 特征路径长度CL具有统计学差异; 基于网络层级加权值WB, 特征路径长度CL, 频域指标LF/HF和Fisher判别方法的识别模型对充血性心力衰竭病人的识别正确率达到89.66%. 然后, 又对43名房颤心律失常患者和43名正常窦性心律对象的心率变异性进行分析, 结果表明: 时域指标SDNN, pNN50, RMSSD, 频域指标LF/HF, 网络层级加权值WB, 平均点权值PW具有统计学差异; 时域指标pNN50, RMSSD, 频域指标LF/HF和网络层级加权值WB, 平均点权值PW作为特征向量, Fisher判别方法作为分类器, 对房颤心律失常患者的识别正确率达到91.86%. 综合以上实验结果可知, 本文为心率变异性的度量研究提供了一种新的思路.
2019, 68 (17): 178702.
doi:10.7498/aps.68.20190387
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建立了基于有限元法(FEM)的三维心磁正问题计算框架, 以研究人体心脏电生理活动产生的磁场问题. 首先对被试的心脏和躯干磁共振影像数据源进行三维个性化建模, 获得心脏-躯干几何模型. 其次结合心脏三维模型与修正的FitzHugh-Nagumo (FHN)方程研究由跨膜电位 (TMP)产生的电兴奋在心脏内部的传导. 随后利用躯干三维模型与准静态麦克斯韦方程, 研究心脏电兴奋产生的生物电磁场在体内的传播过程, 进而获得体表外的心脏磁场分布. 心磁计算框架仿真结果显示, 使用FEM的模型可以较好地模拟体表外磁场分布. 一维FHN方程和直导线的简化模型数值结果分别与解析解呈现出较好的一致性, 验证了该计算框架的可行性. 综上, 该框架成功地仿真了TMP在心脏内部的传播过程及其在体表外投影的磁场分布, 这将有助于未来心磁逆问题求解的研究.