特邀综述
特邀综述
2020, 69 (2): 020301.
doi:10.7498/aps.69.20191627
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近来, 人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相, 其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等. 这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述, 相应的材料被称为拓扑材料, 具有诸多新奇的物理特性. 其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模, 成为实现拓扑量子计算的主要候选材料. 除了探索本征的拓扑超导体外, 由于拓扑性质上的相似性, 在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段. 目前, 人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术, 已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导, 并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究. 本文回顾了本征拓扑超导候选材料, 以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作, 评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据, 并提出展望.
综述
2020, 69 (2): 026101.
doi:10.7498/aps.69.20190122
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从制备层状材料褶皱得到启示, 给出了地球地质活动的一些可能的机理性解释. 层状晶体的褶皱可以通过在柔性基底上施加的单轴或双轴应力实现, 这与地球的层状结构及地球表面的山体褶皱形成机理有许多相似之处. 由于地球质量分布不均匀且存在自转, 因此各个板块的转动惯量是不一样的, 本文指出南北半球之间存在自转角速度差异, 对赤道附近的地形地貌及地质活动可能产生重要影响. 本文给出了地震、火山以及大陆漂移等地质活动新的机理解释. 针对中国特殊的地形地貌, 提出了物质流假说并详细论述了物质流的流动趋势, 指出中国大陆地质活动和板块交界处的地质活动的机理存在明显差别. 物质流假说可以较好地解释中国的地震灾害、矿藏资源分布及中东地区石油丰富的可能成因, 为中国未来预测地震灾害及矿藏资源开发提供了新的理论参考. 该工作为人类更好地避免自然灾害、理解地球上的自然现象及合理利用自然资源提供了新的启示.
编辑推荐
2020, 69 (2): 027501.
doi:10.7498/aps.69.20191655
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目前在磁性材料磁有序现象研究中广泛使用的交换作用、超交换作用和双交换作用模型形成于1950年代及其以前, 这些模型都涉及材料中的价电子状态, 但那时还没有充分的价电子状态实验依据. 1970年代以来, 有关价电子结构实验结果的报道越来越多, 这些实验结果表明传统的磁有序模型需要改进. 首先, 大量电子谱实验表明, 在氧化物中除存在负二价氧离子之外, 还存在负一价氧离子, 并且负一价氧离子的含量可达30%或更多. 这说明以所有氧离子都是负二价离子为基本假设的超交换和双交换作用模型需要改进. 其次, 一些实验证明, 铁、钴、镍自由原子的一部分4s电子在形成铁磁性金属的过程中变成了3d电子, 这为探讨金属磁性与电输运性质的关系提供了依据. 此外, 即使在现代的密度泛函计算中, 仍不能给出磁性交换作用能的函数表达式, 只能采取各种不同模型进行模拟计算, 从而使磁性材料的模拟计算遇到严重困难. 寻求一个磁有序能的函数表达式可能是解决这个困难的途径. 这些研究表明磁性材料价电子结构研究面临着重大的机遇与挑战. 本文首先介绍一些典型的实验例证, 然后介绍了基于这些实验结果的一套典型磁性材料的磁有序新模型, 随后介绍了基于新模型的磁性材料价电子结构与旧模型的主要区别, 最后指出了未来研究工作面临的挑战.
总论
2020, 69 (2): 020201.
doi:10.7498/aps.69.20190964
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利用投影切片定理、傅里叶位移定理和误差函数给出三能级钾原子气体三维傅里叶变换频谱在T= 0界面的解析解. 固定均匀线宽, 非均匀展宽和对角线相关系数可以定量地识别, 通过在适当方向上拟合三维傅里叶变换频谱谱峰的切片来确定. 结果表明, 非均匀展宽增大, 频谱图沿着对角线方向延伸, 对角线相关系数增大, 频谱图逐渐变圆, 振幅也逐渐变小.
2020, 69 (2): 020202.
doi:10.7498/aps.69.20190613
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波的传播往往在复杂的地质结构中进行, 如何有效地求解非均匀介质中的波动方程一直是研究的热点. 本文将局部间断Galekin(local discontinuous Galerkin, LDG)方法引入到数值求解波动方程中. 首先引入辅助变量, 将二阶波动方程写成一阶偏微分方程组, 然后对相应的线性化波动方程和伴随方程构造间断Galerkin格式; 为了保证离散格式满足能量守恒, 在单元边界上选取广义交替数值通量, 理论证明该方法满足能量守恒性. 在时间离散上, 采用指数积分因子方法, 为了提高计算效率, 应用Krylov子空间方法近似指数矩阵与向量的乘积. 数值实验中给出了带有精确解的算例, 验证了LDG方法的数值精度和能量守恒性; 此外, 也考虑了非均匀介质和复杂计算区域的计算, 结果表明LDG方法适合模拟具有复杂结构和多尺度结构介质中的传播.
2020, 69 (2): 020501.
doi:10.7498/aps.69.20191503
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在社交网络谣言传播模型中, 考虑到辟谣机制和时滞效应对网络谣言传播的影响, 建立基于辟谣机制和时滞效应的SIR谣言传播模型. 利用再生矩阵谱半径方法得到R0; 根据二次函数图像特征给出谣言盛行平衡点存在的条件; 通过特征值理论和Routh-Hurwitz判据确定无谣言平衡点和谣言盛行平衡点的局部稳定性以及发生Hopf分支的条件; 数值仿真结果表明政府和媒体发布的辟谣信息会加快谣言收敛的速度和降低谣言传播者的最大密度.
2020, 69 (2): 020502.
doi:10.7498/aps.69.20191303
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任意矩形电路网络中的电位分布问题一直是科学研究的难题. 本研究发展了研究电阻网络的递推-变换(RT)理论使之能够用于计算任意m×n阶电路网络模型. 研究了一类含有任意边界的m×n阶矩形网络的电位分布及等效电阻, 这是一个之前一直没有解决的深刻问题, 因为之前的研究依赖于规则的边界条件或一个含有零电阻的边界条件. 其他方法如格林函数技术和拉普拉斯矩阵方法计算电位函数比较困难, 研究含有任意边界的电阻网络也是不可能的. 电位函数问题是自然科学和工程技术领域研究的一个重要内容, 如拉普拉斯方程的求解问题就是其中之一. 本文给出了含有一条任意边界的m×n矩形电阻网络的节点电位函数解析式, 并且得到了任意两节点间的等效电阻公式, 同时导出了一些特殊情形下的结果. 在对不同结果的比较研究时, 得到了一个新的数学分式恒等式.
原子和分子物理学
2020, 69 (2): 023101.
doi:10.7498/aps.69.20191453
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经式8-羟基喹啉铝(mer-Alq3)是一种光电性能优良的小分子有机半导体发光材料. 本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G*方法和基组对其进行结构优化, 计算并研究了该分子的红外光谱、拉曼光谱和前线轨道. 计算得到的红外光谱、拉曼光谱均与实验相符. 前线轨道表明基态最高占据轨道(HOMO)的电子云主要集中在苯酚环, 最低未占据轨道(LUMO)的电子云主要集中在吡啶环. 用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算得到紫外-可见吸收光谱, 采用空穴-电子分析法研究了电子激发特征. 结果表明: 电子从基态到激发态的跃迁, 主要是8-羟基喹啉环内或环间的电荷转移, 以π-π*跃迁为主, 包括局域激发和电荷转移激发两种类型. 本工作对mer-Alq3分子发光机理提出更深入的认识, 能为进一步提高该分子发光效率和调控分子的发光范围提供一定的理论指导.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (2): 024201.
doi:10.7498/aps.69.20191587
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时域色散精密控制是超短激光产生及其应用中的关键技术之一, 它通过控制各波长的光程产生相对延迟从而改变脉冲宽度. 展宽器是啁啾脉冲放大激光系统中对激光脉冲展宽的装置, 基于光线追迹法研究光线在展宽器中的传输路径, 可计算飞秒脉冲中各波长的光程, 进而计算脉冲展宽量并应用于系统设计. 由于展宽器的光程表达式复杂, 直接对其求导获得色散表达式较困难, 目前只能采用数值导数获得近似解, 这在计算过程中会引入误差, 不利于激光系统精确设计和优化. 本文介绍了一种易实现的求解展宽器色散的解析算法, 通过归纳展宽器光程表达式特点, 引入四个基元函数, 将光程表达式分解和反复代换, 可得到高阶色散的精确解析值. 本文首先对Martinez型展宽器重新光线追迹, 获得与Offner型展宽器一致的相位表达式, 其次通过解析算法获得了两种展宽器的精确高阶色散值, 最后将解析算法与数值算法的结果进行了比较. 该解析算法对于啁啾脉冲放大系统的参数设计具有实用价值.
2020, 69 (2): 024202.
doi:10.7498/aps.69.20191351
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非厄米的描述对于开放系统有重要意义, 满足parity-time对称性的哈密顿量, 其参数在一定范围内可以使能量具有实的本征值. 本文通过模拟, 研究了损耗大小以及结构对称性对条形波导中的parity-time对称性的影响, 并通过实验发现了电注入条件下由parity-time对称破缺导致的脊条波导模式间隔加倍、模式数减半的现象.
2020, 69 (2): 024203.
doi:10.7498/aps.69.20191294
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在考虑光学微腔中二阶和三阶非线性效应的情况下, 引入了可同时描述腔内基频和倍频光场的演化过程的Lugiato-Lefeve方程, 分析了SiN微腔中二次谐波的产生, 并讨论了各参数对腔内基频和倍频光场的影响. 理论分析结果表明, 失谐参量为0时, 稳定后的基频光场为平顶脉冲的形式, 而倍频光场呈正弦分布; 失谐参量增加, 将导致腔内基频和倍频光功率在演化过程中出现振荡, 且最终稳定的光功率变弱, 稳定后的光场分布为周期性变化; 失谐参量的值过大, 会使得微腔光场处于混沌状态. 抽运光强较弱时, 腔内可形成稳定的光场分布; 抽运光强较强时, 会导致腔内色散以及非线性效应过强, 最终稳定的光场仍然呈周期性变化, 且抽运光功率越强, 光功率的演化曲线振荡越强. 此外, 选取特定的微腔尺寸, 微腔可工作于“图灵环”状态. 理论分析结果对研究光学微腔中二次谐波的产生有重要意义.
2020, 69 (2): 024204.
doi:10.7498/aps.69.20191272
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根据自由空间光束传输遵循的(3+1)维薛定谔方程, 得到了两束时空自减速艾里复变量拉盖尔高斯(Airy elegent-Laguerre-Gaussian, AELG)光束共线传输时的解析解, 并分析其共线传输时的传输特性. 分析结果表明, 双光束各自的模式指数、组合光束强度的权重因子、初始相位差对光束的传输都会有影响. 本文发现, 通过选择模式参数或者选择它们的相对振幅, 对于共线传输的两束时空自减速AELG光束, 可以有效控制叠加光束的波形形态以及横向传输截面的光斑分布. 特别是当两束光束的模式参数不等于零时, 波包将沿着传输轴发生螺旋形旋转, 其相位图中心位置都会出现涡旋现象. 若该参数值为正, 则光束沿传输轴逆时针旋转, 否则, 光束将沿传输轴呈螺旋形顺时针方向旋转. 通过调整叠加光束的初始相位差, 波包沿传输轴线也将发生旋转, 但这两种旋转特性的旋转机理完全不同. 如果选取两束时空自减速 AELG 光束的角向模式参数m相同, 则叠加光束在传输过程中呈现空心环形状态, 出现空心环形时空自减速 AELG 波包, 且该波包在传输截面上随着传输距离的增加, 多环结构最终湮灭为单环, 并向远方推移, 使得空心部分越来越大.
2020, 69 (2): 024205.
doi:10.7498/aps.69.20191200
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研究了双色激光场激发空气成丝产生太赫兹辐射频谱的变化规律. 实验观察到随驱动光功率和光丝长度增加, 太赫兹光谱主要发生红移的现象. 分析表明, 由于等离子体密度的增加, 太赫兹辐射的趋肤深度减小, 等离子体吸收主导了红移的发生. 在光丝足够短的条件下, 趋肤深度远大于光丝长度, 从而产生等离子体振荡主导的太赫兹辐射光谱蓝移. 本研究为超快宽带太赫兹辐射的频谱调控提供了新思路.
2020, 69 (2): 024301.
doi:10.7498/aps.69.20191232
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在分析星地链路几何结构及传播模型的基础上, 研究基于联合代数重建技术的星地链路反演二维垂直降雨场的方法. 利用实测降雨资料构建3类降雨场, 并搭建3条17 GHz垂直极化星地链路进行数值仿真. 实验结果表明: 单星地链路无法实现二维垂直降雨场的重构, 反演场与真实场的相关系数分别为0.556, 0.504和0.364; 基于双星地链路的反演结果和真实场的相关系数均高于0.98, 平均偏差分别为0.122, 0.159和0.537 mm/h, 欧式距离均低于0.9 mm/h, 熵的相对误差均小于1.6%, 基本实现了二维垂直降雨场的反演; 三星地链路的应用进一步提升了反演精度, 相关系数接近于1, 能够精准重构降雨场. 实验结果验证了基于星地链路的垂直降雨场反演方法的可行性、准确性和有效性. 星地链路的架设和维护简单, 探测降雨范围广, 易于在高原、山区、海岛等传统地面观测资料缺失的地区使用, 可以作为已有降水测量手段的补充.
2020, 69 (2): 024302.
doi:10.7498/aps.69.20191454
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具有良好可重构性、良好缺陷兼容性及紧凑型的声学拓扑结构可能成为声学发展中一个有前景的方向. 本文设计了一种可调谐、应用于空气声的二维宽带复合蜂窝形晶格结构, 其元胞拥有两个变量: 一个是中心圆的缩放参数s, 另一个是“花瓣”图案围绕其质心的旋转角度θ. 研究发现当s为1.2,θ为±33°时, 在结构的布里渊区中心点出现四重简并态. 在±33°两侧, 能带会发生反转, 体系经历拓扑相变; 同时, 结构的相对带隙宽带逐渐增加, 其中θ为0°和60°时, 相对带宽分别为0.39和0.33. 本研究还计算了由这两种转角的声子晶体组成的拼合结构的投影能带, 发现在其体带隙中存在着边界态并验证了此拓扑边界的缺陷免疫特性. 最后通过变化s, 构建了一种非周期性双狄拉克锥型的声拓扑绝缘体并验证了其缺陷免疫性. 本研究的体系相对带宽显著超过已知体系, 将为利用声拓扑边界的声波器件微型化打下良好的基础.
2020, 69 (2): 024303.
doi:10.7498/aps.69.20191208
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分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响. 一方面, 气泡层会改变原来水中的声速剖面; 另一方面, 气泡层会对声波产生散射和吸收作用. 考虑以上两方面的因素, 分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响, 仿真发现, 在风速大于10 m/s时, 对于2 kHz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视. 在给定的水声环境中, 当声源深度和接收深度都为7 m时, 风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层, 在10 km处对3 kHz的声传播损失的影响达到8.1 dB. 当声源深度和接收深度都为18 m时, 风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层, 在10 km处对3 kHz的声传播损失的影响达到4 dB.
2020, 69 (2): 024701.
doi:10.7498/aps.69.20190681
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通过直接数值求解Navier-Stokes方程, 研究了入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz (KH)涡结构的响应特性, 结果清晰地展示了KH涡的独特演化方式. 基于流动可视化数据, 采用两点相关性分析获得了流场拟序结构的空间尺寸和结构角分布. 通过分析不同激励频率下涡结构的动态特性, 揭示了入流激励下可压缩剪切层中KH涡结构的独特演化机理. 研究结果表明, 低频入流激励(f= 5 kHz)下KH涡尺寸在远场区域达到饱和后呈现锁频状态, KH涡量厚度稳定在12—14 mm之间; 与自由剪切层涡结构通过配对合并的方式实现生长的机理不同, 低频入流激励下剪切层的发展是通过中间涡核顺时针吞噬KH不稳定波诱导的一串外围小涡结构来实现生长. 此外, 针对高频激励 (f= 20 kHz)下的剪切层流动, 研究了涡结构特性和入流激励参数之间的定量关系, 发现均匀分布涡结构的尺寸近似等于对流速度与入流激励频率之比.
2020, 69 (2): 024702.
doi:10.7498/aps.69.20191141
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在考虑空气阻力影响, 确定液滴撞击球面速度的基础上, 对较高韦伯数液滴撞击干燥球面动态行为过程进行了实验研究, 分析了球面曲率与韦伯数对液滴撞击行为和铺展因子的影响, 并与前人撞击平面结果进行了对比. 实验表明, 靠近撞击球面时, 液滴降落速度出现明显波动; 球面曲率对液滴撞击后行为影响明显, 曲率较大时, 液滴撞击后铺展液膜会超出球面直径并滑落, 曲率较小时, 液滴撞击后在球面上呈现明显的铺展、回缩、震荡、着附动态变化行为, 此时最大铺展因子受曲率影响小, 随曲率减小, 逐渐趋向于撞击平面时的最大铺展因子; 韦伯数对液膜铺展速率影响较小, 但对液膜回缩时间影响明显, 最大铺展因子随韦伯数增加逐渐增大, 获得的关联式呈指数变化.
2020, 69 (2): 024703.
doi:10.7498/aps.69.20191155
摘要 +
针对展向凹槽和泄流孔对高超声速钝平板边界层转捩的影响, 在中国空气动力研究与发展中心Φ2 m激波风洞(FD-14A)开展了试验及初步的计算与理论研究. 试验的来流马赫数为6、单位雷诺数为3.3 × 107/m, 平板的前缘半径为1 mm, 攻角为–4°. 在距平板前缘110 mm处布置三组不同的二维展向凹槽, 凹槽的宽度与深度分别为凹槽1 (2.5 mm, 1 mm)、凹槽2 (3.75 mm, 1.5 mm)、凹槽3 (5 mm, 2 mm), 同时凹槽1的两端可以打开泄流孔, 记为凹槽4, 不含凹槽时的光滑平板情况记为凹槽5或平板. 采用热流传感器测量了不同情况下平板中心线的热流分布, 测量结果显示, 光滑平板情况在x≈ 340 mm处开始转捩, 在x≈ 425 mm处转捩接近完成. 凹槽导致平板边界层的转捩位置提前, 且随着凹槽宽度及深度的增加, 对转捩的促进作用增强, 转捩位置向上游移动. 凹槽1增加泄流孔后(凹槽4)其热流分布及转捩位置与光滑平板情况基本一致. 边界层流动完全转捩为湍流后, 各情况下的热流差别较小, 表明不同规格的凹槽只影响转捩过程中的热流分布, 对转捩完成后的湍流壁面热流影响较小. 数值计算 (CFD)结果显示, 泄流孔导致了被动抽吸, 试验结果显示凹槽两端的泄流孔抽吸效应抵消了凹槽对平板中心线边界层转捩的促进作用. 采用线性稳定性理论(LST)及最优扰动方法分析了光滑钝平板情况的流动失稳机制. LST结果显示, 本文平板流动不存在Mack第一模态、第二模态失稳, 因此传统的模态失稳机制无法解释试验中观测到的转捩现象. 最优扰动计算显示, 平板流动存在较强的非模态失稳, 可以定性解释观测到的转捩现象.
2020, 69 (2): 026201.
doi:10.7498/aps.69.20191245
摘要 +
强激光驱动加载已成为冲击波作用下材料动态破碎过程研究的一种有效手段. 采用间接驱动方式, 设计合适的腔型进行物理实验研究, 可实现更大且更均匀的冲击加载一维区. 采用数值模拟和物理实验方法, 研究强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术. 首先, 利用IRAD程序设计适用于开展动态破碎过程研究的半柱腔, 其直径为2 mm、腔长为2 mm; 进而通过物理实验获得此腔型下多个激光能量点、脉宽2 ns和3 ns条件下辐射峰值温度和波形; 最后, 利用流体模拟方法给出多种辐射波形下的冲击加载波形. 利用高能X射线成像和光子多普勒干涉仪诊断给出间接驱动加载下层裂过程的物理图像和速度历史. 经分析发现, 间接驱动的加载一维区达到2 mm, 平面性优于5%, 能有效地开展相关物理实验研究. 研究结果为新型柱腔设计、冲击加载技术及动态破碎过程研究提供了重要的研究基础.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (2): 025201.
doi:10.7498/aps.69.20191307
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研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响. 通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式, 并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线. 结果表明, 电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同, 下限表达式不同, 反射运动模型中下限还与基板电势有关, 且随着基板电势值的增加而增大, 达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变, 随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同; 离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小, 只是在反射运动模型中的最大值要小; 两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加, 但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大; 两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低, 但在玻尔兹曼模型中降低更快, 随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致; 当基板电势值较小时, 电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大, 当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
编辑推荐
2020, 69 (2): 026801.
doi:10.7498/aps.69.20190756
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通过测定及分析纳米颗粒和表面活性剂-纳米颗粒复配体系在自由吸附过程与动态收缩过程中表面张力的变化, 总结了纳米颗粒在气-液界面的吸附排布规律以及表面活性剂对其吸附规律的影响. 实验结果表明, 自由吸附过程中, 随矿化度增加、阳离子活性剂浓度增加, 平衡表面张力降低, 这与颗粒吸附密度增加及颗粒润湿性改变有关. 浓度低于临界胶束浓度（CMC）时, 阳离子活性剂体系与混合体系的表面张力差异证明了阳离子活性剂可以通过静电作用吸附于纳米颗粒表面, 进而部分溶解于水相; 而阴离子活性剂与纳米颗粒相互作用力较弱, 对表面张力影响较小. 纳米颗粒体系在液滴收缩过程中, 表面张力从自由吸附平衡态进一步降低大约9 mN/m, 说明自由吸附过程中纳米颗粒不能达到紧密排布; 同时表面张力呈现为缓慢降低、快速降低和达到平衡三部分, 表面压缩模量可达70 mN/m, 满足了液膜Gibbs稳定准则, 这将有助于提高泡沫或者乳液稳定性. 纳米颗粒-表面活性剂体系在液滴收缩过程中表面张力降低值随活性剂浓度增加而减小; 表面压缩模量由高到低依次为: 纳米颗粒 > 阳离子活性剂-纳米颗粒 > 阴离子-纳米颗粒 > 表面活性剂.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2020, 69 (2): 027101.
doi:10.7498/aps.69.20191365
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利用密度泛函理论的第一性原理, 讨论Al-Cu-Li合金中主要析出相T1相(Al6Cu4Li3)的表面性质, 计算不同终结面的表面能和表面电子功函数, 并探讨应力作用和常见合金元素对Al/T1界面的影响. 结果表明: T1相的表面能与表面的原子排列有关, 不同的表面通过应变释放重构, 进而获得不同的表面能. 表面电子功函数则与表面原子种类有关, 由于Li的电负性最小, 含Li原子的表面通常有较低的电子功函数, 进而降低材料的耐蚀性. 此外, 在应力作用下, T1相一些表面的电子功函数变化与纯金属是相反的. 压应力下T1相电子功函数降低, 材料更加容易被腐蚀; 张应力下T1相功函数增加, 材料更加耐腐蚀. 同时, 通过计算Al/T1界面中Ag, Zn和Mg 3种合金元素的替位能, 可以发现, 这3种元素都有利于降低界面能, 且Ag的作用最明显.
2020, 69 (2): 027801.
doi:10.7498/aps.69.20191511
摘要 +
提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器, 它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成, 在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质. 计算结果表明在f= 4.08 THz和f= 4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%. 通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变, 从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%. 改变入射角和偏振态, 计算结果表明在入射角0°—40°, 吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上. 该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性, 本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域, 例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.
2020, 69 (2): 027802.
doi:10.7498/aps.69.20191418
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基于F离子注入隔离技术实现一种新型微缩化发光二极管(micromicro-LED)阵列器件, 并系统研究注入能量及发光孔径对micro-LED阵列器光电性能的影响. 研究结果表明: 相比于F离子50 keV单次注入器件, 50/100 keV两次注入器件具有更好的光电性能, 器件反向漏电降低8.4倍, 光输出功率密度提升1.3倍. 同时, 在不同的发光孔径(6, 8, 10 μm)条件下, 器件反向漏电流均为3.4×10–8A, 但正向工作电压随孔径增大而减小, 分别为3.3, 3.1, 2.9 V. 此外, 器件不同发光孔径的有效发光面积比(实际发光面积与器件面积之比)分别为85%, 87%, 92%. 与传统台面刻蚀micro-LED器件相比, 离子注入隔离技术实现的micro-LED器件具有较低反的向漏电流密度、较高的光输出密度及有效发光面积比.
编辑推荐
2020, 69 (2): 027803.
doi:10.7498/aps.69.20191598
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对石墨烯/铜体系开展了系统性的近场光学实验研究, 成功观测到了区别于铜衬底的、来自石墨烯的近场光学响应信号, 发现在表面台阶几何参数相同的铜衬底上的不同石墨烯样品表现出了截然不同的近场光学响应.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (2): 028101.
doi:10.7498/aps.69.20191013
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通过微波等离子体化学气相淀积技术生长单晶金刚石并切割得到(110)和(111)晶面金刚石片, 以同批器件工艺制备两种晶面上栅长为6 μm的氢终端单晶金刚石场效应管, 从材料和器件特性两方面对两种晶面金刚石进行对比分析. (110)面和(111)面金刚石的表面形貌在氢终端处理后显著不同, 光学性质则彼此相似.VGS= –4 V时, (111)金刚石器件获得的最大饱和电流为80.41 mA/mm, 约为(110)金刚石器件的1.4倍; 其导通电阻为48.51 Ω·mm, 只有(110)金刚石器件导通电阻的67%. 通过对器件电容-电压特性曲线的分析得到, (111)金刚石器件沟道中最大载流子密度与(110)金刚石器件差异不大. 分析认为, (111)金刚石器件获得更高饱和电流和更低导通电阻, 应归因于较低的方阻.
封面文章
2020, 69 (2): 028102.
doi:10.7498/aps.69.20191407
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纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提. 结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术, 通过分子束外延生长方法, 在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火, 实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长, 锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面. 详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否, 以及纳米线尺寸的影响.
2020, 69 (2): 028201.
doi:10.7498/aps.69.20191353
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通过线性耦合Brusselator模型和Lengyel-Epstein模型, 数值研究了双层耦合非对称反应扩散系统中图灵模之间的相互作用以及斑图的形成机理. 模拟结果表明, 合适的波数比以及相同的对称性是两个图灵模之间达到空间共振的必要条件, 而耦合强度则直接影响了图灵斑图的振幅大小. 为了保证对称性相同, 两个图灵模的本征值高度要位于一定的范围内. 只有失稳模为长波模时, 才能对另一个图灵模产生调制作用, 并形成多尺度时空斑图. 随着波数比的增加, 短波模子系统依次经历黑眼斑图、白眼斑图以及时序振荡六边形斑图的转变. 研究表明失稳图灵模与处于短波不稳定区域的高阶谐波模之间的共振是产生时序振荡六边形的主要原因.
2020, 69 (2): 028401.
doi:10.7498/aps.69.20191268
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天线的方向系数是天线的核心性能指标之一, 准确计算方向系数是高性能天线应用的核心要求. 本文基于平面近场测试理论、实测数据和快速傅里叶变换算法, 系统阐述基于近场测试来数值计算天线方向系数的原理, 并进行深入的误差分析. 本文选择一种方向图函数和方向系数已知的被测天线, 来检验所讨论的误差评估方案. 评估分两步实现, 第一步, 针对这一天线, 采用标准的近场测试配置, 仿真模拟出(相当于实际测量出)一套平面近场数据. 第二步, 基于这套近场数据, 利用数值积分计算出天线方向系数. 本文使用或提出了四种数值算法, 分析了提出的后三种算法本身的误差来源, 并开发出程序搜索方案, 确定出后两种算法的最小误差界. 随后, 利用这四种数值算法分别得出天线的方向系数. 结果表明, 计算所得的近场方向系数都比真实方向系数大, 但误差不超过0.6 dB. 这一结果对实际应用中正确评估基于近场测试的天线方向系数准确性有重要参考价值.
2020, 69 (2): 028501.
doi:10.7498/aps.69.20190921
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采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型, 分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻, 发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%, 器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%, 这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性. 通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析, 发现除了封装法兰以外, 热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻, 降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键. 同时, 详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程, 展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.
2020, 69 (2): 028701.
doi:10.7498/aps.69.20191310
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针对连续太赫兹波叠层成像重建算法收敛较为迟滞的问题, 提出一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法及相关重建算法, 使用不同记录距离形成的差异化衍射图幅值作为重建算法记录平面的约束条件, 增加了记录平面数据多样性和衍射信息冗余度. 仿真结果表明, 本方法可以加快算法收敛速率, 有效减少迭代次数, 提高连续太赫兹波定量相衬成像计算效率. 随后构建了基于2.52 THz光泵连续太赫兹激光器的双物距叠层成像实验装置, 应用双物距记录方法及改进算法重建获得了聚丙烯基字母图案样品的幅值和相位分布, 结果表明改进方法可以减少算法迭代次数, 提升计算效率, 同时改善相位像重建结果保真度.
2020, 69 (2): 028901.
doi:10.7498/aps.69.20191313
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在线社交网络逐渐成为人们不可或缺的重要工具, 识别网络中具有高影响力的节点作为初始传播源, 在社会感知与谣言控制等方面具有重要意义. 本文基于独立级联模型, 给出了一个描述有限步传播范围期望的指标—传播度, 并设计了一种高效的递推算法. 该指标在局部拓扑结构信息的基础上融合了传播概率对影响力进行刻画, 能够较好地反映单个节点的传播影响力. 对于多传播源影响力极大化问题, 本文提出了一种基于传播度的启发式算法—传播度折扣算法, 使得多个传播源的联合影响力最大. 最后, 将上述方法应用到三个真实网络中, 与经典指标和方法相比, 该方法不需要知道网络的全局结构信息, 而是充分了利用网络的局部结构信息, 可以较快地筛选出高传播影响力的传播源.
地球物理学、天文学和天体物理学
2020, 69 (2): 029401.
doi:10.7498/aps.69.20191266
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碱金属或碱土金属在电离层释放后, 迅速在太阳辐射作用下发生光电离, 产生正离子和电子, 形成人工等离子体云团. 本文基于三维双成分流体模型, 考虑释放区域水平风场的影响, 探讨了钡和铯在电离层释放后的时空演化规律, 并对钡和铯的电离层扰动效应进行了对比. 模拟结果表明, 不考虑中性风场时, 生成的等离子体云团逐渐沿磁场被拉伸成椭球形结构, 同时, 膨胀的等离子体云会推开背景氧离子, 在释放中心形成氧离子密度空洞, 并在两侧产生两个对称的密度尖峰; 水平风场的存在会使得生成的离子云逆风侧的密度梯度变陡, 释放物质对背景氧离子的扰动也更大; 对比钡与铯的释放结果发现, 由于铯的扩散系数较小, 钡云的膨胀更为迅速, Ba+云团的覆盖区域更广; 而由于光电离率较大, 释放相同质量下铯的离子产率更高; 此外, Cs+的扫雪机效应比Ba+扫雪机更强, 氧离子密度空穴和凸起处的扰动也更大.
2020, 69 (2): 029501.
doi:10.7498/aps.69.20191315
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惯性约束聚变研究中, 热辐射光子在介质中的输运以及热辐射光子与介质的相互作用是重要研究课题,蒙特卡罗方法是该类问题的重要研究手段之一. 隐式蒙特卡罗方法虽然能正确地模拟热辐射在介质中的输运过程, 但当模拟重介质(材料的吸收系数大)问题时, 该方法花费的计算时间将变得很长, 导致模拟效率很低. 本文以离散扩散蒙特卡罗方法为基础, 开发了“离散扩散蒙特卡罗方法辐射输运模拟程序”, 可以较好地解决重介质区的计算效率问题, 但是离散扩散蒙卡罗方法在模拟轻介质区时精度不够高. 辐射输运问题中通常既有轻介质也有重介质, 为了能同时解决蒙特卡罗方法模拟的效率和精度问题, 本文研究了离散扩散蒙特卡罗方法与隐式蒙特卡罗方法相结合的模拟方法, 并提出了新的扩散区与输运区界面处理方法, 研制了混合蒙特卡罗方法的辐射输运模拟程序. 典型辐射输运问题模拟显示: 在模拟重介质问题时, 该程序能大幅缩短模拟时间, 且能取得与隐式蒙特卡罗方法一致的结果; 在模拟轻重介质均存在的问题时, 与隐式蒙特卡罗方法相比, 混合蒙特卡罗方法的模拟精度与其相当且计算效率同样能够得到显著提升.
2020, 69 (2): 029502.
doi:10.7498/aps.69.20190753
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开展纳秒激光诱导空气等离子体近红外辐射特性的实验研究, 对波长为532 nm的脉冲ns激光诱导产生的空气等离子体的近红外光谱进行测量. 结果表明: 空气等离子体的近红外辐射在光谱范围为1100—2400 nm内由连续谱和线状谱组成, 光谱指认表明线谱主要来源于N, O原子的中性原子谱和氮分子的振动光谱. 通过对连续谱的分析得知, 黑体辐射是连续辐射的主要来源. 空气中波长1128 nm附近的辐射, 可能是N和O中性原子谱的贡献. 保持真空腔内气压不变, 改变腔内氮气和氧气气体组分含量, 分析测得的红外光谱数据, 可知混合气体中氧气和氮气含量变化只对波长为1128 nm附近的辐射有影响. 利用二元线性回归分析对数据进行分析后得知, 氧气对波长为1128 nm附近的辐射贡献较大. 最后从电离难易的角度分析造成这一结果的原因.