专题：太赫兹自旋光电子
2020, 69 (20): 200702.
doi:10.7498/aps.69.20200526
摘要 +
系统研究了退火效应对飞秒激光脉冲驱动的基于钴铁硼/重金属异质结辐射太赫兹波的影响. 通过对发射样品进行退火处理, 在钨/钴铁硼结构中观察到三倍增强的太赫兹波辐射, 而铂/钴铁硼结构中太赫兹波的强度也获得了双倍提升. 通过太赫兹时域光谱系统对异质结样品的透射测量和四探针法电阻率测量实验, 验证了退火效应的主要机理可能源于材料结晶引起的热电子平均自由程增加, 以及材料对太赫兹波的吸收降低. 本研究不仅加深了对自旋太赫兹辐射机理的理解, 而且为研制高性能太赫兹辐射源及其应用有一定的贡献.
2020, 69 (20): 200703.
doi:10.7498/aps.69.20200623
摘要 +
太赫兹频段在电磁波谱上位于红外和微波之间, 兼具宽带性、低能性、高透性、指纹性等诸多优势特性, 在航空航天、无线通信、国防安全、材料科学、生物医疗等领域具有重要的应用前景. 太赫兹科学与技术的发展和应用在很大程度上受限于源的水平, 新型太赫兹辐射源的机理研究和器件研制至关重要. 自旋太赫兹发射不仅从物理上提供了操控飞秒自旋流的可能, 而且有望成为下一代超宽带、低成本、高效率新型太赫兹源的优选. 本文系统地综述了自旋电子太赫兹源的发展历程、实验装置、发射机理、材料选择, 以及前景展望, 重点介绍了飞秒激光诱导的超快自旋流、铁磁和非磁界面的自旋电荷转换以及太赫兹发射等物理机制方面的研究进展. 本文还分别介绍了基于重金属、拓扑绝缘体、Rashba界面和半导体等体系的自旋电子太赫兹源.
2020, 69 (20): 200704.
doi:10.7498/aps.69.20200680
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利用飞秒激光脉冲激发铁磁/非磁异质结构有望实现高效太赫兹辐射, 从而打破制约太赫兹技术快速发展的瓶颈. 拓扑绝缘体是一种新型二维材料, 其自旋霍尔角远大于重金属材料, 可以与铁磁层结合构成自旋太赫兹发射器. 为了研究拓扑绝缘体/非磁异质结中的太赫兹产生和调控机理, 本综述从飞秒激光激发的超快光电流响应入手, 结合拓扑绝缘体的晶体结构与电子结构, 分析了拓扑绝缘体薄膜中的太赫兹发射机理, 揭示了不同非线性效应产生的超快光电流随外界条件的依赖关系, 证实了使用多种手段调控拓扑绝缘体出射非线性太赫兹辐射的可能性; 以铁磁/重金属异质结为例, 探究了自旋太赫兹发射器的优势与调控方法. 结合这两种发射机理, 通过非线性太赫兹与自旋太赫兹的合成作用, 可以实现在拓扑绝缘体/铁磁异质结中偏振可调谐的太赫兹发射.
2020, 69 (20): 200705.
doi:10.7498/aps.69.20200634
摘要 +
自旋太赫兹源作为一种新型太赫兹辐射源, 以其高效率、超宽带、低成本、易集成等优点已成为太赫兹科学与应用领域的研究热点. 本实验报道了晶圆级磁控溅射生长的多晶拓扑绝缘体Bi2Te3和铁磁体CoFeB双层异质结纳米薄膜发射太赫兹电磁波, 并对太赫兹辐射特性进行了深入而系统的实验研究. 在飞秒激光放大级脉冲作用下, 该异质结呈现出高效率的太赫兹发射, 且辐射偏振可通过外加磁场方向控制. 通过与Pt/CoFeB对比, 研究发现Bi2Te3/CoFeB的发射性能与Pt/CoFeB双层异质结相当. 实验还对生长在不同衬底上的Bi2Te3/CoFeB的发射性能进行了对比研究, 发现MgO衬底上制备的样品具有相对较好的太赫兹辐射性能. 本实验研究不仅对自旋太赫兹发射机理有更加深入的认识, 而且通过样品和结构的优化, 有望获得更高的发射效率, 且该发射器具有大尺寸批量生长、成本较低的优势, 具备商业化应用的潜力.
2020, 69 (20): 204202.
doi:10.7498/aps.69.20200715
摘要 +
太赫兹技术在成像、传感和安全等方面展现出了巨大的应用潜力和价值. 传统的固态宽带太赫兹源主要依赖于非线性光学晶体和光电导天线, 而下一代太赫兹技术的一个主要挑战是开发高效、超宽带和低成本的太赫兹源. 最近几年, 基于自旋电子学的金属磁性异质结太赫兹源获得了很大关注. 本文首先将对该类太赫兹源涉及的物理机理进行讨论, 主要包括超快退磁和自旋-电荷转换. 然后对该类源的效率提升做了探讨, 具体的优化方向体现在三个方面: 薄膜材料选择(含生长过程控制)、薄膜厚度和薄膜结构设计. 文章最后给出简单总结和该领域的展望.
2020, 69 (20): 204205.
doi:10.7498/aps.69.20201188
摘要 +
作为典型的相变材料, 二氧化钒因为其接近室温的相变温度一直在金属-绝缘体的转变行为研究中备受关注. 各种不同种类的调制实验研究结果对二氧化钒相变机理的研究都提供了重要的线索. 这些实验不仅能够加深对各种过渡金属氧化物中的不同自旋的电子之间强关联作用的理解, 同时也为潜在应用拓展新的机会. 尽管二氧化钒的相变机制仍存在争议, 但在过去的几十年中, 人们为理解金属-绝缘相变机制付出了巨大的努力, 这都来源于各类二氧化钒调制实验的激励. 本工作在单晶和多晶二氧化钒中, 利用连续激光抽运-太赫兹探测技术对它们的调制机理进行了研究, 发现其在相同抽运通量下对太赫兹脉冲的吸收行为有明显的不同. 在系统地探讨了极具代表性的相变机理之后, 将单晶二氧化钒的相变机理归结为以电子结构为主导的Mott型相变, 将多晶二氧化钒的相变机理归结为以晶格畸变为主导的Peierls型相变. 以往的光学调制大多都是在飞秒激光抽运条件下进行的, 作为一种新的光学调制手段, 该工作是对以往全光调制实验的补充, 相信对二氧化钒相变机理的理解有新的帮助.
2020, 69 (20): 204206.
doi:10.7498/aps.69.20201545
摘要 +
极性材料中, 电子受激发跃迁会改变材料的电极化矢量, 受到飞秒脉冲激光的激发时, 瞬态变化的电极化矢量会向外辐射电磁波, 产生太赫兹波段的发射谱. 在磁有序体系中, 受到相干激发的自旋波在进动弛豫的过程中, 会辐射相同频率的电磁波. 研究这些材料的太赫兹发射谱, 不仅有助于理解材料的铁电有序和磁有序的动力学过程, 也为寻找新的太赫兹源提供参考. 我们对极性反铁磁体Fe2Mo3O8的太赫兹发射谱进行了研究, 在800 nm 飞秒激光的泵浦下, 材料中的电子发生跨越能隙的激发, 对电极化矢量产生超快调制, 观察到0.1—3.5 THz的宽带太赫兹激发谱, 太赫兹电场方向沿材料的固有电极化方向. 在进入磁有序后, 观测到两个新的单频太赫兹震荡, 分别位于1.25和2.70 THz, 分别对应Fe2Mo3O8的两个反铁磁自旋波.
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2020, 69 (20): 207302.
doi:10.7498/aps.69.20200682
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准二维范德瓦耳斯磁性材料CrSiTe3同时具有本征磁性与半导体能带结构, 在光电子学和纳米自旋电子学领域中具有广泛的应用, 近年来吸引了广大科研工作者的兴趣. 利用超快太赫兹光谱技术, 本文对准二维范德瓦耳斯铁磁半导体CrSiTe3进行了系统的研究, 包括太赫兹时域光谱, 光抽运-太赫兹探测光谱及太赫兹发射光谱. 实验结果表明, 样品的太赫兹电导率随温度的变化表现得十分稳定, 且样品ab面对太赫兹波的响应呈现为各向同性; 800 nm光抽运后的光生载流子表现为一种双指数形式的弛豫变化, 复光电导率可以用Drude-Smith模型很好地拟合, 光载流子的弛豫过程由电子-空穴对的复合所主导; 飞秒脉冲入射到样品表面后可以产生太赫兹辐射, 且具有0—2 THz的带宽. 本文给出了CrSiTe3在光学及太赫兹波段的光谱, 为其在电子及光电子器件方面的设计和优化提供了借鉴与参考.
封面文章
2020, 69 (20): 207501.
doi:10.7498/aps.69.20201507
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作为典型的具有螺旋磁结构的材料, ZnCr2Se4承载着诸如磁电耦合、磁致伸缩和负热膨胀等有趣特性, 并可能具备多种不同的量子基态. 本文利用太赫兹时域光谱技术研究了ZnCr2Se4在低温强磁场(T= 4—60 K,H= 0—10 T)下的自旋动力学行为. 当外加磁场高于4 T时, 可以观察到亚太赫兹频率范围的磁共振吸收, 并呈现出随磁场增加蓝移特征. 当磁场(H)方向垂直于太赫兹波矢(k)方向时, 仅观察到单个共振吸收, 且其磁场行为符合线性拉莫尔进动关系. 这种磁场依赖性对应传统的铁磁共振, 意味着螺旋自旋态在高磁场下演化为线性铁磁态. 然而, 在H和k同时平行于样品的
$ \langle 111\rangle $
晶向配置下, 当磁场强度高于7 T时, 其太赫兹共振明显劈裂为高频和低频两个吸收峰, 并且其高频吸收表现出非线性磁场依赖关系. 这种奈尔温度以下特有的各向异性太赫兹自旋动力学效应可能与最近发现的量子临界区域有关.
2020, 69 (20): 207801.
doi:10.7498/aps.69.20200031
摘要 +
超快激光可以用来产生和调控拓扑量子材料中的拓扑相变和自旋极化电流, 这些光诱导产生的新奇物性源于材料中受到体系对称性保护的线性色散能带结构的简并节点. 作为一种同时具有两重和三重简并节点的拓扑半金属, 磷化钼(MoP)是一类非常独特的拓扑半金属体系. 本文初步探索了三重简并拓扑半金属晶体MoP中产生自旋极化电流和奇异光学响应的机理, 设计并搭建了以圆偏振光产生并调控光电流的实验装置. 首先采用该装置成功在拓扑绝缘体Bi2Se3中产生了光电流, 与国际上已报道的实验结果对比效果很好, 证明了实验装置的可行性和可靠性; 进而对MoP进行了同样的光电流产生与调控实验. 采用400 nm的圆偏振超快激光脉冲, 在样品不同位置成功观测到了电流信号, 分析认为其为热电流, 不是与三重简并拓扑特性相关的光电流. 这为未来进一步产生和调控光电流提供了重要的研究基础, 对于研究普遍的拓扑量子材料的光电流效应具有可借鉴的意义.
2020, 69 (20): 207802.
doi:10.7498/aps.69.20201518
摘要 +
利用自研的磁场下太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS), 系统研究了磁场与非磁性Y3+离子掺杂对HoFeO3单晶中自旋态以及自旋重取向的影响. 结果表明Y3+掺杂可以在不改变自旋重取向类型情况下, 有效降低自旋重取向温区, 而且还能降低Ho1–xYxFeO3单晶中低温区准铁磁模式(q-FM, quasi-ferromagnetic mode)自旋共振频率以及提升高温区的准反铁磁模式(q-AFM, quasi-antiferromagnetic mode)自旋共振频率. 在沿(110)方向施加外加磁场(HDC)的情况下, 一方面, 发现磁场不仅能有效调控Ho1–xYxFeO3单晶中的q-FM共振频率, 而且还能诱导出自旋重取向; 另一方面, 发现温度越接近自旋重取向温区时, 磁诱导自旋重取向的发生越容易, 而且磁诱导效应的临界磁场强度随Y3+离子掺杂浓度而增加. 研究表明, THz光谱数据可以用于检测HoFeO3中Y3+离子的掺杂浓度, 而且Y3+掺杂可以使HoFeO3晶体中的自旋态更加稳定, 不容易受外界磁场的影响. 这一自旋重取向的掺杂效应、磁控效应的研究将有助于理解稀土正铁氧体中的自旋交换作用及其外场调控机制.
2020, 69 (20): 208501.
doi:10.7498/aps.69.20200866
摘要 +
半导体自旋电子学是凝聚态物理研究中重要的研究领域之一, 在20多年的发展历程中交叉了多学科领域, 其中结合了磁性材料和半导体材料复合结构而开展的关于自旋注入、操纵及光学探测研究的自旋发光二极管展现出丰富的物理性质. 自旋发光二极管的研究涉及自旋注入端和激活区的材料、结构和物理. 本文将从自旋注入、自旋输运和自旋探测三个方面概述自旋发光二极管中所涉及的自旋相关物理, 并进一步介绍自旋发光二极管的研究历程及其最新结果进展, 最后进一步对未来研究趋势进行展望.
2020, 69 (20): 208704.
doi:10.7498/aps.69.20200733
摘要 +
铁磁/非磁异质结构中的超快自旋流-电荷流转换实现相干太赫兹辐射得到了广泛研究. 热自旋电子学结合了热输运与磁输运, 可以有效地产生和探测自旋的非平衡输运. 本文利用飞秒激光脉冲激发铁磁绝缘体钇铁石榴石(Y3Fe5O12, YIG)/Pt异质结构, 通过超快自旋塞贝克效应(SSE)产生太赫兹(THz)相干辐射. 实验中, THz脉冲的相位随外加磁场和激光入射样品顺序的反转而反转, 表明THz辐射与界面温度梯度的方向密切相关. 为了考察界面对THz辐射性能的影响, 系统地研究了YIG/Pt异质结构不同退火处理后的THz辐射情况. 实验发现, 生长在Gd3Ga5O12(GGG)衬底上的YIG/Pt经退火处理后再原生一层Pt膜, 其THz辐射强度提高了一个数量级. 归因于退火后增强了YIG/Pt界面的自旋混合电导率. 此外, 还研究了生长在高阻Si衬底上退火后优化结构的能量密度与THz辐射强度的关系, 拟合得到饱和能量密度约为1.4 mJ/cm2. 实验结果表明, YIG/Pt异质结构的界面调控能够优化THz辐射特性, 为基于超快SSE自旋电子学太赫兹发射器开辟了新的途径.
2020, 69 (20): 208705.
doi:10.7498/aps.69.20200757
摘要 +
自旋太赫兹源基于铁磁/非磁纳米薄膜异质结构中的超快自旋流-电荷流转换产生太赫兹脉冲, 具有超宽频谱、固态稳定、偏振可调、超薄结构、成本低廉等独特优点, 近年来引起很大的关注. 本文首先简要介绍太赫兹波、太赫兹自旋电子学及自旋太赫兹源; 其次从自旋太赫兹源的性能提升、调控及其应用3方面对其研究进展进行详细的综述, 分别为: 1)基于自旋太赫兹源产生太赫兹的3个过程—超快自旋输运、光学激发、太赫兹出射的性能提升方法, 2)自旋太赫兹源偏振和频谱的主动调控, 3)自旋太赫兹源在太赫兹超宽谱测试、磁结构检测及成像、太赫兹超分辨近场成像等方面的应用; 最后总结全文, 指出自旋太赫兹源目前存在的问题, 并展望其发展方向.
2020, 69 (20): 209501.
doi:10.7498/aps.69.20200732
摘要 +
太赫兹辐射已经成为研究稀土铁氧化物(RFeO3)的远红外响应和电子自旋特性的有效手段. 本文研究了高通量制备的稀土共掺杂SmxPr1–xFeO3单晶在零磁场下的反铁磁自旋模式(qAFM)和稀土离子的晶体场跃迁. 利用透射型太赫兹时域光谱, 实验测得Sm0.2Pr0.8FeO3和Sm0.4Pr0.6FeO3单晶的qAFM共振频率位于PrFeO3单晶和SmFeO3单晶的qAFM共振频率(分别为0.57和0.42 THz)的连线上. SmxPr1–xFeO3的qAFM模式频率随Sm3+离子掺杂浓度的增大而增大. 实验结果表明, Sm0.4Pr0.6FeO3在160 K左右发生温度诱导的自旋重取向相变. 当晶体温度低于80 K, 晶体场效应导致Sm0.2Pr0.8FeO3的吸收谱在0.5 THz附近出现宽带吸收峰. 目前的研究结果表明, 太赫兹光谱数据有助于检测高通量制备稀土铁氧体的晶体质量和稀土元素含量, 并将提高稀土掺杂对材料物性调控的分析能力.
综述
2020, 69 (20): 207401.
doi:10.7498/aps.69.20200822
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金属卤化物钙钛矿太阳电池在近几年获得了巨大进展. 目前单结钙钛矿太阳电池转化效率已经达到25.2%. 经过带隙调整得到的1.63 eV及以上的宽带隙钙钛矿太阳电池是制备多结叠层太阳电池中顶部吸收层的最佳材料. 除高效叠层太阳电池外, 宽带隙钙钛矿在光伏建筑一体化以及光解水制氢等领域中也有着广阔的应用前景. 然而这种钙钛矿薄膜本身缺陷较多, 在光照下还容易发生卤素分离, 这也是限制宽带隙钙钛矿太阳电池发展的关键因素. 本文综述了目前宽带隙钙钛矿及太阳电池的发展现状, 最后对其未来发展前景进行了展望.
2020, 69 (20): 208401.
doi:10.7498/aps.69.20200792
摘要 +
机械天线是通过电荷或磁偶极子的机械运动产生电磁场辐射的新型低频发射天线. 新型的辐射原理使其能够打破传统天线波长对物理尺寸的约束, 从而以较小的尺寸实现低频通信, 为对潜通信、透地通信等场景提供了颠覆性的解决方案. 近年来机械天线吸引了国内外众多研究团队的关注, 是低频通信领域的研究热点. 本综述简要回顾了传统的低频发射天线发展情况, 详细介绍了机械天线不同实现方案的研究进展, 对比了各方案的辐射性能与优缺点, 并针对机械天线信号调制方法进行了探讨, 最后展望了机械天线的未来研究方向.
编辑推荐
2020, 69 (20): 208701.
doi:10.7498/aps.69.20201161
摘要 +
病毒是一种在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型生物. 不同病毒侵入细胞的方式不同, 但大都需要通过结合至细胞表面特定的受体蛋白或脂质结构来实现细胞内化, 从而启动入侵程序和感染宿主细胞. 因此揭示病毒结合和内化侵入细胞的具体过程及机制有助于从源头上开发靶向药物或疫苗. 本文以流感病毒和冠状病毒为例, 首先介绍了流感病毒的结构, 其与细胞膜上特定种类蛋白或脂质结构的结合方式, 其完成细胞内吞的途径及诱导其内化的细胞因子种类, 以及侵入细胞后的作用过程, 继而对冠状病毒尤其针对目前仍在全球范围内肆意传播的新型冠状病毒(SARS-CoV-2), 扼要阐述了其结构特点、与细胞受体血管紧张素转化酶ACE2的结合及实现细胞内化的研究进展.
总论
2020, 69 (20): 200301.
doi:10.7498/aps.69.20200799
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提出了一个基于d维多粒子GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) 态作为量子信道的多方量子密钥协商协议. 该方案充分利用时移操作将密钥编码到量子态序列中, 通过d维Z基测量得到密钥. 除此之外, 本方案确保多个参与者是完全对等且公平的, 对最终密钥生成的贡献是平等的. 安全性分析表明本方案能够有效抵抗内部参与者和外部窃听者的攻击.
2020, 69 (20): 200701.
doi:10.7498/aps.69.20200552
摘要 +
基线校正是拉曼光谱数据预处理的关键步骤之一, 是消除荧光干扰的有效方法. 传统的多项式拟合和均匀B样条拟合算法原理简单、易于实现, 但拟合阶数和内节点的不确定性限制了其灵活性. 因此, 本文提出了一种基于中值滤波和非均匀B样条的拉曼光谱基线校正算法. 该算法首先通过平滑预处理、差分计算和设置阈值筛选波谷点, 并根据光谱数据的波谷位置自适应地选择非均匀B样条的内节点; 接着利用中值滤波算法对光谱数据进行处理, 使非均匀B样条算法能够更好地拟合基线. 该算法克服了传统B样条算法需要根据不同的拉曼光谱手动选择内节点的缺点, 同时避免了光谱数据中的随机噪声对基线拟合的影响, 且进一步提高了光谱基线校正效果. 实验结果表明, 该算法能较好地消除拉曼信号基线漂移, 且不存在过拟合和欠拟合现象. 因此, 该算法可以为光谱数据的进一步分析提供更准确、可靠的信息.
原子和分子物理学
2020, 69 (20): 203401.
doi:10.7498/aps.69.20200901
摘要 +
分子离子碎裂过程中, 动能释放(KER)是一个重要的物理参量, 通过研究其分布特征, 可以获取母体离子态布居、分子结构、以及解离机制等信息. 本文以CO2+→ C++ O+两体碎裂过程为例, 详细介绍了KER的重构过程. 利用C+离子的二维动量分布、KER与离子出射角度的关系, 校准了影响KER重构的实验参数: 飞行时间、飞行时间谱仪电压、位置坐标. 校准过程中, 只有当碎片离子的二维动量分布呈圆形或者KER与离子出射角的分布呈直线时, 影响KER重构的参数才符合校准标准.
2020, 69 (20): 203601.
doi:10.7498/aps.69.20200185
摘要 +
采用经典分子动力学(molecular dynamics, MD)方法, 模拟了16000个钒原子在5种不同熔化速率(γ1= 1 × 1011K/s,γ2= 1 × 1012K/s,γ3= 1 × 1013K/s,γ4= 1 × 1014K/s 与γ5= 1 × 1015K/s)下原子结构的熔化行为. 结果表明: 不同熔化速率对难熔金属钒的熔点影响明显, 不过随着温度升高, 体系特征原子结构诸如体心立方(BCC)、六角密堆(HCP)、面心立方(FCC)、简单立方(SC)以及二十面体(ICO)的相对分布次序并不随熔化速率的改变而改变, 温度仍然是影响原子结构分布的主要因素. 通过从头算分子动力学(ab initioMD)与热力学分析发现, ICO能够在液态金属区域稳定存在, 一方面是因为其孤立团簇的相对稳定性和团簇寿命要优于晶体型原子团簇, 另一方面是因为其拥有相对较高的团簇熵与相对较低的自由能.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (20): 204101.
doi:10.7498/aps.69.20200606
摘要 +
本文提出了一种基于频率选择表面(FSS)的双频带实时可调的吸波器, 可以实时调控雷达散射截面(RCS). FSS的单元由带有缺口的圆环和弯曲的十字交叉偶极子组成. 通过切换嵌入在单元中的PIN二极管工作状态, 可以调控单元的谐振频率. 同时设计了一种新型的偏置网络来实现FSS阵面的可重构, 利用现场可编程门阵列(FPGA)对单元的“开/关”状态独立编码, 从而实现了对单元的散射场独立调控. 利用单元工作状态编码, 阵列RCS变化范围分别在S频带达到33dB (3.2 GHz), 在X频带达到26dB (10.3 GHz). 仿真分析和实验结果都证明了设计的合理性.
2020, 69 (20): 204201.
doi:10.7498/aps.69.20200478
摘要 +
针对目前图像的选择性加密无法通过光学结构实现的问题, 通过光学设计方法, 将基于4f系统的双随机相位编码技术和基于衍射系统的双随机相位编码技术相结合, 提出了一种基于双随机相位编码的局部混合光学加密系统. 在该系统中, 原始图像被分为重要信息和非重要信息, 重要信息在4f系统中进行加密, 非重要信息在衍射系统中进行加密, 用4f系统密文替换掉衍射系统密文中的一部分, 得到最终的加密图像. 解密为加密的逆过程, 将4f系统密文从最终密文中剪切出来后, 用其还原出衍射系统密文中被替换掉的信息, 从而得到完整的衍射系统密文, 两个密文分别经过各自对应系统的逆过程后完成解密. 该方法实现了通过光学结构对图像进行选择性加密, 安全有效, 具有良好的鲁棒性. 通过仿真实验验证了该方法的有效性, 利用相关系数对该方法的加密和解密效果进行了评估, 验证了该方法的安全性.
2020, 69 (20): 204203.
doi:10.7498/aps.69.20200892
摘要 +
基于近场热辐射的热光伏器件是一种极具应用前景的热电转换器件. 近场下由于倏逝波的隧穿作用, 可以获得远超黑体辐射的热流及热电功率, 此时辐射表面光子态密度是个关键因素. 本文提出了一种具有高表面态密度的CaF2/W多层膜人工双曲介质作为辐射器, 可以针对有限温度热源获得高效热电转化效果. 采用禁带宽度为0.17 eV的锑化铟p-n结作为接收端, 在200 K温度差和50 nm近场间隙下, 理论上计算获得了超过1 kW/m的高发电功率, 热电转化效率在11%以上, 显著高于热电材料的能量转换效率. 与纯钨热源情形相比, 双曲介质具有更高的倏逝波态密度, 有助于显著增强辐射热流与能量利用率. 进一步研究发现, 当多层膜双曲介质厚度超过140 nm时, 基底的影响已经可以忽略, 这对器件的实际制作非常有益. 相对于纳米线阵列或自然双曲介质, 本文提出的多层膜结构在制作和带宽上具有明显优势, 研究结果为近场热光伏的发展起到了促进作用.
2020, 69 (20): 204204.
doi:10.7498/aps.69.20200588
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本文研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)在可见蓝光波段(434.0—451.5 nm)对大气水汽垂直柱浓度和垂直廓线的反演方法. 首先, 针对水汽吸收峰较窄且较密的问题, 采用和仪器狭缝函数卷积的方法获取适用于MAX-DOAS的水汽吸收参考截面, 并采用修正系数法校正了水汽饱和吸收效应在此波段对反演的影响. 其次, 研究了非线性最优估算法痕量气体廓线反演算法(PriAM算法)中气溶胶状态和先验廓线的线型对水汽反演结果的影响. 结果表明, 气溶胶线型变化对水汽廓线反演结果的影响可忽略, 而高气溶胶状态会使反演结果差异变大, 但均在廓线反演总误差范围内, 这表明, PriAM算法对水汽廓线反演仍具有适用性. 采用该方法在青岛市鳌山区域站开展连续观测实验, 并将观测的水汽垂直柱浓度结果和欧洲中期天气预报中心日均值数据对比,R2= 0.93; 将反演的水汽廓线近地面浓度与欧洲中期天气预报中心和怀俄明大学探空数据对比,R2分别大于0.70和0.66, 结果表明了PriAM算法对大气水汽廓线反演的准确性较高. 最后, 分析了青岛市水汽垂直分布特征: 青岛市水汽主要分布在1.5 km以下.
2020, 69 (20): 204601.
doi:10.7498/aps.69.20200527
摘要 +
基于自由面速度曲线及其与层裂面处物理量变化之间的关联, 考虑层裂损伤演化过程中波的传播与相互作用, 进一步探讨了损伤演化过程中的临界状态, 分析了孔洞增长层裂损伤模型参数所包含的物理涵义, 并给出基于物理的模型参数确定方法. 通过对两种典型延性金属OFHC铜和钽层裂实验结果的模拟, 验证了该方法的合理性. 本文给出的参数确定方法不仅可以扩展模型的适用范围, 有效提高计算结果的可信度, 同时, 也为其他层裂损伤模型参数的确定提供了很好的借鉴作用.
2020, 69 (20): 204701.
doi:10.7498/aps.69.20200563
摘要 +
结合机器学习的湍流模型是流体力学领域的研究热点之一. 现有方法主要将实验/数值的数据用于重构或修正湍流涡黏性和雷诺应力, 鲜有针对转捩问题的研究. 本文利用深度残差网络(ResNet)重构了间歇因子与流场平均量间的映射函数, 并与Spallart-Allmaras (SA)模型耦合, 发展了一种类代数转捩模型. 结合高精度加权紧致非线性格式(WCNS-E6E5)在转捩平板和S809翼型算例中进行了验证, 并与四方程的SST-γ-Reθ转捩模型进行了对比, 结果表明: 纯数据驱动的ResNet模型能够准确预测间歇场, 很大程度上改善了SA模型对自然转捩流动的模拟能力; 训练数据仅基于两个零压力梯度转捩平板, 模型能够应用于S809翼型不同迎角的情况, 预测的升阻力特性和摩擦系数分布接近SST-γ-Reθ转捩模型的结果; 在此基础上, 相较SST-γ-Reθ模型节省了超过30%的计算成本. 本研究显示了机器学习方法在转捩模型构建中的强大潜力.
2020, 69 (20): 204702.
doi:10.7498/aps.69.20200602
摘要 +
在跨流域复杂流动问题的模拟中, 基于求解速度分布函数演化方程的气体动理论方法的效率问题一直受到工程应用领域关注. 研究提升气体动理论方法在定常流动模拟中的计算效率具有重要意义. 为了提升定常流动计算收敛速度, 本文提出了一种耦合宏观方程数值本构关系的气体动理论加速收敛方法. 通过求解Boltzmann模型方程, 将应力、热流高阶项的数值解与宏观方程耦合, 实现了宏观方程的封闭; 另一方面, 宏观方程的计算结果被用来更新Boltzmann模型方程的当地平衡态速度分布函数中的宏观物理量, 以此构造求解Boltzmann模型方程的全隐式数值格式. 通过跨流域方腔流动、超声速圆柱绕流及双圆柱干扰绕流案例的数值模拟, 对方法进行了广泛考核. 计算结果与常规气体动理论统一算法、直接模拟蒙特卡罗法符合良好, 证明该方法很好地描述了稀薄流动中的非线性本构关系, 以及激波、强壁面剪切、流动分离等强非平衡特征. 进一步, 对于低努森数Kn的流动, 方法能显著加速收敛过程, 提升计算效率; 随着努森数Kn增加, 气体对流输运效应减弱, 方法的加速收敛效果降低. 与此同时, 如何减少内迭代耗时, 进一步提升效率有待更多研究.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2020, 69 (20): 207101.
doi:10.7498/aps.69.20200843
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手性结构的圆二色吸收已经被广泛应用于分析化学、工业制药、生物监测等领域. 然而天然手性结构与光的相互作用很弱. 等离激元光学纳米结构能大幅度增强光-物作用的能力. 在制备可见-近红外手性等离激元超吸收结构的过程中, 通常存在吸收率与样品制备面积的折中, 即可大面积制备结构的圆二色性较小. 为提高可大面积制备手性等离激元吸收器的圆二色性, 本文设计了蜂窝状排列的椭圆孔洞吸收器, 并研究了其吸收、圆二色性和光学g因子. 通过合理的设计, 数值计算结果显示, 在手性光的激发下其圆二色值可达约0.8, 对应光学g因子可达约1.7. 巨大的圆二色性来源于倾斜椭圆结构对结构对称性的破坏, 且倾斜角对圆二色性的影响很大. 本结构可利用纳米球光刻法制备, 对制备大规模手性等离激元吸收器具有一定的指导意义.
2020, 69 (20): 207301.
doi:10.7498/aps.69.20200714
摘要 +
针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件和异质结构在西安脉冲反应堆上开展了中子位移损伤效应研究, 等效1 MeV中子注量为1 × 1014n/cm2. 测量了器件在中子辐照前后的直流特性和1/f噪声特性, 并对测试结果进行理论分析, 结果表明: 中子辐照在器件内引入体缺陷, 沟道处的体缺陷通过俘获电子和散射电子, 造成器件电学性能退化, 主要表现为阈值电压正漂、输出饱和漏电流减小以及栅极泄漏电流增大. 经过低频噪声的测试计算得到, 中子辐照前后, 器件沟道处的缺陷密度由1.78 × 1012cm–3·eV–1增大到了1.66 × 1014cm–3·eV–1. 采用C-V测试手段对肖特基异质结进行测试分析, 发现沟道载流子浓度在辐照后有明显降低, 且平带电压也正向漂移. 分析认为中子辐照器件后, 在沟道处产生了大量缺陷, 这些缺陷会影响沟道载流子的浓度和迁移率, 进而影响器件的电学性能.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (20): 208402.
doi:10.7498/aps.69.20200793
摘要 +
针对低频复杂的环境振动能量, 本文提出一种非谐振式低频电磁-摩擦电复合能量收集器件. 该能量收集器以旋转陀螺为核心部件, 具有结构简单、俘能灵敏、鲁棒性强、可360°全方位俘能等优点. 通过理论分析与软件仿真, 阐述了器件的工作原理; 基于线性电机平台, 系统研究了振荡频率、振荡幅度对器件输出性能的影响, 较好地证明了器件收集振动能量的能力. 在2 Hz的振动环境下, 摩擦发电单元在20 MΩ负载下的峰值功率约为0.084 mW, 电磁发电单元在800 Ω负载下峰值功率约为4.61 mW, 系统机电转换效率为0.45%. 最后结合人体运动能收集, 成功验证了该复合能量收集器对低频复杂机械能的收集能力, 并通过能量存储单元, 实现了计步器自供能的正常工作. 本项研究不仅为低频振动能量的高效采集与转换提供了一个崭新的思路, 而且在自供电传感网络节点方面具有潜在应用价值.
编辑推荐
2020, 69 (20): 208502.
doi:10.7498/aps.69.20201297
摘要 +
4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中呈现出独特的高低电导现象, 是分子电子学近十几年研究中的未解之谜. 根据实验测量过程以及所采用的技术手段, 发展了基于第一性原理计算的分子结绝热拉伸模拟方法, 对4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程进行了模拟计算. 并利用一维透射结合三维修正近似(OTCTCA)方法计算了拉伸过程中体系电导的变化, 成功破解了4,4′-二吡啶分子结在拉伸过程中的高低电导之谜. 结果显示, 在4,4′-二吡啶分子结的拉伸过程中, 分子末端的氮原子很容易吸附到探针电极的第二层金原子上, 并且导致分子对尖端金原子产生特有的侧向推动作用, 将探针尖端金原子推向一侧, 从而在拉伸过程中出现高电导平台. 进一步拉伸分子结, 分子上端氮原子移动并吸附到探针尖端金原子上, 同时尖端金原子重新回到原来的晶格位置上. 体系电导也因此降低大约5—8倍, 形成低电导平台. 根据计算结果, 4,4′-二吡啶分子结双电导平台的出现同时表明基底电极很容易存在表面金原子, 且只有分子吸附到表面金原子上才会出现高低电导现象. 可见, 利用分子结拉伸过程中测量到的电导曲线并借助理论计算可以有效识别分子结界面结构. 另外, 对4,4′-二吡啶分子结高低电导现象物理过程和内在物理机制的破译, 为更好利用含吡啶末端分子构建分子开关、分子存储器、分子传感器等功能分子器件提供了重要技术信息与依据.
2020, 69 (20): 208702.
doi:10.7498/aps.69.20200766
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高效可集成太赫兹波片和偏振片是重要的太赫兹光学元器件. 由传统的石英晶体及液晶等材料制作的太赫兹波片和偏振片由于其对太赫兹光响应度低并难于集成而难以应用于太赫兹集成光学领域. 为了寻找用以制备高效可集成太赫兹偏振元件的材料, 本工作应用太赫兹焦平面成像方法研究了
$\left\langle {100} \right\rangle $
晶向的氧化镁晶体对太赫兹波段圆偏振光偏振态的影响. 通过实验观察到氧化镁晶体可以使入射的圆偏振光转化成为线偏振光. 为了进一步验证氧化镁晶体对太赫兹光相位的影响, 还应用透射式太赫兹时域光谱系统测量了氧化镁晶体在太赫兹波段的寻常光和非寻常光的折射率. 通过对比氧化镁晶体中寻常光和非寻常光的位相差, 证明氧化镁晶体在太赫兹焦平面成像实验中起到了1/4波片的作用. 这一结果表明氧化镁晶体是一种制备太赫兹频段可集成波片及其相关偏振器件的重要材料.
2020, 69 (20): 208703.
doi:10.7498/aps.69.20200662
摘要 +
设计了一种新型的太赫兹双芯反谐振光纤, 利用有限元分析法对光纤的损耗特性、双芯之间的耦合特性等进行了理论分析. 结果表明, 单芯反谐振光纤在一定范围内改变内包层管的排列分布, 其传输特性并不会受到明显的影响, 据此可以改变双芯光纤的内包层管的排列分布, 从而利用模式泄漏耦合机制在太赫兹波段实现双芯反谐振光纤的定向耦合. 本文通过改变纤芯距离和纤芯间的间隙大小, 在2.5 THz的传输频率下实现了耦合长度为0.72 m的定向耦合, 这种太赫兹双芯反谐振光纤将在太赫兹光开关、调制器和耦合器等太赫兹光学器件中具有重要的应用价值.
2020, 69 (20): 208706.
doi:10.7498/aps.69.20200959
摘要 +
同源重组过程由重组酶介导, 对维持细胞的遗传稳定性有极大的作用. 链交换是同源重组的关键过程, 研究链交换发生的基本步长对理解整个反应机制有着重要的作用. RecA作为原核生物重组酶的重要成员, 近年来持续受到广泛关注, 但RecA介导的同源重组链交换的步长目前还有争议. 现在主流的观点认为链交换步长为3 bp, 而我们的前期工作测得步长的最可几值为9 bp. 为了进一步验证我们的结论, 进而为更深层次的机理研究提供基础, 本文采用酶切保护实验和单分子磁镊, 配合使用不同的错配碱基序列从侧面验证了链交换步长不为3 bp, 而更倾向于9 bp, 并分析了一个步长内的错配碱基数目和分布对链交换进程的影响. 该结论为进一步探索重组酶工作的分子机理提供了基础和新的思路.