总论
2021, 70 (22): 220501.
doi:10.7498/aps.70.20211206
摘要 +
由大量耦合相振子组成的Kuramoto模型是研究各种自持续振荡系统同步相变和集体动力学的重要模型. 近些年, 高阶耦合Kuramoto模型引起了广泛的研究兴趣, 尤其高阶耦合结构在模拟编码和信息存储的动力学方面起到重要作用. 为了研究高阶耦合的影响, 本文通过考虑频率与耦合之间的关联对高阶耦合的Kuramoto模型进行了推广, 所得到的模型出现了一些新颖的动力学现象, 包括多集团态(多团簇态)、双稳态、爆炸性同步以及振荡态. 对无序态的线性稳定分析得到表征系统由无序向同步转变的临界耦合强度, 利用自洽方法分析得到系统的多团簇态, 并进一步在等效低维子空间中对多团簇态进行线性稳定性分析得到稳定的多团簇态解以及去同步相变点. 对理论分析结果的讨论总结了系统由迟滞到振荡态的转变. 此外, 本文强调结合表征系统不对称性的Kuramoto序参量和表征系统多团簇态的Daido序参量可以对系统宏观动力学给出完整的描述. 通过本文的研究可以进一步加深对高阶耦合相振子系统中耦合异质性以及爆炸性同步的理解.
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2021, 70 (22): 220601.
doi:10.7498/aps.70.20202149
摘要 +
提出了一种基于动态光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离快速测量方法. 借助于重复频率的线性扫描, 可获取啁啾光谱干涉信号中最宽条纹的动态频率偏移, 从而完成被测距离的高精度测量. 动态重复频率能够延伸光谱仪探测极限, 相应地减小测量盲区, 并且基于合成波长也使得测量非模糊范围得到极大的拓展. 本文测距系统无需重复频率的锁定, 能够摆脱对锁相环等复杂应用模式的依赖, 在简化系统的同时借助铷钟提供精准时钟参考, 从而进一步提高测量精度. 此外, 电荷耦合器件成像帧速以及重复频率扫描速度的提升可实现干涉信号的快速采集, 弥补传统光谱干涉测量以及腔调谐方式在探测速度上的不足. 实验结果表明, 本文方法单点测距数据更新率为13.5 Hz, 相较于参考数值, 在20 m的测量范围内, 测量不确定度优于27 μm, 相对精度为1.35 × 10–6.
核物理学
2021, 70 (22): 222601.
doi:10.7498/aps.70.20211051
摘要 +
开展强磁场环境下中子星物质性质的研究对约束中子星物态方程, 揭示星体内部磁场分布形式等有重要意义. 本文基于相对论平均场理论利用GL91参数组研究了处于β平衡条件下传统中子星物质在强磁场作用下的主要宏观性质. 结果表明, 强磁场的引入使传统中子星物态方程变硬, 星体质量上限由2.111 M⊙增大到3.081 M⊙, 相同质量星体对应的半径变大使星体变得不那么致密; 强磁场对传统中子星表面引力红移有抑制作用, 对转动惯量有促进作用. 此外, 给出了目前已观测到的四颗大质量脉冲星—PSRs J1614-2230, J0348+0432, J0740+6620, J2215-5135, 以及双星合并事件GW190814中质量在2.50 M⊙—2.67 M⊙的致密星体表面引力红移和转动惯量的理论值范围. 结果表明, 随着中子星内部磁场的增强, 这五颗星的表面引力红移值范围变窄, 而转动惯量的范围变宽.
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2021, 70 (22): 222801.
doi:10.7498/aps.70.20210742
摘要 +
中子俘获反应截面数据在核天体物理研究、先进核能开发中具有非常重要的应用, 由于缺乏合适的白光中子源和探测装置, 国内在keV能区(1 eV—100 keV)中子俘获反应截面的实验数据几乎是空白. 中国原子能科学研究院核数据重点实验室建造了国内第一台γ全吸收型探测装置, 由40块BaF2探测器单元组成厚度为15 cm, 内半径为10 cm的BaF2晶体球壳, 共覆盖了95.2%的立体角. 利用升级后的装置在中国散裂中子源的反角白光中子源上建立了中子俘获反应截面在线测量技术. 在不规则的ϕ30 mm中子束斑的实验条件下, 完成首次197Au中子俘获反应截面的在线测量, 利用加和能谱和多重数分布扣除本底, 反演飞行时间谱得到keV能区197Au中子俘获反应截面的实验数据. 通过与ENDF评价数据库相关数据的比较, 共振峰位置能够很好地吻合, 从而验证了测量装置和测量技术的可靠性, 为下一步高精度截面数据的获取奠定基础.
原子和分子物理学
2021, 70 (22): 223401.
doi:10.7498/aps.70.20211277
摘要 +
自从Moriya和Kaplan在自旋轨道耦合的单带哈伯德模型中发现了对称的螺旋交换作用, Shekhtman, Entin和Aharony等用这种不可忽略的对称螺旋交换作用成功地解释了
$ {\text{L}}{{\text{a}}_{\text{2}}}{\text{Cu}}{{\text{O}}_{\text{4}}} $
的弱铁磁性. 本文应用非马尔科夫量子态扩散方法研究了具有Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony相互作用和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋链系统中量子失协的非马尔科夫动力学演化问题, 分析了Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony相互作用在零温和有限温度下不同外加磁场时对量子失协的影响. 结果表明, 在没有磁场或仅有均匀磁场的情况下, 系统中的量子失协可以通过增加Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony相互作用而增加, 而在非均匀磁场中则相反. 更重要的是, 通过调节均匀磁场和Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony相互作用可以得到理想的失协状态. 此外, 还分别讨论了Kaplan-Shekhtman-Entin-Wohlman-Aharony相互作用在马尔科夫环境和有限温度下对量子失协的影响.
2021, 70 (22): 223601.
doi:10.7498/aps.70.20202011
摘要 +
本研究提出采用两种不同的离子剂量比的气体团簇离子束多级能量模式来改善n-Si(100)单晶片的创伤表面. 模式一采用低剂量的高能量团簇和高剂量的低能量团簇组合, 模式二则采用高剂量的高能量团簇和低剂量的低能量团簇组合. 结果证明, 模式一的平坦化效果优于模式二, 两者的均方根粗糙度分别为0.62 nm和1.02 nm. 本文在研究多级能量模式平坦化前, 先做了单一能量团簇轰击带有机械损伤的Si片实验, 来验证创伤去除、离子损伤程度与团簇能量的关系. 结果证明, 当用15 kV高压加速团簇离子时, 划痕去除效率最高, 最终表面划痕很浅, 但粗糙度下降不明显; 当用8 kV, 5 kV低压加速团簇离子时, 样品表面变得细腻, 遗留的离子损伤最轻. 然后将多级能量模式一与单一能量团簇轰击靶材进行对比, 结果表明, 与单一15 keV的高能团簇处理相比, 多级能量模式可以获得更为平坦的靶材表面; 与单一5 keV的低能团簇处理相比, 多级能量模式可以更好的去除划痕等创伤. 多级能量模式一将高、低能团簇优点集中起来, 从而达到最佳的平坦化效果.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (22): 224201.
doi:10.7498/aps.70.20210704
摘要 +
本文研究了一种非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导, 并对其模式特性和波导灵敏度进行了分析. 利用有限元方法分析了波导中两个不同偏振态基模(PM 1和PM 2)的有效折射率、传输损耗、归一化有效模场面积、品质因数和波导灵敏度, 并对几何参数进行优化. 结果表明, 在中红外波长3.5 μm附近, 非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导具有良好的模场约束能力和低损耗特性; 此时, PM 1和PM 2的归一化有效模场面积分别为0.30和0.52, 传输损耗分别为0.019 dB/μm和0.016 dB/μm, 品质因数分别为1335.54和1594.99, 波导灵敏度分别为0.080和0.064. 通过制造容差分析可知, 非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子波导在 ± 10 nm的制造容差范围内保持了良好的模式特性和传感特性. 非对称银膜多孔硅-氟化钙混合等离子体波导结构简单, 损耗小, 易于实现表面等离子体传感, 为无标记生物化学传感提供了一种可行的方案, 另外, 波导的非对称结构也可用于模式偏振态变换.
2021, 70 (22): 224202.
doi:10.7498/aps.70.20210445
摘要 +
太赫兹波的振幅和相位进行主动调控由于在太赫兹功能器件方面的广泛应用, 受到了广泛关注. 目前采用的金属-介质-金属超表面结构结合石墨烯等二维材料可实现太赫兹振幅/相位的动态调控, 但存在调控自由度少(电压或光强)以及超表面结构加工工艺复杂及价格昂贵等缺点. 本文提出了一种棱镜耦合石墨烯等离激元结构的相位调控结构. 该结构不仅可以通过通常方式调控费米能级实现对相位的调控, 还可以通过调控空气隙的厚度和预铺石墨烯的层数改变结构的本征损耗和辐射损耗, 从而对结构的相位进行调控, 这是由结构中的本征损耗和辐射损耗的差值决定, 与结构处于欠耦合/过耦合状态密切相关. 对结构相位的调控还会导致太赫兹古斯汉欣位移大小和正负的选择. 进一步, 本文阐述了结构的欠耦合和过耦合状态对古斯汉欣位移的符号有重要影响. 结果表明, 通过对空气隙的厚度和石墨烯的费米能级进行动态调控, 改变系统的本征损耗和辐射损耗, 可以实现相位的调控, 最终实现过阻尼到欠阻尼的转变. 在此物理过程中, 系统的古斯汉欣位移也会发生明显的变化. 与金属-介质-金属超表面结构相位调控器相比, 本文提出的结构具有工艺简单(不需要微结构加工工艺), 可调谐自由度高(可利用石墨烯费米能级和空气隙动态调控, 还可通过控制石墨烯层数调控)等优点. 本文结果为多参数可调谐的太赫兹传感器件的发展开辟了新的途径.
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2021, 70 (22): 224203.
doi:10.7498/aps.70.20210703
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针对透过随机散射介质成像中由于光源谱宽导致目标信息被淹没于背景噪声中, 无法清晰复原隐藏目标信息的问题, 提出基于散斑光场偏振共模抑制特性的宽谱散射成像方法. 该方法深入分析散斑光场的偏振特性, 利用散斑光场中目标与背景的偏振信息差异性与独立性, 结合光场的偏振共模抑制特性, 有效去除光源谱宽所带来的背景噪声影响, 重建高对比度、高信噪比的隐藏目标图像, 实现透过随机散射介质的宽谱成像. 实验结果表明, 该成像方法不仅能够在宽谱光源照明下实现目标与背景信息的分离, 而且能够大幅提高重建图像的信噪比、对比度和结构相似度, 在散射成像领域具有普适性及良好应用前景.
2021, 70 (22): 224204.
doi:10.7498/aps.70.20210669
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双波长数字全息中差分合成波长可拓展无相位包裹测量纵深范围, 但显著放大相位噪声; 加性合成波长可抑制相位噪声, 但大幅缩小无相位包裹测量范围. 因此, 本文利用差分合成波长无包裹测量范围大与加性合成波长噪声低的特性, 提出一种双合成波长数字全息低噪声分级解包裹方法. 该方法利用由差分合成波长获得的“相位差”引导单波长包裹相位进行解包裹, 然后再利用单波长的解包裹后的光程差引导加性合成波长获得的包裹“相位和”进行解包裹, 通过分级实现双波长低噪声解包裹. 实验结果表明, 该方法可以简单、快速地实现双波长数字全息低噪声解包裹.
2021, 70 (22): 224205.
doi:10.7498/aps.70.20210942
摘要 +
利用多重尺度法解析地研究了窄脉冲探测光激发下半导体三量子点分子系统中高阶效应对光孤子稳定性的影响. 结果表明, 由标准非线性薛定谔方程所描述的光孤子在传播的过程中会出现较大衰减, 而由高阶非线性薛定谔方程所描述的光孤子却有着较为良好的稳定性. 此外, 数值模拟光孤子间的相互作用发现, 由标准非线性薛定谔方程所描述的两光孤子碰撞后其振幅迅速衰减并辐射出较为严重色散波, 而由高阶非线性薛定谔方程所描述的两光孤子碰撞后其形状几乎不发生任何变化. 这主要是由于当入射的探测光脉冲足够窄时, 系统须采用高阶方程来描述, 其物理原因是方程中的高阶效应, 包括非瞬时效应和三阶色散效应不能被忽略或当作微扰处理. 这种稳定的光孤子对于将来的光信息处理和传输技术有着潜在的应用价值.
2021, 70 (22): 224206.
doi:10.7498/aps.70.20210888
摘要 +
本文报道了一种宽带可连续调谐的半导体薄片激光器. 增益芯片的有源区由满足谐振周期增益结构的InGaAs多量子阱构成, 其荧光峰值波长位于965 nm附近. 利用增益芯片量子阱的宽带特性, 结合由高反射率外腔镜所构成的直线谐振腔, 可保障激光器较低的损耗和较宽的调谐范围. 在腔内插入不同厚度的双折射滤波片, 可获得连续可调谐的激光波长输出. 当双折射滤波片厚度为2 mm时, 激光器的波长调谐范围为45 nm, 最大输出功率为122 mW,X和Y方向的光束质量M2因子分别为1.00和1.02. 文章还对增益芯片面发射谱的温度特性和双折射滤波片对激光线宽的压窄作用进行了讨论.
2021, 70 (22): 224207.
doi:10.7498/aps.70.20210293
摘要 +
基于共振耦合腔理论, 提出并设计了基于亚波长光栅耦合腔的795 nm垂直腔面发射激光器((vertical cavity surface emitting laser, VCSEL), 利用COMSOL软件有限元方法对多光腔耦合线宽压窄机制和影响因素进行了详细分析, 研究发现, 当光子在多耦合腔中进行谐振时, 通过合理设计光栅耦合腔参数, 精确调控激光器多耦合腔相位匹配, 极大地促进了光谱线宽共振压窄效应, 并最终获得了高光束质量795 nm VCSEL激光器的超窄线宽输出. 理论结果表明, 当耦合腔间隔层厚度为180 nm时, 反射光谱冷腔线宽Δλc可以达到7 pm, 为实现VCSEL激光器kHz量级光谱线宽输出奠定了理论基础.
2021, 70 (22): 224208.
doi:10.7498/aps.70.20210957
摘要 +
随着信息技术的快速发展, 可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)逐渐成为密集波分复用通信技术(DWDM)中的重要光源. 通过利用液晶(LC)的双折射特性所实现的液晶可调谐VCSEL具有偏振稳定、可靠性高、连续波长调谐等优点. 本文设计了一种基于内腔亚波长光栅的液晶可调谐VCSEL结构, 并对液晶层和亚波长光栅对VCSEL波长调谐特性的影响进行了详细分析与研究. 结果表明, 可调谐VCSEL结构中液晶层厚度不仅影响波长调谐范围, 同时决定了VCSEL激光器调谐过程中模式跳变. 此外, 通过对亚波长光栅结构设计, 形成了有效的折射率减反层, 优化液晶层与半导体层界面折射率差, 进一步的提高波长调谐范围和调谐效率. 当中心波长为980 nm时, 调谐范围提升了42%, 达到41 nm, 波长调谐效率提升41%. 为实现高光束质量、连续稳定波长调谐的VCSEL激光器提供了一种新的设计方法.
2021, 70 (22): 224209.
doi:10.7498/aps.70.20210695
摘要 +
本工作对声光调Q的Nd:YVO4晶体级联自拉曼腔内二阶斯托克斯光倍频实现窄脉宽红光激光进行了研究. 从改善自拉曼晶体热效应出发, 综合考虑基频激光性能和提高拉曼变频性能, 设计了三段式键合YVO4/Nd:YVO4/YVO4晶体来提升拉曼转换效率和输出功率. 选用针对二阶斯托克斯波长倍频的室温临界相位匹配切割的LBO晶体作为非线性光学晶体. 其匹配角度(θ= 86.0°,φ= 0°)非常接近非临界相位匹配, 具有较小的走离角, 有利于实现高效的倍频转换效率. 通过抽运光束腰位置、声光调Q重复频率等参数优化, 在14.2 W抽运功率和60 kHz重复频率下, 获得最高平均输出功率1.63 W、转换效率11.5%的657 nm红光激光输出. 657 nm红光的脉冲宽度为11.5 ns, 窄于普通掺钕激光晶体1.3 μm波段激光倍频实现的红光激光, 表明通过级联拉曼倍频技术可发挥拉曼过程脉宽压缩特性实现较窄脉宽红光激光输出.
2021, 70 (22): 224210.
doi:10.7498/aps.70.20210925
摘要 +
本文设计了一种由两侧挖孔的六棱柱单胞周期性排列而成的新型光力晶体纳米梁谐振腔, 利用有限元法计算了该结构在不同缺陷态下的带隙特性. 基于移动边界效应和光弹性效应机制, 采用一阶微扰理论并借助光力耦合系数计算法获得了光力晶体纳米梁谐振腔的光力耦合率, 同时分析了谐振腔声学模态的对称性, 并对光力耦合机制进行了探索. 研究表明: 改变缺陷数量或优化几何结构均可改善光学模式和机械模式的重叠性; 对于同种缺陷不同数量的谐振腔结构, 缺陷数量只会影响光力耦合率中移动边界效应和光弹性效应的作用方式, 而几乎不会改变其耦合率的大小. 分析具有梯度缺陷的光力晶体纳米梁谐振腔的振动模态对称性发现, 只有关于x-y,x-z,y-z平面偶对称的振动模态才能与光学模态产生强耦合, 并得到高达2.25 MHz的光力耦合率.
2021, 70 (22): 224211.
doi:10.7498/aps.70.20210751
摘要 +
提出并验证了一种基于双偏振调制生成可变对称三角波形的方法. 通过设置合适的调制器的调制指数和移相器的相移, 使得调制器生成信号光的强度近似等于理想三角波形傅里叶级数展开式的前三项, 从而生成不同对称因子的三角波形(三阶近似波形). 之前的三角波形生成方案大多生成对称三角波形或锯齿波形(锯齿波形可认为是非对称三角波形), 且对称因子不可调谐, 而本方案生成的三角波形的对称因子可调谐范围可达0%—100%, 这极大地拓展了三角波形的应用范围. 引入均方根误差(root-mean-square error, RMSE)来衡量生成波形与理论波形的相似度, 计算可发现, 理论上本方案生成的对称因子范围在14%—86%的三角波形与理想波形有良好的相似度(RMSE < 0.044), 仿真中生成波形的RMSE也非常接近理论误差. 在实验中, 通过使用频率为4GHz的射频信号生成了对称因子范围在20%—80%的三角波形.
2021, 70 (22): 224212.
doi:10.7498/aps.70.20210615
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单模光纤自适应耦合装置能够将空间激光高效、稳定的耦合至单模光纤中, 在自由空间光通信领域具有重要的研究意义. 然而, 在长距离、强大气湍流环境下的空间光通信系统中, 装置闭环性能会受到光电探测噪声的严重干扰. 本文针对该问题开展了深入研究, 分析了光电探测噪声的作用机理, 建立了噪声干扰程度评价指标, 同时结合实际的单模光纤自适应耦合装置开展了相应的数值仿真研究. 仿真结果表明, 光电探测噪声会对光纤耦合过程中的闭环平均耦合效率、闭环精度、以及闭环带宽产生严重影响. 根据仿真结果, 本文给出了相应的经验公式, 能够用以计算强噪声干扰环境下光纤耦合过程应满足的光学及电学参数. 本文的理论及仿真结果能够为长距离、强大气湍流环境下的单模光纤自适应耦合装置的设计提供相应的理论依据.
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2021, 70 (22): 224213.
doi:10.7498/aps.70.20210959
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本文基于非线性薛定谔方程的Peregrine怪波解, 讨论有理分式的脉冲动力学, 基于其特性并利用谱过滤方法, 提出一种光脉冲串的放大方法. 连续波泵浦与频谱过滤器相结合, 能够实现光放大器作用. 这一思路被应用到光脉冲串的长距离传输, 以4级放大为例, 实现了光脉冲串的级联放大, 并且通过矩形脉冲截断, 能够实现有限个数脉冲的放大. 其次, 以实验上可控的周期调制的平面波作为初始输入, 能够产生放大脉冲串, 且最大放大脉冲串产生的位置与调制强度有关. 改变调制强度的大小, 能够影响最大放大脉冲串所产生的位置. 研究结果表明, 对于不同频率的输入脉冲串, 利用此方法可以实现放大, 并且通过改变调制强度的大小, 能够实现两路不同频率信号的同时放大.
2021, 70 (22): 224214.
doi:10.7498/aps.70.20210410
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研究并分析了一种采用三层芯结构的单模大模场面积低弯曲损耗光纤. 纤芯由纤芯高折射率层、包层低折射率层和下陷低折射率层三层结构构成. 系统地分析了三层芯光纤(three-layer-core fiber, TLF)中不同结构参数对基模模场面积及弯曲损耗的影响. 研究表明, 通过调整三层芯的结构参数, 在不牺牲截止波长的前提下, 这种TLF可以实现在增大基模有效面积(Aeff)的同时, 将弯曲损耗降到更低. 通过调整纤芯中三层芯的结构参量,Aeff可以达到100—330 μm2甚至更高. 此外, 在相同模场面积Aeff下, 三层芯光纤的弯曲损耗可以比普通阶跃型光纤(SIF)要低2—4个数量级. 分析表明这种大有效面积、低弯曲损耗三层芯单模光纤在宽带大容量传输、及大功率光纤激光器和放大器中具有重要的潜在应用价值.
2021, 70 (22): 224301.
doi:10.7498/aps.70.20211244
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涡流场影响着声场分布, 进而影响着声空化特性, 以机械搅拌产生的涡流场为研究对象, 使用COMSOL软件数值模拟了不同搅拌速度下的声场分布情况. 结果显示, 机械搅拌增加了声场分布的均匀性和声压幅值. 接下来将仿真得到的瞬时声压值用Origin软件拟合, 然后将拟合得到的声压函数代入Keller-Miksis气泡动力学方程中, 得到了不同搅拌速度下空化泡的半径随时间的变化情况, 从计算结果中发现, 未加机械搅拌的条件下, 只有z= 7.3 cm截面上有空化效应产生. 最后根据所得到的空化泡半径, 计算了空化泡内部的温度. 结果显示, 空化泡在有搅拌存在的条件下, 内部温度得到了大幅增加, 当搅拌速度达到1000 r/min后, 空化泡内部温度会随着搅拌速度的增加而降低. 最后设计实验验证了仿真结果. 仿真得到的结果不仅从理论上解释了机械搅拌提高有机溶液超声降解率的原因, 还发现了过高的搅拌速度会降低声空化强度, 从而降低声化学反应速率, 这为通过机械搅拌来进一步提高超声降解率提供了新思路.
2021, 70 (22): 224302.
doi:10.7498/aps.70.20210277
摘要 +
针对水下前向散射探测中基于敏感核函数的定位方法存在环境失配带来的稳健性问题, 提出了一种基于迁移学习的前向散射定位方法, 利用模型生成ϕ的目标前向散射声场扰动信息训练卷积神经网络, 将目标定位问题转化为分类问题. 在基于先验信息和仿真数据集的预训练模型基础上, 通过少量实验数据集对神经网络参数进行迁移学习, 以提高神经网络模型的稳健性. 仿真结果表明, 该方法在声速剖面失配下可以实现对目标较准确的定位, 且对目标散射函数、海底底质、阵元数和布设深度等参数不甚敏感, 方法具有较好的稳健性.
2021, 70 (22): 224303.
doi:10.7498/aps.70.20210634
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研究复杂海洋环境中海底地震波激发及其传播特性, 对海底物理力学特性研究、资源勘探等具有重要的意义. 目前针对时域海底地震波的研究大都局限于水平分层的情况, 而实际的海底地质条件比较复杂, 基于理想环境假设得出的数值解与实际差别较大. 本文在考虑倾斜、隆起等非水平海底模型的情形下, 采用时间2阶精度、空间10阶精度的交错网格有限差分方法, 同时结合多轴完全匹配层边界条件, 对复杂海洋环境下的海底地震波进行时域数值模拟与分析. 利用计算得到的声场时域波形, 分析了复杂海洋环境下海底地震波的传播特性. 结果表明, 采用空间高阶精度的交错网格有限差分方法, 可改善数值计算中的频散问题; 同时采用多轴完全匹配层替代传统的完全匹配层, 解决了液-固介质中远距离声场数值模拟不稳定的问题. 在含倾斜与隆起构造的复杂海底模型中, 海底基岩隆起改变了Scholte波的传播方向, 更有利于在较浅深度处接收到Scholte波.
2021, 70 (22): 224701.
doi:10.7498/aps.70.20211219
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本文基于扩散动力学, 建立了一种新的理论模型研究高分子混合刷在蛋白质吸附/脱附过程中的动力学特性. 理论模型考虑高分子混合刷中一种高分子链 (P-高分子链)对蛋白质的吸附, 另一种高分子链 (N-高分子链)对蛋白质的脱附, 以及吸附/脱附的时滞性. 通过选取模型中各参数值, 获得了具有不同化学、物理性质的高分子混合刷对蛋白质的部分吸附/脱附、完全吸附/脱附, 以及周期性吸附/脱附的动力学特性. 研究发现, 由于外加交变电场的作用, 高分子混合刷对蛋白质吸附/脱附过程呈现出周期性循环的动力学特性, 并且平均吸附、脱附量增加. 本文理论结果符合实验观测. 可以预言, 外加交变电场可实现高分子混合刷对蛋白质吸附/脱附的多次循环, 为设计吸附/脱附蛋白质的高分子混合刷纳米材料提供必要的参考和新方案.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (22): 226101.
doi:10.7498/aps.70.20211152
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采用纳米吸附剂实现对有机染料的处理在污水净化领域具有很好的前景, 特别是拥有自沉积特性的纳米吸附剂可以更为有效地提高处理污水的效率. 本文利用液相结晶得到的二维纳米花瓣, 通过自组装制备的多孔花状硫化铜(CuS)级次纳米材料, 不仅实现了对污水中有机污染物的高效吸附处理, 而且拥有快速自沉积特性, 本文以甲基蓝等为吸附质对其吸附自沉积特性进行了研究. 结果表明: 使用10 mg多孔花状 CuS级次纳米结构材料在30 min内对0.8 mg甲基蓝分子的吸附效率可达100%, 在3 h内即可完成自沉积, 相比于CuS微米绒球的吸附效率提高了55%, 沉积效率提高了95%; 相比于CuS微米颗粒的吸附效率提高了26%, 沉积效率提高了3.17倍. 该优异的吸附自沉积性能归结于多孔级次纳米花比微米绒球和微米颗粒有更大的比表面积, 其表面具备更大的孔隙率, 且具备更强的静电吸附能力. 本研究结果为有效地处理污水中的有机染料提供了可能的新思路.
2021, 70 (22): 226102.
doi:10.7498/aps.70.20210973
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采用磁控溅射法制备了不同厚度的Sn15Sb85薄膜, 使用电阻-温度-时间测试系统研究了Sn15Sb85薄膜在热致作用下从非晶态到晶态的相变动力学过程. 应用近红外分光光度计获得了非晶Sn15Sb85薄膜的反射率光谱, 拟合计算得到薄膜的光学带隙. 通过原子力显微镜观察了Sn15Sb85薄膜晶化后的表面形貌, 研究了膜厚对薄膜粗糙度的影响. 通过X射线衍射仪(XRD)分析了晶态Sn15Sb85薄膜的相结构及晶粒尺寸变化. 采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制备了基于不同厚度Sn15Sb85薄膜的T型相变存储器单元, 并通过半导体器件测试系统分析了其阈值转换能力及功耗. 研究结果表明, 随着薄膜厚度的减小, Sn15Sb85相变材料的非晶态和晶态电阻、相变温度、十年非晶态数据保持力、结晶激活能、光学带隙均显著提升. 基于20 nm厚度Sn15Sb85薄膜相变存储单元在纳秒级电脉冲作用下能够实现可逆SET/RESET操作, 且厚度较小的薄膜具有较高的SET电压和较低的RESET电压, 体现了超薄Sn15Sb85薄膜的高热稳定性和低操作功耗特征, 有利于实现相变存储器的高密度集成.
2021, 70 (22): 226201.
doi:10.7498/aps.70.20210764
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五边形石墨烯是近年来提出的一种完全由碳五元环组成的新型二维纳米材料. 本文采用分子动力学方法研究了氢基、环氧基和羟基等官能团表面修饰及官能化率对五边形石墨烯力学性能和变形破坏机制的影响以及官能化对升温时五边形石墨烯结构转变的影响规律. 研究发现, 分别引入3种官能基团均可以有效地调控五边形石墨烯的力学性能和变形破坏机制. 五边形石墨烯的杨氏模量和弹性极限均随官能化率的增大先剧烈减小再缓慢增大, 而极限弹性应变单调递增. 低官能化率五边形石墨烯在拉伸载荷下仍然表现出类似于完美五边形石墨烯的塑性变形破坏特征, 不受约束升温时出现碳环结构转变, 临界转变温度高于五边形石墨烯, 而完全官能化可使五边形石墨烯由塑性向脆性变形破坏机制的转变, 升温时五边形石墨烯并未出现碳环结构的转变. 研究结果可为有效调控五边形石墨烯等二维纳米尺度材料的力学性能提供理论基础和结构设计依据.
2021, 70 (22): 226301.
doi:10.7498/aps.70.20210795
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基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转变形对掺金黑磷烯电子结构和光学性质的影响. 研究发现, 与本征黑磷烯受扭体系相比, 掺金黑磷烯体系的电子结构对扭转变形的敏感度提高. 能带结构分析发现, 本征黑磷烯是直接带隙半导体, 金掺杂后, 可实现其从半导体到金属的转变. 掺金黑磷烯体系扭转1°后, 带隙被打开, 成为间接带隙半导体. 随着扭转角的增加, 本征黑磷烯体系的带隙增长缓慢, 而掺金黑磷烯体系的带隙呈先减小后增加, 再减小的趋势. 从态密度分析发现, 扭转角为0°—5°时, 本征黑磷烯体系具有很强的sp轨道杂化, s轨道和p轨道对导带和价带均有贡献, 但p轨道比s轨道对总态密度的贡献更多, 而掺金黑磷烯体系的s轨道、p轨道、d轨道对总态密度均有贡献. 从光学性质分析发现, 与扭转角为0°的本征黑磷烯体系相比, 本征黑磷烯受扭体系在吸收峰和反射峰处均出现蓝移, 掺金黑磷烯受扭体系在吸收峰和反射峰处均出现红移.
2021, 70 (22): 226801.
doi:10.7498/aps.70.20210233
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晶界的结构对氮化硅陶瓷材料的物理和化学性能、特别是高温力学性能有重要影响. 本文利用基于电子背散射衍射技术、体视学及统计学的五参数分析法研究了国产和国外产热等静压烧结的商用氮化硅轴承球样品的晶界特征分布. 结果表明, 两个样品的晶界取向差分布均在约180°处出现异常, 相关晶界占总晶界的比例明显高于随机分布, 其取向差主要包括[0 1 –1 0]/180°和[–1 2 –1 0]/180°, 分别对应Σ2和Σ3晶界. 两个样品中的Σ2晶界的界面匹配基本一致, 均以{0 0 0 1}/{0 0 0 1}基面/基面匹配为主, 但二者Σ3晶界的界面匹配存在很大差异, 表现为国产样品以{–1 2 –1 0}/{–1 2 –1 0}柱面匹配为主, 而国外产样品以{1 0 –1 0}/{1 0 –1 0}柱面匹配为主; 具有{–1 2 –1 0}/{–1 2 –1 0}, {0 0 0 1}/{0 0 0 1}和{1 0 –1 0}/{1 0 –1 0}三种界面匹配特征的晶界, 其面重合点密度分别为2.45 /nm2, 7.95 /nm2和9.10 /nm2, 晶界的结构有序度依次升高. 分析指出, 具有{1 0 –1 0}/{1 0 –1 0}界面匹配特征的Σ3晶界以及具有{0 0 0 1}/{0 0 0 1}界面匹配特征的Σ2晶界是氮化硅陶瓷材料中的一类特殊晶界.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2021, 70 (22): 227101.
doi:10.7498/aps.70.20211241
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本文选取SrTiO3材料进行B位Nb5+离子掺杂改性, 采用第一性原理计算了不同含量(0%, 12.5%和25%)Nb5+掺杂SrTiO3的电子结构、光学、力学和热学性质. 结果表明, 当Nb5+掺杂浓度上升, 材料晶胞参数增大; Nb5+掺杂后SrTiO3由间接带隙化合物转变为直接带隙化合物, Nb5+掺杂使材料反射系数、吸收系数、能量损耗下降、脆性降低, 当Nb5+掺杂浓度上升, 材料体弹性模量不变, 剪切模量与杨氏模量减小, 泊松比增大, 德拜温度降低, 晶格热导率与理论最低晶格热导率减小.
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2021, 70 (22): 227102.
doi:10.7498/aps.70.20210830
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利用密度泛函理论计算, 本文系统研究了δ掺杂的La:SrTiO3超晶格结构的电子性质随掺杂维度和掺杂浓度改变而变化的规律性. 该结构通过在SrTiO3等间距的单元层中掺入一定浓度的La来实现. 在25% La掺杂浓度下, 随着相邻掺杂层间距从1个单层增加到5个单层, 掺杂维度从三维过渡到二维, 超晶格从金属性变到绝缘体性, 并在带隙中产生局域态, 且该局域态呈现出电荷序、自旋序和轨道序. 这种金属-绝缘体转变是由于二维电子体系呈现出更强的关联性造成的. 而随着二维掺杂浓度提高到50%, 关联性降低, 体系变成金属性.
2021, 70 (22): 227301.
doi:10.7498/aps.70.20211023
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二维磁性材料的研究是一大热点, 其中单层CrSi2表现出优良的磁性, 有望应用于自旋电子学等领域, 但金属性限制了其部分层面的应用与发展. 采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了不同元素(Ti, V, Co, Ni)、不同掺杂浓度(原子百分比为3.70%, 7.41%, 11.1%)对二维CrSi2电子结构、磁学及光学性质的影响, 期望改善二维CrSi2材料的相关性质, 也为开发基于二维CrSi2的电子器件提供有效的理论基础. 研究表明: 二维CrSi2在远红外以及紫外范围内的吸收系数与反射系数都很强, 表现出优异的光学性质. 在原子百分比为3.70%的浓度下掺杂Ti, V, Ni后, 成功打开了二维CrSi2的带隙, 导致其分别向间接半导体、稀磁半导体和半金属铁磁体转变, 同时, 掺杂能对单分子层CrSi2的磁性进行有效的调控. 掺杂后的二维CrSi2拥有良好的光学性质, 多数掺杂体系的光学性质峰值增大并发生蓝移, 但在原子百分比为11.1%的掺杂浓度下, 吸收峰红移. 二维CrSi2有望成为高稳定性的新型自旋电子器件的制备材料.
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2021, 70 (22): 227302.
doi:10.7498/aps.70.20211242
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分子聚集体中激子-激子湮灭动力学过程与其发光特性和能量转移过程密切相关, 研究激子动力学过程对模拟自然界中的光合作用以及研究其光载流子的输运过程有重要意义. 本文在密度矩阵理论框架下引入弱耦合近似得到率方程, 用率方程研究了分子间距离、激子态密度和激发态偶极矩与激子-激子湮灭动力学的关系. 研究发现当分子间距离减小时, 第一激发态衰变过程受激子融合过程的影响, 导致其衰变有明显的S型特征. 高阶激发态的偶极矩是激子融合过程的关键因素, 且偶极矩越大, 激子融合过程越容易发生. 在不同激子密度下第一激发态随时间的演变规律与在低功率下激发聚对苯乙炔(OPPV7)类单体和不同功率下激发聚对苯乙炔(OPPV7)类聚集体的激子动力学过程的实验结果一致. 考虑光激发作用下的量子波包作为初始态, 模拟了不同激子能级下的激子动力学演变过程发现激子态在几百飞秒内能够保持很好的局域性, 说明激子态是相干叠加态, 其局域特点与所在的激发能级有关.
封面文章
2021, 70 (22): 227701.
doi:10.7498/aps.70.20211158
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近年来, 二维铁电异质结在高密度存储及光电器件等领域展现了应用潜能, 开发新颖二维铁电异质结是当前的一个重要研究方向. 本论文采用第一性原理计算研究二维铁电材料α-In2Se3与二维单层InSe组成的In2Se3/InSe垂直异质结的能带结构及应力调控. 计算表明, In2Se3/InSe异质结为间接带隙半导体, 具有II型能带匹配. 当In2Se3的极化方向垂直表面朝外时, 带隙大小为0.50 eV, 价带顶和导带底分别来自于InSe和In2Se3; 当In2Se3的极化方向指向面内时, 带隙降低0.04 eV, 价带顶和导带底的来源互换. 在面内拉伸下, 拉伸度越大, 带隙越小. 当极化方向指向面外(内)时, 在双轴拉伸应变达到6%(8%)及以上时会使异质结由半导体转变为导体; 在双轴压缩应变为–6%(–8%)下还可使异质结由间接带隙变为直接带隙; 对于单轴拉伸及压缩, 定性结果与双轴应变一致. 本论文的研究结果表明改变极化方向和施加应力是调控二维In2Se3/InSe铁电异质结的有效方式, 可为设计相关铁电器件提供理论参考.
2021, 70 (22): 227901.
doi:10.7498/aps.70.20211110
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科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter, GTEC)的模型, 对其物理机理与参数优化展开了研究, 为高品位热能开发提供了新途径. 然而, 空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC能量转换性能的影响却鲜有报道. 本文结合热电子发射、朗缪尔空间电荷、非平衡态热力学和涨落电动力学等理论, 考虑热电子输运、近场热辐射输运、牛顿换热的相互作用对GETC的影响, 进而构建完善的物理模型. 首先, 分析极板温度恒定时的电流密度、阴极板附加势垒、功率密度、转换效率、热流对电压和真空间隙的依赖特性, 结果表明真空间隙对功率密度的影响显著, 而对效率的影响较小, 可在不同的电压处获得最高功率密度和效率. 其次, 分析了极板温度受能量平衡约束条件下, 功率密度与效率随电压的变化情况, 研究发现: 相比于恒温模型, 牛顿换热对功率密度的影响显著, 而对效率的影响较小; 在最优功率密度时的阳极板温度高于环境温度, 而最优效率时的阳极板温度趋于环境温度; 折衷考虑功率密度和效率, 确定了电压、真空间隙和阳极板温度的优化区间. 本文所获结果可为实际器件的研制提供理论支撑.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (22): 228701.
doi:10.7498/aps.70.20210885
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心血管疾病(cardiovascular diseases, CVDs)的高发病率和高死亡率已经严重影响了人类的生存质量. 如何评估心脏功能、辅助临床CVDs诊疗和预后评估, 是一个迫切需要解决的问题.针对这个问题, 本文在前期心脏电影磁共振(cardiac cine magnetic resonance, CCMR)图像左心肌分割的基础上, 提出一种基于位移流U-Net(DispFlow_UNet)和生物力学变分自动编码器(variational autoencoder, VAE)的左心肌运动追踪方法: DispFlow_UNet_VAE. 主要研究内容有: 1) 搭建压缩激励残差U-net网络精准分割左心肌, 根据分割结果计算心室体积、心肌质量等, 评估心脏整体功能; 2) 根据DispFlow_UNet_VAE估计CCMR图像连续帧之间的左心室运动, 结合左心肌分割掩膜得到左心肌密集位移场; 3)利用模拟数据真实位移场、临床数据集对追踪结果进行对比和评估. 结果表明, 本文追踪算法具有较高的精度和泛化能力.
2021, 70 (22): 228801.
doi:10.7498/aps.70.20211079
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全无机CsPbIBr2钙钛矿材料由于兼顾了光学性能和稳定性而受到人们广泛关注. 然而, 传统一步旋涂法下制备的CsPbIBr2薄膜通常存在较多缺陷, 导致电池器件效率难以提升. 考虑到常规反溶剂法工艺窗口较窄且重复性差的问题, 提出一种前驱体膜处理工艺以制备高效稳定的碳基CsPbIBr2电池. 以异丙醇(IPA)作为反溶剂, 通过调控前驱体膜中二甲基亚砜(DMSO)的蒸发速率进而调整钙钛矿的形核位置, 并在IPA中加入了硫氰酸胍(C2H4N4S)作为钝化剂来调控钙钛矿的成核及结晶过程. 结果表明, 优化后的CsPbIBr2薄膜致密性有明显提升, 结晶性以及晶粒的取向性有所改善, 具有更好的载流子分离和传输效率. 制备的电池器件光电转换效率最高达到6.71%, 与参比器件5.29%的效率相比提升了近21.16%. 此外, 经前驱体膜处理工艺后制备的钙钛矿电池具备更高的稳定性. 本研究旨在提出一种新的制备技术来提高全DMSO溶剂体系下无机钙钛矿薄膜的质量.
2021, 70 (22): 228901.
doi:10.7498/aps.70.20210511
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置信传播(BP)算法作为推断概率图模型的主流算法是求解随机块模型中联合概率分布的重要方法之一. 但现有的方法要么在处理核边结构问题上存在精度不足问题, 要么在理论的推导上存在近似太多, 导致求解过程复杂且难以理解问题, 或两个问题均存在. 当然, 精度不足也是由近似多造成的. 导致理论近似多且推导复杂的主要原因, 是随机块模型推断过程中求解联合概率分布并不是直接套用BP算法, 即处理的图(网络)与概率图模型的图不统一. 因此, 本文利用平均场近似修正联合概率分布, 使其完全匹配BP算法的迭代公式, 这样使得在理论推导上简单易懂. 最后通过实验验证, 该方法是有效的.
地球物理学、天文学和天体物理学
2021, 70 (22): 229201.
doi:10.7498/aps.70.20210201
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盐度是海洋学中重要的物理参量之一, 其对生物学研究、气候模拟、天气预报以及飓风路径预测都具有极其重要的意义. 在基于拉曼光谱的海洋盐度遥感探测中, 由于拉曼光谱同时与盐度及海水温度相关, 因此反演盐度时, 需要参数假设, 从而降低探测精度. 为实现对盐度的高精度遥感探测, 本文提出了融合水体布里渊散射与拉曼散射光谱的盐度精细反演方法. 文中根据拉曼光谱的低频部分与高频部分的面积比值与水体温度和盐度有定量的关系, 利用最小二乘方法, 建立拉曼光谱与温度和盐度的二元函数方程. 由于布里渊频移量的大小与介质中的声速相关, 而声速变化是由温度和盐度的变化引起, 因此布里渊频移量的大小也同时与盐度及海水温度相关. 激光雷达遥感探测方法可以同时探测拉曼光谱和布里渊频移这两个参量, 因此利用拉曼光谱和布里渊频移与盐度和温度之间的关系, 建立了盐度高精度反演模型, 并分析了探测结果的误差, 得到盐度的反演误差小于0.47‰.
编辑推荐
2021, 70 (22): 229501.
doi:10.7498/aps.70.20210747
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测试质量是空间引力波测量的核心传感器, 宇宙线高能粒子能够穿透航天器屏蔽对其造成电荷注入, 进而产生库仑力和洛伦兹力噪声对引力波科学探测造成严重影响. 本文采用蒙特卡洛仿真方法, 探究了不同宇宙线高能粒子对测试质量的充电过程和机制. 研究结果表明, 在同一能谱下随着截止能量的降低充电速率逐步增大, 充电速率变化约为9%; 太阳活动极小年时测试质量的充电速率为39.5 +e/s, 其中贡献最大的质子占比约为83.16%, 太阳活动极大年时测试质量的充电速率约为12.5 +e/s, 1989年最恶劣的太阳高能粒子事件造成测试质量的充电速率约为120700 +e/s; 在太阳活动极小年时, 银河宇宙线各成分的充电速率取决于各成分的初级粒子在测试质量中的沉积, 其中初级粒子贡献占测试质量总充电速率的73%; 太阳活动极小年时, 质子的充电贡献主要来自能量为0.1—1 GeV的区间, 占比约为65%. 研究结果可用于评估测试质量在轨充电规律, 为电荷管理的设计和在轨工作提供依据.