专题: 非平衡量子多体系统
2021, 70 (23): 230306.
doi:10.7498/aps.70.20211687
摘要 +
近些年来, 随着实验技术的进步, 对量子多体系统的耗散控制能力得到了增强, 同时耗散动力学过程表征技术方面的实验也有了较大进展. 实验上的进展驱使我们在理论上建立量子多体系统的耗散动力学计算体系. 最近我们发现, 通过把系统和环境之间的相互作用看成对系统的一个微扰, 可以得到一般性的耗散响应理论. 通过这一响应理论, 可以回答物理可观测量以及熵在耗散下一定时间尺度内的动力学演化的问题. 本文建立了非Markov 环境下的一般理论, 并讨论了何时可以取到 Markov 近似, 同时综述了这种方法在计算强关联体系的耗散动力学、强相互作用开放体系的熵的动力学演化等方面的应用.
2021, 70 (23): 230307.
doi:10.7498/aps.70.20211908
摘要 +
能带理论是凝聚态物理的基石之一, 其应用范围已延伸至许多其他物理领域. 近年来, 众多非厄米物理问题要求将能带理论推广至非厄米体系. 人们在非厄米拓扑体系的研究中发现, 这一推广需要修改能带理论的若干基本概念. 非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)这一普遍的非厄米现象导致了布洛赫能带图像的失效以及常规体边对应关系的破坏. 在能谱计算与拓扑不变量定义中, 通常的布里渊区概念需要代之以广义布里渊区(generalized Brillouin zone). 非厄米体系的一系列独特现象可以在广义布里渊区下得到精确刻画. 基于广义布里渊区的非厄米能带理论成功描述并预言了非厄米系统的大量新颖现象. 因其相对布洛赫图像的偏离, 这一理论被称为非布洛赫能带理论(non-Bloch band theory). 本文梳理了广义布里渊区和非布洛赫能带理论的主要概念, 并简要介绍了该理论在非厄米体边对应原理、格林函数、波包动力学、手征衰减和非布洛赫宇称-时间对称性等方面的应用.
2021, 70 (23): 230308.
doi:10.7498/aps.70.20211556
摘要 +
非线性相干光谱是一种测量材料非线性光学响应的谱学手段. 相比线性光谱, 非线性相干光谱具有多个时间变量, 能够提供材料的更多信息. 作为非线性相干光谱的代表之一, 二维相干光谱在众多领域取得了丰硕的成果. 在化学、生物学等领域, 二维相干光谱已经展现出相比线性谱学的优越性. 随着太赫兹技术的发展, 二维相干光谱在强关联体系也显现出巨大潜力, 相关的理论与实验工作正在开展. 本文简要概括了强关联体系二维相干光谱的发展现状, 介绍了二维相干光谱的基本概念与理论工具, 分析了二维相干光谱的主要特点, 并重点总结了我们研究组近几年关于强关联体系二维相干光谱的理论研究工作.
2021, 70 (23): 230310.
doi:10.7498/aps.70.20211741
摘要 +
非平衡量子关联体系是近年来受到广泛关注的一类新型量子系统, 其研究对象不局限于某一特定的物理分支, 而是涉及凝聚态物理、原子分子物理和量子光学、量子调控与量子计算、非平衡统计物理等诸多现代物理学的前沿领域. 这些不同体系中涌现出来的非平衡量子关联现象, 既融合了各自体系的不同特征, 又展现出普适的一般规律. 由于其新颖性和复杂性, 这类系统中存在大量未知的基本物理问题和新奇的物理现象, 是当前量子科学理论研究的难点和重点. 同时, 由于量子技术的飞速发展, 理解这类复杂系统对于以量子计算和量子调控为代表的新一代量子科学技术的发展具有重要的现实意义. 本文简要总结了近年来本课题组在非平衡量子多体物理方面的几个代表性工作, 着重讨论了与时间相关的对称性(破缺)导致的新的非平衡量子物态, 准粒子及其中的动力学普适行为.
2021, 70 (23): 230503.
doi:10.7498/aps.70.20211723
摘要 +
随着对微纳尺度系统的深入理解和实验技术的进步, 发生在这些小系统中的热输运和能量转换近期吸引了大量研究. 不同于依赖静态热力学力(如温差、电势差等)的非平衡稳态调控手段, 受时间驱动的非平衡非稳态小系统具有特有的高可调性和普遍性, 其研究同时具有基础价值和应用潜力. 本文从几何这一基本概念出发, 分析了热力学几何相(曲率)和热力学距离这两个关键物理量, 以几何的视角展现和分析近期关于受驱动非平衡量子系统中输运调控和能量转换途径的热力学研究. 热力学几何不仅可以看作是这一大类系统中非平凡输运和耗散的本质起源, 也同样给我们提供了一种理论框架, 给出对于系统输运和能量转换的限制, 同时也可以给出慢驱动条件下量子热机性能的通用优化方式. 这将在未来帮助理解非平衡量子多体系统所发挥的能量输运/转换功能, 也会为发现高性能(高效率、高功率、高可靠性)量子热机提供新的设计思路.
2021, 70 (23): 230504.
doi:10.7498/aps.70.20211836
摘要 +
本文综述了近年来关于横场伊辛链模型及量子
$E_{8}$
可积模型研究工作的一系列理论及实验进展. 在针对横场伊辛链的研究工作中, 理论上发现格林艾森比率 (热或磁胀系数与比热之比) 在此模型中独特的奇异量子临界行为, 并实质性地扩展了能涌现横场伊辛链普适类的微观模型. 这些理论进展成功地推进了一系列合作实验在准一维反铁磁材料BaCo2V2O8及SrCo2V2O8中首次实现横场伊辛链普适类. 在针对量子
$E_{8}$
可积模型的研究工作中, 理论上严格计算了该系统的低温局域动力学行为及在零转移动量之时的动力学结构因子, 并在动力学结构因子的连续谱区域得到了级联幂次发散的奇性谱边激发. 这些理论进展在结合详细的量子临界标度行为分析及大规模iTEBD数值计算之后, 成功促成了包括太赫兹谱学测量、非弹性中子散射、核磁共振等系列实验, 在BaCo2V2O8中首次实现量子
$E_8$
可积模型. 量子
$E_8$
可积模型的物理实现为在真实材料中研究量子可积系统的物理开拓了新的边界. 这一系列关于横场伊辛链及量子
$E_8$
可积模型的研究进展为量子不可积系统的研究带来了新的契机, 并将启发凝聚态系统、冷原子系统、统计场论和共形场论等相关方向的研究.
封面文章
2021, 70 (23): 230309.
doi:10.7498/aps.70.20211576
摘要 +
非厄米拓扑系统的拓扑不变量可以由定义在双正交基下的局域拓扑指标刻画. 不同于厄米体系, 非厄米局域拓扑指标在动力学过程中的传播和演化目前还未见文献讨论. 本文研究非厄米拓扑体系局域拓扑指标的动力学特性, 重点关注淬火过程中, 局域拓扑指标由边界向体内的传播. 结果表明, 当淬火前后的体系拓扑性质不同时, 系统中存在局域拓扑指标的流动, 其流速与体系群速度相关, 但具体形式与相应厄米体系不同. 以3个具体模型为例, 通过数值计算说明了这一结论. 其中, 对于特定具有非厄米趋肤效应的模型, 可以发现局域拓扑指标的流速上限与广义布里渊区中的群速度直接相关. 但这一关系在其他非厄米模型中则需要修正, 其更普适的形式有待进一步研究. 本文的结果揭示了非厄米体系中局域拓扑指标传播的复杂性, 是进一步理解非厄米局域拓扑指标动力学行为的基础.
专题: 纳米工程和热物理
2021, 70 (23): 230202.
doi:10.7498/aps.70.20211760
摘要 +
在低温物理和量子信息科学等学科的研究中, 持续保持稳定的mK级低温是至关重要的. 稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置, 它利用了超流态4He与其同位素3He的混合溶液在超低温下的相分离效应. 热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素. 在极低温下, 氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻), 利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积, 可以有效地解决热交换问题. 因此, 研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换, 并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值.
2021, 70 (23): 236502.
doi:10.7498/aps.70.20211662
摘要 +
简单回顾了半导体材料的发展历史, 并以基于氮化镓的高电子迁移率晶体管为例, 介绍了第三代半导体器件的产热机制和热管理策略. 以β相氧化镓为例, 简单讨论了新兴的超宽禁带半导体的发展和热管理挑战. 然后重点讨论了一些界面键合技术用于半导体散热的进展, 同时指出这些器件中大量存在的界面散热的工程难题背后的科学问题: 界面传热的物理理解. 在回顾了之前界面传热的理论发展后, 指出了理解界面传热当前遇到的一些困难、机遇和方向.
总论
2021, 70 (23): 230201.
doi:10.7498/aps.70.20210802
摘要 +
本文研究了耦合布朗粒子在空间非均匀摩擦环境下的定向输运问题, 并进一步讨论了摩擦系数振幅、空间相位差等因素对耦合粒子质心平均速度及能量转化效率的影响. 研究发现, 耦合粒子的质心平均速度和能量转化效率随摩擦系数振幅的变化都能呈现多峰结构. 这一结果表明摩擦阻尼并不总是阻碍布朗粒子的定向运动, 一定条件下合适的摩擦环境还能多次增强耦合布朗棘轮的输运性能. 此外, 在小摩擦系数振幅条件下通过改变外力振幅、外势不对称度、空间相位差还能诱导摩擦棘轮流反转的产生. 本文所得结论不仅有助于理解摩擦环境中耦合布朗粒子的输运性能, 还可为微观纳米机器的设计与粒子的筛选分离技术提供理论指导.
2021, 70 (23): 230301.
doi:10.7498/aps.70.20211025
摘要 +
电磁边界条件是研究界面光学、电磁学性质的物理基础. 本文考虑界面上物质响应的非突变特性在两种材料界面上构建过渡层, 利用积分形式的麦克斯韦方程组, 推导出纳米尺度下的电磁边界条件, 得到的两个界面响应函数
${d}_{\perp }, {d}_{//}$
分别对应于界面等效极化电荷的中心位置和界面极化电流密度沿垂直界面方向的梯度中心位置, 根据界面响应函数的定义式分析了界面响应函数受界面两侧材料的介电常数、电场过渡线型、频率等因素的影响. 发现铜-银界面上的界面响应函数可以高达数纳米. 当界面响应函数可以忽略不计时, 纳米电磁边界条件退化为突变结给出的经典的边界条件. 在此基础上, 引入界面电偶极矩, 界面上的等效极化电荷面密度、界面极化电流线密度和磁荷流密度参量给出3种不同形式的纳米电磁边界条件. 该模型对研究纳米尺度电磁学、界面光学问题提供了清晰的物理图像和必要的理论基础.
编辑推荐
2021, 70 (23): 230302.
doi:10.7498/aps.70.20211255
摘要 +
近年来, 图像加密技术备受关注. 随着人们对通信隐私及网络安全重视程度的提高, 对信息加密技术的要求更加严格, 图像作为信息的载体之一, 因携带信息的有效性和生动性而受到重视. 本文提出一种基于DNA编码与交替量子随机行走的彩色图像加密算法. 量子随机行走作为出色的密码学工具参与算法流程中各个部分, DNA编码作为核心加密方式完成算法. 本文详细描述加密、解密流程, 并对所提出算法进行仿真实验验证与结果分析. 仿真阶段设计模拟密钥参数, 编码进行彩色图像加密、解密实验, 并进行了相关分析. 实验结果表明, 本文提出的彩色图像加密算法能够进行安全有效的彩色图像加密, 且相关分析表示其加密后图像直方图平稳、像素相关性系数趋近于0、密钥空间
${2^{ 128}} $
, 三通道信息熵达到7.997以上, 能够抵御统计攻击、穷举攻击等攻击手段. 此外, DNA编码除新颖的编码及运算方式之外还有其独特的生物学特性, 为密码学的研究提供了新的思路与方向.
2021, 70 (23): 230303.
doi:10.7498/aps.70.20211211
摘要 +
实现量子中继的关键是克服量子储存器中纠缠态的退相干问题. 目前, 人们常用半导体量子点中的电子自旋来构建纠缠态从而实现量子中继过程. 在该过程中, 两个半导体量子点之间相距很远, 可以认为它们之间没有相互作用. 因此, 量子点内电子自旋与它周围的核自旋之间的超精细相互作用被认为是导致系统退相干的最重要原因之一. 在以前的相关工作中, 人们通常将核自旋对电子自旋的超精细相互作用视为一个大小和方向都是随机的并且满足高斯分布的等效磁场. 本文在考虑核自旋的等效磁场以及外加磁场的情况下, 研究了两个量子点中继系统的退相干问题. 首先利用数值方法分别计算了4组Bell基随时间的演化规律, 发现当外加磁场增大到一定值时, 4组Bell基被分为两类. 体系不可能通过时间演化从一类Bell基跃迁到另一类Bell基, 而只能在同类的两个Bell基之间相互跃迁. 这有效提高了系统的保真度, 并且抑制了核自旋对体系纠缠态的影响, 从而抑制退相干. 其次, 对于给定的较大外加磁场, 采用解析方法研究了核自旋涨落对纠缠态的影响, 给出了初态保真度及退相干时间的解析形式. 发现对于相同的核自旋涨落, 4组Bell基的退相干时间相同, 但是两类Bell基随时间演化的规律不同, 其中一类的保真度在指数衰减的同时伴随快速周期性振荡, 不便于操控. 期望本文的研究能对量子中继过程中纠缠态的选择问题提供理论支持和建议.
2021, 70 (23): 230304.
doi:10.7498/aps.70.20211028
摘要 +
指挥控制组织中的任务规划问题可以映射为变量较多、求解难度较大的组合优化问题. 采用传统具有启发性列表规划方法解决这一问题面临求解时间复杂度高、实时响应性较差等问题. 本文针对指挥控制组织中任务规划问题提出一种基于量子近似优化算法的量子线路求解方案. 首先将任务规划问题转化为组合优化中的精确覆盖问题, 通过构建相应的数学模型推导出精确覆盖问题的量子近似优化算法对应的末态哈密顿量表达式; 设计了基于量子近似优化算法的量子线路, 采用动量梯度下降法算法对量子逻辑门中的参数进行优化, 并利用本源量子开发的量子软件开发环境进行仿真实验. 仿真结果表明: 该量子线路方案可以用于求解任务规划问题, 同时降低了算法的时间复杂度, 一定程度上提升了资源利用率, 为进一步应用量子算法求解指挥控制组织中的任务规划问题打下基础.
2021, 70 (23): 230305.
doi:10.7498/aps.70.20210963
摘要 +
本文用哈伯德模型研究各向异性ruby晶格中费米子行为, 在团簇动力学平均场理论框架内将格点模型映射为有效自洽场中的杂质模型后用连续-时间量子蒙特卡罗算法求解杂质模型. 基于自洽计算的结果, 用最大熵方法得到各向异性ruby晶格中具有相互作用的费米子体系的单粒子态密度和双占据数后讨论了温度(T)、相互作用(U)和各向异性参数(λ)对体系的金属-绝缘相变的影响. 最后给出各向异性ruby晶格中费米子体系的温度-相互作用相图, 研究结果表明, 低温和弱相互作用范围体系处在金属相, 而在高温和强相互作用下体系内出现Mott绝缘体相.
2021, 70 (23): 230501.
doi:10.7498/aps.70.20210592
摘要 +
保守系统因为没有吸引子, 与常见的耗散系统相比, 它的遍历性更好, 伪随机性更强, 安全性更高, 更适合应用于混沌保密通信等领域. 基于此, 设计了一个新的具有宽参数范围的五维保守超混沌系统. 首先, 进行 Hamilton 能量和 Casimir 能量分析, 证明了新系统满足 Hamilton 能量保守且能够产生混沌. 然后进行动力学分析, 包括保守性证明、平衡点分析、Lyapunov 指数谱和分岔图分析, 证明了新系统具有保守系统的特点, 且能够在宽参数范围内一直保持超混沌状态, 同时对比宽参数范围内系统的相图和 Poincaré 截面图, 结果表明随着参数增大, 系统的随机性和遍历性得到增强. 接着, 对新系统进行 NIST 测试, 结果显示该系统在宽参数范围内产生的混沌随机序列具有很强的伪随机性. 最后对保守超混沌系统进行电路仿真和硬件电路实验, 实验结果证实了新系统具有良好的遍历性和可实现性.
2021, 70 (23): 230502.
doi:10.7498/aps.70.20210561
摘要 +
为提高单一混沌系统图像加密的安全性, 本文提出了基于深度学习的图像加密算法. 首先, 利用超混沌Lorenz系统产生混沌序列. 其次, 利用长短期记忆人工神经网络(long-short term memory, LSTM)复杂的网络结构模拟混沌特征构造新的混沌信号. 然后, 利用最大Lyapunov指数, 0-1测试, 功率谱分析、相图以及NIST测试对新信号的动力学特征进行分析. 最后, 将新信号应用到图像加密中. 由于该方法生成的新信号不同于原有混沌信号, 而且加密系统具有很高的复杂结构和非线性特征, 故很难被攻击者攻击. 仿真实验结果表明, 本文提出的图像加密算法相比其他一些传统方法具有更高的安全性, 能够抵抗常见的攻击方式.
2021, 70 (23): 230701.
doi:10.7498/aps.70.20210711
摘要 +
通过序参量来研究量子相变是比较传统的做法, 而从机器学习的角度研究相变是一块全新的领域. 本文提出了先采用无监督学习算法中的高斯混合模型对J1-J2反铁磁海森伯自旋链系统的态矢量进行分类, 再使用监督学习算法中的卷积神经网络鉴别无监督学习算法给出的分类点是否是相变点的方法, 并使用交叉验证的方法对学习效果进行验证. 结果表明, 上述机器学习方法可以从基态精确找到J1–J2反铁磁海森伯自旋链系统的一阶相变点、无法找到无穷阶相变点, 从第一激发态不仅能找到一阶相变点, 还能找到无穷阶相变点.
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2021, 70 (23): 230702.
doi:10.7498/aps.70.20210920
摘要 +
在光泵原子磁强计的实验装置中, 窄线宽及高信噪比的磁共振信号是实现高灵敏度磁强计的充要条件. 本文的实验中利用795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)对比研究了不同类型铷原子气室、不同温度下典型的磁共振信号, 在镀石蜡的铷原子气室中获得最优化的磁共振信号. 通过引入铷原子D2线780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光, 研究了激光功率对磁共振信号信噪比和线宽的影响. 实验表明, 780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光的引入使得铷-85原子磁共振信号的信号幅值有明显提高并且线宽没有明显展宽. 引入780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光后, 闭环锁定的铷-85原子磁强计在约1.2 kHz频率带宽范围内灵敏度约为26.4 pT/Hz1/2, 相比仅有795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)存在时提高了近1个数量级. 同时本实验利用增强后的铷原子磁共振信号对一种商用的磁通门磁强计在弱磁场测量时的准确度和偏差进行了校准.
基本粒子物理学与场
2021, 70 (23): 231201.
doi:10.7498/aps.70.20210854
摘要 +
研究了基本费米子的质量分布, 并找到一组描述基本费米子质量在特定分布模式下的经验关系式. 这启发我们对基本费米子质量等级和基本费米子具有三代的根源进行深入的思考, 提出了一种理论模型, 解释了基本费米子为什么具有三代, 并讨论了基本费米子质量等级和自旋的起源.
2021, 70 (23): 231202.
doi:10.7498/aps.70.20202101
摘要 +
在高频振荡的外场中, 可通过多光子跃迁过程在真空中激发出正负电子对. 本文运用计算量子场论的方法数值求解了狄拉克方程, 通过观察产生粒子在能量上的分布, 对外场宽度在正负粒子产生过程中的影响进行了分析. 当场宽较大时, 光子跃迁过程模式较为单一, 主要在能量对称的区域发生, 且单光子跃迁的概率远大于其他多光子过程; 而当场宽较小时, 双光子跃迁过程的概率大幅增加至和单光子过程同数量级, 并且跃迁能量为外场频率整数倍的非对称跃迁都有可能发生. 此外, 在其他跃迁能量上激发出正负电子对也存在一定概率, 粒子跃迁较宽场时呈现出更为复杂的模式.
原子和分子物理学
2021, 70 (23): 233101.
doi:10.7498/aps.70.20211435
摘要 +
短-中链饱和甘油三酯是一种黏度低、可降解的液体绝缘材料, 在变压器内绝缘领域具有潜在的应用价值. 本文通过设置与绝缘油中放电相当的电场强度等级, 使用密度泛函与含时密度泛函方法研究了短-中链饱和甘油三酯分子在电场影响下的分子特性变化规律. 研究结果表明, 电场下分子结构发生明显改变, 分子键长与电场存在明显的依赖关系; 相同电场下, 随着碳链长度的增大, 分子的偶极矩增大, 分子极性增强; 在109V/m量级的电场强度下, 三辛酸甘油酯与三癸酸甘油酯的最高占据态分子轨道能量明显增大, 电离势急剧减小; 分子间的激发特性差异较小, 都随着电场强度的增大呈现出减小趋势, 且相同电场下分子激发能的减小幅度远小于电离势的减小幅度. 研究结果有助于提高人们对酯类绝缘介质中放电机理的认识, 并为天然酯绝缘油的性能改进提供一定的理论支撑.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2021, 70 (23): 234101.
doi:10.7498/aps.70.20211223
摘要 +
电子辐照在材料中产生的缺陷主要是相互独立的空位-间隙原子对, 由于不同靶原子的离位阈能不同, 通过改变电子束的能量可以调控在材料中产生的缺陷类型, 同时, 电子的注量又可以决定电子辐照产生的缺陷的浓度. ZnO和TiO2的磁光电特性受Zn空位、Ti空位、O空位、Zn间隙原子、Ti间隙原子等缺陷的影响, 因此可以通过电子辐照的方法在ZnO和TiO2中产生不同浓度的各类缺陷进而研究缺陷对材料磁光电特性的影响. 本文利用MCNP5程序结合蒙特卡罗辅助经典(MCCM)算法模拟计算了不同能量的点源电子束及面源电子束在纤锌矿ZnO和金红石TiO2中产生的辐照损伤(dpa)的大小及分布. 计算结果表明, 点源电子束在样品内部产生的dpa随着入射深度的增加先增大后减小, 而在横向方向很快衰减; 面源电子束产生的辐照损伤在样品内部随着入射深度的增加同样呈现先增加后减小的趋势, 同时dpa的最大值与电子束能量呈二次函数的关系; 电子束能量沉积的计算结果表明, 能量沉积区域的大小与电子束能量密切相关, 同时随着电子束能量的增加, 能量沉积最大值出现的位置逐渐向样品内部移动, 整个能量沉积区域具有前倾的趋势.
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2021, 70 (23): 234102.
doi:10.7498/aps.70.20210117
摘要 +
光分束器是片上集成光子芯片的一个重要组成部分, 常规分束多以T型、Y型、树型输出为主, 往往分束角度和分束效率不能兼顾, 难以同时实现高效和大角度的分束. 本文在移动渐近算法基础上, 结合材料插值与有限元法, 形成了一种计算速度更快、容量更小的适应于微纳光子器件设计的新智能算法, 成功地设计出一尺寸为1 μm×2 μm的大角度偏转分束器, 实现了光束180°直线分离, 分束比近似1∶1, 总效率达90%以上. 相比同样尺寸的几种常规分束器, 该分束器的效率高出近1倍甚至更高. 本智能算法还适用于光偏振分光、路由器、光隔离器等多种无源光子器件的设计, 为高密度片上集成微纳光子器件的设计提供了一种思路和借鉴.
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2021, 70 (23): 234201.
doi:10.7498/aps.70.20210996
摘要 +
大口径超高峰值功率激光装置中展宽器、压缩器、透镜等光学元件会导致不同空间位置的脉冲波形及延时各有不同, 称为“时空耦合效应”. 常规的测量手段仅能反映激光近场的局部时间特性, 本文设计并验证了一种基于空谱干涉线扫描的时空特性测试方案: 采用空谱干涉方法单次测量可获得一个空间维度上的时空耦合特性, 通过沿另一空间维度扫描, 即可获得完整的近场时空耦合特征. 利用该方法实验测量了劈板引入的角色散以及近场不同空间位置处的脉冲波形、脉冲前沿、脉冲宽度等信息, 与理论计算结果符合得较好, 说明该方法能够有效地测量超宽带激光的时空耦合特性.
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2021, 70 (23): 234202.
doi:10.7498/aps.70.20211226
摘要 +
地基激光空间碎片清除等激光烧蚀推进在太空中的应用中, 激光功率已远超过大气非线性自聚焦临界功率, 因此自聚焦效应是影响光束质量的重要因素. 此外, 由于高功率激光产生过程中的非线性效应, 光束常伴有球差. 本文采用数值模拟方法, 研究了球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响. 研究表明: 对于大尺寸(光束发射尺寸)光束, 利用正球差可提高靶面光强. 然而, 对于小尺寸光束, 则需利用负球差提高靶面光强. 并且, 大尺寸比小尺寸光束更适合地基激光空间碎片清除等应用. 在线性衍射效应和非线性自聚焦效应共同作用下, 存在一个最佳发射功率使得靶面光强最大化, 本文拟合出了大尺寸光束的最佳发射功率的公式. 另一方面, 由于衍射、自聚焦和球差均导致焦移, 这使得靶面光束质量变差. 本文推导出了大尺寸光束情况下透镜修正焦距公式, 这样可把将实际焦点移至靶面, 从而提高靶面光束质量. 本文所得结论具有重要的理论和实际应用意义.
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2021, 70 (23): 234203.
doi:10.7498/aps.70.20211208
摘要 +
关联成像近年来成为光学成像领域的研究热点, 光学相控阵集成度高、成本低和调制速率高等优点非常适合应用于关联成像. 本文使用二维独立相位控制的光学相控阵, 研究了光学相控阵产生的周期性赝热光场赋予关联成像的新特性: 分别在暗室、有相位干扰和有热光噪声的条件下基于双周期光场进行了无分束器的关联成像实验; 并利用光学相控阵双周期光场实现了图像拼接. 研究结果对于促进关联成像技术的进步、拓展光学相控阵的应用有重要的意义.
2021, 70 (23): 234701.
doi:10.7498/aps.70.20211251
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流体动画模拟的真实感与实时性一直是流体模拟研究中的热点. 针对在复杂地形场景中不稳定的流体表面运动现象, 本文提出一种基于地形差异的自适应流体速度控制力, 建立了稳定性光滑粒子流体动力学方法以求解浅水方程数值模型. 首先, 将模拟域从三维降至二维表面来降低计算量, 通过粒子的密度大小表示其水深高度值; 其次, 采用变长光滑搜索半径, 确保搜索邻域内的粒子数目稳定在固定范围内, 提高模拟精度; 最后引入一种基于地形差异的自适应流体速度控制力, 根据粒子密度大小的实时变化来确定计算速度控制力的地形研究范围, 通过插值计算粒子运动前后时间步所处地形位置的差异来修正粒子的速度和位置. 本文使用屏幕空间流体渲染方法对流体表面进行绘制, 避免了表面网格的提取与重建, 流体的运动数值计算和渲染均被加载到GPU上并行化执行, 实验结果表明在达到实时交互级别的同时, 本文方法有效地改善了在复杂地形场景中流体表面的不稳定运动现象, 同时流体模拟过程中密度与压强的分布均匀.
2021, 70 (23): 234702.
doi:10.7498/aps.70.20210794
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利用高精度微压计数据、卫星、地面观测数据和GDAS数据, 对2020年7月29日—30日东北冷涡暴雨过程重力波特征进行分析, 结果表明: 重力波激发了此次暴雨, 在暴雨发生前2—4 h, 出现了周期约128 min的重力波先兆活动; 在暴雨期间, 重力波周期集中在120—180 min; 在强对流发展期间出现了周期为128—256 min的重力波和8—64 min周期更短的重力波. 强对流与重力波相互影响、相互作用. 强对流发展时, 地面出现雷暴高压、冷池、出流边界, 在冷池前方形成气流辐合区; 气流辐合辐散区向前移动, 形成重力波传播, 最终激发暴雨. 重力波先兆活动这一特征对东北冷涡暴雨有一定的指示预警意义.
气体、等离子体和放电物理
2021, 70 (23): 235201.
doi:10.7498/aps.70.20211230
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利用贵金属纳米线之间的相互作用可诱导局域表面等离子体共振效应, 从而增强纳米结构中电场的分布, 这在增强荧光特性和提升传感器的灵敏度等方面都有着非常重要的意义. 本文设计了几种基于贵金属Ag的四聚体纳米结构, 包括圆柱形和四棱柱形Ag四聚体结构, 并通过改变其排列方式与棱柱纳米线的旋转角度, 对其电场分布以及电场强度X分量对旋转角的依赖关系进行了理论模拟研究, 探讨了吸收谱共振峰位与模态体积变化关系的物理机制. 结果表明在Ag纳米线四聚体结构中, 圆柱形结构中的电场增强效果不明显, 棱柱形结构中的电场被大大增强, 棱柱形四聚体间隙内产生了明显的电偶极子共振模式, 极化的等离子体共振腔说明了形貌对于热点的产生起着决定性作用, 在改变四聚体纳米线的组合方式以及四棱柱的旋转角度后, 未旋转的非对称四聚体结构的局域表面等离激元共振特性最为理想, 高于对称四棱柱结构的共振强度. 因此, 我们的结果对于利用局域表面等离子共振效应增强电场强度提供了结构模型和理论参数.
2021, 70 (23): 235202.
doi:10.7498/aps.70.20210424
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金属纳米结构中传导电子的集体振荡所产生的表面等离子体不仅可以在时间和空间上重新分布电磁场, 还可以重新分布被激发的载流子. 由表面等离子体引起的各种效应, 包括增强的电磁场、局部加热、激发的电子和激发的空穴, 可以驱动化学反应等. 本文基于阳极氧化铝模板制备出排列规则的金纳米阵列催化基底, 当特定波长的激发光作用于该基底时其表面将会产生大量排列规则的局域表面等离子体增强区域. 借助表面增强拉曼光谱技术具有指纹普的优势, 实时监测以对氨基硫酚作为探针分子在局域表面等离子体的驱动下发生光催化反应生成4,4′-二巯基偶氮苯. 此后, 原位引入硼氢化钠在相同的实验条件下, 可以将生成物4,4′-二巯基偶氮苯在等离子体的驱动下再一次发生逆向化学反应生成对氨基硫酚分子. 该项研究工作将在微纳尺度下实现分子图形的绘制和擦除, 基于该技术进行信息加密、读取和擦写等领域具有潜在的应用价值.
2021, 70 (23): 235203.
doi:10.7498/aps.70.20210945
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磁约束托卡马克装置等离子体物理参数, 如等离子体电流、约束磁场、安全因子的实时监测对高约束模式(H模)的稳态运行至关重要. 本文介绍了基于HL-2A实验数据和集成建模手段, 重建先进高约束运行模式(H模)下等离子体位形, 电流密度和安全因子参数剖面. 通过搭建动力学平衡位形集成模拟平台, 结合工作流快速处理手段, 采用真实实验数据和集成模拟模型, 得到了HL-2A高约束模式放电条件的离子和电子温度、密度, 电流密度和安全因子q剖面, 重建了高约束模式放电物理图像和托卡马克内部磁面位形和等离子体边界参数连续分布, 计算了等离子体欧姆电流、自举电流和射频电流等剖面及各自份额, 给出了先进运行模式下安全因子q径向分布. 通过集成模拟, 发现HL-2A该炮号参数条件下台基宽度约7.52 cm, 压强梯度的方向在
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2021, 70 (23): 235204.
doi:10.7498/aps.70.20211198
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毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星在轨机动应用中具备良好的发展前景. 本文系统研究了单次放电能量5 J条件下, 不同毛细管腔体尺寸参数对推力器能量沉积特性、烧蚀特性、输出推力参数和等离子体羽流参数的影响规律. 实验结果表明, 增大毛细管腔体内径会显著降低放电电流密度, 减小沉积能量和等效功率; 增大腔体长度有助于提升能量传递效率. 腔体结构尺寸变化影响单位面积沉积能量和管壁温度, 进而改变烧蚀特性. 当毛细管内径从1 mm增加至3 mm时烧蚀质量显著下降, 随着腔体内径的进一步增大, 等效烧蚀质量近似不变; 烧蚀质量随毛细管长度的增加持续增大, 但单位面积烧蚀质量不断下降. 推力器元冲量取决于烧蚀质量与其等效速度, 烧蚀特性的差异进一步影响腔体内等离子体密度和等效压强, 影响等离子体电热加速过程. 毛细管腔体内径和长度的不断增加, 使得加速过程滞后于放电和烧蚀过程, 作用于加速过程的电弧沉积能量比例降低, 降低推力器等离子体喷射速度, 元冲量减小, 比冲降低, 总体效率下降. 结合总体效率传递模型分析, 毛细管内径对推力器效率的影响主要体现在能量传递效率方面, 毛细管长度变化主要影响等离子体电热加速效率, 优化推力器总体效率需要从能量沉积效率和加速效率两方面入手.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2021, 70 (23): 236501.
doi:10.7498/aps.70.20211285
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基于傅里叶导热定律, 两种具有不同热导率温度依赖特性的材料组合而成的两段式组合材料可以实现热整流效应. 本文提出在体材料上均匀布置多孔结构, 通过多孔结构孔隙率调整材料的热导率参数, 进而强化热整流效应. 基于有限元方法和有效介质理论, 计算并分析了温差和孔隙率等参数对体材料热整流系数的影响. 计算结果表明, 温差较大时, 孔隙率对对体材料热整流系数的影响较为明显. 在热导率随温度升高而增大的材料中布置多孔结构, 一般会降低系统的热整流系数; 若在热导率随温度升高而减小的材料中布置多孔结构, 则存在一个最佳的孔隙率, 相对于无多孔结构的系统, 其热整流系数可以提高2—3倍. 本文研究结果为体材料热整流系数的调控提供了新的思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2021, 70 (23): 238101.
doi:10.7498/aps.70.20211292
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合金凝固过程中, 游离枝晶在熔体中的运动行为是研究合金凝固组织形成过程的关键问题之一. 元胞自动机-格子玻尔兹曼耦合模型是近年来进行凝固微观组织数值模拟的主要数值模型. 本文改进了模拟枝晶生长的元胞自动机和格子玻尔兹曼模型, 使其能够模拟过冷熔体中等轴晶的运动行为. 改进的模型采用伽利略不变的动量交换法计算流体力, 通过求解质心运动方程计算枝晶的运动位移, 并通过动网格技术实现枝晶的运动, 运用硬球模型处理枝晶的碰撞. 采用该模型模拟了Al-4.7%Cu合金过冷熔体中单枝晶的沉降、牛顿流体中两圆形粒子的沉降和两枝晶的弹性碰撞. 模拟结果表明, 本模型在计算枝晶生长运动过程时可以很好地维持枝晶的形貌. 采用本模型计算等轴枝晶的碰撞过程表明, 枝晶的运动会扰动其周围的熔体, 造成周围熔体浓度显著变化, 进而影响枝晶的生长, 加剧枝晶生长的不对称性.
2021, 70 (23): 238401.
doi:10.7498/aps.70.20211119
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轨道角动量涡旋电磁波可以在物理层面为信息的调制提供新的维度, 这在无线通信和雷达成像领域中拥有很大的应用前景. 将相控阵波束扫描技术应用于涡旋电磁波, 可用于增加涡旋电磁通信的覆盖范围, 也可用于扩大涡旋雷达的探测空域. 首先, 本文讨论了涡旋电磁波束偏转的实现原理, 并给出了实现波束扫描时平面相控阵口径上所需的相位分布公式. 其次, 考虑到相控阵天线在波束扫描以及轨道角动量模式可重构方面的独特优势, 设计并制作了一款阵面规模为8 × 8的平面相控阵, 并在10 GHz频率下实验验证了轨道角动量涡旋电磁波的波束扫描和模式可重构效果. 最后, 本文讨论并分析了涡旋电磁波束偏转后的性能变化. 仿真和实验结果显示, 平面相控阵在大角度波束扫描时会发生方向图畸变的问题. 同时, 本文还研究了涡旋电磁波的模式纯度关于波束偏转角度和模式数的变化情况. 本文的研究结果表明, 使用平面相控阵天线在一定空域内可以有效地实现涡旋电磁波束扫描, 并可为涡旋电磁波通信和涡旋雷达提供参考借鉴.
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2021, 70 (23): 238501.
doi:10.7498/aps.70.20211021
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忆阻器、忆容器和忆感器是具有记忆特性的非线性元件, 隶属于记忆元件系统. 目前, 由于现有可购忆阻器芯片尚存在许多不足, 且忆容器和忆感器的硬件实物研究仍处于实验室验证阶段, 因此, 研究者们获取此类记忆元件硬件仍有难度. 为了解决这个问题, 建立有效的记忆元件等效电路模型, 以促进对记忆元件及其系统的特性和应用研究. 本文根据忆阻器、忆容器和忆感器的本构关系, 提出一种新型浮地记忆元件建模方法, 即采用搭建通用模拟器的方式, 在保证电路拓扑结构不变的情况下, 通过改变接入通用模拟器的无源电路元件分别实现浮地忆阻器、忆容器和忆感器模型. 相比于其他能实现3种浮地记忆元件模型的研究, 本文所搭建的记忆元件模型结构简单, 工作频率更高, 易于电路实现. 结合理论分析、PSPICE仿真及硬件电路实验结果的一致性, 验证基于该通用模拟器搭建记忆元件模型的可行性和有效性.
2021, 70 (23): 238502.
doi:10.7498/aps.70.20211039
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基于宽禁带半导体材料氧化镓(Ga2O3)制备日盲深紫外(UV)光电探测器是当前研究的热点课题之一, 但如何制备出高性能的Ga2O3基日盲探测器应用于柔性透明光电子领域仍然存在挑战. 本文采用射频磁控溅射技术在柔性云母衬底上生长了具有高透射率的非晶Ga2O3薄膜. 在此基础之上, 采用铝掺杂氧化锌(AZO)作为电极材料, 制备了非晶Ga2O3薄膜基金属-半导体-金属(MSM)结构的透明日盲深紫外光电探测器, 并系统对比分析了平面状态和多次弯曲后的器件性能. 结果表明, 非晶Ga2O3基透明探测器具有超高的可见光透明度, 并显示出良好的日盲紫外光电特性. 器件在254 nm光照下的响应率为2.69 A/W, 响应和恢复时间为0.14 s/0.31 s. 经过300次机械弯曲后, 器件具有与其平面状态相近的光响应行为, 器件性能没有发生明显的衰减现象, 表现出良好的柔韧性和稳定性. 本工作证实了AZO薄膜可作为下一代柔性和可见光透明的Ga2O3基探测器的电极材料, 并为研制高性能柔性透明日盲深紫外探测器提供一定参考.
2021, 70 (23): 238701.
doi:10.7498/aps.70.20211022
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为获取生物组织和活体细胞内部精细结构, 要求显微成像技术具备层析成像能力. 基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术利用动态变化的散斑图案全场照明待测样品, 通过提取焦平面内变化剧烈的荧光信号, 获得三维结构的荧光层析图像. 本文通过理论分析和模拟仿真, 研究了这一荧光显微技术获取荧光层析图像的过程. 模拟仿真了影响荧光层析图像成像质量的主要因素, CCD记录的原始荧光图像数量和散射体颗粒度与成像质量的关系. 模拟仿真结果表明, 荧光层析图像的成像质量随原始荧光图像数量的增加先提高后趋向饱和, 随散射体颗粒度的增大先增大后降低. 综合考虑成像质量和成像时间等因素, 当用于提取荧光层析图像的原始荧光图像的数量为60幅, 散射体颗粒度为1000左右时, 可获得图像对比度高于85%的高空间分辨率荧光层析图像. 理论分析和模拟仿真研究工作为基于动态散斑照明的宽场荧光显微技术的系统结构设计、实现和优化提供了理论基础和指导.
2021, 70 (23): 238801.
doi:10.7498/aps.70.20211026
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碳纳米管晶体管作为新一代纳米器件, 由于缺乏成熟的阈值电压调控机制, 仍难以运用到实际逻辑电路中. 本文提出了一种简单易实现且能够大规模处理的表面掺杂方法, 通过AuCl3的p型掺杂作用来实现对晶体管阈值电压的有效调控, 研究了不同掺杂浓度对碳纳米管电学性能的影响. 实验结果表明, 在低掺杂浓度条件下, 不仅实现了晶体管阈值电压稳定调控, 器件导电性能也大幅提高, 迁移率提升2—3倍. 更进一步地, 研究了退火对掺杂后器件的电学性能影响, 发现在同等掺杂条件下, 退火温度达到50 ℃时, p型掺杂效果最佳. 最后采用第一性原理计算方法, 验证了金离子对碳纳米管的掺杂调控机制. 这项研究为未来实现大面积低功耗逻辑电路以及高性能电子器件提供了重要指导.
2021, 70 (23): 238802.
doi:10.7498/aps.70.20211234
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Cu(In,Ga)Se2(CIGS)太阳能电池是一种高效薄膜太阳能电池, Ga含量(Ga/(Ga+In), GGI)梯度调控是在不损失短路电流情况下, 获得高开路电压的一种有效方法. 本文基于对薄膜电池效率极限的对比分析, 首先评估了CIGS电池性能提升的优化空间和策略. 进而, 通过机器学习与电池模拟分析相结合, 研究了不同类别的“V”型GGI梯度对电池性能的影响, 优化了“V”型双梯度的分布, 获得了高于26%的模拟效率, 并探究了其内部载流子作用机理. 本文的研究提供了获得高效率CIGS电池“V”型GGI梯度的优化方案, 为实验优化提供了指导.