总论
2022, 71 (20): 200301.
doi:10.7498/aps.71.20220545
摘要 +
任意方向电偶极子在分层受限空间中的远区辐射场求解对于分析云闪回击、对潜通信、地波超视距雷达等领域中电磁特性问题具有重要意义. 本文基于镜像法和偶极子在自由空间远区辐射场, 建立了三层水平受限空间模型, 对其间任意取向电偶极子产生的远区辐射场表达式进行了推导, 综合考虑了从源点到观测点的直达波及上、下界面的一次反射波影响. 在此基础上, 比较分析了频率为100 kHz, 6 MHz和10 MHz的电偶极子处于地-电离层模型中不同位置时传播的辐射特性. 结果显示: 对于同一位置辐射源, 电偶极子的频率越高, 辐射波瓣数目越多; 当偶极子源的频率相同时, 源点距离下界面越远, 辐射波瓣数目亦越多.
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2022, 71 (20): 200302.
doi:10.7498/aps.71.20220709
摘要 +
本文探究了弱囚禁条件下玻色-玻色混合凝聚体中的准二维隐秘涡旋量子液滴及其动力学特性. 前期研究表明, 在完全自由的三维空间中, 隐秘涡旋量子液滴难以稳定; 在二维系统中, 当囚禁尺度是窄囚禁条件时, 系统仅支持拓扑荷
${S_{1,2}} = \pm 1$
的隐秘涡旋量子液滴; 因此当横向囚禁尺度较弱时, 准二维空间中李-黄-杨修正项仍然采用三维空间中的表达式来描述, 此时隐秘涡旋量子液滴能否保持稳定是一个重要的科学问题. 本文采用虚时间方法获得了拓扑荷
${S_{1,2}}$
达到
$ \pm 4$
的隐秘涡旋量子液滴; 进一步论证了隐秘涡旋量子液滴的有效面积
${A_{{\text{eff}}}}$
和化学势
$\mu $
与总粒子数
$N$
之间的依赖关系; 并采用线性稳定性分析结合实时传输方法获得了总粒子数临界值
${N_{{\text{th}}}}$
分别与拓扑荷
${S_1}$
和非线性系数
${\text{δ}}g$
之间的依赖关系. 在动力学部分, 本文研究了由两个不同拓扑荷的隐秘涡旋量子液滴构造的复合涡旋模式, 即嵌套涡旋量子液滴. 结合量子液滴的密度分布具有“平顶型”的特点, 采用Thomas-Fermi近似对数值结果进行了有效验证.
2022, 71 (20): 200601.
doi:10.7498/aps.71.20220670
摘要 +
为了实现强噪声干扰下的远场光斑质心高精度计算, 研究了一种基于物理信息神经网络的质心定位方法—质心物理信息神经网络(centroid-PINN), 该方法利用U-Net神经网络优化质心计算误差损失. 为了验证该方法, 利用模拟产生不同强度的两种类型噪声(斜坡噪声和白噪声)干扰下的高斯光斑训练网络. 通过两种类型的光斑(高斯光斑和类Sinc函数光斑)测试神经网络, 均得到了较高的质心定位精度. 相比传统质心定位计算方法, centroid-PINN无需根据噪声水平设置参数, 特别是能够处理斜坡噪声的干扰, 获得高精度定位结果. 成果可用于高性能激光光斑质心参数测量设备的研制, 对于夏克-哈特曼波前测量装置的研制也有一定的借鉴意义.
2022, 71 (20): 200701.
doi:10.7498/aps.71.20220611
摘要 +
分布式光纤温度传感(distributed temperature sensor, DTS)系统进行温度测量时, 参考光斯托克斯光强度随着温度的升高而增大, 使信号光反斯托克斯光与参考光斯托克斯光强度的比值减小, 测量温度小于真实温度, 降低系统的测温准确度. 本文提出并实验验证了一种新的动态校准法修正斯托克斯光信号, 可有效减小斯托克斯光导致的测温误差, 提高系统的测温准确度. 该方法根据参考光纤中的实时斯托克斯光强分布, 模拟出对应的整条光纤在参考温度环境中的斯托克斯光强度曲线, 实现斯托克斯光的温度响应修正. 实验结果表明, 与传统温度解调方法相比, 分布式光纤温度传感系统进行斯托克斯光动态校准后测温准确度最高提升4.3 ℃. 与瑞利噪声抑制法联用后, 测温准确度提高8.9 ℃. 本研究为DTS系统进行高温环境温度监测提供了一种新的解决方案.
2022, 71 (20): 200702.
doi:10.7498/aps.71.20221112
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建立了高空核爆炸X射线辐射能和碎片动能在大气层中沉积的计算模型, 利用该模型模拟了美国和苏联的4次大威力高空核爆炸试验(Checkmate, Starfish, K3, K4)的能量沉积情况, 分析了碎片动能在海拔100—200 km的沉积规律. 计算结果表明, 与X射线沉积区相比, 碎片动能沉积区范围较小, 能量密度较大; 碎片动能沉积在较短时间内(约0.5 s)完成, 在爆心附近和海拔115 km附近存在两个吸收峰; 动能沉积区在水平截面大体上为椭圆形, 爆炸纬度越高, 椭圆偏心率越小, 水平截面积随海拔高度的增加而增大, 随爆高的增大而减小; 距爆点较远、远离磁泡时, 动能沉积峰值点在穿过爆心的地磁场磁力线附近; 距爆点较近、磁泡内部的动能沉积峰值点在爆心投影点附近.
原子和分子物理学
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2022, 71 (20): 203101.
doi:10.7498/aps.71.20220923
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费米接触项与原子超精细结构常数有密切关系, 往往对原子能级的超精细劈裂起主要贡献. 波函数在原点处的行为以及电子之间的关联效应是影响费米接触项计算精度的两个主要因素. 对于一般的原子体系来说, 费米接触项的高精度计算不是一件容易的工作. 本文利用Hylleraas坐标下的Rayleigh-Ritz变分法求解了锂原子和类锂离子体系(Z= 4—10)自旋四重态
$ {\text{1s2s3s}}{\;^{\text{4}}}{\text{S}} $
,
$ {\text{1s2s4s}}{\;^{\text{4}}}{\text{S}} $
和
$ {\text{1s2s2p}}{\;^{\text{4}}}{\text{P}} $
的薛定谔方程, 得到的非相对论变分能量收敛精度达到10–13. 根据所得到的高精度变分波函数, 计算了这些体系的费米接触项, 并研究了原子核的有限质量对结果的影响. 费米接触项的精度达到了10–10. 本文结果可以作为其他理论方法的参考基准, 同时也为相关的实验研究提供了参考数据.
2022, 71 (20): 203301.
doi:10.7498/aps.71.20220700
摘要 +
水分子吸收光谱参数是遥感探测、行星观测应用领域所需的关键基础科学数据. 基于窄线宽外腔半导体激光器和长程吸收池, 测量了室温下9332—722 cm–1波段内, CO2加宽的18条水分子的吸收谱线. 分别使用Voigt线型和quadratic speed-dependent Voigt线型对吸收光谱数据进行拟合, 并获得了这些谱线的CO2加宽系数, quadratic speed-dependent Voigt线型表现出更好的拟合效果. 与HITRAN2020数据库该波段空气加宽系数进行了对比, 两种线型反演获得的水分子CO2加宽系数与空气加宽系数之比的均值分别为1.327和1.454, 验证了利用水分子的空气加宽系数估算CO2加宽系数的方法存在可靠性. 本研究可为近红外波段的火星、金星等大气结构探测技术及相关研究提供可供参考的实测光谱参数数据.
封面文章
2022, 71 (20): 203302.
doi:10.7498/aps.71.20220975
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紫外宽带吸收光谱(UV-BAS)作为一种气体定量检测技术, 常用于检测NO等气态污染物, 然而光谱仪对真实光谱的展宽作用会导致吸收率随光学厚度的变化偏离线性关系. 本文针对NO吸收光谱的非线性效应进行了理论与实验研究, 通过建立NO吸收率峰值非线性数据库, 提供了一种基于插值多项式的NO浓度测量方法. 首先理论推导出吸收率随光学厚度的非线性变化关系. 通过对单谱线进行仿真分析, 探究仪器展宽给非线性变化关系带来的影响; 然后定量计算不同仪器展宽下γ(0, 0)谱带吸收率峰值随光学厚度的变化关系, 并给出多项式模型的非线性表达式并建立系数数据库, 同时对同一展宽不同NO振动谱带的非线性问题进行了比较与分析. 最后, 通过采用不同展宽光谱仪实验测量NO吸收光谱并对上述理论研究结果进行验证, 吸收率峰值实验结果与理论计算的相对误差小于4%, 与数据库插值多项式的误差小于8%, 证明了理论计算的准确性与数据库的可靠性.
2022, 71 (20): 203401.
doi:10.7498/aps.71.20220846
摘要 +
分子动力学模拟是一种行之有效的计算机模拟方法; 然而, 由于缺少合适的多元合金原子间势, 因而限制了分子动力学模拟的应用. 多元合金原子间势的开发一直具有挑战性. 本文在嵌入原子势模型的框架下, 提出一种适用于三元有序合金的原子间势构建方法, 并开发了适用于原子尺度力学行为模拟的Ti2AlNb合金新型原子间势. 该势能够很好地再现B2-Ti2AlNb的弹性常数、未弛豫的空位形成能、置换原子形成能、换位原子形成能、表面能和三种有序构型(B2相、D019相、O相)在不同体积下的内聚能. 为了进一步检验势函数, 计算了B2相的E-V曲线, 结果与Rose曲线符合得很好; 利用分子动力学模拟研究了B2相的熔化转变过程, 结果大致反映了实验情况. 本文的工作一方面为开发多元合金原子间势提供一种途径, 另一方面为模拟计算Ti2AlNb合金的工作者提供一种选择.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (20): 204201.
doi:10.7498/aps.71.20220739
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中红外波段的单光子源对于下一代量子传感、量子通信和量子成像的研究非常重要. 目前常用的产生中红外单光子源的方法是基于周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate, PPLN)自发参量下转换过程. 但是, 基于普通PPLN制备的单光子源频域纯度不高, 最高值只有0.82左右, 会影响量子信息处理方案的保真度. 本文利用域设计理论对30 mm长铌酸锂晶体的4000个域进行了定制化排列, 消除了相位匹配函数中的旁瓣, 获得了高斯型的分布. 计算得到的单光子源的频域纯度可达0.99, 可调谐范围为2.7—3.3 μm. 该定制极化铌酸锂(customized poled lithium niobate, CPLN)有望为中红外波段量子信息研究提供性能优异的单光子光源.
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2022, 71 (20): 204202.
doi:10.7498/aps.71.20220483
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双波长锁模激光器在光通信、泵浦探针实验、非线性频率变换等方面应用广泛. 本文报道了一种双波长自锁模半导体薄片激光器. 利用增益芯片底部的高反射率分布布拉格反射镜和外部的耦合输出镜构成简单的直线型谐振腔, 腔内不需要额外的插入元件, 依靠增益介质的克尔效应, 结合激光芯片上泵浦光斑形成的软光阑, 即可启动锁模过程, 实现稳定的自锁模输出. 锁模脉冲宽度为4.3 ps, 重复频率为1.1 GHz, 最大输出功率为323.9 mW. 在锁模的基础上, 使用简单的刀片作为波长调谐元件, 通过改变刀片插入谐振腔的深度, 可连续调谐激光波长, 并在某一特殊位置, 获得稳定等强度的双波长输出. 实验中的稳定等强度双波长为951和961 nm, 对应的输出功率为32 mW. 该双波长对应的差频辐射为3.3 THz, 具有较好的应用潜力.
2022, 71 (20): 204203.
doi:10.7498/aps.71.20220888
摘要 +
本文针对激光雷达等三维传感应用, 设计并制备了905 nm波长的高功率密度5结级联垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL). 制备的5结级联VCSEL单管(氧化孔径8 μm)的功率转换效率高达55.2%; 其最大斜率效率为5.4 W/A, 约为相同孔径单结VCSEL的5倍. 窄脉冲条件下(脉冲宽度为5.4 ns, 占空比0.019%), 5结级联19单元VCSEL阵列(单元孔径20 μm)的峰值输出功率达到58.3 W, 对应的峰值功率密度高达1.62 kW/mm2. 对不同孔径器件(8—20 μm)的光电特性进行了测试和分析. 结果显示, 这些器件的最大斜率效率均大于5.4 W/A, 最大功率转换效率均大于54%. 这些高性能VCSEL器件可作为激光雷达等三维传感应用的理想光源.
2022, 71 (20): 204204.
doi:10.7498/aps.71.20220703
摘要 +
提出了一种基于双向正交泵浦半导体光放大器(SOA)的相位保持幅度再生方案, 实验分析了泵浦、信号及其端面反射场之间的多重四波混频(FWM)转换过程, 探索了同向场作用下的共轭光再生能力. 测量了注入不同信号光功率、信号质量情况下获得的幅度噪声压缩效果以及相位输出特性, 印证双向正交泵浦SOA再生器的相位保持幅度再生功能, 通过实验测量得到2.2 dB的幅度噪声压缩结果. 进一步通过仿真分析系统, 探讨了多进制数字相位调制(MPSK)信号的工作特性, 表明该再生器可在相同工作参数下支持高阶信号的再生需求.
2022, 71 (20): 204205.
doi:10.7498/aps.71.20220383
摘要 +
利用传输矩阵法, 计算研究了一维反转对称光子结构通过不同的组合方式产生界面态的可调控特性, 并通过电子束蒸镀技术制备样品进行了实验验证. 由两种材料构成的反转对称层状光子结构, 根据元胞的反转对称中心不同分别对应PCI和PCII两种结构. 研究结果表明, 对于由PCI和PCII构成的组合结构, 在满足两个结构的表面阻抗虚部之和等于零的特征频率处存在一个界面态, 该界面态频率与结构元胞数无关; 若在此基础上再增加一个PCI, 构成PCI + PCII + PCI组合结构, 则在同一个带隙中会产生两个界面态; 改变组合结构中每部分或者其中一部分结构的元胞数可以对两个界面态频率实现调控, 实验研究结果充分表明调控的可行性, 这为设计满足不同应用需求的窄带滤波器、多通道滤波器等提供了更灵活的思路.
2022, 71 (20): 204301.
doi:10.7498/aps.71.20220634
摘要 +
大陆坡海域内波普遍存在, 其陆坡地形和内波过程都会引起显著的声场起伏. 已有研究工作主要关注内波或大陆坡单扰动因子对模态耦合和强度起伏的影响, 少见将内波和海底地形起伏同时作为影响因子进行研究. 文章考虑孤立子内波和海底地形对声传播的双重影响, 首先构建海洋波导模型, 然后基于简正波理论数值对比分析各波导模型条件下模态的耦合规律, 进而研究声场强度起伏特性及其物理机理. 研究结果表明, 当声波朝向或远离内波中心传播时, 模态耦合在内波与大陆坡的共同作用下出现耦合增强或衰减, 高号模态耦合系数振荡; 内波扰动的作用使得能量由低号模态耦合至高号模态, 提高了声场强度衰减; 斜坡的作用使得声波下坡传播时, 波导模态数增加、模态强度衰减降低; 大陆坡内波环境中的模态强度总和大于内波环境、小于大陆坡环境, 且模态组间的能量转移比只有内波或者大陆坡时更强, 高号模态从耦合中获得更多能量, 使得跃层以上水层能量增强.
2022, 71 (20): 204302.
doi:10.7498/aps.71.20220763
摘要 +
本文从射线-简正波理论出发, 推导了计及衍射相移时声线跨距、传播时延与群速度的表达式, 在此基础上给出了一种包含衍射相移影响的深海会聚区焦散结构计算模型. 对典型深海声道中第一个上会聚区的仿真研究表明: 高频条件下纯折射(refracted-refracted, RR)型会聚区有3条焦散线, 海面反射(refracted surface-reflected, RSR)型会聚区有4条焦散线. 通过与高频结果对比, 低频条件下计及衍射相移后发现, 界面反射相移引起的水平位移使RR型焦散线向靠近声源的方向水平偏移, 使RSR型声线额外多产生数条焦散线, 而声波以非均匀波形式传播时产生的位移使RR型焦散线向远离声源的方向水平偏移. 频率升高后, 声衍射效应减小, 焦散结构趋于经典射线理论的计算结果. 本文给出的模型物理意义清晰, 计算简便准确, 弥补了经典射线理论在低频条件下适用性不强的缺陷.
2022, 71 (20): 204303.
doi:10.7498/aps.71.20220615
摘要 +
海面风和降雨对海洋环境噪声影响显著, 利用海洋环境噪声模型结合风速和降雨率参数可对环境噪声谱级进行预报. 本文研究了东印度洋海域环境噪声特性, 分析了海面风速和降雨率对海洋环境噪声的影响规律, 结果表明没有降雨时高频段噪声谱级与风速的相关系数可达0.59, 存在降雨时高频段噪声谱级和降雨率的相关系数可达0.85, 强降雨可使高频段环境噪声谱级增大6 dB以上. 同时修正了风生噪声源级公式使其适用于东印度洋深海环境, 修正后模型预报强降雨噪声谱级与实验数据整体误差在2 dB以内. 利用小范围降雨噪声数据对模型进行验证时发现, 在小范围降雨时噪声源模型采用海面非均匀降雨噪声源, 比采用均匀噪声源的计算结果更加准确. 修正后的风生及降雨噪声模型对东印度洋海洋环境噪声特性预报具有重要意义.
2022, 71 (20): 204304.
doi:10.7498/aps.71.20220898
摘要 +
针对传统声束的衍射极限问题, 如何构建具有更高分辨率的聚焦声场, 是实现超分辨声成像和声操控领域的重大挑战之一. 本文在考虑成像分辨率同时兼顾声场可控制性, 提出了一种基于粒子群优化算法的多频超振荡超分辨聚焦声场设计方法. 基于常规换能器声场的衍射效应, 利用半波带法设计中心频率菲涅耳透镜, 并以中心频率为基准在换能器带宽范围内设置多频信号来构建超振荡声场, 进一步通过粒子群算法对多频声束的振幅和相位进行优化, 在远场构建了焦域半径能够小于中心频率半波长的超振荡声场, 还发现其尺寸小于最高频率声场的所形成焦域半径, 进一步证明其焦域半径随着中心频率和超振荡频率数的增大而减小. 研究结果为可控超分辨声聚焦提供了一种简便易行的方法.
2022, 71 (20): 204701.
doi:10.7498/aps.71.20220693
摘要 +
将底部加热的半个肥皂泡作为一个新的热对流模型, 结合了肥皂泡固有的球面与准二维特征, 由此有助于理解行星大气流动中的复杂物理机制与热对流特性. 本文使用直接数值模拟方法计算了旋转肥皂泡上的湍流热对流, 研究了肥皂泡上的温度与黏性边界层以及拟热能和动能耗散规律. 结合肥皂泡上温度场与速度场特征, 分别根据温度脉动均方根最大值以及速度脉动边界处斜率延长线与最大值交点提出了肥皂泡上温度与黏性边界层的识别方法. 研究发现, 当肥皂泡从边界吸收能量时, 拟热能耗散与动能耗散均集中在边界层中, 肥皂泡上的温度边界层与黏性边界层厚度与瑞利数
$Ra$
存在明确的标度关系. 相比经典Rayleigh-Bénrad对流(RB对流)模型, 温度标度指数具有较为接近的结果, 但速度标度指数存在一定的差异. 此外, 在混合区, 均方根温度(
$T^{*}$
)随纬度(
$\theta$
)具有近似
$T^{*}\sim\theta^{0.5}$
的标度关系, 这与RB对流模型及其相应的理论预测一致. 最后通过能量平衡方程发现, 肥皂泡上拟热能内耗散率
$\varepsilon_{{T}}^0$
和动能内耗散率
$\varepsilon_{{u}}^0$
比拟热能外耗散率
$\varepsilon_{{T}}^1$
和动能外耗散率
$\varepsilon_{{u}}^1$
大1个量级, 拟热能与动能的内部耗散率在边界层中具有支配地位, 随着肥皂泡旋转速率的增加, 热羽流难以输运到高纬度地区, 进一步降低了拟热能与动能外耗散率的影响.
2022, 71 (20): 204702.
doi:10.7498/aps.71.20220771
摘要 +
对微纳流体中纳米粒子的动态跟踪与检测一直是一项具有挑战性和高要求的工作. 本文提出了波导-同心环形谐振腔集成光学模型, 根据波导-同心环形谐振腔耦合结构输出的荧光功率强度变化来实现对微纳流体中纳米颗粒的微位移检测. 由于环形微谐振腔具有高Q以及对周围环境响应敏感的特性, 因而极大提高了器件的灵敏度. 使用时域有限差分法对荧光的偏振态, 两个环形谐振腔的间距等参数进行了数值仿真模拟, 利用荧光输出功率双峰值的变化能够对纳米粒子的微位移进行高精度的检测. 基于双峰值变化的同步检测可降低环境噪声影响从而提高了检测精度, 数值模拟结果也证实了此种方法可对纳米流体中纳米颗粒在0—1000 nm范围对微位移进行实时动态的测定. 本工作可以为微纳流体领域传感器系统的设计提供新的方向和思路.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (20): 206301.
doi:10.7498/aps.71.20220913
摘要 +
金刚石烯因其优异的物理性质, 近些年来备受科学家们关注. 然而由于目前技术的限制, 金刚石烯在制备过程中难免出现缺陷. 本文采用分子动力学方法, 研究了边界裂缝对金刚石烯抗拉特性和破坏机理的影响. 结果表明, 裂缝的存在导致金刚石烯的抗拉性能大幅度削弱, 含边界裂缝金刚石烯的弹性模量、起裂应变和起裂应力均小于无裂缝金刚石烯. 破坏模式方面, 无裂缝金刚石烯的破坏从移动端附近开始, 含边界裂缝金刚石烯的破坏从裂缝尖端开始. 无裂缝金刚石烯在达到起裂应变后, 无需继续增大荷载即形成贯穿裂缝, 完全失去承载能力; 含边界裂缝金刚石烯在达到起裂应变后, 仍需继续施加荷载, 裂缝经过多次延伸后, 形成贯穿裂缝, 导致其完全失去承载能力. 裂缝位置、长度和方向的改变也会使含裂缝金刚石烯的抗拉特性和破坏机理发生变化. 另外, 含边界裂缝金刚石烯的抗拉特性对温度有着明显的依赖性, 当温度升高时, 含边界裂缝金刚石烯的抗拉特性显著下降.
2022, 71 (20): 206302.
doi:10.7498/aps.71.20220988
摘要 +
挠曲电效应是应变梯度与电极化之间的机电耦合, 存在尺寸效应, 在许多微纳米尺寸结构中起着非常重要的作用. 本文采用密度泛函理论, 对交错层SrTiO3/BaTiO3超晶格进行了系统的挠曲电效应研究, 通过探究超晶格在给定的应变梯度下的力电响应, 独立得到其纵向挠曲电系数、横向挠曲电系数和剪切挠曲电系数. 结果表明: 超晶格的横向、剪切挠曲电系数和纵向挠曲电系数较其组分材料有不同的变化, 其中超晶格的横向和剪切挠曲电系数分量分别较块体BaTiO3提升约6倍, 较块体SrTiO3提升4.2倍和1.3倍; 纵向挠曲电系数较其组成材料基本不变; 这种挠曲电系数分量不同程度提升的综合效果能够使超晶格SrTiO3/BaTiO3较其单一组分材料的挠曲电效应产生数倍提升. 本文对寻找性能优异的复合挠曲电材料具有一定理论指导意义.
2022, 71 (20): 206303.
doi:10.7498/aps.71.20220939
摘要 +
二维材料磁性的有效调控属于国内外的前沿研究领域. 本文运用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了双轴拉伸应变对单层NbSi2N4磁性的影响. 声子谱和分子动力学的计算结果表明, 单层NbSi2N4结构具有良好的动力学与热力学稳定性. 研究发现单层NbSi2N4为无磁金属, 1.5%的双轴拉伸应变可使其转变为铁磁金属. 对单层NbSi2N4材料电子结构的分析表明, 拉伸应变诱导的铁磁性具有巡游电子起源: 当不考虑自旋极化时, 单层NbSi2N4在费米能级处存在一条半满的能带, 其主要由Nb原子的dz2轨道贡献, 拉伸应变可使其更局域化, 进而引起斯通纳不稳定性, 导致铁磁性的产生. 此外, 对磁各向异性能的计算表明, 应变可使单层NbSi2N4的易磁化轴方向发生垂直-面内-垂直方向的翻转. 基于海森伯模型的蒙特卡罗模拟结果表明, 拉伸应变可显著提高单层NbSi2N4的居里温度. 单层NbSi2N4的居里温度在2%应变时为18 K, 在6%应变时提高到87.5 K, 比2%应变时提高了386%. 本研究为应变调控二维层状材料的磁性提供了理论参考, 在力学传感器设计和低温磁制冷领域有着潜在的应用前景.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (20): 207101.
doi:10.7498/aps.71.20221036
摘要 +
通过团簇加连接原子模型研究了Ni-Al-Cr合金的近程序结构和物理特性. 以Al原子为中心, 其周围第一近邻的12个Ni原子作为壳层原子, 位于次近邻的Al原子和Cr原子作为连接原子, 即[Al-Ni12]AlxCr3–x, 其中x= 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5. 形成能表明团簇加连接原子模型对应的结构比其他结构更稳定. 差分电荷密度显示了Ni, Al, Cr原子间的电荷密度转移主要聚集在Ni-Al和Ni-Cr之间, 说明Ni-Al和Ni-Cr之间比Al-Cr和Ni-Ni更容易成键. 能带结构显示了Ni-Al-Cr合金材料均具有导体性质, 且Ni-3d, Al-3p和Ni-3d, Cr-3d之间发生了明显杂化效应, 验证了Ni-Al和Ni-Cr之间存在较强的相互作用.
2022, 71 (20): 207102.
doi:10.7498/aps.71.20221019
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通过应变调控二维材料的电学性质和光学性质是设计新型二维电子和光电子器件的重要环节, 也是后摩尔时代薄膜器件设计中的关键技术. 薄膜CrI3具有铁磁和层间反铁磁的独特性质, 但是关于应变调制其电学性质和光学性质的研究未见报道. 本文采用高精度杂化密度泛函理论研究了面内单双轴应变对单层CrI3载流子迁移率和介电函数的调控规律, 研究结果与已有的实验和理论值符合较好. 计算发现: 单层CrI3载流子迁移率非常小, 均在10 cm2·V–1·s–1以内; 与拉伸应变相比, 双轴压缩应变可以显著提升迁移率; 当双轴压缩应变量增至8%时, 沿锯齿方向电子迁移率增至174 cm2·V–1·s–1, 达到了MoS2水平. 可见光区介电函数虚部x(y)方向I号吸收峰强度随双轴拉伸应变量增加明显增强, 而z方向几乎没有变化; 可见光区x(y)和z方向的介电函数虚部曲线开始攀升的起点对应的光子能量均随双轴压缩应变量增加明显减小, 且所有吸收峰呈现明显的红移. 结果表明, 应变可以明显提升单层CrI3的电荷输运性能和可见光区的光学性能.
2022, 71 (20): 207301.
doi:10.7498/aps.71.20220911
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CuInS2量子点 (quantum dots, QDs)具有宽尺寸调节范围 (2—20 nm)、丰富的电子俘获位点、高光吸收系数、较高的载流子迁移率和制备工艺简单等优势, 可应用于下一代非易失性存储器, 但其开关电压(–4.5/4.5 V)和阻变开关比 (103)还达不到实际使用要求. 本文引入铌掺杂锆钛酸铅 (Nb:Pb(Zr0.52Ti0.48)O3, PNZT)制备CuInS2QDs/PNZT复合薄膜, 发现PNZT的引入可以明显改善QDs的阻变性能, 开关电压降至–4.1/3.4 V, 阻变开关比提升至106, 在103次的循环耐久性测试中始终保持良好的稳定性. 切换PNZT薄膜的铁电极化方向可以改变CuInS2QDs/PNZT复合薄膜界面势垒高度和耗尽区宽度, 以此调控CuInS2QDs/PNZT复合薄膜的阻变性能.
2022, 71 (20): 207302.
doi:10.7498/aps.71.20220320
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通过引入1 nm铝作为插入层, 研究了铝在调制镍与n型锗反应时对镍化锗与n型锗接触的肖特基势垒高度的影响. 采用正向I-V法、Cheung 法和 Norde 法分别提取了镍化锗与n型锗接触的肖特基二极管的串联电阻、势垒高度和理想因子. 研究表明, 在镍和锗衬底之间引入1 nm铝插入层, 能够有效降低势垒高度, 且其能够在 350 ℃—450 ℃ 保持稳定.
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2022, 71 (20): 207303.
doi:10.7498/aps.71.20220966
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金属卤化物钙钛矿由于其高吸收系数、长距离载流子扩散长度和可调带隙, 近年来在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用, 有望实现商业应用. 甲胺铅碘 (MAPbI3)作为一种标准的钙钛矿化合物组分已得到了充分的研究, 然而, 湿化学法制备的多晶薄膜由于其低形成能通常会产生较多的晶体缺陷 (包含界面和晶界处缺陷), 这是导致相变的一个重要原因, 因此降低材料中的缺陷密度是提高钙钛矿稳定性的一个重要手段. 虽然缺陷钝化是制备高效钙钛矿太阳能电池最常用的方法之一, 但是分子钝化基团与钙钛矿晶体之间相对较弱的二次键可能会给实际设备的应用带来困难, 特别是在高温、潮湿和紫外线(UV)光等恶劣环境下操作时. 另一种策略是通过调控卤化物组成来提高其本征结构稳定性. 本文以氯甲胺(MACl)和碘化铅(PbI2)作为前驱体通过一步旋涂法制备了两相钙钛矿(MAPbI2Cl). 结果表明, 氯离子掺杂替代部分碘离子可以更好地诱导钙钛矿结晶, 进而稳定MAPbI3晶格. 经过Cl掺杂的钙钛矿层表现出更低的缺陷态密度, 对比于原始薄膜, Cl的载流子寿命增加了7倍, 与此同时, 功率转换效率 (PCE)和操作稳定性都得到了很大的改善, PCE从11.41%提高到13.68%. 器件具有良好的操作稳定性, 在最大功率点输出8000 s后并未显示出明显的衰减. 本文为制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供了全新的思路.
2022, 71 (20): 207304.
doi:10.7498/aps.71.20221061
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针对温差发电器的局限性, 利用热超构材料的热场调控特性, 提出了将温差发电器与二维扇形热超构材料能量收集结构进行集成, 从而改善温差发电器的热电转换效率. 基于有限元多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics研究了不同材料对能量收集结构热场调控性能的影响, 确定材料后对其进行热电性能仿真, 仿真结果表明, 能量收集结构可实现热流的有效调控, 在同一仿真条件下能量收集中心的温度梯度相比自然材料提高了8倍. 对不同尺寸温差发电器发电量进行研究, 在此基础上综合考虑加工精度和测试难度, 完成了能量收集结构3维建模及加工制造. 搭建实验测试系统, 使用热成像仪观测能量收集结构的温度分布, 测试实验结果显示该能量收集结构可以有效调控热场, 在相同冷热源条件下相比自然材料结构可以将温差发电器的工作效率提高3.2倍, 对推动温差发电技术更加迅速地发展具有一定的现实意义.
2022, 71 (20): 207401.
doi:10.7498/aps.71.20220285
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常规导体的电磁本构关系一般满足线性欧姆定律, 然而超导体的电磁本构关系呈现很强的非线性特征, 所以与常规导体相比, 超导有截然不同的电磁特性. 本文基于超导材料E-J幂次律本构关系, 采用快速傅里叶变换方法(FFT), 定量研究了不同环境温度、磁场加载速率以及临界电流密度条件下的超导薄膜磁-热不稳定性与非线性本构的关联性, 揭示了强非线性电磁本构是导致超导薄膜磁-热不稳定性(呈现树状、指状磁通崩塌形貌)的重要因素, 同时阐明了常规导体观测不到类似的磁-热不稳定现象的原因. 另外发现由于超导薄膜抗磁性的增强导致超导薄膜边界磁场迅速增大, 较大的磁压极易诱发磁通崩塌, 所以超导薄膜内磁通崩塌阈值随幂指数的增加而降低. 最后给出了
$n_0\text{-}j_{{\rm{c}}0}$
和
$n_0\text{-}\mu_0\dot {H}_{\rm{a}}$
平面内不同非线性程度下超导薄膜内磁热不稳定状态的分界线.
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2022, 71 (20): 207402.
doi:10.7498/aps.71.20220972
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里德伯原子是一种高主量子数原子, 利用其量子相干效应可以实现对空间中射频电场的测量. 本文对基于里德伯原子的射频接收系统在不同脉宽和强度下的射频脉冲响应能力进行了研究. 实验采用波长为852 nm和510 nm的激光实现Cs原子的激发, 并利用射频信号源发射不同参数的脉冲信号照射里德伯原子, 从原子气室中透射的探测光信号输入至光电探测器, 经过光电转换得到的电信号由示波器进行记录. 此外, 利用不同延迟时间的脉冲信号进行模拟测距, 初步证明基于里德伯原子的射频接收系统具备脉冲测距功能.
2022, 71 (20): 207801.
doi:10.7498/aps.71.20220835
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随着现代光学各个领域对涡旋光束的潜在应用需求的增加, 涡旋光束的产生引起了人们的极大兴趣. 基于电光晶体平板, 本文提出了一种利用Pockels效应产生涡旋光束的方法, 在有限的相位调制区域内可以获得
$ \pm 2\hbar $
的轨道角动量可调范围. 模拟了光束在平板上的传输过程, 研究了透射光束的轨道角动量模式谱. 模式谱与仿真结果吻合较好. 该方法可用于光通信和光操作等需要可调谐涡旋光束的领域.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2022, 71 (20): 208201.
doi:10.7498/aps.71.20221050
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三元锂金属卤化物作为极具潜力的固体电解质材料受到人们的广泛关注. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了一系列具有不同Li离子浓度的LixYCl3+x(x= 2.14, 3.00, 4.20)和LixYBr3+x(x= 1.8, 3.0, 5.0)材料的结构、电子性质和迁移特性. 研究结果表明, Li离子和Li空位浓度的变化对材料的性能有显著影响, 而且随着x值的增加, Li离子的含量增加, 相应的Li空位浓度降低, 结构的稳定性增强、带隙增大、离子迁移能垒降低, 从而可以调控该类材料的性能. 此外, 计算结果进一步表明, 在所有考虑的结构中, 具有最佳Li离子与Li空位平衡的Li3YCl6和Li3YBr6组分展现出最高的结构稳定性、最大的带隙和最低的迁移能垒. 本文为设计性能更好的卤化物固态电解质提供了一种新策略和新思路.
2022, 71 (20): 208401.
doi:10.7498/aps.71.20220855
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整流器件是微波无线能量传输系统的核心部分, 新型整流器件的研发是当前领域研究的重要方向. 肖特基二极管和场效应晶体管是目前主流整流器件, 但二者整流范围有限, 无法实现兼顾弱能量和中等能量密度的宽范围整流. 有鉴于此, 本文提出并设计了2.45 GHz微波无线能量传输用Ge基p型单端肖特基势垒场效应晶体管(源端为肖特基接触, 漏端为标准p+掺杂). 在此基础上, 充分利用器件的肖特基结构, 采用新型二极管连接方式, 以实现不同偏压下开启的沟道和源衬肖特基结构的双通道宽范围整流. 采用Silvaco TCAD软件进行仿真, 对于负载为0.3 pF和70 kΩ的半波整流电路, 实现了–20—24 dBm宽范围整流, 相比同条件下Ge场效应晶体管范围拓宽8 dBm, 且在范围内整体整流效率较高, 在16 dBm整流效率峰值可达57.27%. 在–10 dBm弱能量密度的整流效率达到6.17%, 是同等条件下Ge 场效应晶体管的7倍多.
2022, 71 (20): 208501.
doi:10.7498/aps.71.20220859
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氧化镓在深紫外探测方面具有天然的材料优势, 鉴于探测器阵列在光学成像等领域有着十分重要的用途, 本文主要介绍了一个五叉指电极结构的4×4氧化镓基深紫外探测器阵列. 氧化镓薄膜由金属有机化学气相沉积技术生长得到, 器件的加工通过紫外光刻、剥离和离子束溅射技术完成. 由此得到的氧化镓薄膜结晶度高且表面均匀. 探测器具有优异的深紫外光响应特性, 光响应度可达2.65×103A/W, 探测度达2.76×1016Jones, 同时还具有(1.29×106)%的外量子效率, 光电导增益高达12900; 16个探测器单元的暗电流和光电流均具有良好的均匀性. 本文从光电性能和应用前景的角度说明了氧化镓深紫外探测器阵列的巨大应用潜力.
2022, 71 (20): 208502.
doi:10.7498/aps.71.20220858
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金属卤化物钙钛矿因其颜色可调、颜色纯度高、光电性能好而备受关注, 因而广泛应用于显示、照明等领域. 近年来, 对于钙钛矿发光二极管(perovskite light emitting doides, PeLEDs)的研究也越来越热门, 要获得高性能PeLEDs, 其发光层-钙钛矿薄膜的质量是关键因素之一. 本工作采用离子化合物四苯基氯化膦(tetraphenylphosphinium chloride, TPPCl)作准二维钙钛矿薄膜的添加剂, 制作了具有双电子传输层的高性能准二维PeLEDs. 其最佳器件的最大亮度(25285 cd/m2)、最大电流效率(65.9 cd/A)和最大外量子效率(17.3%)分别是控制器件的4.1, 7.2和7.2倍. 通过对其光电性能提高的物理机理进行研究, 发现TPPCl的引入不仅可以提高钙钛矿薄膜的质量, 减少缺陷, 还可以调节结晶相的分布, 从而更好地将激子限制在发光层中, 最终在能量漏斗效应的辅助下获得更好的光致发光和电致发光性能.
2022, 71 (20): 208701.
doi:10.7498/aps.71.20220636
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太赫兹波位于氢键和范德瓦耳斯力作用能级范围内, 可以直接与蛋白质耦合激发蛋白质的非线性共振效应, 从而影响蛋白质的构象、神经元的结构和功能. 基于此机制, 体外培养SD大鼠原代皮层神经元, 利用宽带微量太赫兹(0.3—3.0 THz, 最大辐射功率100 μW)短时间累计辐射(3 min/d, 共3 d)皮层神经元; 记录皮层神经元的动态发育参数(胞体面积和突起总长度); 并分析辐射结束后神经元受体相关蛋白(GluA1和GluN1)、突触素(SY-38)和突触后致密蛋白-95(PSD-95)的表达变化. 太赫兹辐射1 d后, 神经元胞体面积增长值提高了144.9% (P< 0.05); 太赫兹辐射的2 d和3 d后, 神经元突起总长度增长值分别提高了65.1% (P<0.05)和109.4% (P< 0.05); 太赫兹辐射3 d后, GluA1和SY-38蛋白表达分别提高了38.1% (P< 0.05)和19.2% (P< 0.05). 结果表明, 宽带微量太赫兹短时累计辐射可以促进皮层神经元胞体和突起的生长, 并且对神经元突起的促进作用存在累计效应; 太赫兹辐射对神经元生长发育的促进作用可能与GluA1和SY-38蛋白表达相关. 这些结果预示着特定频率和能量的太赫兹波可以发展为一种治疗或干预神经发育障碍等疾病的新型神经调控技术.
2022, 71 (20): 208801.
doi:10.7498/aps.71.20220802
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二维铅卤钙钛矿太阳能电池以其高稳定性等优良性质展现出重要的应用价值, 越来越多的二维铅卤钙钛矿材料被用作太阳能电池的光吸收层, 但是关于二维铅卤钙钛矿材料构效关系的理论研究十分匮乏. 本文以苯甲胺铅碘、邻氟苯甲胺铅碘和对氟苯甲胺铅碘二维钙钛矿为出发点, 通过第一性原理计算比较了它们的晶体结构、形成能、激子结合能、载流子迁移率以及对应器件的光电性能, 以考察不同间隔基阳离子对钙钛矿结构、性质以及光电器件性能的影响. 结果表明, 二维钙钛矿的形成能绝对值越大, 光电器件的稳定性越高; 钙钛矿的激子结合能越小, 光电器件的短路电流密度越大, 归纳总结出预测器件短路电流密度的关系式. 在间隔基末端使用吸电子基团修饰有望同时提高光电器件的寿命和短路电流密度. 本研究对于二维钙钛矿材料有机间隔阳离子的设计和筛选具有指导意义.
2022, 71 (20): 208802.
doi:10.7498/aps.71.20220725
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近年来基于钙钛矿材料的太阳能电池以其优异的光电转换效率, 成为了最具有发展潜力的光伏器件. 受制于制备工艺及界面传输层的材料, 钙钛矿太阳能电池存在体内、界面缺陷和能级错位等问题, 导致非辐射复合损耗增加, 妨碍其效率进一步提升及工作稳定性. 因此, 降低能级错位及界面缺陷态等损耗对于实现高效钙钛矿太阳能电池至关重要. 本文研究了钙钛矿太阳能电池中双层电子传输层及其阶梯状导带结构对器件性能的影响, 揭示了活性层与传输层之间的导带偏移量对两者之间界面复合及性能提升的机理. 另外, 研究了体内与界面缺陷态密度对单层及双层电子传输层结构下电池性能的影响, 发现在高缺陷态密度下, 双层结构比单层结构具有更高的效率. 研究表明双层电子传输层结构不仅能改善界面能级错位损耗, 还可以降低电池性能受体内及界面缺陷影响, 对制备高性能太阳能电池具有指导意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2022, 71 (20): 209501.
doi:10.7498/aps.71.20220841
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空间引力波探测的波源特征面向更大特征质量和尺度的引力波源信息, 与地基引力波探测、原初引力波探测、脉冲星引力波探测等形成互补探测方案. 空间引力波探测基于长距离激光干涉装置, 主要探测0.1 mHz—1 Hz频段范围内的引力波信号, 由于空间引力波探测装置的灵敏度直接受到激光光源噪声的影响, 为满足空间引力波探测的要求, 就需要对极低频段激光强度噪声进行评估与表征. 本文基于低噪声光电探测、高精度数字万用表操控以及对数频率轴功率谱密度估计算法编程, 构建极低频段激光强度噪声测试评估系统. 实验结果表明, 在0.1 mHz—1 Hz频段高精度万用表的电子学噪声低于5×10–5V/Hz1/2, 探测器电子学噪声低于4×10–5V/Hz1/2, 高精度万用表及探测器的电子学噪声均低于我国空间引力波探测计划中对激光光源强度噪声的要求. 本文中构建的0.1 mHz—1 Hz频段激光强度噪声评估系统满足了我国空间引力波探测计划对激光强度噪声评估的需求, 为空间引力波探测中激光光源噪声评估及噪声抑制奠定了重要基础.