专题: 拓扑量子输运和器件
2023, 72 (17): 177101.
doi:10.7498/aps.72.20230634
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电子空穴在库仑相互作用下会发生从半金属态到激子基态的相变, 在费米面附近自发打开能隙, 该基态被称为激子绝缘体. 该物态在凝聚态物理领域吸引了广泛的关注, 相关的实验证据一直在寻找中. 近年来, 在浅反转InAs/GaSb量子阱中, 激子绝缘体的光学能谱和输运特征首先被观察到, 证实了激子绝缘体在二维体系中的存在. 令人意外的是, 在这一激子绝缘态中, 电学输运测量探测到了对磁场和温度不敏感的一维类螺旋拓扑边缘态. 这一观察到的激子基态很难用现有的单粒子理论进行解释, 被称为拓扑激子绝缘体. 本文系统回顾了在该量子阱中针对拓扑激子绝缘体的实验研究, 包括电学输运、太赫兹透射谱、电容测量等. 这些实验结果综合表征了拓扑激子绝缘体的体态与边缘态性质. 拓扑激子绝缘体作为一个由玻色子构成的基态, 在极限条件下有望相变为具有宏观相干性的玻色爱因斯坦凝聚态, 为研究低维电子相互作用提供新的平台.
2023, 72 (17): 177103.
doi:10.7498/aps.72.20230995
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近年来, 磁性拓扑材料特别是磁性Weyl半金属越来越多地被发现, 为研究拓扑输运行为提供了重要载体. 磁性拓扑半金属材料具有动量空间的强贝利曲率, 显著增强了电子的常规横向输运行为, 也使得曾经被忽略或无法观测的输运效应逐渐浮现出来, 导致当前广泛采用的经典输运方程不能准确地描述磁性拓扑电子的输运行为. 本文从半经典输运方程出发, 介绍磁性拓扑材料中新近出现的非常规电输运行为, 内容涉及化学掺杂、磁场调制拓扑电子态、贝利曲率相关的线性正磁电阻及磁场线性依赖的输运行为. 这些行为为磁性与拓扑相互作用下的电输运行为提供新的理解和思考. 最后, 对非常规电输运的发展进行总结和展望.
2023, 72 (17): 177302.
doi:10.7498/aps.72.20230698
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三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注, 而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段. 其中, 拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容. 本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展. 比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别, 讨论了其材料体系的发展, 并介绍了其中的标度律行为. 之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究. 最后, 展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景, 希望能促进拓扑绝缘体的应用.
2023, 72 (17): 177303.
doi:10.7498/aps.72.20230672
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狄拉克量子材料具有独特的电子结构, 可以用无质量和有质量的狄拉克方程描述. 从奇异的量子流体到晶体材料的多种系统均已发现了狄拉克量子材料. 由于其拓扑非平庸的能带结构, 狄拉克量子材料表现出丰富有趣的输运现象, 包括纵向负磁阻、量子干涉效应和螺旋磁效应等. 本文介绍狄拉克量子材料输运理论最新进展, 总结了基于狄拉克方程的相关量子输运理论和量子反常效应, 重点关注有质量的狄拉克费米子和量子反常半金属, 介绍了半磁拓扑绝缘体中宇称反常和半整数量子霍尔效应的实现.
2023, 72 (17): 177401.
doi:10.7498/aps.72.20230951
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理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模, 因而可用于实现容错的拓扑量子计算, 是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一. 本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用. 在简要介绍拓扑超导、马约拉纳零能模和非阿贝尔统计等基本概念的基础上, 对当前实现拓扑超导的多种方案进行了总结. 重点介绍了利用低温输运手段探测马约拉纳零能模的实验方法, 涵盖了超导/纳米线中广泛使用的电子隧穿谱、库仑阻塞谱和非局域电导探测, 以及约瑟夫森器件中使用的(逆)交流约瑟夫森效应探测和电流(能量)相位关系的探测. 同时, 对利用上述测量手段得到的实验结果可能存在的平庸解释进行了必要的补充和说明. 最后对马约拉纳零能模的输运探测进行了总结与展望.
2023, 72 (17): 177202.
doi:10.7498/aps.72.20230811
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拓扑节线半金属指的是电子的导带和价带在倒空间相交于一维的环或者线, 其体能带拓扑体现在节线携带π的贝里相位. 根据体边对应原理, 在系统边界存在色散较弱的表面态, 由节线在表面布里渊区的投影所包围, 称为鼓面态. 大部分节线半金属中, 自旋-轨道耦合效应较弱, 因此在单粒子图像下表面态不存在自旋构型. 与此同时, 鼓面态特有的弱散射也使得其中的电子间相互作用效应变得显著, 并诱发铁磁失稳使得自旋简并的表面态发生自旋劈裂. 本文考虑自旋简并的节线半金属中铁磁表面态导致的自旋相关散射, 发现自旋劈裂的两个鼓面态均会导致共振的自旋翻转反射, 该物理过程体现为自旋电导谱中的双峰结构. 具体地, 分别用散射矩阵和格林函数理论处理了普通金属和节线半金属异质结中表面态导致的散射问题, 得到一致的结论. 本文的工作指出了自旋简并节线半金属表面态依旧可以导致自旋相关输运, 这为其输运探测和在自旋电子中的应用提供了新的思路.
专题: 拓扑量子输运和器件 • 封面文章
封面文章
2023, 72 (17): 177301.
doi:10.7498/aps.72.20230690
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磁性拓扑绝缘体是过去十年里凝聚态物理学领域的一个重要研究方向, 其拓扑非平庸能带结构与自旋、轨道、电荷、维度等自由度之间的相互作用可以产生丰富的拓扑量子物态和拓扑相变现象. 对磁性拓扑绝缘体输运性质的研究是探索其新奇物性的重要手段, 对于深入理解拓扑量子物态以及开发新型低功耗电子学器件具有重要意义. 本文回顾了近年来磁性拓扑绝缘体输运实验方面的重要研究进展, 包括磁性掺杂拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应和拓扑量子相变现象、本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中的量子反常霍尔相、轴子绝缘体相和陈绝缘体相, 以及在脉冲强磁场下陈绝缘体演化出的螺旋式拓扑物态. 最后, 本文对未来磁性拓扑绝缘体研究的方向和该体系中尚未充分理解的输运现象进行了分析和展望.
国防科技大学建校70周年专题
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2023, 72 (17): 174202.
doi:10.7498/aps.72.20230729
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全光信号处理中具有优异非线性光学特性的光子平台对于提升器件的集成度、调制速度以及工作带宽等性能参数至关重要. 成熟的硅、氧化硅以及氮化硅光子平台由于材料本身中心对称, 基于这些平台的集成光子器件可实现的非线性光学功能受限; 二维材料尽管有着优异的非线性光学特性, 但只有原子层厚, 其非线性潜能无法被充分利用. 将二维材料与成熟的光子平台集成, 在充分利用光子平台成熟加工工艺的基础上, 可以显著提高光与二维材料的相互作用, 提升光子平台的非线性光学性能. 基于以上背景, 本文总结了近年来在基于转移方法和直接生长法制备的多种异质集成二维材料光子器件中进行非线性光学特性研究的最新进展; 阐述了相较于传统转移方法, 基于直接生长方法进行集成二维材料非线性光学研究的优势以及未来需要解决的技术难点; 指明了该领域未来的研究发展趋势; 并指出直接在各种成熟的光子平台上生长二维材料进行集成非线性光学特性的研究会对未来光通信、信号处理、光传感以及量子技术等领域的发展产生深远影响.
综述
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2023, 72 (17): 178701.
doi:10.7498/aps.72.20230733
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高分辨显微成像技术为人们推开了探索微观世界的大门, 而飞秒激光技术又为人们提供了一把探测超快物理/化学现象的尺子. 将这两者结合, 发展既有超高空间分辨、又有超快时间分辨的新型显微成像技术, 对于人们探索极小时空尺度下新的科学现象和规律有非常重要的意义. 本文综述了目前国际上主要超高时空分辨显微成像技术的基本原理和特点, 并介绍了其在光电材料与器件表征、飞秒激光微加工监测、表面等离激元动力学表征等方面的最新应用进展. 超高时空分辨显微成像技术的发展, 不仅推动了光学显微成像领域的进步, 也为精密加工、二维材料动力学、光电器件设计与表征等领域提供了关键技术手段, 具有广阔的应用前景.
总论
2023, 72 (17): 170301.
doi:10.7498/aps.72.20230589
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等距张量(即张量
$ {\boldsymbol{\omega }} $
满足
$ {{\boldsymbol{\omega }}^\dagger }{\boldsymbol{\omega }} = {\boldsymbol{I}} $
)为实现张量网络态(tensor network states, TNSs)中确定纠缠态的压缩提供了一种新颖而强大的数学构造算法. 结合等距张量, 本文发现在量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)中可能采取完全不同的密钥生成方法, 即在不改变纠缠态结构和性质的情况下, 将任意多光子纠缠态压缩成单光子态或者Bell态. 在提出的QKD协议中, 输入态由任意纠缠态组成, 这些输入态首先被发送方Alice压缩成单光子态
$ \left| 0 \right\rangle $
或
$ \left| 1 \right\rangle $
或Bell态, 使得提出的协议同时达到了多模存储和确定性传输的要求, 且减少了需要传输和存储的量子比特数量, 从而提高了QKD协议的编码能力. 然后再添加诱骗态在这些单光子态
$ \left| 0 \right\rangle $
和
$ \left| 1 \right\rangle $
中, 再通过量子信道一起发送给接收方Bob, 以制备密钥. 最后, Alice和Bob利用筛选出来的压缩态|0
$\rangle $
和|1
$\rangle $
以及他们对应的等距张量的共轭转置来协商出共享密钥. 本文提出的协议比一般协议中的单光子能编码更多的经典比特, 显著提高了编码效率, 减少了量子资源的使用. 本文提出的QKD协议还保持了生成密钥的完美安全性.
2023, 72 (17): 170302.
doi:10.7498/aps.72.20230625
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量子计算相比于经典计算在处理某些复杂性问题时具有与生俱来的独特优势, 从而受到广泛关注. 要想实现大规模的量子计算, 最关键的在于不断提高量子比特的保真度. 由于量子比特的脆弱性, 环境热噪声对其保真度具有极大影响. 本文基于偶极场驱动量子比特的方式, 采取随机动力学结构分解方法, 并应用久保-爱因斯坦涨落耗散定理研究热噪声环境下的量子比特控制问题. 偶极场具有3个方向的分量, 而不仅仅只限于一个平面, 这种控制方式可以更加灵活地控制量子态. 在不考虑噪声的情况下, 量子态能够100%的到达目标态. 而在噪声环境中, 热噪声会使得实际终态和目标终态存在由热涨落造成的偏差, 成为影响量子保真度的主要因素. 为此本文利用蒙特卡罗优化算法对驱动场进行优化, 以此来进一步提高量子比特保真度. 该方法的可行性在数值计算中得到了验证, 可以为实验提供新的解决方案, 用以进一步指导和评估实验.
2023, 72 (17): 170501.
doi:10.7498/aps.72.20230642
摘要 +
本文研究了一维晶格势阱中两个硬核玻色子在粒子间长程相互作用下的量子行走. 还通过在晶格中的某一个格点加上额外的局域势能, 模拟晶格势阱中可能存在的孤立缺陷点对两粒子量子行走的影响. 数值计算结果显示粒子间相互作用的范围(长程或短程), 相互作用的强度, 两粒子初始所处的量子态以及孤立缺陷点的存在对两粒子量子行走结果的影响巨大. 在粒子间强长程相互作用下, 初始处于非邻近格点的两粒子展现出距离固定步调一致的绑定行走, 而在只考虑处于邻近格点粒子间的短程强相互作用下只有初始处于邻近格点的两个粒子才能绑定行走. 在引入孤立缺陷点情形下, 在粒子间强相互作用下初始处于孤立缺陷点同一侧的两个粒子将保持绑定行走. 而初始分别位于孤立缺陷点两侧或者有一个粒子位于孤立缺陷点的两粒子, 将停止行走或在孤立缺陷点附近行走, 展现出局域化的量子行走行为特点. 应用简并量子系统的二阶微扰理论对数值计算结果给予了全面深入的理论分析. 研究揭示了在粒子间长程相互作用下两个硬核玻色子在一维没有缺陷点的有序晶格势阱以及具有孤立缺陷点的晶格势阱中量子行走的一些物理规律.
原子和分子物理学
2023, 72 (17): 173201.
doi:10.7498/aps.72.20230739
摘要 +
姜黄素是一种具有抗炎、抗氧化及抗癌等作用的常用药物, 但是其在水中的溶解度较低. 近年来, 药物共晶是一种增强水溶性有限药物溶解度和溶解性的有效方法. 基于此, 本文利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)研究了姜黄素与邻苯二酚共晶的太赫兹光谱. 首先测试了姜黄素、邻苯二酚、二者物理混合及其共晶在0.5—3.5 THz的实验谱. 实验数据显示共晶获得的位于3.31 THz处的吸收峰明显区别于原料物质, 表明THz-TDS可以有效鉴别姜黄素、邻苯二酚及其共晶体; 基于密度泛函理论, 对姜黄素与邻苯二酚共晶体可能存在的4种理论晶型进行结构优化与频谱模拟, 其中理论晶型Ⅲ模拟结果与实验数据比较符合. 研究发现, 共晶体是通过姜黄素的羰基C10=O3与邻苯二酚的羟基O61—H55形成氢键而成, 共晶的THz特征吸收峰是在氢键带动下由共晶中两分子的官能团共同作用产生的.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (17): 174201.
doi:10.7498/aps.72.20230499
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为了探索微/纳米粒子的散射特性, 提出采用贝塞尔光束悬浮和散射测量耦合的方法搭建悬浮散射测试系统装置, 对单颗微米粒子/纳米团簇的散射强度分布进行精确测量. 首先利用两束反向传输的贝塞尔光束对多种类型和尺寸的粒子/团簇进行悬浮, 判定粒子的悬浮稳定性; 然后对悬浮粒子以9.2''的角分辨率在平面2π角度内的散射强度分布进行测量. 模拟计算了激光作用下粒子的受力以及不同参数粒子的散射强度分布, 并与实验结果进行对比, 深入地分析了环境因素对散射测试系统不确定度的干扰程度, 详细讨论了悬浮不稳定性对散射测量结果的影响. 研究结果表明, 反向传输的贝塞尔光束可对金属镁、铝和石墨等粒子/团簇进行稳定悬浮, 其相对不稳定度小于0.15, 悬浮过程中光泳力起主导作用; 单颗微米粒子/纳米团簇的散射强度分布符合Mie粒子散射特征, 折射率虚部大的粒子具有更强的前向散射特性, 粒子尺寸参数越大, 则前向散射作用越强. 单颗微粒散射强度分布的精确测量证实了悬浮散射测试系统的通用性和可靠性, 为深入认识物质散射特性提供了一种新的研究手段.
2023, 72 (17): 174203.
doi:10.7498/aps.72.20230807
摘要 +
旋转多普勒效应是携带轨道角动量的涡旋电磁波用于旋转目标探测时的一种重要现象. 相比于传统平面波, 旋转多普勒效应使得涡旋电磁波可以沿目标旋转轴方向探测到目标的自旋运动. 然而, 对于特定结构的自旋目标, 利用整数阶轨道角动量波束进行探测仍然存在盲区. 为了拓展基于旋转多普勒效应的探测方案的适用范围, 本文基于时频分析方法, 研究了在分数阶轨道角动量波束正入射和斜入射时自旋目标的转速估计方法. 首先基于理想散射点模型, 推导了其在整数阶和分数阶轨道角动量波束正入射和斜入射时的回波模型, 以及理论时频曲线. 其次, 以三维实际目标为例, 基于矩量法和短时傅里叶变换方法, 得到目标在分数阶轨道角动量波束入射时的回波及其时频图, 并从时频图中提取时频脊及其波动周期, 以此估计目标自旋速度. 结果证明, 分数阶轨道角动量波束无论在正入射还是斜入射情况下均可有效地估计自旋目标的旋转速度, 并且能够克服整数阶轨道角动量波束的探测盲区, 在探测目标自旋运动时具有更广泛的适用性.
2023, 72 (17): 174204.
doi:10.7498/aps.72.20230762
摘要 +
构建核壳结构已被广泛应用于增强及调控稀土掺杂微/纳材料的发光性能. 本工作旨在通过构建NaErF4@NaYbF4:2%Er3+纳米核壳晶体, 实现了Er3+离子的红光发射增强. 实验结果表明: 当NaErF4纳米晶体包覆NaYbF4:2%Er3+活性壳时, 在980 nm激光激发下, 其Er3+离子的红光发射强度相比NaErF4@NaYbF4核壳晶体增强了1.4倍, 且红绿比由5.4提高至6.5. 同时, 当NaErF4@ NaYbF4:2%Er3+核壳晶体再次包覆NaYF4惰性壳及引入微量Tm3+离子时, 其Er3+离子的红光发射强度相比于NaErF4@NaYbF4核壳结构分别增强了23.2和40.3倍, 且红绿比分别提高到7.5和10.2. 基于不同核壳晶体的光谱特性、离子间能量传递过程及其发光动力学, 对不同核壳晶体中Er3+离子的红光增强机理进行了讨论. 结果表明Er3+离子的红光增强主要借助高浓度Yb3+离子的双向能量传递及Tm3+离子的能量俘获效应所致, 同时NaYF4惰性壳的包覆也有效降低纳米晶体表面猝灭效应. 本文所构建的具有高效红光发射的NaErF4@NaYbF4:2%Er3+@NaYF4核壳纳米晶体在多彩防伪、 显示及生物成像等领域中具有巨大的应用潜力.
2023, 72 (17): 174205.
doi:10.7498/aps.72.20230394
摘要 +
本文提出一种基于零折射率介质的超窄带光学滤波器. 在线缺陷光学滤波器中引入具有类狄拉克点的光学超构材料, 利用其零折射效应来实现滤波带宽的压缩. 基于COMSOL Multiphysics软件的传输特性分析表明, 当超构材料的类狄拉克点频率与缺陷态的谐振频率相符合时, 光学滤波器的透射峰能够显著压缩; 光场分布及等效介质分析表明, 零折射率介质的零相位延迟效应与强色散特性能够增强缺陷态透射电磁响应随频率变化的灵敏度, 提高滤波器的品质因子, 并能在压缩滤波带宽的同时保持高的峰值透射率, 实现高耦合、超窄带的滤波设计. 该结果为基于光学超构材料的波分复用系统设计与应用提供了新的技术思路.
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2023, 72 (17): 174206.
doi:10.7498/aps.72.20230850
摘要 +
现代防伪技术的发展可有效抑制和打击伪造仿冒行为, 在信息安全、国防和经济等领域具有重要意义. 然而, 实现多维度、集成化、难复制且便于检测的光学防伪器件仍是一个挑战. 本文设计了一种基于图案化液晶聚合物(LCP)薄膜与热致变色胆甾相(TLC)复合而成的多维偏振型防伪器件, 它具有偏振态显现-隐藏、颜色调谐范围广、操作便捷、集成度及安全性高等优点. 对于特定偏振态的入射光, 图案化向列相LCP层可对其进行区域化相位编辑产生偏振态调制, 而TLC层对该入射光进行选择性反射, 因此巧妙地实现了一种图案化结构色防伪标签. 该防伪器件可通过调整入射光偏振方向实现彩色图案的显现、隐藏、色彩调节及图底转换. 此外, 该器件中的TLC层不仅可通过灵活设计体系配比, 满足不同环境温度对该防伪器件的应用需求, 增强其环境适用性, 还可便捷地利用体温进行加热, 实现图案的动态实时宽谱域色彩调制及可逆的图案擦除, 进一步增强其防伪维度与安全性. 本文所述器件为防伪领域的发展提供了崭新的思路.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (17): 175201.
doi:10.7498/aps.72.20230680
摘要 +
霍尔推力器放电通道低频振荡是影响其性能和稳定性的重要物理现象. 本文通过一维流体模型数值研究了霍尔推力器放电电流低频振荡特性及其抑制方法. 假设放电通道内满足准中性条件, 考虑电子与中性气体碰撞、电子反常传导及电子与壁面碰撞频率对电导率的影响, 研究了等离子体参数的变化以及磁场、放电电压、原子速度和预电离率对放电电流振荡的幅值及频率的影响. 结果表明, 在典型工况下, 放电通道内电流出现频率约为40 kHz的稳定周期性振荡; 随着通道内部磁场强度的增大, 电流振荡频率减小, 放电电流振幅在较高的磁场强度下随着电压的升高逐渐降低; 当预电离率升至4%以上时, 电流振幅随电压的升高逐渐降低; 通过降低原子速度, 升高预电离率, 可达到部分或完全抑制电流振荡的效果. 模拟结果表明, 通过提高通道磁场强度、降低放电电压、提高工质预电离率和调整进气方式以降低原子轴向速度等方式, 可有效减弱或完全抑制放电电流的低频振荡.
2023, 72 (17): 175202.
doi:10.7498/aps.72.20230514
摘要 +
表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)激发纳米结构产生的局域等离激元(localized surface plasmon, LSP)具有更强的近场增强以及特殊的光谱和动力学响应, 为探究光与物质相互作用提供了新的思路, 然而目前对此方面的研究相对不足. 本文利用时域有限差分方法研究由半圆环狭缝与金纳米棒组成的等离激元聚焦透镜复合结构在双光束激发下的近场特性. 结果表明, 通过调节双光束相对时间延时, 可实现对复合体系中金纳米棒近场强度的灵活调控, 并揭示出调控机制来自于SPP激发LSP与光激发LSP相干叠加. 此外, 研究表明在不同双光束延迟时间下, 等离激元模式对应的去相位时间存在差异, 可将其归因于两个模式在不同延迟时间下的耦合强度存在差异所致. 该研究有望进一步促进等离激元在表面增强拉曼散射和等离激元远程催化等领域的应用.
编辑推荐
2023, 72 (17): 175203.
doi:10.7498/aps.72.20230442
摘要 +
在直接驱动激光聚变研究中, 激光辐照靶丸会激励起受激布里渊散射(SBS)和交叉束能量传递(CBET)等过程, 降低激光与靶丸的能量耦合效率以及激光辐照均匀性, 导致靶丸内爆品质下降. 本文使用一套基于光纤收集信号的背向散射诊断系统, 诊断了双锥对撞点火(DCI)实验中波长在351 nm附近的时间分辨背向散射光谱. 通过对比不同激光辐照条件下散射光谱的特征, 结合光谱强度与入射激光能量以及激光偏振态的相关性分析, 确认背向散射信号中包含了分别来自CBET和背向SBS过程的散射成分, 确认镜像激光束之间的偏振夹角对CBET的影响. 实验结果表明, 在当前DCI实验中, 在351 nm附近的背向反射率不高于3%, 显著低于球对称辐照直接驱动中心点火方案的实验结果.
2023, 72 (17): 175204.
doi:10.7498/aps.72.20230719
摘要 +
在电子回旋共振离子推力器的结构优化中, 放电室长度调节的是栅极与主等离子体区的相对位置, 以此影响栅极上游等离子体密度, 进而改变推力器离子束流大小及聚焦状态, 达到性能优化目的. 然而, 在一体化仿真研究中发现, 施加栅极电压后, Child-Langmuir鞘层前存在高能电子分布, 这与传统的放电室仿真存在明显差异. 本文认为施加栅极电压后, Child-Langmuir鞘层会排斥电子, 使流向栅极的电子返回磁镜区参与加热, 最终在磁镜和Child-Langmuir鞘层之间形成了高能电子分布区域. 这意味着放电室长度对推力器性能的影响不再局限于相对位置的调节, 还能通过调控Child-Langmuir鞘层前的高能电子分布影响等离子体生成. 因此, 本文采用一体化仿真方法, 系统研究了放电室长度对推力器放电和引出性能的影响机理, 并讨论了Child-Langmuir鞘层前高能电子分布对电离体系的影响. 本文研究将为电子回旋共振离子推力器的结构优化设计提供新思路.
编辑推荐
2023, 72 (17): 175205.
doi:10.7498/aps.72.20230854
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强流脉冲离子束辐照后的材料表面状态对束流强度具有极高的敏感性. 因此, 在辐照实验中监测束流输出的稳定性, 并及时识别出参数抖动较大的脉冲, 对于实验结果的分析和表面改性效果的优化具有重要意义. 本文利用塑料闪烁体构建了一种时间分辨为6 ns的快响应脉冲X射线诊断系统, 成功捕获了外磁绝缘离子束二极管工作时产生的X射线. 同时, 通过红外相机和法拉第筒对离子束流的能量密度和电流密度进行测量. 分析结果显示, 轫致辐射强度和离子束发射强度均取决于二极管加速电压, 导致X射线强度和离子束流能量密度呈现正相关趋势. 当离子电流密度发生抖动时, X射线信号幅值表现出良好的变化跟随性, 能够对偏离预设参数区间的脉冲做出响应. 这说明本文提出的非拦截式诊断方法能够有效地实时监测强流脉冲离子束束流输出的稳定性.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (17): 176401.
doi:10.7498/aps.72.20230341
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采用耦合电场模型的相变格子Boltzmann (LB)方法研究了饱和池沸腾传热性能, 重点分析了均匀电场作用下加热器表面润湿性以及加热器长度对沸腾过程中气泡生成、合并、断裂等动力学行为的影响以及气泡的动力学行为对池沸腾传热性能的影响. 结果表明, 电场的作用能否强化沸腾传热与加热器的长度以及润湿性有直接关系. 对于亲水表面, 当加热器长度
$L_H^*\leqslant6.25$
时, 由于加热器尺寸较小, 沸腾过程中加热器表面产生的气泡相互作用力弱, 此情况下电场的存在使得气泡体积减小, 沸腾被抑制. 当加热器长度
$6.25< L_H^*\leqslant $
$ 9.375$
时, 均匀电场均能提高临界热流密度(critical heat flux, CHF), 且在此加热器长度范围内, CHF提高的百分比随着电场强度的增大而增大. 这是因为
$6.25
时, 更长的加热器为气泡的生成提供了充分的空间, 气泡之间的相互作用力较强, 均匀电场作用下的气泡间距增大, 气泡数量增加, 且CHF提高百分比逐渐增大; 当
$L_H^*>9.375$
时, 再润湿阻力随着加热器长度的增大而增大, 导致沸腾过程中产生的蒸气在电场力作用下容易被紧贴于加热表面, 增加了固体与流体之间的换热热阻, 并在气泡根部形成不利于气泡向中间移动的涡, 减缓了加热表面热流体与两侧较冷流体的热质交换, CHF提高的百分比随着加热器长度的增大逐渐减小. 对于疏水表面, 随着长度的增大, CHF提高百分比同样为先增大后减小, 然而其阈值增大.
2023, 72 (17): 176801.
doi:10.7498/aps.72.20230573
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钙钛矿超晶格材料界面的独特电子性质, 在纳米器件、新型超敏传感器器件等方面具有广阔的应用前景, 探索其界面独特的电子性质对理解关联电子系统中多自由度耦合和传感器器件的设计等方面具有重要的意义. 本文通过构建LaAlO3/KNbO3超晶格材料, 施加非均匀应变对其界面的载流子浓度等性质进行调控. 计算结果表明, 施加拉伸和压缩的应变梯度都可以调节界面处二维电子气性质. 其中, 当最大压缩应变梯度系数为12%时, 界面处二维电子气浓度减小了76.4%, 并且界面磁矩消失, 材料的总磁矩减小约88.44%, 向无磁性材料转变; 当最大拉伸型应变梯度系数为12%时, 界面处电子气浓度增大约23.9%, 界面磁矩明显减小, 而且界面临近层出现明显的磁矩. 该理论计算结果表明, 应变梯度是一种新的钙钛矿界面载流子的有效调控手段, 对LaAlO3/KNbO3钙钛矿超晶格材料界面电子性质的研究提升了对此类氧化物界面电子特性的认识, 为探索调控氧化物界面处的高性能自旋极化载流子气开辟了新的途径.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2023, 72 (17): 177102.
doi:10.7498/aps.72.20230621
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Co3Sn2S2是一种磁性外尔半金属, 具有特殊的磁性和电子结构, 其独特的能带结构使其拥有反常霍尔效应、负磁阻效应和反常能斯特效应等多种物理性质. 本文采用自熔剂法合成了高质量的Co3Sn2S2单晶, 并研究了Co3Sn2S2低温下的电输运行为(磁阻效应与霍尔效应等)和热输运行为(塞贝克效应). 热磁曲线表明, 在居里温度点(TC= 178 K)以下140 K(TA)处存在特殊的磁结构, 为铁磁态与反铁磁态共存的磁性过渡态. 研究发现, 在100—160 K出现负的反常“凸形”磁阻, 且在TA附近出现最大临界磁场B0, 为1.41 T, 同时霍尔电阻率ρyx也在TA处取得最大值约20 μΩ·cm. 这可能是由于铁磁态与反铁磁态之间会相互竞争形成非平凡的自旋织构, 导致TA附近独特的电输运行为. Co3Sn2S2在低温下的散射机制为声学波散射和电子-声子散射的共同作用, 在60—140 K时, 自旋无序的增强会引起电子-声子散射增强, 使得的塞贝克系数S出现平台特征. 研究表明, Co3Sn2S2在低温下的特殊磁结构和电子自旋对其电-热输运行为有着重要影响.
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2023, 72 (17): 177201.
doi:10.7498/aps.72.20230949
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电荷转移(charge transfer, CT1和CT3)态的反向系间窜越(reverse inter-system crossing, RISC, CT1← CT3)过程是提高激子利用率的有效途径, 精准利用该过程对于制备高效率激基复合物型(exciplex-type)有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLEDs)具有重要科学价值和应用前景. 基于m-MTDATA:Bphen的典型激基复合物由于其内部高的RISC速率而受到广泛关注. 但到目前为止, 在实验上仅从瞬态光致发光谱中推测存在该RISC过程, 这不利于全面认识并运用该过程设计高性能的光电器件. 本文通过精确调控发光层(xm-MTDATA:yBphen,x,y为质量分数)中给体与受体的共混比例和流过器件的载流子密度, 获得了载流子平衡与非平衡的激基复合物器件, 采用特征磁电导(magneto-conductance, MC)响应曲线可视化了平衡激基复合物器件中CT态间的RISC过程, 且相比于非平衡器件, 该器件具有更高的电致发光效率. 本工作不仅能加深对于激基复合物器件中给体/受体共混比例影响载流子平衡的理解, 还为最优利用RISC过程制备高效率光电器件提供理论依据和实验基础.
2023, 72 (17): 177701.
doi:10.7498/aps.72.20230664
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液晶含量和外加电场类型是影响聚合物分散液晶薄膜电光性能的重要因素, 而对薄膜微观形貌的分析并不能直接反映电光性能的变化机理. 因此本文以液晶材料E7和光聚物NOA65共混制备的聚合物分散液晶薄膜作为研究对象, 通过对其极化特性的研究, 揭示了在不同液晶含量和不同类型电场下极化过程对薄膜电光性能的调控规律和微观机制. 结果表明, 在10–1—106Hz频率范围内, 薄膜在低频、中频和高频存在3个松弛极化过程, 分别为热离子极化、界面极化和转向极化. 通过Arrhenius公式拟合计算了各极化过程的活化能, 发现随着液晶含量的增大, 转向极化的活化能从0.88 eV下降至0.83 eV, 导致液晶分子转向的阈值场强和饱和场强降低. 相比于交流电场, 直流电场下热离子极化形成内建电场, 导致阈值场强和饱和场强大幅增大, 而极化弛豫时间的延长会导致响应时间的延长. 此项研究对进一步分析和提升聚合物分散液晶薄膜的电光性能具有指导意义.
2023, 72 (17): 177801.
doi:10.7498/aps.72.20230685
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近年来, 无机多功能材料在各个领域得到了广泛的应用. 掺杂稀土的铁电材料作为一种新型的无机多功能材料具有很大的潜力. 本文系统地研究了Sm3+掺杂的0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3(BNTBT)陶瓷的铁电、储能行为和光致发光性能. 结果表明, Sm3+的引入有效地抑制了BNTBT的晶粒生长, 导致剩余极化(Pr)和矫顽场(Ec)明显下降. 在60 kV/cm的外加电场下, 当Sm3+掺杂浓度为0.6%时,Wrec达到最大值0.27 J/cm3. 储能效率(η)随着电场的增加而逐渐降低, 在掺杂浓度大于0.6%时稳定在45%附近. 此外, 在408 nm的近紫外光的激发下, 所有Sm3+掺杂的样品都表现出可见光的输出, 当Sm3+的掺杂量为1.0%时发光强度达到最大, 在701 nm处(4G5/2→6H11/2)发光强度的相对变化(ΔI/I)达到700%. 本文制备了一种同时具有储能和光致发光特性的新型陶瓷, 为无机多功能材料的开发提供了一种有希望的策略.
2023, 72 (17): 177802.
doi:10.7498/aps.72.20230855
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各类光电设备的光学窗口中普遍存在的“猫眼效应”是激光主动探测系统的主要依据, 这对军事装备和单兵作战人员构成了极大的威胁. 然而, 在保证高可见光透过率的条件下, 针对激光主动探测的狙击隐身方案仍然有待商榷. 本文利用遗传算法对超表面减反射膜进行逆向设计, 用Si3N4和Ag组成三层减反增透膜, 并在其顶层增加长方形阵列的微纳结构金属形成波长选择性吸收器, 以实现激光波长低反射高吸收的效果. 将器件设计与遗传算法相互结合, 通过算法优化得出最符合器件目标性能的参数组合, 达到了可见光平均透过率88%, 最大透过峰值94%, 1550 nm激光波长反射率10%, 吸收率80%的效果. 本文设计的超表面减反射膜不需要增加额外装置且成像质量得以保证, 同时能有效减小激光的回波能量, 从而高质量地实现可见光透过与激光隐身的兼容, 为反猫眼探测的作战策略提供了一种行之有效的设计思路.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (17): 178101.
doi:10.7498/aps.72.20230711
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光电导开关非线性模式的产生机理研究是该领域热点问题之一. 本文采用波长1064 nm、脉宽5 ns的激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关, 在触发光能1 mJ、偏置电压2750 V时获得稳定的非线性波形. 基于双光子吸收模型, 计算了开关体内光生载流子浓度, 计算结果表明光生载流子弥补了材料本征载流子的不足, 在开关体内形成由光生载流子参与的电荷畴. 依据转移电子效应原理, 对畴内的峰值电场进行了计算, 结果表明高浓度载流子可使畴内峰值电场远高于材料的本征击穿场强, 致使畴内发生强烈的雪崩电离. 基于光激发雪崩畴模型, 对非线性模式的典型实验规律进行了解释, 理论与实验一致. 基于漂移扩散模型和负微分电导率效应, 对触发瞬态开关体内电场进行仿真, 结果表明开关体内存在有峰值电场达GaAs本征击穿场强的多畴输运现象. 该研究为非线性光电导开关的产生机理及光激发电荷畴理论的完善提供实验依据和理论支撑.
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2023, 72 (17): 178401.
doi:10.7498/aps.72.20230693
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电子传输层对于钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性十分重要, 二氧化锡是高效钙钛矿太阳电池中常见的电子传输层, 具有良好的载流子提取和传输能力, 但是基于溶液法制备二氧化锡在空气中高温退火时表面产生大量缺陷, 降低薄膜的电学性能, 而且溶液法不利于大面积制备. 本文采用反应等离子体沉积法制备二氧化锡薄膜, 通过调控辉光时间和工作电流优化薄膜性能, 将其应用于小面积正式钙钛矿太阳电池中, 实现了21.24%的效率. 另外, 通过引入异辛酸亚锡和二氧化锡结合作为双电子传输层改善器件的迟滞, 电池开路电压从1.11 V提高到1.15 V, 效率从21.27%提升至22.15%, 迟滞因子从24.04%降低到3.69%. 本工作开发了新的制备方法和有效的优化策略来制备二氧化锡电子传输层, 推动了平面异质结钙钛矿太阳电池的发展, 为制备高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了新的研究思路和方法.
2023, 72 (17): 178501.
doi:10.7498/aps.72.20230709
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得益于铝镓氮/氮化镓异质结材料较大的禁带宽度、较高的击穿场强以及异质界面存在的高面密度及高迁移率的二维电子气, 基于该异质结材料的器件在高压大功率及微波射频方面具有良好的应用前景, 尤其是随着大尺寸硅基氮化镓材料外延技术的逐渐成熟, 低成本的氮化镓器件在消费电子方面也展现出极大的优势. 为了提高铝镓氮/氮化镓肖特基二极管的整流效率, 通常要求器件具有较小的开启电压、较低的反向漏电和较高的击穿电压, 采用低功函数金属阳极结构能有效降低器件开启电压, 但较低的阳极势垒高度使器件易受界面缺陷的影响, 导致器件反向漏电增大. 本文采用一种新型的基于热氧氧化及氢氧化钾腐蚀的低损伤阳极凹槽制备技术, 解决了常规干法刻蚀引入的表面等离子体损伤难题, 使凹槽表面粗糙度由0.57 nm降低至0.23 nm, 器件阳极反向偏置为–1 kV时的漏电流密度由1.5 × 10–6A/mm降低至2.6 × 10–7A/mm, 另外, 由于热KOH溶液对热氧氧化后的AlGaN势垒层及GaN沟道层具有良好的腐蚀选择比, 因此避免了干法刻蚀腔体中由于等离子体分布不均匀导致的边缘刻蚀尖峰问题, 使器件反向耐压由–1.28 kV提升至–1.73 kV, 器件性能得到极大提升.
2023, 72 (17): 178801.
doi:10.7498/aps.72.20230292
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本文通过导纳谱技术表征铜铟镓硒(CIGSe)太阳电池吸收层中缺陷的能量分布, 研究了 CIGSe太阳电池退火后效率提高的机理. 研究发现退火后CIGSe电池的暗电流减小了大约1个数量级, 电池的理想因子也从退火前的2.16减小到退火后的1.85. 在反向偏压下, 退火前CIGSe太阳电池的电容高于退火后的. 通过对电池的C-V特性进行1/C2-V线性拟合获得退火前CIGSe电池吸收层中的自由载流子浓度高于退火后, 此外还获得了CIGSe电池退火前后的内建电压分别为0.52 V和0.64 V. 通过导纳谱的测试发现退火后吸收层中缺陷的激活能降低, 但是缺陷浓度几乎不变. 缺陷激活能的降低意味着铜铟镓硒太阳能电池中缺陷的SRH (Shockley-read-hall)复合概率降低, 因此退火后太阳能电池的开路电压和并联电阻的增大提高了电池的性能.