观点和展望
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2023, 72 (7): 070303.
doi:10.7498/aps.72.20230330
摘要 +
谷歌团队利用超导量子芯片, 实现了两种规模的量子纠错表面码, 利用辅助比特进行多次测量和初始化操作进行纠错, 表明使用更多量子比特表面码的逻辑比特, 其性能表现更好, 达到了量子纠错规模化的盈亏平衡点, 本文简要回顾量子纠错的机制, 讨论谷歌量子纠错结果的意义, 以及系列量子纠错进展, 最后将展望量子计算的发展方向.
特邀综述
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2023, 72 (7): 070702.
doi:10.7498/aps.72.20230024
摘要 +
水系碱金属离子电池因具有高安全性、低成本和环境友好等优势而成为前沿研究的热点之一, 在大规模储能领域具有良好的应用前景. 然而, 许多水系碱金属离子电池在低温条件下出现运行故障或展现出极低的放电比容量, 严重限制了其在恶劣的严寒气候条件下的广泛应用. 本综述首先梳理了近年来低温水系碱金属离子电池的研究进展. 随后从电解液、电极和界面三个方面分别探讨了水系碱金属离子电池在低温下运行所面对的挑战和相应的失效机制, 同时系统地介绍了提高电池低温性能的改性策略并加以评述, 以期为水系碱金属离子电池低温性能的进一步提升及其实际应用提供参考并指明方向.
专题: 高能重离子碰撞过程的自旋与手征效应
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2023, 72 (7): 071202.
doi:10.7498/aps.72.20230036
摘要 +
近年来, 随着重离子碰撞实验中超子自旋极化与矢量介子自旋排列现象的发现, 关于夸克胶子物质中自旋输运的理论研究也得到蓬勃发展, 其中包括相对论自旋流体力学, 它是描述自旋输运的流体力学理论. 本文对相对论自旋流体力学的近期发展进行了综述, 主要包括以下内容: 1)相对论自旋流体力学基本方程的推导, 包括宏观的唯象学推导、基于有效场论的推导以及基于输运理论的推导; 2)该理论框架的一些特殊性质, 包括能动量张量中的反对称结构以及赝规范变换性质等; 3)在Bjorken和Gubser膨胀体系中的解析解及其对于重离子碰撞物理的意义.
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2023, 72 (7): 072401.
doi:10.7498/aps.72.20222452
摘要 +
高能重离子碰撞中Λ超子和ϕ, K*0矢量介子的整体极化的实验数据证实了夸克物质整体极化的新现象, 引起了研究人员的广泛关注, 成为高能核物理前沿新的热点研究方向. 本文主要从实验测量上回顾整体极化研究, 着重阐述相对论重离子对撞机(RHIC)上的螺旋径迹探测器(STAR)合作组在不同对撞能量点开展的Λ超子和ϕ, K*0介子的整体极化测量结果, 并拓展到含有多个奇异夸克粒子Ξ, Ω的整体极化测量和Λ沿着束流方向的局域极化研究. 本文也将简单点评大型强子对撞机(LHC)能区和HADES实验低能区的测量结果, 并对这些实验结果给出的物理信息进行简单描述.
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2023, 72 (7): 072501.
doi:10.7498/aps.72.20230102
摘要 +
在非对心相对论重离子碰撞中, 参与反应的原子核物质系统具有巨大的初始轨道角动量, 经过强相互作用的自旋-轨道耦合, 这一巨大的轨道角动量可以转化为产生的夸克-胶子等离子体的整体极化. 整体极化效应在理论上提出后, 首先被美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机上的STAR实验所证实, 激发了人们对相关问题的研究, 成为重离子碰撞物理研究的一个新方向—重离子碰撞自旋物理. 本文简单回顾了整体极化原始基本思想、理论计算体系与主要结果以及近几年的理论进展.
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2023, 72 (7): 072502.
doi:10.7498/aps.72.20230071
摘要 +
在非对心相对论重离子碰撞中, 参与反应的系统具有巨大的轨道角动量, 从而使产生的夸克胶子等离子体具有极强涡旋场, 并通过自旋-轨道相互作用导致部分子的自旋极化, 经过强子化导致重子的自旋极化以及矢量介子的自旋排列等可观测效应. 矢量介子的自旋排列是指其自旋密度矩阵的00元素
$\rho_{00}$
偏离 1/3. 在矢量介子衰变到两个赝标介子的过程中, 衰变产物的极角分布只与
$\rho_{00}$
有关, 以此可以对自旋排列进行测量. 理论研究表明, 重离子碰撞过程中, 重子的自旋极化反映了夸克自旋极化的时空平均效应, 而矢量介子自旋排列则反映了夸克反夸克自旋极化的局域相空间关联. 本文回顾了相对论重离子碰撞中矢量介子自旋排列的相关理论工作. 重点以非相对论夸克融合模型为例, 明确地计入夸克极化的相空间依赖性, 展示了矢量介子自旋排列与夸克反夸克自旋极化特别是它们之间相空间关联的关系. 本文还讨论了涡旋、电磁场、有效ϕ介子场以及它们的局域涨落对ϕ介子自旋排列的贡献, 结果显示强作用场的时空关联效应是导致ϕ介子自旋排列的主要因素. 矢量介子自旋排列为探索强相互作用物质和强相互作用场的性质提供了新途径.
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2023, 72 (7): 072503.
doi:10.7498/aps.72.20230074
摘要 +
本文旨在对近期高能重离子超边缘碰撞中光致产生过程的研究做一个简要综述. 相对论性重离子激发的超强电磁场可以被近似认为是一束极高亮度的等效相干光子束流. 本文主要讨论两类等效光子参与的高能产生过程: 准实光子融合产生轻子对即Breit-Wheeler过程, 以及等效光子与原子核内的胶子物质相互作用导致的矢量介子衍射产生过程. 这两类过程是研究重离子超边缘碰撞的传统课题, 本文主要侧重于讨论碰撞参数依赖效应与末态软光子重求和效应. 另一方面, 最近一系列研究揭示了相对论重离子所激发的准实光子是高度线性极化的, 其极化方向平行于光子横动量方向；并指出可以通过重离子超边缘碰撞中轻子对产生过程的
$\cos 4\phi$
方位角不对称来测量光子的线偏振度. 这一理论预言随后被SATR合作组的测量所证实. 伴随这一新的理论与实验进展, 线性极化光子束流同时也给我们提供了一种新颖的实验手段, 用来研究量子色动力学唯象学. 如线偏振准实光子可导致矢量介子衍射产生过程的各种方位角不对称, 通过研究这些方位角不对称可以让我们更深入地理解高能散射过程的双缝干涉效应、库仑-核反应的干涉过程, 以及抽取光子维格纳函数等. 本文将详述这些效应并讨论未来的理论与实验发展.
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2023, 72 (7): 071201.
doi:10.7498/aps.72.20222473
摘要 +
将引力形状因子推广到了手征费米子的情形, 并由此给出了熟知的自旋-涡旋耦合. 计算了量子电动力学等离子体中引力形状因子的辐射修正. 发现形状因子中存在两个结构对费米子在涡旋场中的散射振幅有贡献, 其中之一来自于费米子的自能修正, 指向介质中自旋-涡旋耦合的压低; 另一结构来自于对引力子-费米子顶点的修正, 这一修正不能解释为势能, 而是对应初末态的跃迁矩阵元. 两个结构均对手征涡旋效应产生贡献. 辐射修正总的效果是对手征涡旋效应的增强. 本文的结果从形状因子的角度澄清了自旋-涡旋耦合以及手征涡旋效应的联系和区别. 另外, 讨论了上述结果在量子色动力学等离子体中的应用, 结果暗示辐射修正可能对重离子碰撞的自旋极化现象有一定效应.
专题: 高能重离子碰撞过程的自旋与手征效应 • 封面文章
封面文章
2023, 72 (7): 072504.
doi:10.7498/aps.72.20222391
摘要 +
非对心的相对论重离子碰撞中, 不参与碰撞的核子会对参与碰撞的核子产生纵向拖拽, 形成一个相对于纵向倾斜的夸克胶子等离子体(QGP)火球. 同时, 对撞的原子核可将巨大的轨道角动量沉积于QGP中, 使其中的部分子沿系统总角动量方向发生自旋极化. 在光学 Glauber模型基础上, 本文构建了倾斜的三维QGP初态条件, 并结合3+1维黏滞流体力学模型CLVisc, 研究了重离子碰撞的末态带电粒子的直接流和
$ \Lambda/\bar{\Lambda} $
超子的整体极化. 计算表明, 倾斜的初态条件与流体力学模型的结合能够较好地描述RHIC-STAR实验上观测到的直接流与超子整体自旋极化的数据. 这为人们利用这些观测量进一步约束重离子碰撞产生的核物质的初始几何与运动学状态提供了理论依据.
数据论文
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2023, 72 (7): 070701.
doi:10.7498/aps.72.20222316
摘要 +
科学文献中蕴含的大量历史数据和经验知识, 对材料设计与研发具有重要参考价值. 文本挖掘尽管能高效地探索并利用被存储在海量科学文献中的信息, 但高质量文本数据的获取困难阻碍了其在材料领域更广泛的应用. 本文从品质和数量双视角剖析了材料领域的文本数据质量问题及其相关研究工作, 提出高质量的材料科学文本挖掘数据集构建方法. 该方法通过可溯源的文献自动获取方案确保文本数据的源头可追溯; 以下游任务为驱动对文献进行预处理以提升预标注文本语料的质量; 基于材料四面体准则定义适配全体系的标签注释方案以完成对语料的高品质标注; 利用融合材料领域知识的有条件文本数据增强模型实现材料文本数据量的扩充. 在不同体系数据集上的实验结果表明, 该方法可有效地提升下游文本挖掘模型的预测精度, 其中在NASICON型固态电解质材料实体识别任务上的F1值达84%. 本文为文本挖掘在材料领域的深入应用提供理论指导和解决方案, 并有望推进数据与知识双向驱动的材料设计与研发.
总论
2023, 72 (7): 070301.
doi:10.7498/aps.72.20222039
摘要 +
量子关联共享问题是量子信息理论研究中一个有趣的课题. 最近, Srivastava等在[
Phys. Rev. A2022
105062413
]中证明了存在一类T态, 其纠缠可以被任意多个独立观察者共享. 通过选择合适的纠缠见证算子和Bob的非锐化测量, 本文证明了存在两量子比特纠缠的初始共享Werner态, 其纠缠可以被任意多个观察者Bobs和单个观察者Alice共享.
2023, 72 (7): 070302.
doi:10.7498/aps.72.20222003
摘要 +
本文针对支持向量机提出一种基于量子态内积的量子线路训练方案. 该方案以量子基础力学理论为基础, 通过量子化, 生成支持向量机训练样本元素对应的量子态; 以量子初始基态和对应的量子逻辑门为基础, 构建可以实现训练样本元素量子态的量子线路; 通过建立量子态内积与SWAP量子逻辑门之间的关系, 采用量子态振幅的交换演化操作来实现量子态内积. 验证结果表明, 该方案不但使得支持向量机完成了正确分类, 还针对该方案的量子部分实现了在真实量子计算机上运行, 与经典算法相比, 多项式程度上降低了算法的时间复杂度, 扩展了支持向量机的训练思路.
2023, 72 (7): 070501.
doi:10.7498/aps.72.20222013
摘要 +
蔡氏结型忆阻器(Chua corsage memristor, CCM)属于压控型局部有源忆阻器, 具有复杂的动力学行为, 在神经形态计算领域具有潜在的应用价值. 根据静态电压-电流特性曲线, CCM可分为二翼、四翼和六翼型. 本文基于神经形态行为的产生机制, 将CCM的数学模型进行简化, 简化后的模型表达式中无绝对值符号, 且小信号等效电路的导纳函数与简化前完全相同. 进一步采用简化的CCM模型与电容和电感元件相连, 构建了三阶神经元电路. 利用局部有源、混沌边缘、及李雅普诺夫指数等理论分析方法, 预测了该神经元电路产生神经形态行为的参数域. 根据简化的CCM数学模型, 采用运算放大器、乘法器、电阻和电容等常用电路元件构建了该忆阻器的电路仿真器, 并连接电容和电感进一步给出了神经元电路的硬件实现. 实验结果表明该神经元电路可以产生丰富的神经形态行为, 包括静息状态、周期尖峰、混沌状态、双峰响应、周期振荡现象、全或无现象和尖峰簇发现象.
2023, 72 (7): 070601.
doi:10.7498/aps.72.20222224
摘要 +
复介电常数是反映材料宏观电磁性质的重要参数, 电磁领域相关材料和器件的选取、设计及应用都必须基于材料在工作频段的电磁参数. 数值迭代法是反演计算材料复介电常数的重要方法, 但一直存在难以准确给出迭代初始值的问题. 本文基于吸波材料介电常数与反射率的关系, 提出了一种迭代法反演吸波材料介电常数的初值选取方法, 以此为基础构建了一种利用反射参数反演计算单层吸波材料、多层材料中唯一未知层材料复介电常数的方法, 并通过实例测试验证了方法的有效性.
原子和分子物理学
2023, 72 (7): 073101.
doi:10.7498/aps.72.20221953
摘要 +
高精度振动能谱蕴含着分子体系的大量量子特征, 是人们认识和操控分子的重要基础数据. 目前, 从头算方法在计算分子的振动能谱方面取得了大量成果, 但是仍然面临着精度和计算量上的挑战. 本文提出了一种综合从头算方法与机器学习算法进行能谱预测的新方法, 在提高振动能级精度的同时大幅降低了计算量. 针对HF、HBr、H35Cl和Na35Cl等卤素分子的研究结果表明, 相较于单独的CCSD(T)/cc-pV5Z计算方法, 新方法将误差减少了50%以上, 同时将计算量降低了一个数量级.
2023, 72 (7): 073102.
doi:10.7498/aps.72.20222339
摘要 +
在计算等离子体环境中的原子结构时, 一般情况下只考虑等离子体对核-电子相互作用的屏蔽, 较少考虑其对电子-电子相互作用的屏蔽. 本文采用MCDHF (multi-configuration Dirac-Hartree-Fork)方法结合屏蔽势研究了电子-电子相互作用的等离子体屏蔽对原子结构参数的影响随电子密度、电子温度、核电荷数和束缚电子个数的变化规律. 结果表明, 对于类氦离子的基态和第一激发态, 等离子体对电子-电子相互作用的屏蔽引起的能量移动量、跃迁能移动量和跃迁几率移动量分别随着电子密度和电子温度的升高而不断增大和减小; 随着核电荷数的增大, 能量移动量逐渐增大并趋于稳定值, 跃迁能移动量和跃迁几率移动量逐渐减小并趋于0. 能量移动量随着束缚电子个数的增加而增大. 当满足电子密度(束缚电子个数)大于或者等于其临界值以及电子温度(核电荷数)小于或者等于其临界值任意一条件时, 等离子体对电子-电子相互作用的屏蔽效应不可忽略.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (7): 074201.
doi:10.7498/aps.72.20222167
摘要 +
鉴于极化激元对介电环境异常敏感的特性, 本文中提出了双曲材料六方氮化硼(hBN)和石墨烯与相变材料二氧化钒(VO2)组成的异质结构, 用来研究hBN声子极化激元(PhPs)的主动可调谐性. 研究结果表明, 通过控制hBN/VO2异质结构中VO2相变可实现对hBN PhPs的主动调谐, 获得主动可调谐的自发发射(SE)率. 当在hBN/VO2异质结构中添加石墨烯时, 会在hBN双曲线带内耦合产生双曲等离子体-声子极化激元(HPPPs), 而在双曲线带外产生表面等离子体-声子极化激元(SPPPs), 通过控制VO2相态和调节石墨烯化学势亦可实现石墨烯/hBN/VO2异质结构的耦合色散及SE率的主动调谐. 该研究为使用诸如相变材料和石墨烯等功能材料调谐各向异性光学材料与光的相互作用机制提供了理论指导.
2023, 72 (7): 074202.
doi:10.7498/aps.72.20222017
摘要 +
无先验水下主动偏振成像方法能够实现目标信息光偏振度和后向散射光偏振度的自动获取, 但该方法在反演过程中仅追寻高对比度这一单一指标, 有时会导致自动获取的两项偏振反演参数过于相近, 使图像复原效果不理想, 且常伴有大量噪声. 针对上述仅追求单一指标导致复原图像质量不理想的问题, 本文提出一种基于双层多指标优化的水下偏振成像方法. 首先, 第1层以互信息和对比度为目标函数, 基于多目标遗传优化算法自动获取偏振参数最优解集; 其次, 选择信息熵为第2层目标函数, 遍历最优解集, 获取偏振参数最终解, 并将其代入成像模型, 获取复原图像; 最终, 根据所获偏振参数之差, 选取适当数字图像处理手段进一步提升复原图像质量. 实验结果表明, 无论背景区域存在与否, 无论目标物偏振度高低, 本方法均能有效增强图像细节, 平衡各项图像质量评价指标, 得到综合质量较高的复原图像.
2023, 72 (7): 074203.
doi:10.7498/aps.72.20222033
摘要 +
荧光显微成像技术具有标记能力强、信号强度高、实验成本低、成像过程简单且从活体到离体均可成像等特点, 在肿瘤细胞成像、药物分布体内探测等生物学分析成像研究中应用广泛, 但如何同时兼具宽视场和高分辨率是当前荧光显微成像领域的一大难点. 平面硅波导被发现可实现超薄样品大范围成像, 然而其需要溅射沉积或是离子束刻蚀等制备工艺, 相关工艺复杂且设备昂贵. 本文设计了一种基于皮秒激光直写的平面波导型荧光显微装置, 利用皮秒激光刻蚀玻璃表层快速制备微米级沟槽, 进一步通过旋涂SU-8光刻胶实现低成本、批量化制备玻璃基平面波导. 通过调整激光加工功率、频率、扫描速度等参数可以定制波导直径和深度. 采用罗丹明B荧光分子的显微探测实验, 验证了该激光直写玻璃基平面波导完全满足高分辨率和大视场的生物成像需要, 这种简易快速的加工手段能够有效提升荧光成像领域的经济效益和社会效益.
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2023, 72 (7): 074204.
doi:10.7498/aps.72.20222088
摘要 +
本文讨论了正性向列相液晶的饱和非局域非线性. 从光束在正性向列相液晶中传输满足的非线性耦合模型出发, 分别讨论了
$1+1$
维和
$1+2$
维情况下液晶非线性折射率的饱和特性, 并得到了在不同预偏角情况下, 饱和双稳态孤子的数值解. 结果表明: 液晶中预偏角越大其饱和非线性折射率的值就越小, 存在双稳态孤子的范围也越小; 当非线性折射率饱和后, 双稳态孤子之间的波形差异明显, 且饱和情况下存在的孤子光斑不再是圆形.
2023, 72 (7): 074205.
doi:10.7498/aps.72.20221814
摘要 +
基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性, 对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用. 本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体, 实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存. 首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张, 打开了布里渊区
$ \varGamma $
点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙, 实现量子自旋霍尔效应. 经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构, 之后在Kagome晶格中加入正负扰动, 打破光子晶体的空间反演对称性, 导致布里渊区的非等价谷
$ K $
和
$ {K}' $
的简并点打开并出现完整带隙, 实现了量子谷霍尔效应. 数值计算结果表明, 由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态. 最后, 设计了基于两种效应共存的四通道系统, 此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法, 为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.
2023, 72 (7): 074301.
doi:10.7498/aps.72.20221932
摘要 +
针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题, 利用耦合模理论, 提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法. 该方法主要分为两个步骤: 1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和, 并用向量有限新息率方法重建; 2)根据耦合模理论, 未耦合模对的二维频率不随内波位置变化, 而耦合模对的频率随内波位置变化. 因此, 二维频率可以分为两部分: 未耦合模对包含了波导的信息, 可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计; 耦合模对包含了内波的位置信息, 可用于内波的追踪. 仿真结果表明, 本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.
2023, 72 (7): 074302.
doi:10.7498/aps.72.20222106
摘要 +
三维超快成像是超声技术发展的重要方向. 基于二维全采样阵列的传统三维成像方法需要较多成像阵元和采样通道, 其紧密的阵元排列设计也客观上限制了阵列孔径大小和成像分辨率. 行列寻址(row-column addressing, RCA)探头以行列检索的方式将通道数自N
$ \times $
N减少为N
$ + $
N, 从而极大地降低了阵列的硬件实现成本. 本文仿真了中心频率为6
$ {\rm{M}}{\rm{H}}{\rm{z}} $
的128行+128列的RCA阵列, 结合多角度平面波正交复合成像方法, 通过延时叠加(delay and sum, DAS)波束合成、基于特征值分解(singular value decomposition, SVD)的杂波滤除和自相关多普勒速度求解算法, 实现了血流仿体的多普勒成像, 并分析了不同复合角度序列对成像效果的影响. 定量分析表明, 当角度数从5个增至33个时, –6 dB分辨率从0.986 mm提升至0.493 mm; 当复合角度为17个时, 功率多普勒图像的SNR可达30 dB, 彩色多普勒沿直径方向的速度分布和真实值的平均误差约为26.0 %. 以上结果表明, 基于RCA阵列的三维成像技术能够获得三维B-mode、功率多普勒和彩色多普勒图像, 增大复合平面波角度数和角度范围可显著提高成像质量. 本研究对于三维超快超声多普勒成像技术发展具有借鉴意义, 相关方法有应用于血流血管成像, 并进一步实现基于神经-血管耦合的组织功能监测与成像的潜力和前景.
2023, 72 (7): 074501.
doi:10.7498/aps.72.20212272
摘要 +
基于波动力学的基本概念, 提出了在能量守恒框架下建立波动力学方程的新思路与方法. 首先, 回顾了用牛顿第二定律推导波动力学方程, 同时回顾并分析了利用Hamilton变分原理, 推导了在连续介质中的Lagrange方程、Hamilton正则方程, 以及相应的波动力学方程; 其次, 在能量守恒的框架下, 建立了连续介质的Lagrange方程、Hamilton正则方程和波动力学方程, 并证明其结果与利用经典力学推导的结果的一致性, 特别地, 澄清了用Hamilton变分原理建立保守系统下连续介质的Lagrange方程和Hamilton正则方程时在边界条件应用时的一些模糊认识. 在能量守恒框架下建立一系列动力学方程, 为我们在不涉及泛函求极值的变分原理等基础上刻画和表述复杂介质中波动现象的演化规律提供了另一种途径, 也深入探讨了最小作用原理的物理本质. 最后, 在能量守恒的框架下给出了建立黏弹性介质中的波动力学微分方程的应用.
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2023, 72 (7): 074701.
doi:10.7498/aps.72.20221200
摘要 +
耳蜗是人体重要的感音器官, 蜗管中的基底膜是所有微观组织的支撑结构, 其与淋巴液之间复杂的耦合运动是耳蜗感音功能产生的首要条件. 通过将耳蜗的长度划分为有限数量的元素, 并给定径向分布, 推导出一组控制方程, 用于微力学和流体耦合. 然后结合矩阵组合方程, 得到基底膜和淋巴液完全耦合的响应. 分析不同激励下基底膜的瞬时响应、不同频率激励时共振位置的时域响应以及基底膜质量及刚度变化对其生物力学行为影响和听力功能的作用. 结果发现： 基底膜质量及刚度的增大均导致最大响应减弱, 但最大响应位置却向基底膜不同方向移动, 前者向底部而后者向顶部向移动; 变化的基底膜截面可以很快地降低耳蜗中部和顶部的特征频率, 以达到较好的滤波和放大特定频率激励的效果, 且可以让耳蜗对特定频率区(1000—3000 Hz)间有较高的分辨效果.
气体、等离子体和放电物理
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2023, 72 (7): 075201.
doi:10.7498/aps.72.20230013
摘要 +
本文从双离子组分等离子体的Landau-Fokker-Planck方程出发, 通过Chapman-Enskog方法约化得到离子输运方程, 求得双离子组分等离子体的离子输运系数, 给出了计及离子扩散的完备离子流体方程; 再结合一维辐射流体力学程序Multi-1D模拟得到的烧蚀层的宏观状态, 研究了激光烧蚀固体碳氢材料时的组分分离现象. 计算结果显示, 离子组分分离对等离子体流体演化的影响小, 基本可以忽略; 但对于敏感依赖于离子组分的其他物理过程, 如汤姆孙散射, 离子组分分离的影响显著, 这意味着研究激光等离子体相互作用时, 离子组分分离必须予以考虑.
2023, 72 (7): 075202.
doi:10.7498/aps.72.20222196
摘要 +
本文利用MARS-F/K程序和解析方法, 模拟研究了‘类-DEMO’平衡下等离子体对共振磁扰动的流体响应和动理学响应.研究发现, 当新的有理面经过等离子体边缘台基区时, 最外层有理面处总径向扰动场
$ b_{{\text{res}}\left( {{\text{tot}}} \right)}^{\text{1}} $
和等离子体边界X点附近扰动位移
${\xi _X}$
两个优化参数在特定的
${q_{95}}$
(95%归一化极向磁通量处的安全因子)窗口出现峰值, 峰值的个数y与环向模数n呈正相关, 即
$y \approx n\Delta {q_{95}}$
(
$\Delta {q_{95}} = 3.5$
).上下两组线圈电流相位差的最优/差值与
${q_{95}}$
之间满足线性依赖关系, 可用线性函数进行拟合.线圈电流幅值的优化不改变电流相位差的最优值, 但可以增大优化参数
${\xi _X}$
.线圈电流幅值的最优值依赖于环向模数n.包含背景粒子和高能粒子动理学效应的结果表明, 对于低
$\beta $
(等离子体比压值)等离子体, 动理学响应与流体响应保持一致, 与有无强平行声波阻尼无关; 而对于高
$\beta $
等离子体, 在流体响应模型中需要考虑动理学效应的修正作用.考虑强平行声波阻尼(
${\kappa _\parallel } = 1.5$
)的流体响应模型能够很好地预测‘类-DEMO’平衡的等离子体响应.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2023, 72 (7): 076101.
doi:10.7498/aps.72.20222389
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β弛豫行为是理解非晶合金扩散、塑性变形和玻璃转变行为的重要切入口. 本研究以具有显著β弛豫行为的(La0.6Ce0.4)65Al10Co25非晶合金为研究载体, 利用动态力学分析仪, 研究了加载频率、退火以及加载应变等因素对非晶合金β弛豫行为的影响. 结果表明, 随着加载频率的升高, 非晶合金β弛豫峰向高温段移动. 低于玻璃转变温度退火导致非晶合金β弛豫峰内耗值降低, 非晶合金“缺陷”浓度降低, 玻璃体系向更稳定状态迁移. 随加载应变幅值增大, 非晶合金β弛豫强度增大. 本研究为进一步厘清非晶合金β弛豫起源提供新思路.
2023, 72 (7): 076102.
doi:10.7498/aps.72.20222439
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BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能, Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变. 本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程, 建立AlxCuMnNiFe高熵合金三维相场模型, 模拟了AlxCuMnNiFe高熵合金(x= 0.4, 0.5, 0.6, 0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程. 结果表明, AlxCuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构: 富Cu核/B2s壳以及B2c核/FeMn壳, 通过讨论分析发现形成的B2c对纳米富Cu相的形成起到抑制作用, 这种抑制作用随着Al元素的增加而变大; 结合经验公式做出AlxCuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线, 得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系, 可以为时效工艺提供参考.
2023, 72 (7): 076301.
doi:10.7498/aps.72.20222250
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异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略. 基于密度泛函理论的第一性原理计算, 本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga2SeTe/In2Se3范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为II型能带结构的间接带隙半导体, 光致电子的供体和受体材料由二维In2Se3的极化方向决定. 光吸收度在可见光区域高达25%, 有利于太阳可见光的有效利用. 双轴应变可诱导直接-间接带隙转变, 外加电场能有效调控异质结构带隙, 使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV, AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV, 两种调控作用下异质结的能带始终保持II型结构. 压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力. 这些研究结果揭示了Janus Ga2SeTe/In2Se3范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理, 为新型光电器件的设计提供理论指导.
2023, 72 (7): 079401.
doi:10.7498/aps.72.20222207
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采用元胞动力学和布朗动力学联用方法研究了振荡场作用下两嵌段共聚物/均聚物/纳米棒混合体系的自组装相行为. 通过计算模拟, 探讨了振荡场的振幅和频率对混合体系相形貌形成和演化的影响. 研究发现振荡场对体系有序结构的形成和转变有重要作用, 随着外加振荡场频率的增大, 混合体系形貌从平行于场方向的条纹结构过渡到斜层状结构再转变为垂直于场方向的条纹结构. 进一步分析了振荡场作用下体系畴尺寸的演化及纳米棒取向角的变化情况. 研究结果为制备和调控聚合物纳米复合材料有序结构提供了新的方法和参考.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (7): 077101.
doi:10.7498/aps.72.20222144
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天然双曲声子极化激元材料-α相三氧化钼(α-MoO3)能够支持高度局域的表面声子极化激元(surface phonon polaritons, SPhPs), 达到在中红外波段对光与物质相互作用的过程进行揭示以及调节的目的. 我们理论上提出并研究了基于Kretschmann结构的单层和多层α-MoO3的面内各向异性表面声子极化激元(ASPhPs). 通过4×4传递矩阵法(TMM)快速准确地求解多层各向异性介质系统中的反射系数, 描述多层系统中激发的SPhPs及色散性质. 结果证实层间耦合可以通过多层膜的堆叠以及层厚来调制. 当入射角度大于全内反射角时, 满足SPhP激发的相位匹配条件. 在40°角范围内, SPhP谐振随着入射角度的增加迅速蓝移, 但是随后色散曲线不再随着入射角的增大而移动. 间隙层的增大会还会致使法布里-珀罗(FP)共振模式的激发. 层状异质结构中的ASPhPs是当今纳米光子技术的重要组成部分, 我们的研究有助于进一步优化和设计基于极化双曲材料的可控光电器件.
2023, 72 (7): 077201.
doi:10.7498/aps.72.20222244
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单层Ge2X4S2(X= P, As)是最近预测的一种二维层状材料, 它们不仅拥有高的光吸收系数, 同时还有较高的载流子迁移率, 这意味着它们在光电和热电领域可能有较好的应用前景. 本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论系统地研究了这两种材料的热电性质. 结果表明, 单层Ge2P4S2和Ge2As4S2在室温下展现较低的晶格热导率, 沿armchair方向分别为3.93 W·m–1·K–1和3.19 W·m–1·K–1, zigzag方向分别为4.38 W·m–1·K–1和3.79 W·m–1·K–1, 这主要是由低的声子群速度、大的格林艾森参数以及小的声子弛豫时间造成的. 基于HSE06泛函计算出的能带结构表明单层Ge2As4S2是带隙值为1.21 eV的直接带隙半导体, 而单层Ge2P4S2是带隙值为1.13 eV的间接带隙半导体. 价带上明显的双重简并现象使得单层Ge2P4S2和Ge2As4S2具有较大的塞贝克系数, 其中300 K时沿armchair方向分别达到了1800 μV·K–1和2070 μV·K–1. 对于具有较小晶格热导率和较高功率因子的单层Ge2X4S2而言, 它们的热电性能是非常值得期待的. 本文计算表明, 当处于最佳的n型掺杂时, 单层Ge2P4S2和Ge2As4S2在500 K时都具有较高的热电优值, 在两个方向的最大值分别为3.06 (armchair方向)和3.51 (zigzag方向), 以及3.21 (armchair方向)和2.54 (zigzag方向), 这意味着它们在中温热电应用领域存在较大的应用价值.
编辑推荐
2023, 72 (7): 077501.
doi:10.7498/aps.72.20222239
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非晶态稀土-过渡金属合金亚铁磁薄膜具有很强的垂直磁各向异性、超快的磁矩翻转速度以及磁矩和角动量补偿的特性, 是当前自旋电子学以及超快信息存储领域的重要研究对象. 本文采用磁控溅射制备了系列X/Tbx(Fe0.75Co0.25)1–x/X三明治结构薄膜(
$0.13 \leqslant x \leqslant 0.32$
,X= SiO2, Pt和W), 系统地研究了重金属Pt, W作为TbFeCo超薄膜的缓冲层和覆盖层(统称包覆层)对其室温下磁性和热稳定性的影响. 实验结果显示, 被SiO2包覆的TbFeCo薄膜具有垂直磁各向异性, 磁矩补偿成分在
$0.21 < x < 0.24$
范围内. 用Pt包覆的3 nm 和5 nm TbFeCo超薄膜, 则不出现磁矩补偿现象, 在整个研究成分范围对应薄膜的磁矩始终由FeCo主导, 且在250 ℃高真空退火后垂直磁各向异性消失; 当以W作为包覆层时, 超薄TbFeCo的磁矩补偿点复现, 在补偿点成分附近, 其有效垂直各向异性场超过11.5 T, 且经过350—400 ℃退火后TbFeCo依然保持良好的垂直磁各向异性. 最后, 通过[Pt/TbFeCo]5/Pt和[W/TbFeCo]5/W多周期多层膜的宏观磁性测量和结构表征, 发现Pt/TbFeCo存在界面晶化, 导致以Pt作为包覆层时TbFeCo超薄膜不存在磁矩补偿, 且在垂直磁各向异性方面和热稳定性等方面的严重弱化. 重金属W/TbFeCo超薄膜体系具有磁矩补偿、巨大垂直磁各向异性场和高热稳定性的特点, 研究结果对今后设计基于非晶态稀土-过渡金属合金纳米磁性超薄膜的自旋电子学器件具有重要参考价值.
2023, 72 (7): 077502.
doi:10.7498/aps.72.20222045
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本文采用速凝甩带-氢破-气流磨-取向成型-烧结回火等工序, 同时添加Dy和Co元素, 制备了烧结Nd25.5Dy6.5Co13FebalM1.05B0.98磁体(Co13磁体), 室温下磁能积(BH)max= 30.88 MGOe, 矫顽力Hcj= 19.01 kOe. 与Nd30Dy1.5Co0.5FebalM1.05B0.98(35SH)磁体相比, Co13磁体的室温磁性能略低, 但温度稳定性显著提升, 剩磁温度系数α从–0.136 %/℃提升至–0.065 %/℃ (室温—180 ℃); 居里温度TC从310 ℃升高至约454 ℃; 最高使用温度TW从165℃提升到约200 ℃. 力学性能测试和断口分析表明, Co13磁体中由于Co含量较高, 主相晶粒发生解理断裂的比例提高, 抗弯强度与35SH磁体相比, 虽然有所降低, 但是仍为2:17型Sm-Co磁体的近2倍. Co13磁体发生解理断裂的原因, 可能是Co元素在2∶14∶1主相中择优取代Fe, 导致晶格畸变, 降低了主相晶粒强度. 微观组织分析表明, Co13磁体晶界相中存在高Co区, 其成分接近(Nd, Dy)(Fe, Co)3, 这可能是导致矫顽力较低的原因之一.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (7): 078101.
doi:10.7498/aps.72.20222007
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本文提出一种金属镜面上纳米光学天线阵列结构, 天线采用金纳米立方体, 单个点辐射源位于天线和金镜面之间的纳米间隙内. 天线和金镜面之间的纳米间隙支持间隙表面等离激元, 能够增强自发辐射速率; 同时, 周期排布的纳米天线支持表面晶格共振(surface lattice resonance, SLR), 通过适当设计阵列周期, 可实现沿垂直于基底方向的远场定向辐射. 本文结合阵列扫描法(array scanning method, ASM)和全波严格数值方法, 计算了辐射源的自发辐射速率. 对于远场辐射强度角分布的计算, 本文给出了互易定理方法的严格表述和证明过程, 该证明过程不同于已有文献中的证明过程, 对于无限大周期结构具有更严格的适用性, 或者具有更低的计算量. 本文提出的天线结构和设计方法可用于指导设计高速、高亮度、定向辐射光源.
2023, 72 (7): 078201.
doi:10.7498/aps.72.20222300
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采用第一原理方法计算了两种不同镍含量的锂离子电池富锂锰基三元正极材料Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2(空间群为
$ R\bar{3}m $
) 和Li1.167Ni0.167Co0.167Mn0.5O2(空间群为C2/m)中氧空位簇的形成能. 结果表明, 含镍量较少的Li1.167Ni0.167Co0.167Mn0.5O2正极材料中氧空位簇的形成能总是高于含镍量较多的Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2材料中的氧空位簇形成能, 这说明含镍量较高的正极材料中氧空位簇更容易形成. 无论是含镍量较高的富锂锰基材料, 还是含镍量较少的同类材料, 过渡金属边上的氧空位簇的形成能总是大于锂离子附近空位簇的形成能, 说明氧的脱去更趋向于在Li离子附近发生. 较低的温度和较高的氧分压会使氧空位簇的形成能增加, 从而抑制氧空位簇的形成. 此外, 还计算了空位簇边上的过渡金属原子被其它过渡金属原子(Ti 和Mo)替位后的氧空位簇形成能. 结果表明, 除了Li1.2Ni0.32Co0.04Mn0.44O2材料中双氧空位V2O-Li附近的Ni元素被Ti替位外, 其余情况下过渡金属Ni和Mn分别被Ti或Mo替位后均能够增大VnO-Li空位簇的形成能, 故替位点缺陷的掺杂有抑制氧的损失和提高材料的结构稳定性的作用.
2023, 72 (7): 078501.
doi:10.7498/aps.72.20222248
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随着绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)电压等级的提升和电流容量的增大, 雪崩效应已成为限制器件安全工作区(safe operating area, SOA)的重要因素. 雪崩发生后IGBT背面p+n结的空穴注入是其雪崩效应区别于其他器件的主要特征. 本文通过理论分析与数值模拟的方法研究了IGBT雪崩击穿特性以及雪崩产生电流丝的性质, 揭示了控制雪崩产生电流丝性质的物理机制. 结果表明IGBT背面的空穴注入导致其雪崩击穿曲线上产生额外的负微分电阻分支; 器件共基极电流增益αpnp是决定雪崩产生电流丝的关键因素, 随着αpnp的增大, 雪崩产生的电流丝强度越强、移动速度越慢, 从而导致器件的雪崩鲁棒性越弱.
地球物理学、天文学和天体物理学
编辑推荐
2023, 72 (7): 079701.
doi:10.7498/aps.72.20222208
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脉冲星时(pulsar time, PT)具有较高的长期稳定性, 其与原子时(atomic time, AT)的建立属于两个完全不同的物理过程. 因此, 脉冲星时可作为原子时波动的一种独立检验方式. 本文结合真实钟差数据，展示了基于脉冲星时的原子时波动检验结果. 首先, 给出了Parkes脉冲星计时阵(Parkes pulsar timing array, PPTA)发布数据中四颗毫秒脉冲星的计时结果. 为进行原子时波动的检验, 利用四颗脉冲星的计时模型参数, 仿真生成以地球时(terrestrial time, TT) (BIPM19)为参考的脉冲到达时间(pulse times of arrival, TOAs)数据, 然后将参考时由TT (BIPM19)改为TT (TAI). 基于此, 分别采用经典加权平均算法与维纳(Wiener)滤波算法提取了原子时相对于脉冲星时的波动. 将两种方法得到的检验结果进行对比, 结果表明Wiener滤波算法对原子时波动的提取效果优于加权平均算法. 本文在Wiener滤波算法提取钟差信号的基础上加入了小波阈值去噪算法以扣除高频噪声, 去噪后PT更接近于TT (BIPM19), 进一步提高了PT对AT波动的检测能力. 对于TOA测量精度为100 ns的情况, PT与TT (BIPM19)的差值大致保持在40 ns以内. 本文是在给定TOA测量精度的前提下研究进一步提高PT精度的方法, 对下一步PT更加有效的守时应用具有重要意义.