Vol. 74, No. 2 (2025)
2025年01月20日
总论
2025, 74 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.74.20241542
摘要 +
基于室温原子的超外差太赫兹电场探测, 场强灵敏度可达5.76 μV/(cm·Hz1/2), 线性动态范围优于60 dB. 原子超外差太赫兹探测具有极高的灵敏度, 可用于精确测量材料的透射率, 实现对材料厚度的高精度测量. 本文实验测量了蓝宝石晶体材料和聚四氟乙烯有机材料的厚度, 而且由太赫兹透射信号可以清晰地分辨出单层石墨烯与少层石墨烯. 甚至对于厚度达到1 μm的超导金属铌薄膜也可以探测到微弱的太赫兹透射信号, 这都得益于原子超外差太赫兹探测器的高灵敏度. 总之, 本文采用的基于原子超外差探测太赫兹测厚技术, 在有机材料缺陷检测、涂层材料测厚及二维材料参数测量等方面都具有重要的应用价值.
2025, 74 (2): 020201.
doi: 10.7498/aps.74.20241275
摘要 +
锂离子电池中的电极总是处于特定的约束当中, 这些约束既包括电池内部不可避免的被动结构约束, 又包括一些新兴技术应用场景可能赋予的外部主动约束. 本文主要利用化学-力学双向耦合的基本假设建立描述双层电极结构的理论模型, 考虑4种不同强弱的理想化变形约束作为其边界条件, 并通过数值求解研究在充电过程中这些外部约束对双层电极中Li扩散和应力的影响. 从力学的角度, 所研究的双层电极结构存在侧向伸缩和弯曲变形两个自由度, 弱化的约束条件能够部分或完全激活这些应力释放机制, 从而降低电极结构整体的应力水平, 并提升结构的力学稳定性. 然而, 从电化学的角度, 电极结构的正向弯曲变形所产生的应力梯度会阻碍嵌Li过程, 强化的约束能够部分或完全抑制电极的正向弯曲, 使活性层内Li浓度更加均匀, 从而提高活性层的容量利用率. 这些结果不仅为进一步理解双层电极在更加真实或极端服役条件下的化学-力学响应提供理论参考, 还从设计的角度表明折中的外部约束有利于平衡电极的结构耐久性和电化学性能.
2025, 74 (2): 020301.
doi: 10.7498/aps.74.20241592
摘要 +
Anderson局域化是凝聚态物理中一个影响深远的现象, 它代表了由无序引发的本征态的根本性转变. 本文提出了一个基于超冷原子动量态晶格系统的实验方案, 用以实现弯曲时空下的Aubry-André-Harper (AAH) 模型, 并研究其中的Anderson局域化. 得益于每对相邻动量态之间耦合的单独可操控性, 动量态晶格中的耦合强度可以被编辑成幂律位置依赖的形式$J_n \propto n^{\sigma}$, 从而能够有效模拟弯曲时空. 动量态晶格中波包演化的数值计算结果表现出初始格点依赖的局域化性质, 符合理论预测的相分离现象. 通过分析波包演化动力学数据, 可以观测到相分离临界格点的移动. 同时, 本文还提出了通过调制时空弯曲参数σ来制备本征态的方案, 并在动量态晶格中进行了数值仿真. 最后, 在不同准周期调制相位下制备能谱中所有本征态, 分析了本征态的局域化性质, 验证了在能谱中共存的局域相、延展相和摇摆相. 本文为在实验中研究弯曲时空下的Anderson局域化物理提供了新的可行途径.
基本粒子物理学与场
2025, 74 (2): 021401.
doi: 10.7498/aps.74.20241529
摘要 +
快中子多重性测量技术是军控核查领域一项重要的无损检测技术, 可用于核材料的质量衡算. 但该方法是基于点模型假设建立的, 会造成系统偏差. 为修正偏差提升测量精度, 本文对两种不同形状的样品进行了快中子多重性模拟测量, 得到了材料空间体积内中子产生、吸收和净增长随位置的变化关系, 发现了中子泄漏增殖系数的空间变化规律. 根据中子多重性阶乘矩与待测参数间的函数关系, 提出了一种基于空间增殖系数修正的方法, 通过引入修正因子$ {g_n} $, 推导了快中子多重性加权点模型方程. 为验证该方法的准确性, 本文通过Geant4搭建了一套测量模型, 对球体和圆柱体两种形状的公斤级钚样品进行了模拟测量. 结果表明, 快中子多重性加权点模型方程的测量精度高于点模型方程, 测量偏差缩小至6%以内, 提供了一种求解公斤级钚样品质量的优化方法, 推动了快中子多重性测量技术向前发展.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.74.20241294
摘要 +
通过超薄层插入与掺杂相结合的方式, 分别以激光染料DCM (4-(Dicyanomethylene) -2-methyl-6-(4-dimethyl-aminostyryl)-4H-pyran)、铱配合物Ir(ppy)3 (tris(2-phenylpyridine) iridium)和联苯乙烯衍生物BCzVB(1, 4-bis[2-(3-N-ethylcarbazoryl)vinyl]benzene)为红色、绿色和蓝色发射体, 制备了磷光敏化荧光白色有机电致发光器件（OLED）. 通过改变DCM超薄层在CBP:Ir(ppy)3掺杂层中的插入位置实现了白色发光, 最高外量子效率为2.5%(电流效率为5.1 cd/A), 最高亮度为12400 cd/m2, 且其中一种器件在1 mA/cm2的电流密度下, 国际照明委员会(Commission Internationale de L'Eclairage, CIE)坐标达到了理想白光平衡点(0.33, 0.33). 白光的获得归因于Ir(ppy)3适合的掺杂比例和DCM适合的插入位置, 较好地均衡了红、绿、蓝三基色发光比例. 结果表明, 通过磷光敏化荧光实现三线态激子将部分能量传递给单线态激子, 可望实现高效率白色有机电致发光器件, 从而降低能耗并为促进OLED的应用提供更多空间.
2025, 74 (2): 028103.
doi: 10.7498/aps.74.20241581
摘要 +
合金凝固过程中的收缩行为是决定铸锭质量的关键因素之一, 利用数值模拟方法可以预测铸锭缩孔. 本文建立了一种基于机器学习的动网格模型, 能够模拟铸件凝固过程的动态收缩行为. 采用元胞自动机进行铸件凝固模拟, 采用径向基函数算法(radial basis function, RBF)和支持向量机算法(support vector machines, SVM)计算凝固收缩过程的网格运动位移, 从而对凝固过程收缩的动态模拟. 采用该模型计算了Al-4.7%Cu合金铸锭的缩孔形貌, 并进行了对应的浇铸实验验证, 模拟结果与实验结果的误差不超过2%, 符合较好. 说明该模型能够有效捕捉凝固收缩引起的铸件变形的动态过程, 且能够捕捉固液界面复杂形貌的演变, 为凝固过程数值模拟提供了一种新思路.
2025, 74 (2): 028701.
doi: 10.7498/aps.74.20241465
摘要 +
传统编码超表面都是按照几何相位或传输相位理论来实现相位调控的, 然而几何相位具有自旋锁定特性, 传输相位具有单频特性, 限制了利用统一超表面同时调控几何相位和传输相位. 本文提出了一种弧度与旋转共同诱导相位调控超表面, 超表面单元能对左旋圆极化波(LCP波)和右旋圆极化波(RCP波)的交叉极化反射相位进行独立调控, 在1—1.2 THz范围内均满足要求. 通过相位卷积与共享孔径原理, 该超表面可以实现多通道涡旋、聚焦、完美涡旋等功能, 提高了电磁空间的利用率, 在未来太赫兹通信系统中具有广阔的应用前景.
2025, 74 (2): 028401.
doi: 10.7498/aps.74.20241549
摘要 +
二氧化锡是正式钙钛矿太阳电池理想的电子传输层材料. 二氧化锡与钙钛矿之间的界面缺陷是制约钙钛矿太阳电池转换效率提高的关键因素. 因此, 本文提出了一种基于埋底界面修饰策略制备正式钙钛矿太阳电池的方法. 通过在二氧化锡中掺杂甲基溴化胺, 形成埋底界面, 减少了二氧化锡与钙钛矿之间的界面缺陷, 提升了二氧化锡的电子迁移率, 并促进高质量钙钛矿材料的生长, 制备的正式钙钛矿太阳电池转换效率达23.12%, 为制备高效正式钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.
2025, 74 (2): 028102.
doi: 10.7498/aps.74.20241438
摘要 +
金刚石氮-空位(NV)色心在室温下稳定性好, 电子自旋相干时间长, 能被激光和微波操控, 是量子探测领域最具潜力的结构. 本研究采用微波等离子化学气相沉积法(MPCVD)制备具有较高氮含量的金刚石单晶, 以构建高浓度NV色心. 通过在前驱体气体中掺杂不同含量的氮原子, 解决了高氮条件下长时间生长金刚石单晶出现的诸多问题, 制备氮含量约为0.205, 5, 8, 11, 15, 36和54 ppm (1 ppm = 10–6)的高氮金刚石单晶. 初步确定了前驱体气体中氮含量与进入到金刚石单晶晶格中氮含量的关系平均约为11, 氮原子在金刚石单晶中主要以聚集态氮和单个替位N+形式存在. 对高氮金刚石单晶进行电子辐照, 显著提升了金刚石NV色心浓度, 并对辐照后NV色心材料的磁探测性能进行验证.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.74.20241340
摘要 +
稀土元素具有相似的基态电子性质, 其独特的镧系收缩效应可以降低高熵材料中稀土元素的混合焓, 这对于制备廉价且高性能的高熵稀土金属间化合物至关重要. 本文在分析磁化和反磁化曲线的基础上, 辅以Henkel曲线和磁黏滞系数S计算, 研究了Nd11.76Fe82.36B5.88(NdFeB), 以及高熵稀土永磁合金化合物(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88和(La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88等快淬条带的反磁化机理. 研究结果发现, 与纯NdFeB相比, 高熵稀土永磁材料的晶间耦合作用显著增强, 而磁偶极相互作用减弱. 这表明, 含重稀土的高熵材料中元素扩散机制在使样品均匀化的同时, 其矫顽力有大幅度提高, 矫顽力机制为硬磁相晶粒中的反磁化畴形核. (La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Dy0.2)11.76Fe82.36B5.88的磁黏滞系数大于纯NdFeB, (La0.2Pr0.2Nd0.2Gd0.2Tb0.2)11.76Fe82.36B5.88由于硬磁相反转与磁晶间耦合作用不同步, 导致样品在具有较大各向异性场的同时, 磁黏滞系数较小. 这表明高熵稀土永磁材料的反磁化机理与传统稀土永磁材料显著不同, 值得进一步深入研究.
数据论文
2025, 74 (2): 023102.
doi: 10.7498/aps.74.20241325
摘要 +
基于第一性原理计算方法研究不同浓度Fe掺杂对二维CuI半导体光电性质的影响. 研究结果表明, 本征二维CuI和Fe掺杂的二维CuI均为直接带隙半导体; 不同浓度Fe掺杂的二维CuI的总态密度和分波态密度图可知, 费米能级处能带数目增多是由于Fe元素掺杂后Fe-d和Fe-p轨道贡献所影响, 可以提高二维CuI的导电性. 随着Fe掺杂浓度的增大, ε1峰值逐渐减小, 且在能量相对较高的3 eV和6 eV附近的峰值向高能端移动, 浓度越大移动越明显; 这些均表明Fe掺杂可以增强二维CuI的耐高温性质; 当少量Fe掺杂时ε2峰值增大, 表明材料吸收电磁波的能力增强, 可以激发更多导电电子, 且随着Fe掺杂浓度的增加, 吸收能力下降, 因此二维CuI的导电性受到抑制. 本征二维CuI和Fe掺杂后二维CuI的吸收系数表明该半导体在紫外区域均具有强的光子吸收能力. 掺杂Fe原子的二维CuI反射系数随掺杂元素金属性增加逐渐增大. 本文研究为二维半导体材料及二维CuI在光电子器件中的应用提供理论参考. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00060 中访问获取.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (2): 024702.
doi: 10.7498/aps.74.20241487
摘要 +
界面纳米气泡的存在已被证实, 其在矿物浮选、水产养殖、废水处理等多个领域极具应用潜力, 但纳米气泡微观成核过程仍未明晰. 本研究基于气体扩散理论建立了纳米气泡生长动力学模型, 并借助分子动力学模拟研究了表面粗糙度和气体过饱和对纳米气泡成核和生长动力学的影响机制. 结果表明: 光滑均质表面上, 随着气体过饱和度从100增大至150, 纳米气泡的成核时间逐渐缩短, 生长速率逐渐加快, 且理论模型可以较好地拟合纳米气泡的生长动力学过程. 然而, 当气体过饱和度降低至50时, 纳米气泡在200 ns模拟时间内始终未成核, 这是由于低气体过饱和度时纳米气泡临界成核尺寸较大导致成核难度增加. 在凹坑宽度为1—10 nm的粗糙表面上, 气体过饱和度为50时, 表面凹坑均迅速生成气核, 但凹坑宽度在2 nm以下时气核难以生长为纳米气泡. 理论分析表明: 只有凹坑尺寸所对应的最小气泡半径达到纳米气泡临界成核半径时, 凹坑中的气核才能生长为纳米气泡. 研究结果将进一步完善纳米气泡成核理论体系, 同时为纳米气泡生成调控及应用提供理论支撑.
2025, 74 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.74.20241371
摘要 +
报道了基于种子脉冲预整形实现的百微焦1550 nm线偏振脉冲单频光纤激光器. 通过设计三角形脉冲种子波形, 优化其前沿上升趋势及低强度持续时间, 缓解脉冲激光在放大过程中因增益饱和效应引起的脉冲宽度压缩、激光峰值功率快速增长问题, 实现高能量脉冲单频激光放大. 实验中基于优化设计的脉冲种子波形, 在纤芯直径为12 μm的铒镱共掺光纤中, 实现了脉冲宽度608 ns、能量130 μJ、光谱线宽542 kHz的1550 nm线偏振脉冲单频激光输出.
2025, 74 (2): 024701.
doi: 10.7498/aps.74.20241307
摘要 +
以轨道再入实验飞行器为研究对象, 采用热化学非平衡磁流体动力学模型对高超声速飞行器的表面热流进行数值模拟, 分析了不同飞行工况下壁面催化条件对气动热环境影响规律, 研究了外加磁场条件对热化学非平衡流场影响机制. 结果表明: 再入过程中, 表面热流随催化复合系数的增加呈单调递增分布, 壁面催化条件显著影响磁流体动力学控制效果, 总热流密度与壁面附近原子组分堆积量、扩散梯度及温度梯度密切相关. 外加磁场作用下, 壁面附近氧原子、氮原子组分堆积量减少; 洛伦兹力导致激波脱体距离增大, 组分扩散梯度、壁面温度梯度降低. 磁控热防护系统“电磁冷却”能力从大到小依次为全催化、有限催化、非催化壁面.