亮点文章
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在磁性原子气体中, 偶极弛豫过程将系统的自旋与动能自由度耦合, 从而实现体系动能向塞曼能的转化. 利用光泵浦过程, 可以将偶极弛豫至高自旋态的原子重新泵浦回基态, 实现持续的冷却循环, 有效降低体系温度. 由于单次冷却循环中移除的能量远大于散射光子能量, 这种退磁冷却方案显著提升了冷却效率并减少了原子损失. 本文通过建立结合偶极弛豫与光泵浦过程的态耦合方程, 对镝原子的退磁冷却进行了理论建模与计算, 研究了相关实验参数对冷却效率及冷却极限温度的影响, 确定了实现镝原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验参数范围和技术指标要求. 结果表明, 在最优实验参数下, 退磁冷却可以在亚秒时间内直接制备大原子数的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚, 其冷却效率比传统蒸发冷却高一个数量级.
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近年来, 基于非厄米拓扑理论, 研究者们通过调制声学晶体中的非互易耦合, 揭示了体态向界面塌陷的趋肤效应. 本工作实验设计了具有不同绕组数域之间的拓扑趋肤界面, 以操纵能量聚焦到非厄米一维声腔链的中间或两端. 首先, 通过电声耦合的方法实现了两个声学腔之间的非互易耦合, 并研究其特性. 其次, 将非互易耦合腔扩展成链状, 通过调制非互易电-声耦合来构建趋肤界面的位置. 实验结果表明, 对于不同的非互易耦合分布, 声音可以集中在中间界面或两端界面, 并且通过改变非互易耦合方向, 可以将趋肤界面从中间切换到两端. 本研究结果为设计控制声音传播的先进拓扑声学装置提供了一个新平台.
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结直肠癌是全球癌症死亡的主要原因之一, 常用的光学或超声消化道内镜仍然存在穿透深度低、对比度差、功能/分子成像能力不足等问题. 本文介绍了一种小型化的手持式光声/超声双模态内窥探头, 旨在克服现有技术在穿透深度和分子成像能力方面的限制. 实验结果表明, 该探头在组织12 mm深度下分别达到了345 μm的光声横向分辨率和185 μm的超声横向分辨率, 并具有良好的对复杂结构目标成像的能力. 本文还利用泵浦探测技术排除了血液背景的干扰, 实现了肿瘤深层组织内亚甲基蓝分子的高特异性成像. 这种小型化手持式光声/超声双模态内窥探头兼具大成像深度、高空间分辨和高特异性分子成像的特点, 有望成为结直肠癌等消化道肿瘤诊断的重要工具, 为早期诊断和治疗监测提供强有力的支持.
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光电子能谱是一项在物质科学中被广泛应用的表征技术. 尤其是角分辨光电子能谱 (ARPES), 可以直接给出材料体系内电子的能量-动量色散关系和费米面结构, 是研究多体相互作用和关联量子材料的利器. 随着先进ARPES如时间分辨ARPES, Nano-ARPES等技术的不断发展, 以及同步辐射装置的更新换代, 将会产生越来越多的高通量实验数据. 因此, 探索准确、高效、同时能挖掘深层物理信息的数据处理方法变得愈发迫切. 由于机器学习天然具有的自动化处理复杂高维数据能力, 推动了包括ARPES在内的诸多领域的变革和技术创新. 本文综述了机器学习在光电子能谱中的应用, 包括对光谱数据进行降噪、进行电子结构分析、化学组成分析、以及结合理论计算获得的电子结构信息进行光谱预测. 进一步, 展望了更多机器学习算法在光电子能谱中的应用, 最终有望形成更加自动化的数据采集、预处理系统以及数据分析的工作流, 推动光电子能谱技术的发展, 从而推进量子材料和凝聚态物理前沿研究.
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活性分子与细胞膜之间的相互作用在许多基本的生物过程中扮演着至关重要的角色, 然而如何实现对此界面动力学过程的原位、实时、无标记且无侵入监测仍是生物物理研究领域所面临的一大挑战. 我们与合作者开发的光电压瞬态技术, 为解决这一问题提供了一种新途径. 该技术利用硅片光电响应生成电荷, 并将磷脂膜的充放电过程记录为电压瞬态脉冲、建立了该充放电过程与界面瞬时结构和性质之间的关联性. 因此, 通过对随时间演化的电压脉冲进行分析, 可以揭示活性分子作用下膜结构实时动态变化情况, 尤其是不同作用状态之间转换的时间信息, 可作为传统技术的有益补充. 同时, 该技术设备搭建成本低廉, 操作方便, 无需复杂的数据处理过程. 本综述概述了光电压瞬态技术的工作原理、设备搭建以及数据处理方法, 并以经典细胞膜模型——磷脂双层膜为例, 总结了该技术在探索磷脂膜水合特性及其与活性分子(如表面活性剂、聚合物、多肽和纳米颗粒)相互作用机制方面取得的最新进展. 最后就该技术优缺点进行讨论并展望未来发展前景.
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心律失常是当前生物物理交叉学科中发展得比较成熟的一个分支, 在实验和理论方面均取得了丰硕的成果. 近年来, 随着实验数据的积累, 人们在多个尺度上发现了更丰富多样的心律失常诱因, 这对物理学的研究提出了新的需求和挑战. 因此, 心肌系统的多尺度建模、计算和动力学分析是心律失常领域进一步发展的关键. 本文旨在对这个课题进行一个阶段性的回顾, 扼要介绍心肌多尺度建模的基本理念和方法, 并以尺度为脉络, 介绍近年来在心律失常机制理论方面取得的若干重要成果. 现有成果表明, 非线性动力学、斑图动力学和统计物理对心律失常的基本认识和理论的发展具有重要的意义. 未来的研究应在拓展模型尺度(向更微观和宏观方向拓展模型), 解决心律失常基础动力学问题(如非均匀系统的稳定性、斑图的相变理论), 以及解决更复杂而基本的生理医学问题(如心率变异、人群心律失常发生概率风险的评估)等方面继续深入探索.
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量子非局域共享问题是量子通信中的一类基本问题. 目前通过违反Mermin不等式和NS不等式证明了有无限个独立的Charlies可以与一对Alice和Bob共享标准三体量子非局域性和真正无信号非局域性. 然而, 上述结论是在理想状态下得出的, 在实际操作过程中不可避免地会受到各种噪声的影响, 这些因素都可能导致量子非局域性的减弱甚至消失. 本文主要针对含有噪声的三体量子共享非局域性的持久性问题进行一系列分析. 证明了即使在噪声环境下, 单个Alice和Bob仍然可以与任意多个Charlies共享标准三体量子非局域性的充分条件. 此外还给出了在非理想状态下, 任意多个独立的Charlies与一对Alice和Bob 共享真正无信号非局域性的充分条件. 结果表明, 即使在非理想的条件下, 只要噪声参数满足相应的条件, 标准三体量子非局域性和真正无信号量子非局域性仍然可以在多方之间安全地共享, 这可以为实际量子通信过程提供有价值的参考.
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半带隙开启特性是有机发光二极管独有的一种光电属性, 但电子注入层(electron injection layer, EIL)如何影响半带隙开启的研究还未见报道. 本文选取电子迁移率按数量级依次降低的EIL材料制备了三组控制器件, 发现随EIL电子迁移率的依次降低, 器件的开启电压分别呈现出半带隙(half-band-gap)开启、亚带隙(sub-band-gap)开启和正常开启的物理现象. 器件发光的特征磁效应(magneto-electroluminescence, MEL)结果显示: EIL电子迁移率高的器件实现半带隙开启主要归因于三重态-三重态湮灭(triplet-triplet annihilation, TTA, T1,Rb+ T1,Rb→ S1,Rb+ S0)过程有效降低了器件的开启电压(1.1 V). 但在EIL电子迁移率较低的器件中, 为注入更多电子需要在低电子迁移率的EIL上施加更高的电压, 从而抵消了TTA过程降低的开启电压, 因此随着EIL电子迁移率依次降低其开启电压表现为亚带隙开启(2.1 V)和正常开启(4.1 V). 此外, 高EIL电子迁移率的器件中TTA更强, 亮度更高. 这是由于器件中形成了更多数量的三重激基复合物EX3态并通过Dexter能量传递过程形成T1,Rb. 本工作进一步加深了对Rubrene/C60型器件中电子迁移率对开启电压影响的理解以及相关物理微观机制的认识.
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通过对Gd, Ho和Er进行元素替换, 成功设计制备出临界尺寸为2 mm的Gd20+2xHo20–xEr20–xCo20Ni10Al10(x= 0, 5, 10) 块体高熵非晶合金体系, 系统研究了稀土元素种类和含量对高熵非晶合金的微观结构、热力学性能和磁热性能的影响及调控机理. 研究结果表明, 随着Ho和Er逐步被Gd取代, 体系的热稳定性略有下降, 其中, 玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx逐渐降低. 与此同时, 液相线温度Tl升高, 导致玻璃形成能力的热力学判据, 如约化玻璃转变温度Trg,γ和γm降低. X射线和高分辨透射电子显微镜的结果分析表明, 随着Gd含量的增大, 体系的有序度减小, 有利于非晶相的生成. 另一方面, 随着Gd元素的加入, 磁热性能参量如居里温度Tc、峰值磁熵变($ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $)和相对制冷能力(relative cooling power, RCP)均逐渐升高, 其中Gd40Ho10Er10CoNiAl的$ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $和RCP最大, 分别为8.31 J/(kg·K)和740.82 J/kg. 研究结果表明, 稀土基高熵非晶合金体系的磁热效应包括RCP,Tc和$ | {\Delta S_{\text{M}}^{{\text{pk}}}} | $主要依赖于de Gennes因子, 与材料内部的有效磁矩并无直接关系, 而热力学性能主要受到4f电子引起的f-d杂化效应影响, 随着4f电子数的增加非晶合金体系的热稳定逐步增加. 综上所述, 我们可以借助稀土元素替换进行成分优选, 通过调控4f电子数获得具有较高热稳定性且Tc可调的稀土基非晶合金磁热材料.
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卤化物钙钛矿具有优异的电学和光学性能, 是光电子器件中理想的有源层候选材料, 特别是在高性能光探测方面显示出更具竞争力的发展前景, 其中全无机钙钛矿CsPbBr3因其良好的环境稳定性而被广泛关 注. 本文报道了一种具有快响应速度和低暗电流的垂直MSM型CsPbBr3薄膜光电探测器. 由于采用垂直 结构缩短了光生载流子的渡越距离, 器件具有超快的响应速度63 μs, 比传统平面MSM型光电探测器提高了两个数量级. 然后, 通过在p型CsPbBr3与Ag电极之间旋涂一层TiO2薄膜, 提升了界面光生载流子的分 离效率, 实现了钙钛矿薄膜与金属电极间的物理钝化, 从而大大降低了器件的暗电流, 在–1 V的偏压下暗电流只有–4.81×10–12A. 此外, 该种垂直MSM型CsPbBr3薄膜光电探测器还具有线性动态范围大(122 dB)、探测率高(1.16×1012Jones)和光稳定性好等诸多优点. 通过Sentaurus TCAD模拟发现, 电荷传输层可以选择性的阻挡载流子传输, 从而起到降低暗电流的作用, Sentaurus TCAD模拟结果与实验数据吻合, 揭示了电荷传输层降低器件暗电流的内在物理机制.
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