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- Vol.73 No.20
2024年10月20日
- Vol.73 No.19
2024年10月05日
- Vol.73 No.18
2024年09月20日
- Vol.73 No.17
2024年09月05日
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量子电动力学(QED)作为原子分子精密谱的理论基础, 为理解微观物理世界提供了坚实的框架. 少电子原子分子体系由于其相对简单的电子结构, 成为高精度计算与测量的理想对象, 是检验束缚态QED理论的独特平台. 随着冷原子物理和激光技术的迅猛发展, 原子分子光谱的精密测量也不断取得突破. 精度的提升使得能级的位移揭示出越来越多的物理效应, 为检验QED理论、测量基本物理常数、揭示原子核结构以及探索新物理开辟了重要的科学路径. 可以说, 历经一个多世纪的发展, 少电子原子分子精密谱研究仍然在推动着物理学的前沿进展.
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近几年对活性粒子的研究已成为很多领域研究者关注的重要课题之一, 其中关于活性手征粒子的相分离问题具有重要的理论和实际意义. 本文通过朗之万动力学研究了具有不同扩散系数的活性手征粒子组成的二元混合系统中粒子的相分离. 较小的相对扩散系数有利于“冷”粒子形成大的团簇而分离, 较大的相对扩散系数则会减弱分离效果. 由于粒子特征(自驱动速度、自转角速度)和相对扩散系数对粒子间碰撞作用的影响, 系统要使“冷”“热”粒子达到相分离, 自驱动速度和自转角速度的增大(或减小)不能同步, 自驱动速度的相对变化率要小于自转角速度的相对变化率. 通过分析“冷”粒子有效扩散系数的变化, 系统相分离现象得到了很好的解释. 有效扩散系数较小意味着“冷”粒子会聚集形成较大的团簇, 系统可出现相分离现象, 而当有效扩散系数较大时“冷”粒子的扩散较强, 不会形成大的团簇产生相分离. 另外, 随着粒子填充率的增大“冷”粒子最大团簇粒子数占比曲线进行先增大后减小的非单调变化, 每条曲线存在一段最优粒子填充率宽度. 相对扩散系数和自驱动速度的增大, 会使曲线的最优填充率宽度变窄并向右偏移.
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考虑到单纵模激光器作为多普勒测风激光雷达的激励光源需要复杂的种子注入技术和高精度的稳频锁频技术, 本文提出了以自由运转的多纵模激光器作为激励光源的直接多普勒测风激光雷达, 以降低激励光源的实现难度和复杂性. 针对典型Nd:YAG脉冲激光器, 研究了不同激光辐射线宽、光学谐振腔长和中心波长条件下多纵模激光激励的大气弹性散射回波光谱的分布模式. 为了综合利用大气风场导致的多纵模激光中每个纵模所激励大气弹性散射回波光谱的多普勒频移, 利用具有周期性透过率曲线且四个输出通道相位各相差π/2的可调谐四通道马赫-曾德尔干涉仪, 实现对多纵模大气弹性散射回波光谱多普勒频移的高精度鉴别. 在此基础上, 构建了多纵模激光器体制下直接多普勒测风技术大气风场反演的数学模型. 仿真结果表明, 所提出的多纵模直接多普勒测风激光雷达能够实现对大气风场信息的高精度测量, 并且激光中心波长越大, 激光光学谐振腔长越短, 系统测风范围越大, 测风误差越小.
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近年来, 基于宇称-时间(parity-time, PT)对称的非厄密物理机制在磁谐振式无线电能传输(wireless power transfer, WPT)领域取得了显著进展. 非厄密物理不仅有效地解释了当前WPT领域基于电路理论分析的主要实验结果, 而且为进一步提升WPT器件的传输效率、距径比、鲁棒性等方面提供了全新的原理支撑. 本文主要综述了基于PT对称、高阶PT对称、高阶Anti-PT对称等条件下的高效稳定磁谐振式WPT的研究进展, 揭示了非厄密物理在该领域的独特作用机制及重要应用. 最后对非厄密物理在WPT领域的应用前景进行了展望.
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精密原子光谱实验和理论在测量基本物理常数和检验量子电动力学理论中起着关键作用, 同时为研究原子核内部结构和发展高精度核结构理论提供重要观测平台. 许多原子光谱实验中, 核结构效应如电荷分布、磁矩分布和核极化度已被精确测定, 大大提高了核结构检测的精度. 本文系统论述了关于轻质量电子原子与缪子原子兰姆位移和超精细结构中的双光子交换效应的理论框架与研究发展. 着重介绍了先进的核力模型和核结构第一性原理计算方法在上述问题中的应用. 轻质量原子中双光子交换效应的理论研究对于从原子光谱测量中确定核电荷半径和Zemach半径具有重要作用. 这些研究结果不仅能加深对原子核内部结构以及核子-核子相互作用的理解, 还为未来实验提供重要的理论指导, 推进对质子半径难题以及其他轻核半径测量问题的理解.
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为了研究NO2在未掺杂石墨烯和掺杂石墨烯(N掺杂、Zn掺杂、N-Zn双掺杂)上的吸附, 本工作采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势对其吸附过程进行模拟. 计算了石墨烯表面吸附NO2分子的吸附能、Mulliken分布、差分电荷密度、态密度和光学性质. 研究结果表明, 与未掺杂石墨烯表面相比, 掺杂石墨烯表面对吸附NO2表现出了更高的敏感性, 吸附能大小顺序为: N-Zn双掺杂表面 > Zn掺杂表面 > N掺杂表面 > 未掺杂表面. 未掺杂石墨烯和N掺杂石墨烯表面与NO2的相互作用较弱, 是物理吸附. Zn掺杂和N-Zn双掺杂石墨烯表面与NO2之间形成了化学键, 是化学吸附. 在可见光范围内, 3种掺杂方式中 N-Zn双掺杂表面对于提高石墨烯光学性能效果最佳, 其吸收系数和反射系数的峰值较未掺杂石墨烯表明分别提高了约1.12倍和3.42倍. N-Zn双掺杂石墨烯不但能增强表面与NO2的相互作用, 同时也能提高材料的光学性能, 这为基于石墨烯基底的NO2气体检测传感提供了理论支撑和实验指导.
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高电荷态离子(highly charged ion, HCI)的精细结构及辐射跃迁性质的精确测量不仅可以检验基本物理模型, 包括: 强场量子电动力学(quantum electrodynamics, QED)效应、电子关联效应、相对论效应、原子核效应等, 而且能够为天体物理和聚变等离子体物理提供关键原子物理参数. 相对于研究较多的类氢和类锂离子体系, 类硼离子的精细结构禁戒跃迁的相对论效应和QED效应的贡献很大, 高精度实验测量与理论计算为进一步检验多电子体系的基本物理模型提供了重要途径. 此外, 类硼离子也被认为是最佳的高电荷态离子光钟候选体系. 本文主要介绍了类硼离子基态2P3/2—2P1/2跃迁的实验和理论研究最新进展, 概述了其精细结构和超精细结构的研究现状, 并讨论了使用电子束离子阱结合高分辨光谱学实验技术开展类硼离子超精细分裂实验测量的方案, 为未来开展类硼离子超精细分裂实验研究并在更高精度上检验QED效应, 提取原子核磁化分布半径, 检验相关的核结构模型等研究提供了参考.
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少电子离子束缚态电子g因子的精密测量是借助原子分子体系研究束缚态量子电动力学(QED)理论的有效途径. 特别是在高电荷态重核体系中, 原子核与内壳层电子之间极强的电磁相互作用为研究极端电磁场环境下的QED效应提供了独一无二的条件. 通过精确测量束缚态电子g因子, 还可以分析核效应、测定核结构参数、确定基本物理常数等. 少电子离子束缚态电子g因子的研究已经成为精密谱学方向的前沿课题. 潘宁离子阱(借助稳态电磁场囚禁离子的系统)是进行g因子测量的有效实验装置之一. 本综述将对基于潘宁离子阱开展少电子离子束缚态电子g因子的实验研究进行全面回顾, 介绍基本实验原理与测量方法, 重点论述该领域在近几年中的重要实验成果, 并对未来发展进行简要展望.
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通过氢分子离子振转光谱的高精度实验测量和理论计算, 可以精确确定基本物理常数, 如质子-电子质量比、氘核-电子质量比、里德伯常数、以及质子和氘核的电荷半径. 氢分子离子光谱包含丰富的超精细结构, 为了从光谱中提取物理信息, 我们不仅需要研究振转光谱跃迁理论, 还需要研究超精细结构理论. 本文回顾了氢分子离子精密光谱的实验和理论研究历程, 着重介绍了氢分子离子超精细结构的研究历史和现状. 在20世纪的下半叶就有了关于氢分子离子超精细劈裂的领头项Breit-Pauli哈密顿量的理论. 随着21世纪初非相对论量子电动力学 (NRQED) 的发展, 氢分子离子超精细结构的高阶修正理论也得到了系统的发展, 并于最近应用到$\text{H}_2^+$和$\text{HD}^+$体系中, 其中包括$m\alpha^7\ln(\alpha)$阶量子电动力学(QED)修正. 对于$\text{H}_2^+$, 超精细结构理论计算经过数十年的发展, 可以与20世纪的相应实验测量符合. 对于$\text{HD}^+$, 最近发现超精细劈裂实验测量和理论计算存在一定的偏差, 且无法用$m\alpha^7$阶非对数项的理论误差来解释. 理解这种偏差一方面需要更多的实验来相互检验, 另一方面对理论也需要进行独立验证并发展$m\alpha^7$阶非对数项理论以进一步减小理论误差.
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由一个质子、一个氘核和一个电子组成的氢分子离子“HD+”是最简单的异核双原子分子, 其有着丰富的、可精确计算和测量的振转跃迁谱线. 通过HD+振转光谱实验测量和理论计算的对比, 可实现物理常数的精确确定, 量子电动力学理论的检验, 并开启了超越标准模型新物理的探寻. 目前, HD+的振转跃迁频率确定的相对精度已经进入了10–12量级, 并由此获得了当前最高精度的质子电子质量比, 相对精度达到20 ppt (1 ppt = 10–12). 本文全面介绍了目前HD+振转光谱的研究现状与理论背景, 阐述了基于Be+离子协同冷却HD+分子离子的高精度振转光谱测量方法, 包括Be+离子和HD+分子离子的产生与囚禁, HD+外态冷却与内态制备, 双组分库仑晶体中HD+数目的确定, 以及HD+振转跃迁的探测. 最后, 文章展望了进一步提高频率测量精度的光谱前沿技术, 及同位素氢分子离子的振转光谱在未来研究中的发展前景.
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