2019年 68卷 第22期
2019, 68(22): 220302.
doi: 10.7498/aps.68.20191463
摘要:
声子是晶格集体振动模式二次量子化之后的准粒子激元. 在声子的框架下, 可以对固体中的力学、弹性波以及热现象进行统一描述. 随着对固体系统认识的提高, 声子成为补充和替代电子、光子的另一种操控固体器件的重要手段. 其中, 对声子体系中弹性波和热传导的调控在理论和应用上都具有非常巨大的价值. 弹性波作为信息载体具有构建新型芯片元件的潜力, 而调控以声子为能量载体的热则可以实现能量转化与器件优化. 该领域近些年来发展迅猛, 大量声子热二极管、弹性和热学超材料、热抽运等新奇材料与器件已经被科学家们预测并...
声子是晶格集体振动模式二次量子化之后的准粒子激元. 在声子的框架下, 可以对固体中的力学、弹性波以及热现象进行统一描述. 随着对固体系统认识的提高, 声子成为补充和替代电子、光子的另一种操控固体器件的重要手段. 其中, 对声子体系中弹性波和热传导的调控在理论和应用上都具有非常巨大的价值. 弹性波作为信息载体具有构建新型芯片元件的潜力, 而调控以声子为能量载体的热则可以实现能量转化与器件优化. 该领域近些年来发展迅猛, 大量声子热二极管、弹性和热学超材料、热抽运等新奇材料与器件已经被科学家们预测并...
2019, 68(22): 220303.
doi: 10.7498/aps.68.20191317
摘要:
当两个晶格常数或晶格转角不同的二维材料叠加在一起时会出现周期性的莫尔条纹结构, 这种莫尔超晶格形成了一个新的二维周期势, 可以大大改变原有体系的物理性质. 最近石墨烯与石墨烯、石墨烯与六方氮化硼形成的莫尔超晶格提供了一个非常有趣的体系, 在该体系中石墨烯的电子能带结构发生了根本性的改变, 在原本的能谷处产生了额外的超晶格小能带, 由此产生了十分丰富的强关联效应和拓扑效应. 本文介绍关于石墨烯莫尔超晶格体系拓扑性质的理论和实验研究进展, 主要包括双层石墨烯的畴壁拓扑态、转角双层石墨烯的小能带拓扑态...
当两个晶格常数或晶格转角不同的二维材料叠加在一起时会出现周期性的莫尔条纹结构, 这种莫尔超晶格形成了一个新的二维周期势, 可以大大改变原有体系的物理性质. 最近石墨烯与石墨烯、石墨烯与六方氮化硼形成的莫尔超晶格提供了一个非常有趣的体系, 在该体系中石墨烯的电子能带结构发生了根本性的改变, 在原本的能谷处产生了额外的超晶格小能带, 由此产生了十分丰富的强关联效应和拓扑效应. 本文介绍关于石墨烯莫尔超晶格体系拓扑性质的理论和实验研究进展, 主要包括双层石墨烯的畴壁拓扑态、转角双层石墨烯的小能带拓扑态...
2019, 68(22): 220304.
doi: 10.7498/aps.68.20191410
摘要:
本文主要介绍了近期关于一维拓扑能带系统中淬火动力学的研究. 从两能带模型入手介绍了动力学陈数, 并给出它与初末态拓扑不变量之间的关系. 进而通过将一维含时波函数看作为1 + 1维母哈密顿量的基态, 给出了Altland-Zirnbauer分类对应的动力学拓扑分类, 并简要介绍了动力学的体边对应以及空间无序和能带色散对纠缠谱交叉的影响. 最后还介绍了利用超导量子比特模拟观测到动力学陈数.
本文主要介绍了近期关于一维拓扑能带系统中淬火动力学的研究. 从两能带模型入手介绍了动力学陈数, 并给出它与初末态拓扑不变量之间的关系. 进而通过将一维含时波函数看作为1 + 1维母哈密顿量的基态, 给出了Altland-Zirnbauer分类对应的动力学拓扑分类, 并简要介绍了动力学的体边对应以及空间无序和能带色散对纠缠谱交叉的影响. 最后还介绍了利用超导量子比特模拟观测到动力学陈数.
2019, 68(22): 220305.
doi: 10.7498/aps.68.20191398
摘要:
利用凝聚态物理中紧束缚哈密顿量与集中参数电子线路中基尔霍夫方程的对应关系, 可以在电子线路中设计出种类丰富的拓扑物态. 本文详细介绍用电路实现一维SSH模型、三维结线半金属模型和外尔半金属模型的设计方案. 在上述拓扑电路中可探测到端点态、表面鼓膜态、表面费米弧等体拓扑性质对应的界面态. 由于电子线路对应的紧束缚哈密顿量中的跃迁项具有丰富的调控自由度, 如强度、距离、维度等, 容易推广到非厄密系统以及四维或更高维度的系统, 使得人们能在电路中设计和验证传统凝聚态体系中难以实现或无法实现的新物态. ...
利用凝聚态物理中紧束缚哈密顿量与集中参数电子线路中基尔霍夫方程的对应关系, 可以在电子线路中设计出种类丰富的拓扑物态. 本文详细介绍用电路实现一维SSH模型、三维结线半金属模型和外尔半金属模型的设计方案. 在上述拓扑电路中可探测到端点态、表面鼓膜态、表面费米弧等体拓扑性质对应的界面态. 由于电子线路对应的紧束缚哈密顿量中的跃迁项具有丰富的调控自由度, 如强度、距离、维度等, 容易推广到非厄密系统以及四维或更高维度的系统, 使得人们能在电路中设计和验证传统凝聚态体系中难以实现或无法实现的新物态. ...
2019, 68(22): 224101.
doi: 10.7498/aps.68.20191085
摘要:
集成电磁器件尺寸的小型化一直都是该领域发展的重要方向, 具有亚波长、强束缚模式特性的表面等离激元电磁模式为集成电磁器件小型化提供了有力的解决方案. 但是, 支持表面等离激元的材料或结构不可避免地会出现杂质或者结构缺陷, 从而降低表面电磁波器件的传输性能. 为了避免表面等离激元器件性能受到杂质或缺陷的影响, 具有鲁棒传输特性的拓扑表面等离激元应运而生. 本文首先回顾了光频段表面等离激元和太赫兹/微波频段人工表面等离激元的实现方案以及电磁特性, 进而重点总结了拓扑表面等离激元的几种重要设计理论, 并...
集成电磁器件尺寸的小型化一直都是该领域发展的重要方向, 具有亚波长、强束缚模式特性的表面等离激元电磁模式为集成电磁器件小型化提供了有力的解决方案. 但是, 支持表面等离激元的材料或结构不可避免地会出现杂质或者结构缺陷, 从而降低表面电磁波器件的传输性能. 为了避免表面等离激元器件性能受到杂质或缺陷的影响, 具有鲁棒传输特性的拓扑表面等离激元应运而生. 本文首先回顾了光频段表面等离激元和太赫兹/微波频段人工表面等离激元的实现方案以及电磁特性, 进而重点总结了拓扑表面等离激元的几种重要设计理论, 并...
2019, 68(22): 224206.
doi: 10.7498/aps.68.20191437
摘要:
受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发, 一种基于拓扑能带论的新的研究领域——拓扑光子学正在兴起, 它突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想, 提供了一种新颖的光场调控机制和丰富的输运和光操控性质. 例如, 背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等. 本文将从拓扑光子体系的维度出发, 简要介绍不同维度中的拓扑模型、新奇物理现象以及相应的物理图像, 如SSH模型、光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、三...
受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发, 一种基于拓扑能带论的新的研究领域——拓扑光子学正在兴起, 它突破了传统基于实空间光场叠加原理和倒空间固体能带色散理论的光场调控思想, 提供了一种新颖的光场调控机制和丰富的输运和光操控性质. 例如, 背散射抑制且缺陷免疫的边界输运特性、自旋轨道依赖的选择传输特性、高维度的光场调控等. 本文将从拓扑光子体系的维度出发, 简要介绍不同维度中的拓扑模型、新奇物理现象以及相应的物理图像, 如SSH模型、光量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、三...
2019, 68(22): 224301.
doi: 10.7498/aps.68.20190951
摘要:
基于齿轮形散射体的蜂窝晶格声子晶体, 研究设计赝自旋相关的双频带声拓扑绝缘体. 选取不同的散射体结构参数, 可以获得蜂窝晶格声子晶体的四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 利用两种不同拓扑相的蜂窝晶格声子晶体设计实现声拓扑波导结构, 并实验验证了赝自旋相关的边缘模式鲁棒性. 此外, 保持蜂窝晶格声子晶体的结构不变, 同时可以在高频区域获得四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 所设计的双频带声拓扑绝缘体在多频带声通讯与声信息处理方面具有潜在的应用前景.
基于齿轮形散射体的蜂窝晶格声子晶体, 研究设计赝自旋相关的双频带声拓扑绝缘体. 选取不同的散射体结构参数, 可以获得蜂窝晶格声子晶体的四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 利用两种不同拓扑相的蜂窝晶格声子晶体设计实现声拓扑波导结构, 并实验验证了赝自旋相关的边缘模式鲁棒性. 此外, 保持蜂窝晶格声子晶体的结构不变, 同时可以在高频区域获得四重偶然简并狄拉克点与声拓扑相变. 所设计的双频带声拓扑绝缘体在多频带声通讯与声信息处理方面具有潜在的应用前景.
2019, 68(22): 226101.
doi: 10.7498/aps.68.20191101
摘要:
近期, 高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的概念激发了广泛关注和研究兴趣. 由于新的体-边对应关系, 在同一维度高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态的维度要低于一阶(或称传统)拓扑绝缘体和拓扑超导体的边界态. 本文阐述了高阶拓扑物态和一阶拓扑物态的联系. 具体展示了在同一维度上如何利用对称性的破缺从一阶拓扑物态转变为高阶拓扑物态, 以及如何利用低维的一阶拓扑物态构造高维的高阶拓扑物态; 回顾了高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的研究进展. 通过对近期的研究进展的回顾, 可以看出这一新兴领域虽然研究进展...
近期, 高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的概念激发了广泛关注和研究兴趣. 由于新的体-边对应关系, 在同一维度高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态的维度要低于一阶(或称传统)拓扑绝缘体和拓扑超导体的边界态. 本文阐述了高阶拓扑物态和一阶拓扑物态的联系. 具体展示了在同一维度上如何利用对称性的破缺从一阶拓扑物态转变为高阶拓扑物态, 以及如何利用低维的一阶拓扑物态构造高维的高阶拓扑物态; 回顾了高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的研究进展. 通过对近期的研究进展的回顾, 可以看出这一新兴领域虽然研究进展...
2019, 68(22): 226801.
doi: 10.7498/aps.68.20191631
摘要:
拓扑物态是近年来在凝聚态科学领域快速兴起的一个分支, 其中二维拓扑绝缘体由于在基础研究和应用前景方面存在巨大潜力而受到广泛关注. 二维拓扑绝缘体具有绝缘性体态和导电性边界态, 其边界态受时间反演对称性保护, 不会被边界弱无序杂质所背散射, 从而形成无耗散的边界导电通道. 由于边界态只能沿着两个方向传播, 意味着比三维拓扑绝缘体有更少的散射通道和更强的稳定性, 对发展低能耗的集成电路意义重大. 在研究二维材料的诸多实验手段当中, 扫描隧道显微镜具有高空间与高能量分辨率测量, 能够局域地探测材料表面...
拓扑物态是近年来在凝聚态科学领域快速兴起的一个分支, 其中二维拓扑绝缘体由于在基础研究和应用前景方面存在巨大潜力而受到广泛关注. 二维拓扑绝缘体具有绝缘性体态和导电性边界态, 其边界态受时间反演对称性保护, 不会被边界弱无序杂质所背散射, 从而形成无耗散的边界导电通道. 由于边界态只能沿着两个方向传播, 意味着比三维拓扑绝缘体有更少的散射通道和更强的稳定性, 对发展低能耗的集成电路意义重大. 在研究二维材料的诸多实验手段当中, 扫描隧道显微镜具有高空间与高能量分辨率测量, 能够局域地探测材料表面...
2019, 68(22): 227101.
doi: 10.7498/aps.68.20191538
摘要:
拓扑节线与节面金属指的是在费米能附近存在能带交叉, 并且这些交叉点在动量空间分别形成一维曲线和二维曲面的金属材料. 这种特殊的能带结构可以带来很多奇异的物理性质, 使得这两类体系在近几年得到了广泛关注. 本文着重讨论了节线与节面金属相关概念的发展, 回顾了有关的研究工作, 包括节线与节面的特征与分类以及相应材料的预测.
拓扑节线与节面金属指的是在费米能附近存在能带交叉, 并且这些交叉点在动量空间分别形成一维曲线和二维曲面的金属材料. 这种特殊的能带结构可以带来很多奇异的物理性质, 使得这两类体系在近几年得到了广泛关注. 本文着重讨论了节线与节面金属相关概念的发展, 回顾了有关的研究工作, 包括节线与节面的特征与分类以及相应材料的预测.
2019, 68(22): 227102.
doi: 10.7498/aps.68.20191544
摘要:
拓扑半金属材料是具有拓扑保护的能带交叠的一类无能隙拓扑量子材料, 具备许多独特的物理性质, 是目前量子材料研究的前沿领域. 根据能带交叠的简并度和维度等不同信息, 拓扑半金属材料可以分为拓扑狄拉克半金属、拓扑外尔半金属和拓扑节线半金属等. 具有高能量、动量分辨率的角分辨光电子能谱技术(ARPES)能够解析动量空间电子结构从而直接测量拓扑半金属中的拓扑电子态, 是研究拓扑半金属材料的重要实验手段. 本文系统回顾了利用ARPES技术测量的不同类型的典型拓扑半金属的电子结构特别是特征拓扑电子态, 从而...
拓扑半金属材料是具有拓扑保护的能带交叠的一类无能隙拓扑量子材料, 具备许多独特的物理性质, 是目前量子材料研究的前沿领域. 根据能带交叠的简并度和维度等不同信息, 拓扑半金属材料可以分为拓扑狄拉克半金属、拓扑外尔半金属和拓扑节线半金属等. 具有高能量、动量分辨率的角分辨光电子能谱技术(ARPES)能够解析动量空间电子结构从而直接测量拓扑半金属中的拓扑电子态, 是研究拓扑半金属材料的重要实验手段. 本文系统回顾了利用ARPES技术测量的不同类型的典型拓扑半金属的电子结构特别是特征拓扑电子态, 从而...
2019, 68(22): 227202.
doi: 10.7498/aps.68.20191433
摘要:
拓扑绝缘体是根据动量空间的拓扑不变量来定义的一类区别于普通绝缘体的新兴拓扑非平庸材料, 其体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质, 并且其表面态具有独特的自旋结构(自旋-动量锁定), 因此该类材料在光电器件和自旋电子器件领域有很多潜在的应用. 由于开展这些应用研究首先需要对这类材料中的电荷与自旋动力学有全面的了解, 所以拓扑绝缘体中的非平衡物理性质的研究引起了人们极大兴趣. 本文对这一研究领域所作的研究工作做了一个较全面的描述, 特别是跟时间分辨超快光谱相关的实验工作. 并希望文中的讨论能激发研究...
拓扑绝缘体是根据动量空间的拓扑不变量来定义的一类区别于普通绝缘体的新兴拓扑非平庸材料, 其体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质, 并且其表面态具有独特的自旋结构(自旋-动量锁定), 因此该类材料在光电器件和自旋电子器件领域有很多潜在的应用. 由于开展这些应用研究首先需要对这类材料中的电荷与自旋动力学有全面的了解, 所以拓扑绝缘体中的非平衡物理性质的研究引起了人们极大兴趣. 本文对这一研究领域所作的研究工作做了一个较全面的描述, 特别是跟时间分辨超快光谱相关的实验工作. 并希望文中的讨论能激发研究...
2019, 68(22): 227203.
doi: 10.7498/aps.68.20191501
摘要:
拓扑半金属中的手性反常通常是用负磁阻来检测. 然而, 手性反常导致的负磁阻对磁场和电流的夹角比较敏感, 这给测量带来了挑战. 最近, 作为一种新兴实验手段, 面内霍尔效应被越来越多地应用于拓扑半金属中手性反常的探测. 本文通过将拓扑Nodal-line半金属ZrSiSe块体机械剥离制备成的介观器件, 对其面内霍尔效应进行了测量并探究其起源. 尽管测量数据与拓扑半金属中手性反常导致的面内霍尔效应理论公式拟合得很好, 但各向异性磁电阻的分析结果表明, 负磁阻并不存在. 更进一步地, 根据最近报道提出...
拓扑半金属中的手性反常通常是用负磁阻来检测. 然而, 手性反常导致的负磁阻对磁场和电流的夹角比较敏感, 这给测量带来了挑战. 最近, 作为一种新兴实验手段, 面内霍尔效应被越来越多地应用于拓扑半金属中手性反常的探测. 本文通过将拓扑Nodal-line半金属ZrSiSe块体机械剥离制备成的介观器件, 对其面内霍尔效应进行了测量并探究其起源. 尽管测量数据与拓扑半金属中手性反常导致的面内霍尔效应理论公式拟合得很好, 但各向异性磁电阻的分析结果表明, 负磁阻并不存在. 更进一步地, 根据最近报道提出...
2019, 68(22): 227801.
doi: 10.7498/aps.68.20191098
摘要:
等离激元光子学是现代光电子科学重要的组成部分. 除了传统的基于贵金属的等离激元研究, 随着新材料的快速发展, 越来越多具有新颖的等离激元性质的材料被发现. 典型的例子是具有高局域性和可调节性的石墨烯等离激元. 随着拓扑理论和实验的快速发展, 与石墨烯一样具有狄拉克线性色散的拓扑材料的等离激元光谱研究也取得了长足的进步. 本文首先介绍拓扑绝缘体和拓扑半金属的等离激元的谱学实验进展, 特别是光谱方面的进展. 随后对更多的有潜力适合二维等离激元研究的拓扑材料进行了展望.
等离激元光子学是现代光电子科学重要的组成部分. 除了传统的基于贵金属的等离激元研究, 随着新材料的快速发展, 越来越多具有新颖的等离激元性质的材料被发现. 典型的例子是具有高局域性和可调节性的石墨烯等离激元. 随着拓扑理论和实验的快速发展, 与石墨烯一样具有狄拉克线性色散的拓扑材料的等离激元光谱研究也取得了长足的进步. 本文首先介绍拓扑绝缘体和拓扑半金属的等离激元的谱学实验进展, 特别是光谱方面的进展. 随后对更多的有潜力适合二维等离激元研究的拓扑材料进行了展望.
2019, 68(22): 227802.
doi: 10.7498/aps.68.20191007
摘要:
拓扑声学丰富了声传输方式, 其拓扑性质为声波背向散射抑制. 作为纵波, 声波不存在“自旋”. 前期工作中, 携带赝自旋的拓扑声传输大多基于拓扑相反转产生的界面. 本文将四个不同结构参数的空气腔排列成左手性和右手性原胞. 在相反手性声子晶体界面处, 发现局域化拓扑保护界面态. 由于空气腔中存在声学共振, 亚波长尺寸声波传输得以实现. 研究发现, 基于手性保护的界面态有较强的鲁棒性, 不受空气腔位置和尺寸改变的影响. 手性声子晶体中, 左手性和右手性超胞之间镜像对称界面处存在奇对称和偶对称声学模式....
拓扑声学丰富了声传输方式, 其拓扑性质为声波背向散射抑制. 作为纵波, 声波不存在“自旋”. 前期工作中, 携带赝自旋的拓扑声传输大多基于拓扑相反转产生的界面. 本文将四个不同结构参数的空气腔排列成左手性和右手性原胞. 在相反手性声子晶体界面处, 发现局域化拓扑保护界面态. 由于空气腔中存在声学共振, 亚波长尺寸声波传输得以实现. 研究发现, 基于手性保护的界面态有较强的鲁棒性, 不受空气腔位置和尺寸改变的影响. 手性声子晶体中, 左手性和右手性超胞之间镜像对称界面处存在奇对称和偶对称声学模式....
2019, 68(22): 227803.
doi: 10.7498/aps.68.20191452
摘要:
拓扑光子学、拓扑物理与光学的结合, 为凝聚态理论的验证以及新型光学器件的构建提供了新的视角. 紧束缚模型是凝聚态物理的重要研究手段. 我们发现, 将传统光子晶体的背景材料由通常的空气改为有效介电常数为负数的材料之后, 这样的光子晶体和紧束缚模型有一一对应的关系, 可以用于相关理论的验证. 通过数值仿真实验, 在蜂巢晶格负背景光子晶体结构中验证了之字形(zigzag)、胡须型(bearded)等界面态的存在性. 我们提出了两种实验构想, 以期在微波频段开发相应的凝聚态理论验证平台, 为拓扑物理的研...
拓扑光子学、拓扑物理与光学的结合, 为凝聚态理论的验证以及新型光学器件的构建提供了新的视角. 紧束缚模型是凝聚态物理的重要研究手段. 我们发现, 将传统光子晶体的背景材料由通常的空气改为有效介电常数为负数的材料之后, 这样的光子晶体和紧束缚模型有一一对应的关系, 可以用于相关理论的验证. 通过数值仿真实验, 在蜂巢晶格负背景光子晶体结构中验证了之字形(zigzag)、胡须型(bearded)等界面态的存在性. 我们提出了两种实验构想, 以期在微波频段开发相应的凝聚态理论验证平台, 为拓扑物理的研...
2019, 68(22): 227804.
doi: 10.7498/aps.68.20191510
摘要:
拓扑半金属是一类全新的拓扑电子态, 展现出丰富而有趣的物理性质. 这类材料不仅在未来电子器件方面具有潜在的应用价值, 同时也是目前量子材料领域研究的热点和前沿. 根据在三维动量空间中能带结构特点的不同, 拓扑半金属可以分为Dirac半金属、Weyl金属和Nodal-line半金属等. 人们已经利用各种实验技术手段对这些材料的物理性质进行了系统的研究. 例如: 角分辨光电子能谱可以直接观测到Weyl半金属表面态上连接两个具有相反手性的Weyl费米子的费米弧; 软X射线的角分辨光电子能谱还可以直接观...
拓扑半金属是一类全新的拓扑电子态, 展现出丰富而有趣的物理性质. 这类材料不仅在未来电子器件方面具有潜在的应用价值, 同时也是目前量子材料领域研究的热点和前沿. 根据在三维动量空间中能带结构特点的不同, 拓扑半金属可以分为Dirac半金属、Weyl金属和Nodal-line半金属等. 人们已经利用各种实验技术手段对这些材料的物理性质进行了系统的研究. 例如: 角分辨光电子能谱可以直接观测到Weyl半金属表面态上连接两个具有相反手性的Weyl费米子的费米弧; 软X射线的角分辨光电子能谱还可以直接观...
2019, 68(22): 227805.
doi: 10.7498/aps.68.20191363
摘要:
声子晶体中声表面波的调控在表面波应用方面有重要意义, 拓扑声学理论为声子晶体表面波调控提供了新的思路. 本文通过在硬质基板上排布蜂窝状晶格的空气圆柱孔阵列实现了结构表面局域的声表面波传播, 并可在布里渊区K点上形成狄拉克锥. 基于能带折叠理论构造复合胞, 在复合胞布里渊区中心处实现了由二重简并偶极子态(p态)和四极子态(d态)组成的双狄拉克锥. 通过扩大或缩小复合胞内相邻单元的间距,可以打开双狄拉克锥, 将p态和d态分离, 形成完全带隙. 研究进一步发现, 带隙附近声压场中声能流沿顺时针或逆时针...
声子晶体中声表面波的调控在表面波应用方面有重要意义, 拓扑声学理论为声子晶体表面波调控提供了新的思路. 本文通过在硬质基板上排布蜂窝状晶格的空气圆柱孔阵列实现了结构表面局域的声表面波传播, 并可在布里渊区K点上形成狄拉克锥. 基于能带折叠理论构造复合胞, 在复合胞布里渊区中心处实现了由二重简并偶极子态(p态)和四极子态(d态)组成的双狄拉克锥. 通过扩大或缩小复合胞内相邻单元的间距,可以打开双狄拉克锥, 将p态和d
2019, 68(22): 227901.
doi: 10.7498/aps.68.20191450
摘要:
拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命. 从电学属性来说, 人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体, 而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的. 拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统, 以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志. 强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态, 而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙. 这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值, 更是将来...
拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命. 从电学属性来说, 人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体, 而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的. 拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统, 以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志. 强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态, 而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙. 这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值, 更是将来...
2019, 68(22): 220201.
doi: 10.7498/aps.68.20191132
摘要:
采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了超高速撞击地面模拟试验, 研究了不同撞击位置、撞击速度、弹丸直径等工况下太阳电池阵的机械损伤特性. 试验结果显示: 地面模拟试验产生的穿孔区、玻璃盖片剥落区、裂纹扩展区等损伤形貌与在轨撞击产生的损伤形貌符合良好; 穿孔直径和玻璃盖片剥落区直径与弹丸的直径和撞击速度相关. 建立了撞击角为0°时太阳电池阵穿孔直径、玻璃盖片剥落区直径的损伤方程. 本文的研究方法对我国航天器太阳电池阵超高速撞击损伤特征研究有借鉴意义, 所建立的损伤方程对我国航天工程实践具有重要的工...
采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了超高速撞击地面模拟试验, 研究了不同撞击位置、撞击速度、弹丸直径等工况下太阳电池阵的机械损伤特性. 试验结果显示: 地面模拟试验产生的穿孔区、玻璃盖片剥落区、裂纹扩展区等损伤形貌与在轨撞击产生的损伤形貌符合良好; 穿孔直径和玻璃盖片剥落区直径与弹丸的直径和撞击速度相关. 建立了撞击角为0°时太阳电池阵穿孔直径、玻璃盖片剥落区直径的损伤方程. 本文的研究方法对我国航天器太阳电池阵超高速撞击损伤特征研究有借鉴意义, 所建立的损伤方程对我国航天工程实践具有重要的工...
2019, 68(22): 220301.
doi: 10.7498/aps.68.20190651
摘要:
本文把不变本征算符方法(invariant eigen-operator, IEO方法)推广到了基于拉格朗日量的矩阵形式, 将以往计算的思路和过程用简约的矩阵形式表示出来, 这对大规模复杂多回路的介观电路的计算有着重要的意义. 此外用该方法计算了三个L−C介观电路的本征频率, 包括存在互感和不存在互感的两种情形. 通过计算结果得出了这些电路的相关性质, 说明了本征频率只与介观电路本身的元件性质有关.
本文把不变本征算符方法(invariant eigen-operator, IEO方法)推广到了基于拉格朗日量的矩阵形式, 将以往计算的思路和过程用简约的矩阵形式表示出来, 这对大规模复杂多回路的介观电路的计算有着重要的意义. 此外用该方法计算了三个L−C介观电路的本征频率, 包括存在互感和不存在互感的两种情形. 通过计算结果得出了这些电路的相关性质, 说明了本征频率只与介观电路本身的元件性质有关.
2019, 68(22): 220501.
doi: 10.7498/aps.68.20191091
摘要:
提出了由两个二能级量子点、一个光子库与两个导体端构成的光子驱动量子点制冷机模型. 基于主方程, 导出了制冷机的制冷率和制冷系数的表达式, 获得了制冷机处于紧耦合时所满足的条件. 接着, 数值模拟出该制冷机处于紧耦合和一般情况下制冷率与制冷系数之间的性能特征图, 确定了制冷机性能的优化范围. 最后, 以最大制冷率、最大制冷率下的制冷系数、最大制冷系数和最大制冷系数下的制冷率作为优化目标, 分析了光子库温度、跃迁系数和温比对制冷机性能的影响.
提出了由两个二能级量子点、一个光子库与两个导体端构成的光子驱动量子点制冷机模型. 基于主方程, 导出了制冷机的制冷率和制冷系数的表达式, 获得了制冷机处于紧耦合时所满足的条件. 接着, 数值模拟出该制冷机处于紧耦合和一般情况下制冷率与制冷系数之间的性能特征图, 确定了制冷机性能的优化范围. 最后, 以最大制冷率、最大制冷率下的制冷系数、最大制冷系数和最大制冷系数下的制冷率作为优化目标, 分析了光子库温度、跃迁系数和温比对制冷机性能的影响.
2019, 68(22): 224201.
doi: 10.7498/aps.68.20190972
摘要:
近年来, 金属半导体纳米激光器作为超小尺寸的光源被广泛地研究, 其在光子集成回路、片上光互连、光通信等领域具有潜在的应用价值. 随着谐振腔体积的减小, 激光器损耗也迅速增加, 这阻碍了激光器进一步的小型化. 本文提出一种基于双凹型谐振腔的金属半导体纳米激光器结构. 该结构具有圆柱形的反射端面和内凹的弯曲侧壁, 能够使谐振模式集中于腔中心并减小辐射损耗, 从而提升品质因子和降低激光器阈值. 本文利用时域有限差分方法数值计算了三种不同曲线侧壁的双凹腔性能. 数值仿真结果表明, 相比于传统胶囊型腔结构...
近年来, 金属半导体纳米激光器作为超小尺寸的光源被广泛地研究, 其在光子集成回路、片上光互连、光通信等领域具有潜在的应用价值. 随着谐振腔体积的减小, 激光器损耗也迅速增加, 这阻碍了激光器进一步的小型化. 本文提出一种基于双凹型谐振腔的金属半导体纳米激光器结构. 该结构具有圆柱形的反射端面和内凹的弯曲侧壁, 能够使谐振模式集中于腔中心并减小辐射损耗, 从而提升品质因子和降低激光器阈值. 本文利用时域有限差分方法数值计算了三种不同曲线侧壁的双凹腔性能. 数值仿真结果表明, 相比于传统胶囊型腔结构...
2019, 68(22): 224202.
doi: 10.7498/aps.68.20190616
摘要:
提出了一种基于脉冲光纤激光放大器能量特性测量有源光纤中稀土离子上能级寿命的方法. 根据光纤激光器速率方程, 能够确定有源光纤中反转粒子数储能随抽运功率和时间的变化关系; 实验测量不同种子光脉冲重复频率下放大器输出单脉冲能量的变化, 可以反映出反转粒子数随时间的变化情况, 进而根据理论模型得到激活离子的激光上能级寿命. 实验搭建了1.06 μm掺镱(Yb3+)光纤激光放大系统对该测量方法理论模型的合理性进行了验证, 对几种常见商用掺Yb3+有源光纤激光上能级寿命分别进行了多次测量和数据处理, 测量...
提出了一种基于脉冲光纤激光放大器能量特性测量有源光纤中稀土离子上能级寿命的方法. 根据光纤激光器速率方程, 能够确定有源光纤中反转粒子数储能随抽运功率和时间的变化关系; 实验测量不同种子光脉冲重复频率下放大器输出单脉冲能量的变化, 可以反映出反转粒子数随时间的变化情况, 进而根据理论模型得到激活离子的激光上能级寿命. 实验搭建了1.06 μm掺镱(Yb3+)光纤激光放大系统对该测量方法理论模型的合理性进行了验证, 对几种常见商用掺Yb3+有源光纤激光上能级寿命分别进行了多次测量和数据处理, 测量...
2019, 68(22): 224203.
doi: 10.7498/aps.68.20190716
摘要:
基于宽带光源微光学元件(如集成导光板)在衍射色散方面的设计需求, 本文构建了宽带光源微光学元件衍射理论分析模型, 探讨分析了衍射光谱的色度规律特性, 提出并定义了能准确定量衡量衍射光束色散程度的色散量C, 同时明确给出了零色散的边界判据点. 通过对研制的矩形位相光栅进行测试分析, 所得的光谱色度特性规律与理论分析结果相一致, 实验结果验证了本文提出的色散度判据参量C和零色散边界点的正确性. 本文提出的宽带光源色散度判据参量C、零色散边界判据点, 不仅为集成导光板结构参数的设计提供指导, 而且也能...
基于宽带光源微光学元件(如集成导光板)在衍射色散方面的设计需求, 本文构建了宽带光源微光学元件衍射理论分析模型, 探讨分析了衍射光谱的色度规律特性, 提出并定义了能准确定量衡量衍射光束色散程度的色散量C, 同时明确给出了零色散的边界判据点. 通过对研制的矩形位相光栅进行测试分析, 所得的光谱色度特性规律与理论分析结果相一致, 实验结果验证了本文提出的色散度判据参量C和零色散边界点的正确性. 本文提出的宽带光源色散度判据参量C、零色散边界判据点, 不仅为集成导光板结构参数的设计提供指导, 而且也能...
2019, 68(22): 224204.
doi: 10.7498/aps.68.20190803
摘要:
采用二维空间调制解调技术可以提高低照度及高噪声环境条件下光电探测目标对象的能力, 本文提出了对二维空间调幅信号进行高精度检波的二维相敏检波器(two-dimensional phase-sensitive detector, 2D PSD)方法. 介绍了二维相敏检波器提取二维调幅图像中调制信号的工作原理, 并对二维相敏检波器抑制噪声、从噪声淹没的调幅图像中提取信号的能力进行了模拟仿真; 为消除屏蔽玻璃中金属丝网产生的网格调幅图像对屏蔽玻璃缺陷检测的影响, 对比分析了频域直接滤波方法、整流加滤波方...
采用二维空间调制解调技术可以提高低照度及高噪声环境条件下光电探测目标对象的能力, 本文提出了对二维空间调幅信号进行高精度检波的二维相敏检波器(two-dimensional phase-sensitive detector, 2D PSD)方法. 介绍了二维相敏检波器提取二维调幅图像中调制信号的工作原理, 并对二维相敏检波器抑制噪声、从噪声淹没的调幅图像中提取信号的能力进行了模拟仿真; 为消除屏蔽玻璃中金属丝网产生的网格调幅图像对屏蔽玻璃缺陷检测的影响, 对比分析了频域直接滤波方法、整流加滤波方...
2019, 68(22): 224205.
doi: 10.7498/aps.68.20191039
摘要:
半导体激光器储备池计算系统的性能受很多因素的影响, 如虚节点间隔、激光器的偏置电流和反馈强度等. 对于光注入信号方式, 注入强度和频率失谐的大小也会影响系统的性能, 使得工作点更难确定. 为此, 本文以10阶非线性自回归移动平均任务为基础, 提出一种选取半导体激光器储备池计算系统的最佳反馈强度与注入强度的方法. 该方法通过寻找在某一反馈强度和连续光注入条件下, 对应于储备池的注入锁定状态的最小注入强度来确定注入锁定状态的边缘; 沿此边缘, 通过测试系统性能选取最佳反馈强度以及与之配套的注入强度....
半导体激光器储备池计算系统的性能受很多因素的影响, 如虚节点间隔、激光器的偏置电流和反馈强度等. 对于光注入信号方式, 注入强度和频率失谐的大小也会影响系统的性能, 使得工作点更难确定. 为此, 本文以10阶非线性自回归移动平均任务为基础, 提出一种选取半导体激光器储备池计算系统的最佳反馈强度与注入强度的方法. 该方法通过寻找在某一反馈强度和连续光注入条件下, 对应于储备池的注入锁定状态的最小注入强度来确定注入锁定状态的边缘; 沿此边缘, 通过测试系统性能选取最佳反馈强度以及与之配套的注入强度....
2019, 68(22): 224701.
doi: 10.7498/aps.68.20190684
摘要:
边界层感受性是层流向湍流转捩的初始阶段, 是实现边界层转捩预测和控制的关键环节. 研究结果表明, 边界层感受性问题不仅受到不同自由来流扰动条件, 壁面局部粗糙和局部吹吸的几何大小、形状和位置等参数的影响之外, 还受到一个重要参数压力梯度的作用. 因此, 本文数值研究在自由来流湍流分别与壁面局部吹入和吸出相互作用下压力梯度在激发边界层感受性过程起什么样的关键性作用, 从而揭示不同压力梯度对壁面局部吹入或吸出边界层内被激发出T-S波波包以及T-S波波包向前传播群速度的影响; 分别讨论逆压力梯度、顺压...
边界层感受性是层流向湍流转捩的初始阶段, 是实现边界层转捩预测和控制的关键环节. 研究结果表明, 边界层感受性问题不仅受到不同自由来流扰动条件, 壁面局部粗糙和局部吹吸的几何大小、形状和位置等参数的影响之外, 还受到一个重要参数压力梯度的作用. 因此, 本文数值研究在自由来流湍流分别与壁面局部吹入和吸出相互作用下压力梯度在激发边界层感受性过程起什么样的关键性作用, 从而揭示不同压力梯度对壁面局部吹入或吸出边界层内被激发出T-S波波包以及T-S波波包向前传播群速度的影响; 分别讨论逆压力梯度、顺压...
2019, 68(22): 224702.
doi: 10.7498/aps.68.20190987
摘要:
适应系数是稀薄气体动力学中的重要参数, 反映了气体分子与固体表面的动量和能量适应程度, 常常用于稀薄气体数值模拟的边界条件中. 本文构建了单个气体分子Ar与金属Pt表面相互作用的物理模型, 通过Phontom模型来构造固体壁面以反映真实物理特性. 采用分子动力学方法模拟了气体分子在固体表面的碰撞过程, 通过速度抽样使得入射气体具有宏观速度特征, 根据入射前和反射后气体分子的平均动量和能量计算出切向动量适应系数、法向动量适应系数和能量适应系数, 分别在光滑和粗糙表面下分析了适应系数随宏观切向速度和...
适应系数是稀薄气体动力学中的重要参数, 反映了气体分子与固体表面的动量和能量适应程度, 常常用于稀薄气体数值模拟的边界条件中. 本文构建了单个气体分子Ar与金属Pt表面相互作用的物理模型, 通过Phontom模型来构造固体壁面以反映真实物理特性. 采用分子动力学方法模拟了气体分子在固体表面的碰撞过程, 通过速度抽样使得入射气体具有宏观速度特征, 根据入射前和反射后气体分子的平均动量和能量计算出切向动量适应系数、法向动量适应系数和能量适应系数, 分别在光滑和粗糙表面下分析了适应系数随宏观切向速度和...
2019, 68(22): 227201.
doi: 10.7498/aps.68.20190741
摘要:
本文在低密度聚乙烯(LDPE)中添加成核剂酚酞, 研究半结晶聚合物的结晶行为、显微结构、陷阱参数以及真空直流沿面闪络性能之间的关联. 显微红外测试结果表明, 酚酞存在于LDPE基体中. 扫描电镜及差式扫描量热测试结果表明, 酚酞掺杂明显改变了LDPE的结晶行为及显微结构, 增加了结晶度及片晶厚度, 减小了球晶尺寸, 并使球晶分布更加均匀. 热刺激电流结果表明, 酚酞掺杂在低密度聚乙烯中引入了更多的深陷阱, 随酚酞浓度增加, α陷阱深度从0.81 eV增加到0.99 eV, γ陷阱深度从0.19 ...
本文在低密度聚乙烯(LDPE)中添加成核剂酚酞, 研究半结晶聚合物的结晶行为、显微结构、陷阱参数以及真空直流沿面闪络性能之间的关联. 显微红外测试结果表明, 酚酞存在于LDPE基体中. 扫描电镜及差式扫描量热测试结果表明, 酚酞掺杂明显改变了LDPE的结晶行为及显微结构, 增加了结晶度及片晶厚度, 减小了球晶尺寸, 并使球晶分布更加均匀. 热刺激电流结果表明, 酚酞掺杂在低密度聚乙烯中引入了更多的深陷阱, 随酚酞浓度增加, α陷阱深度从0.81 eV增加到0.99 eV, γ陷阱深度从0.19 ...
2019, 68(22): 227301.
doi: 10.7498/aps.68.20191072
摘要:
HgTe/CdTe量子阱是一种特殊的二维拓扑材料, 其中的量子自旋霍尔效应在自旋电子器件应用方面极有潜力. “工”字形四端口体系纵向非局域电阻阻值为\begin{document}$0.25\;h/e^{2}$\end{document} ![]()
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HgTe/CdTe量子阱是一种特殊的二维拓扑材料, 其中的量子自旋霍尔效应在自旋电子器件应用方面极有潜力. “工”字形四端口体系纵向非局域电阻阻值为
2019, 68(22): 227701.
doi: 10.7498/aps.68.20190562
摘要:
由于铅对环境存在各种危害, 无铅铁电功能陶瓷的研究是当前研究热点之一. 弛豫铁电体因具有较低的容温变化率和大的电致伸缩系数, 在陶瓷电容器材料中占据重要地位. 且无铅功能陶瓷在高温介电行为和阻抗的分析研究工作对功能陶瓷在高温下的适用具有重要的指导意义. SrxBa1–xNb2O6陶瓷采用传统的高温固相反应法制备而成, 并系统地研究了SrxBa1–xNb2O6陶瓷的介温特性和阻抗. 值得注意的是, 铌酸锶钡的高温弛豫尚未研究报导. 结果显示, 锶在陶瓷中组分比例的增加会使铁电相转变为顺电的相变温度...
由于铅对环境存在各种危害, 无铅铁电功能陶瓷的研究是当前研究热点之一. 弛豫铁电体因具有较低的容温变化率和大的电致伸缩系数, 在陶瓷电容器材料中占据重要地位. 且无铅功能陶瓷在高温介电行为和阻抗的分析研究工作对功能陶瓷在高温下的适用具有重要的指导意义. SrxBa1–xNb2O6陶瓷采用传统的高温固相反应法制备而成, 并系统地研究了SrxBa1–xNb2O6陶瓷的介温特性和阻抗. 值得注意的是, 铌酸锶钡的高温弛豫尚未研究报导. 结果显示, 锶在陶瓷中组分比例的增加会使铁电相转变为顺电的相变温度...
2019, 68(22): 228101.
doi: 10.7498/aps.68.20190740
摘要:
采用分子动力学方法, 模拟了两块金[111]基板及其间由不同链长的直链烷烃CnH2n + 2 (n = 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18)组成的7种纯液体膜及6种混合分子液体膜的摩擦行为, 分析了分子链长对薄膜摩擦性质的影响以及滑动过程中的膜的结构变化机制. 结果表明: 在纯液体膜中, 十六烷液体膜的摩擦力最大; 碳原子数 n > 8时, 液体膜摩擦性质随着分子链长的增加而保持稳定. 在C6H14与CnH2n + 2的1∶1混合液体膜中, 己烷与十二烷混合液体膜的摩擦最大; 当长...
采用分子动力学方法, 模拟了两块金[111]基板及其间由不同链长的直链烷烃CnH2n + 2 (n = 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18)组成的7种纯液体膜及6种混合分子液体膜的摩擦行为, 分析了分子链长对薄膜摩擦性质的影响以及滑动过程中的膜的结构变化机制. 结果表明: 在纯液体膜中, 十六烷液体膜的摩擦力最大; 碳原子数 n > 8时, 液体膜摩擦性质随着分子链长的增加而保持稳定. 在C6H14与CnH2n + 2的1∶1混合液体膜中, 己烷与十二烷混合液体膜的摩擦最大; 当长...
2019, 68(22): 228301.
doi: 10.7498/aps.68.20190993
摘要:
炸药颗粒的冲击点火机理一直是人们关注并不断研究的课题, 但是迄今为止进展缓慢. 随着计算技术的高速发展, 三维离散元方法(three-dimensional discrete meso-element method, DM3)被认为是一种高效且直观的研究炸药冲击点火的有效手段. 本文基于三维离散元方法对奥克托今(HMX)颗粒在落锤撞击条件下的撞击变形和升温点火进行了研究, 模拟计算表明, 炸药的颗粒尺寸、堆积程度、内部缺陷以及落锤的冲击力大小都将影响HMX颗粒的升温点火和燃烧蔓延. 同时, 基于...
炸药颗粒的冲击点火机理一直是人们关注并不断研究的课题, 但是迄今为止进展缓慢. 随着计算技术的高速发展, 三维离散元方法(three-dimensional discrete meso-element method, DM3)被认为是一种高效且直观的研究炸药冲击点火的有效手段. 本文基于三维离散元方法对奥克托今(HMX)颗粒在落锤撞击条件下的撞击变形和升温点火进行了研究, 模拟计算表明, 炸药的颗粒尺寸、堆积程度、内部缺陷以及落锤的冲击力大小都将影响HMX颗粒的升温点火和燃烧蔓延. 同时, 基于...
2019, 68(22): 228401.
doi: 10.7498/aps.68.20190849
摘要:
忆容器是一种具有记忆性的非线性电容, 为研究忆容器的电路特性, 提出了一种压控型忆容器的二次曲线模型, 利用电流反馈型运放等器件构建了能够动态模拟忆容器q-v特性的仿真器. 通过仿真和实验观测到忆容器的滞回曲线, 以及随外加激励频率增加而收缩的特性. 分析了周期性激励信号的参数对忆容值取值范围的影响, 并对忆容器的非易失性和平衡点的稳定性进行了研究. 基于该忆容仿真器设计了一种多谐振荡器, 分析了振荡器的工作原理, 对振荡器的输出电压、忆容器的端电压、忆容器的磁通和电荷, 以及忆容器的滞回曲线进...
忆容器是一种具有记忆性的非线性电容, 为研究忆容器的电路特性, 提出了一种压控型忆容器的二次曲线模型, 利用电流反馈型运放等器件构建了能够动态模拟忆容器q-v特性的仿真器. 通过仿真和实验观测到忆容器的滞回曲线, 以及随外加激励频率增加而收缩的特性. 分析了周期性激励信号的参数对忆容值取值范围的影响, 并对忆容器的非易失性和平衡点的稳定性进行了研究. 基于该忆容仿真器设计了一种多谐振荡器, 分析了振荡器的工作原理, 对振荡器的输出电压、忆容器的端电压、忆容器的磁通和电荷, 以及忆容器的滞回曲线进...
2019, 68(22): 228501.
doi: 10.7498/aps.68.20190722
摘要:
氮化物子带跃迁探测器具备在近红外通讯波段高速工作和在太赫兹波段室温工作的潜力, 但材料强的极化作用容易造成器件效率降低. 本文分别针对工作于上述波段的典型器件, 理论分析了材料结构参数对器件能带结构、载流子浓度分布、极化效应以及光生载流子隧穿的影响. 近红外波段器件以光伏型器件结构为基础, 研究发现增加量子势阱的周期数、增大势阱掺杂浓度、以及保持接触层材料晶格常数与超晶格有源区平均晶格常数相同, 有助于增加基态能级上被载流子填充的量子势阱数, 从而增强器件的吸收效率. 太赫兹波段器件以双台阶器件...
氮化物子带跃迁探测器具备在近红外通讯波段高速工作和在太赫兹波段室温工作的潜力, 但材料强的极化作用容易造成器件效率降低. 本文分别针对工作于上述波段的典型器件, 理论分析了材料结构参数对器件能带结构、载流子浓度分布、极化效应以及光生载流子隧穿的影响. 近红外波段器件以光伏型器件结构为基础, 研究发现增加量子势阱的周期数、增大势阱掺杂浓度、以及保持接触层材料晶格常数与超晶格有源区平均晶格常数相同, 有助于增加基态能级上被载流子填充的量子势阱数, 从而增强器件的吸收效率. 太赫兹波段器件以双台阶器件...
