Vol. 62, No. 17 (2013)
2013年09月05日
总论
2013, 62 (17): 170201.
doi: 10.7498/aps.62.170201
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研究了一类(2+1)维扰动时滞破裂孤波方程. 首先讨论了对应的无时滞情形下的破裂方程,利用待定系数投射方法得到了孤波精确解. 再利用同伦、摄动近似方法得到了扰动破裂孤波方程的行波渐近解.
2013, 62 (17): 170202.
doi: 10.7498/aps.62.170202
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通过构造一个同伦映射, 研究了一类广义扰动KdV-Burgers方程. 在引入典型无扰动任意次广义KdV-Burgers方程扭状孤立波解的基础上, 研究了扰动方程的具有任意精度的近似解,指出了近似解级数的收敛性, 最后利用不动点定理,进一步说明近似解的有效性,并对精度进行了讨论.
2013, 62 (17): 170203.
doi: 10.7498/aps.62.170203
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利用同伦分析法研究了一类基于洛伦兹系统的交通拥堵相变问题的非线性方程. 通过选取不同的初始解和不同的线性算子,分别得到了问题的近似解和相应的残留误差. 通过与前人结果的比较得出,在研究该类问题时同伦分析法优于微分变换法; 在应用同伦分析法时,要选取尽可能接近原算子线性部分作为线性算子. 本文还给出了一种新的初始解选取方法(双同伦分析法). 数值模拟的结果证实了理论分析的正确性.
2013, 62 (17): 170301.
doi: 10.7498/aps.62.170301
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本文将有限元/边界积分方法(FE/BIM)结合区域分解方法引入到粗糙海面及其上方目标 的电磁散射问题的研究中. 由于积分边界可以以任意形状设置在距模型表面任意远的距离处, 故本文采用共形人工边界结合区域分解建模方法截断模型的开放计算区域以减少求解未知量, 在截断区域内部采用有限元方法求解, 而计算区域的边界条件通过边界积分方程方法得到. 通过与矩量法获得的数值计算结果进行比较, 证明了该混合算法及模型处理方法的正确性, 进而研究了海面上方弹体目标的电磁散射特性, 并讨论了其双站散射系数随电磁波入射角度、目标高度、海面风速以及弹体尺寸的电磁散射特性变化情况. 本文结果可用于反演复杂背景下的目标信息及目标探测等领域.
2013, 62 (17): 170302.
doi: 10.7498/aps.62.170302
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利用约化密度矩阵及信息的定义,研究了电磁诱导光透明机理下, 控制场变化过程中探测场与原子系综的Wigner-Yanse偏振信息, 结果表明:探测场信息转移过程中,原子的信息量不仅依赖于光子的数目及光子的状态, 还依赖于系综内原子的数目;调节控制场,使探测场不能通过介质时,探测场完成信息转移, 原子系综内单个原子信息量获得最大值,但探测场的信息量并没有完全地转移到原子系综.
2013, 62 (17): 170303.
doi: 10.7498/aps.62.170303
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将复合绝热通道技术应用于谐相互作用调制的Landau-Zener模型, 研究了调制频率和耦合强度在不同的参量条件下系统的跃迁概率, 发现这种方法能够有效抑制跃迁概率的非绝热振荡, 可以在很大的参数范围内使布居数完全反转, 实现超高保真度,将系统的误差降低到10-4以下.
编辑推荐
2013, 62 (17): 170304.
doi: 10.7498/aps.62.170304
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提出了基于两粒子纠缠态的一个三方量子密钥协商协议. 方案中的三个参与者是完全对等的, 且对建立的共享密钥具有相同的贡献. 除此之外, 三方中的任何一方或两方都不能事先单独决定共享密钥. 安全分析表明本协议既能抵抗外部窃听者的攻击, 又能抵抗内部参与者攻击.
2013, 62 (17): 170305.
doi: 10.7498/aps.62.170305
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为了解决量子信令远程传输损伤问题,提出了一种量子信令中继器模型. 在该模型中,首先对接收到的信令量子态进行纠缠纯化和纠缠分发,这样就可在收发双方之间建立纠缠信道. 其次,通过纠缠交换,传送所要发送的量子信令,从而完成量子信令的中继. 仿真结果表明,在保真度为0.98、纠缠对成功建立概率为0.98的条件下, 信令中继成功率可以达到97%以上;在纠缠交换概率、纯化概率和纠缠对成功建立概率都为0.98时, 量子信令中继器的吞吐量可达到183kbps,以上各项指标能够有效满足量子通信对信令中继的要求.
2013, 62 (17): 170501.
doi: 10.7498/aps.62.170501
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本文提出一个用于混沌蚁群优化算法的算法结束条件, 并 将算法结束条件加入混沌蚁群优化算法. 通过数值试验, 验证其有效性. 数值试验表明混沌蚁群优化算法可以得到较高精度 的最优解. 修改的混沌蚁群优化算法可以通过多次混沌搜寻, 逐步逼近最优解, 可以用来求解复杂连续空间优化问题.
2013, 62 (17): 170502.
doi: 10.7498/aps.62.170502
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基于李亚普诺夫稳定性理论, 严格证明了一类超混沌系统在间歇线性单向耦合下可以实现完全同步. 线性控制器通过一个开关函数来调节来实现‘停’和‘控’. 第一类开关函数由一个等幅度矩形波来控制, 控制器的打开和关闭选取不同的间隔周期(Ta, Tb); 第二类开关函数由一个等幅度方波来控制, 方波间隔周期记为T0; 首先通过构造指数类型的李亚普诺夫论证了两类开关函数调制下两个超混沌 系统在单向线性耦合下实现同步的可行性问题. 为了定量分析控制效果, 定义了一定周期内控制器的平均能耗. 在数值计算中, 对第一类矩形波函数情形则计算了二参数空间(Ta, Tb)下响应系统的最大李亚普诺夫指数分布, 同步区域/非同步区域分布, 控制器平均能耗分布, 确认在恰当的间隔周期(Ta, Tb)和耦合强度下,两个超混沌系统可以达到完全同步. 对第二类方波函数情形则计算了耦合强度和方波间隔周期T0而参 数区域内响应系统最大条件李亚普诺夫指数分布, 给定耦合强度下选择不同间隔周期下误差函数演化和平均能耗, 研究结果表明: 在恰当的耦合强度和间隔周期T0下两个超混沌系统可以达到完全同步. 同时发现, 在恰当的耦合强度下控制器的平均能耗最小, 数值计算结果验证了理论分析的可靠性.
2013, 62 (17): 170503.
doi: 10.7498/aps.62.170503
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拥堵控制中, 通过车辆运行状态感知与控制的交互融合, 实现对车辆有效控制的过程, 具有信息物理融合系统的典型特征. 本文基于Konishi等的研究工作, 从交通信息系统与交通物理系统融合的角度, 进一步考虑优化速度差和安全间距对车流的影响, 在耦合映射跟驰模型中, 提出了一种考虑最邻近前车综合信息的交通拥堵反馈控制方案. 运用反馈控制理论, 给出了头车速度发生变化时交通流保持稳定的条件, 并与前人工作进行了比较. 理论分析与数值模拟结果一致表明, 耦合映射跟驰模型在本文提出的控制方案下能更有效地抑制交通拥堵.
2013, 62 (17): 170504.
doi: 10.7498/aps.62.170504
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提出了一种基于复数域微分的资料同化新方法. 针对变分资料同化中目标泛函梯度计算复杂和精度不高的问题, 首先利用复变量求导法把梯度分析过程转化为复变泛函的数值计算, 进而高效和高精度地获得梯度值; 然后结合经典的最优化方法, 给出了非线性物理系统资料同化问题的新求解算法; 最后对典型混沌系统和包含开关现象的单格点比湿发展方程进行了资料同化数值实验, 结果表明新方法能非常有效地估计出非线性动力预报模式的初始条件.
2013, 62 (17): 170505.
doi: 10.7498/aps.62.170505
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本文构造了一类具有Markov性质的分段扩张线性映射, 计算表明其具有正的李雅普诺夫指数. 通过理论分析, 证明了其极限分布是均匀分布, 并给出了其最小周期的计算公式. 通过分析符号熵测度应用于此系统时的具体涵义, 指出该系统的复杂度与系统的最小周期之间存在着矛盾关系, 说明了此系统具有可控的复杂度并给出了其复杂度随系统参数变化时的理论极限公式. 通过统计测试和复杂度测试表明, 此系统产生的混沌序列服从均匀分布, 而通过参数的调整该系统的符号熵可以接近其理论极限, 而与Logistic映射和斜帐篷映射的基于近似熵和符号熵的对比实验可知, 本文所提系统具有更高的复杂度, 并有更长的最小周期. 这表明此系统比较适合用于构造保密通信系统.
2013, 62 (17): 170506.
doi: 10.7498/aps.62.170506
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针对扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法中难以建立准确的先验噪声模型的问题, 提出一种基于改进雁群粒子群算法的模糊自适应卡尔曼滤波算法. 利用分数阶微积分改进粒子进化速度, 利用混沌来改进粒子的初始化和发生早熟时的处理. 改进后的雁群粒子群算法在收敛速度与避免早熟方面有了很大改进, 并将改进的雁群粒子群算法用于模糊自适应扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法的训练, 并与用雁群粒子群算法训练的模糊自适应扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法进行对比, 其在定位与构图方面有很大的提高.
2013, 62 (17): 170507.
doi: 10.7498/aps.62.170507
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分析一个简单二阶延迟系统的Hopf分支和混沌特性, 包括分支点、分支方向和分支周期解的稳定性, 解析求出退延迟情况下, 这个系统的相轨线方程; 通过数值计算并绘制分岔图, 揭示系统存在由倍周期通向混沌的道路; 利用单路线性组合信号, 反馈控制实现系统的部分完全同步; 利用主动-被动与线性反馈的联合, 实现系统的完全同步; 设计和搭建系统的电子实验线路, 并从实验中观测到与理论分析或数值计算相一致的结果.
2013, 62 (17): 170508.
doi: 10.7498/aps.62.170508
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胰岛中间隙连接的胰腺β细胞的簇放电行为对胰岛素分泌起着重要的作用. 本文利用了最小的phantom 簇放电模型, 研究两个电耦合胰腺β细胞具有簇同步的组合簇放电, 其膜电位表现出一个长簇和几个短簇组成的放电簇集和振幅先减小后增大的小振幅阈下振荡的相互转迁. 在两个慢变量和快的膜电位的三维空间中, 分别考虑了中慢变量和慢慢变量作为分岔参数的多层次的快慢动力学分析, 研究这两个时间尺度不同的慢变量如何共同或单独地控制着这种组合簇放电的复杂动力学行为. 特别地, 探讨了耦合强度引起的组合簇放电的每个簇集中短簇个数变化的内在机理.
2013, 62 (17): 170509.
doi: 10.7498/aps.62.170509
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为解决用示波器观测单变量非线性系统难的问题, 本文提出了一种45线法, 该方法能将随时间变化的连续信号以特殊的方式转换成直角坐标上45线上的点图, 并可用通用双踪示波器 (模拟或数字均可)直接显示出来, 从而达到直接方便地观测和分析单变量被测系统运行时的各种状态, 如周期稳定态, 局部和全局不稳定态. 文中详细阐述了该方法的机理. 同时, 研究和解决了设计实现该方法物理电路的关键问题, 即从连续变化的信号中提取出能反映系统状态的有用信号. 由于蔡氏电路是典型的非线性系统, 且能随参数的变化产生各种丰富的状态, 本文选用该电路作为被测系统进行了大量的物理实验, 实验结果证实了该方法的有效性和实用性.
2013, 62 (17): 170510.
doi: 10.7498/aps.62.170510
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针对含有扰动的混沌系统, 设计采样同步控制器, 利用输入时滞法将含有采样同步控制器的混杂系统转换为具有输入时滞的连续系统. 并考虑对系统影响最坏的干扰程度, 在该种情况下, 基于线性矩阵不等式(LMI)技术和min-max鲁棒控制方法, 给出了使误差系统稳定的充分条件, 确保混沌系统在所容许的扰动下均能实现完全同步. 仿真结果说明所设计的采样同步控制方案具有很强的鲁棒性, 适合应用于保密通信系统中.
2013, 62 (17): 170511.
doi: 10.7498/aps.62.170511
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本文采用反演自适应动态滑模控制实现耦合FitzHugh-Nagumo (FHN) 神经元混沌同步. 该方法将自适应技术与反演控制方法相结合, 通过设计新型切换函数, 采用动态滑模控制律, 实现了带有不确定参数的耦合FHN神经元混沌放电同步. 研究表明该方法可以有效地削弱系统的抖振, 从而避免破坏神经元的本质特性, 且响应速度快. 仿真结果证明了该控制方法的有效性.
2013, 62 (17): 170601.
doi: 10.7498/aps.62.170601
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在明确飞秒激光与物质相互作用过程中冲击压强和冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝、铜、硅三种固体靶过程中的冲击压强与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀固体靶的时间分辨泵浦探测阴影图提取了冲击压强的绝对值. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料以及飞秒激光推进技术有重要意义.
2013, 62 (17): 170602.
doi: 10.7498/aps.62.170602
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透射光栅谱仪广泛应用于惯性约束聚变和其他激光等离子体相互作用领域. 而辐射光谱的精确测量依赖于测量设备的不确定度. 本文从标定过程出发, 分析了标定实验对透射光栅各级衍射效率带来的不确定度. 结合标定实验带来的不确定度, 分析了实验结果解谱过程带来的不确定度. 给出了0.1-5keV能段测量光谱的不确定度.
2013, 62 (17): 170603.
doi: 10.7498/aps.62.170603
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高精度测距在工业、航空航天、科学研究等方面都具有重要应用, 而不断发展的激光测距技术始终处于前沿研究领域. 本文研究飞秒光频梳绝对测距技术, 拓展光梳在长度测量领域的应用. 在利用脉冲激光进行任意绝对长度测量中常用到飞行时间法, 然而其测量分辨力受限于电子器件的带宽, 仅为毫米量级. 为克服这一缺点, 本文研究了光梳多脉冲序列之间的时间相干性, 结合多脉冲序列干涉法和飞行时间法提出了任意长绝对测距的方法, 搭建了基于改进型Michelson干涉原理的任意绝对测长系统, 通过同时测量多脉冲序列的一阶和二阶互相关信号, 可以分别计算出飞行时间的时间差, 即可得到被测距离. 利用光梳作为光源进行了0.6m的绝对测距实验, 将测量结果与高精度激光位移传感器的测量值进行比较, 实验结果表明本系统具有良好的测量线性度, 并且测距精度可达±0.5μm.
2013, 62 (17): 170701.
doi: 10.7498/aps.62.170701
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炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术 (MC-1) 是一种原理独特的高能量密度实验技术, 它是利用炸药内爆驱动金属套筒压缩其内部磁通量从而实现超高磁场, 利用超高磁场可以对其内部的样品实现等熵压缩. 由于这项技术具有超高磁场、等熵加载等特点, 在材料高压物性、新材料高压合成、及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景. 2011年, 中物院流体物理研究所在国内率先开展了这一方面的实验研究工作, 研制成功了单级MC-1实验装置, 观测到了MC-1实验的典型实验特征, 获得了超过430T的动态超强磁场. 数值分析表明, 利用这项技术可以实现对材料的等熵压缩. 这项技术的研究对于我国未来开展极端条件下的凝聚态物理研究具有积极的意义.
基本粒子物理学与场
2013, 62 (17): 171101.
doi: 10.7498/aps.62.171101
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在群的无限小变化下, 研究奇异变质量单面非完整系统Nielsen方程的Noether-Lie对称性. 建立系统运动微分方程的Nielsen形式, 给出系统Nielsen方程的Noether-Lie对称性的定义、判据和命题, 得到系统Nielsen 方程的Noether-Lie对称性所导致的Noether守恒量和广义Hojman守恒量. 最后给出说明性算例说明结果的应用.
原子和分子物理学
2013, 62 (17): 173401.
doi: 10.7498/aps.62.173401
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用电子冷却储存环提供的C6+脉冲高能离子束轰击Au靶, 测量到Au的Lα和Lβ X射线辐射谱, 分析结果表明, 在高能离子束的轰击下, Au原子的Lα的X射线产生截面大于Lβ的, 两个X射线产生截面随炮弹的动能增加而增加. 本文分别用PWBA理论和ECPSSR理论计算了此实验条件下的X射线产生截面, 结果比实验获得的结果大, 初步分析了其中的原因.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (17): 174101.
doi: 10.7498/aps.62.174101
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本文建立了Chodorow型耦合腔慢波结构的解析模型, 利用并矢格林函数结合矩量法求解了场匹配方程, 给出了色散方程和耦合阻抗的计算式, 并数值计算出一个X波段Chodorow型慢波结构的高频特性. 结果表明, 本文方法的色散特性以及耦合阻抗与仿真软件HFSS计算的结果有很好的一致性, 且计算效率更高, 同时精度远高于等效电路法, 对工程设计有好的参考价值.
2013, 62 (17): 174102.
doi: 10.7498/aps.62.174102
摘要 +
利用金属线单元组合法, 仿真设计并制作了一种在通信频段(0.8-3GHz)的双向多频超材料吸波器. 仿真与实验结果表明: 该吸波器对于不同极化和宽角度入射的电磁波有三个稳定的吸波频点, 分布在2.04GHz, 2.34GHz和2.65GHz, 吸收率分别达到92.3%, 95.3%和94.7%. 该吸波器设计简单、灵活性强、吸收效果好、易于加工, 为通信领域的电磁屏蔽或抗电磁干扰提供了新的方法.
2013, 62 (17): 174103.
doi: 10.7498/aps.62.174103
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二阶分形频率选择表面具有良好的双频特性, 是实现准光学选频网络小型化的理想选择. 但是由于其自相似迭代结构的复杂性, 导致其长期受到寄生谐振的影响, 为了提高二阶分形结构在工程应用中的可靠性, 本文建立了二阶方环分形周期单元的等效电路并分析了寄生谐振产生时的场分布情况, 研究了寄生谐振的形成机理; 进而通过单元间去耦合操作, 并引入基于离散粒子群算法的多参数优化过程, 克服了这一问题. 仿真和实验结果表明: 在保证双频工作特性、对于入射角和极化稳定的前提下, 通过去耦合和粒子群算法实现的频率选择表面实测对寄生谐振的抑制可达13dB, 且避免了新的寄生谐振的产生. 关于寄生谐振抑制的研究, 为增强二阶分形阵列结构的可靠性提供了新的思路.
2013, 62 (17): 174201.
doi: 10.7498/aps.62.174201
摘要 +
采用矢量角谱的方法分析了Airy-Gaussian光束的矢量结构, 运用静态相位法得出了光束远场矢量结构的解析表达式. 根据得到的TE项和TM项的解析表达式, 分别研究了TE项和TM项及整个光束的能流分布. 更好地阐明了Airy-Gaussian光束的物理图像, 从而为操控光束提供潜在的新方法.
2013, 62 (17): 174202.
doi: 10.7498/aps.62.174202
摘要 +
本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好.
2013, 62 (17): 174203.
doi: 10.7498/aps.62.174203
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眼动信息是识别观看视频、浏览网页等以视觉任务为主的行为的关键信息. 针对传统的可穿戴传感器普遍具有侵入性, 而现有基于视觉的眼动仪存在价格昂贵、校准过程复杂等问题, 本文尝试使用单一的标准网络摄像头获取眼动信息用于行为识别, 并评估了该方法的可行性. 提出一种针对低质量视频图像的虹膜跟踪算法以获取眼动信号, 然后分别从水平和垂直方向的眼动信号中提取出五种新的眼动特征, 并从中选择出最优特征子集, 最后采用支持向量机分类器评价了本文方法的可行性. 针对不同应用背景设计了三组验证实验: 留一交叉验证、k折交叉验证及单独校准测试, 三组实验中, 对不同参与者三种行为的平均识别正确率分别为68.4%, 79.3%及84.1%, 证明了基于视频图像的眼动分析用于行为识别是一种很有希望的传感形式, 并有望用于更为复杂的传感任务.
2013, 62 (17): 174204.
doi: 10.7498/aps.62.174204
摘要 +
针对单幅图像复原算法引入先验信息导致复杂度高、运算效率低的问题, 提出了单幅模糊图像点扩散函数估计的梯度倒谱分析方法. 首先给出了单幅模糊图像梯度倒谱估计其点扩散函数的基本原理, 利用相位恢复策略复原了二维点扩散函数相位信息, 实现了点扩散函数的快速估计; 其次, 为鉴别点扩散函数估计精度, 建立了图像梯度保真约束的全变分正则化图像复原模型, 并采用快速稳定收敛的交替方向策略优化能量函数; 通过对仿真和实拍单幅模糊图像进行的测试实验结果表明, 该方法快速准确地估计出点扩散函数, 克服了传统复原算法收敛速度慢的缺点, 有效抑制了振铃效应、保护了边缘信息, 为大尺寸单幅图像复原的工程化实现提供了理论和技术基础.
2013, 62 (17): 174205.
doi: 10.7498/aps.62.174205
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本文基于连续变量量子态构造小波变换的研究结果, 从经典信息的连续脊波变换出发, 利用有序算符内ket-bra型积分, 构造连续复脊波变换对应的量子算符和表象表示, 采用表象的内积运算与态矢投影展开, 研究量子光学态的复脊波变换理论.
2013, 62 (17): 174206.
doi: 10.7498/aps.62.174206
摘要 +
研究了Kerr介质中两个耦合二能级原子的纠缠演化规律, 通过concurrence计算了系统的纠缠度, 讨论了系统初态、Kerr 介质和原子之间的偶极相互作用对腔中两个原子纠缠度的影响. 结果表明: 通过适当选取Kerr介质的耦合系数和偶极相互作用强度, 可以获得固定的两原子纠缠, 并且可以提高两原子之间的纠缠, 甚至彻底消除纠缠猝死现象.
2013, 62 (17): 174207.
doi: 10.7498/aps.62.174207
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光信息的存储与读出效率对量子信息领域有着重要的意义, 电磁诱导透明是最常用的方法. 本论文基于电磁诱导透明方法首次在热原子系综中实验研究了反 向和同向读取原子自旋波信息的回复效率, 并对实验结果进行了理论分析, 实验和理论的结果都表明同向和反向读出效率的高低取决于原子系综中原子自旋波的强度空间分布. 这一实验研究将会对热原子系综中的光与原子信号相互转换过程的应用有着一定的意义.
2013, 62 (17): 174208.
doi: 10.7498/aps.62.174208
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激光器调谐过程中的动态线宽是非常重要的参数, 然而, 当前各种测量方法得到的都是激光器稳定状态下的静态线宽. 本文提出一种对干涉拍信号进行基于局部均值分解的时频分析进而获取激光动态线宽的方法, 通过仿真信号验证了这种时频分析方法提取瞬时相位噪声的有效性; 构建实验系统, 利用10cm路径差产生约0.5ns的超短时延, 提取相位噪声的时频分布, 首次得到了分布反馈半导体激光器在脉冲工作模式下的动态线宽.
2013, 62 (17): 174209.
doi: 10.7498/aps.62.174209
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通过半导体激光器两端的放大自发荧光辐射可以获取器件的光学增益信息. 本文利用这一新的增益实验测量方法, 开展了对连续运行的808nm GaAs/AlGaAs量子阱激光器横向电场 (TE)与磁场(TM)偏振增益特性的实验研究. 通过将实验结果与理论增益曲线对比, 分析了非应变GaAs量子阱TE和TM极化偏振对应的空穴子能带随注入电流的变化规律, 以及激光器在连续运行状态下的实际增益状态和影响因素.
2013, 62 (17): 174210.
doi: 10.7498/aps.62.174210
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针对当前液晶透镜盒间隙测试存在的难题, 文中提出采用线偏振干涉法测试方法, 采用光强均匀分布的单色光入射, 检偏器的偏光轴方向与起偏器的偏光轴垂直或者平行, 液晶透镜的液晶取向层的摩擦方向与起偏器偏振轴夹角为45°, 此时干涉条纹亮暗差别最明显. 利用液晶透镜中心保持预倾角不变的透过率以及其他位置透过率最大值来计算液晶透镜的盒间隙, 该方法简单、可靠, 因采用光学手段测试, 其精确度相对较高.
2013, 62 (17): 174211.
doi: 10.7498/aps.62.174211
摘要 +
通过在纤芯引入非均匀分布的高折射率介质柱, 获得了大模场面积、平顶型模场分布的新型微结构光纤. 运用数值仿真, 分析了光纤在不同的结构参数下的模场面积、基模模场分布等特性. 研究结果表明: 通过合理设计光纤的包层和纤芯参数, 可以实现有效的平顶模场分布. 在工作波长为1064nm时, 平顶光纤的基模模场面积可以达到1655μm2.
2013, 62 (17): 174212.
doi: 10.7498/aps.62.174212
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图像重建是光学成像、光声成像、声纳成像、核磁共振成像、 天体成像等物理成像领域中的关键技术之一. 近年来提出的压缩感知理论指出: 对稀疏或者可压缩信号进行少量非自适应线性投影,投影信号含有足够的信息, 从而能对信号进行高概率重建. 压缩感知已被应用于多种物理成像系统. 将罚函数法和修正Hesse阵序列二次规划方法相结合, 并采用了分块压缩感知思想, 提出一种基于lp范数的压缩感知图像重建算法. 以cameraman, barbara和mandrill图像为例, 采用该算法进行图像重建. 首先, 在不同采样率下对图像重建. 即便采样率低至0.3时, 也能获得高达32.23dB的信噪比, 重建图像清晰可辨. 验证了该算法的正确性. 其次, 将该算法与正交匹配追踪算法进行对比, 在采样率达到0.5以上时, 能够获得高信噪比的重建图像, 成像时间也大为减少, 特别是采样率为0.7时, 成像时间减少88%. 最后, 与现有基于lp 范数的压缩感知图像重建算法进行对比, 计算结果表明在成像质量有所提高的基础上, 成像时间大为缩短.
2013, 62 (17): 174701.
doi: 10.7498/aps.62.174701
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采用计算流体动力学的方法, 研究了微通道内气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性. 其中, 利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移, 利用分形几何学建立随机粗糙表面. 研究发现, 综合考虑二阶速度滑移边界条件和随机表面粗糙度在较大的平均Knudsen数范围内 (0.025-0.59) 得到的计算结果与实验数据符合得很好, 而一阶速度滑移边界条件只在平均Knudsen数较小时(<0.1)符合实验结果. 随机表面粗糙度对气体在边界处的滑移有显著影响, 相对粗糙度越大, 速度滑移系数越小. 并针对计算结果, 给出了滑移系数与相对粗糙度近似满足的关系. 随机粗糙表面对气体流动过程中的压强、速度、Poiseuille数也有显著影响.
2013, 62 (17): 174702.
doi: 10.7498/aps.62.174702
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针对波纹基底上含不溶性活性剂液滴的铺展历程, 采用润滑理论建立了液滴铺展数理模型, 推导出基态和扰动态下液膜厚度和活性剂浓度的演化方程组, 基于非模态稳定性理论分析了液滴铺展的稳定性及参数的影响规律. 研究表明: 扰动量在液滴中心及铺展前沿处很小, 在液膜最薄处达到最大值且活性剂浓度的负扰动现象比较明显; 扰动波数可增强液滴铺展稳定性, 但随扰动波数增加, 该稳定性逐渐下降甚至转变为不稳定. 增加 Marangoni数将导致液滴铺展不稳定性加剧; 增大基底高度具有增强液滴铺展稳定的作用, Peclet数和基底波数取适中值时有利于液滴铺展的稳定性.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (17): 175101.
doi: 10.7498/aps.62.175101
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黏度是流体的重要输运性质, 实验测量是获取黏度数据的基本手段. 圆柱定程干涉法是目前测量气相声速最精确的方法之一, 其测量参数为工质的声学共振频率和共振峰半宽. 共鸣腔中气相工质的黏性会导致共振频率的偏移和共振峰半宽的增加, 是声速测量中的重要非理想影响因素. 但通过对共振频率和共振峰半宽的精确测定, 并结合热边界层、进气导管、声学传感器及壳体振动等其他非理想因素的修正, 可以精确反推获得黏度. 本文从理论上探讨了应用圆柱定程干涉法测量共振频率或者共振峰半宽来得到黏度的新方法, 以氩 (Ar) 为例进行了实验验证, 测量结果与文献值具有较好一致性, 证实了方法的可行性.
2013, 62 (17): 175201.
doi: 10.7498/aps.62.175201
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采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小.
2013, 62 (17): 175202.
doi: 10.7498/aps.62.175202
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激光与等离子体相互作用研究是惯性约束聚变 (ICF) 研究中的重要研究内容. 为了定量研究神光III原型实验中激光与等离子体互作用产生的散射光能量和光谱, 研制了全孔径和近背向散射诊断系统, 并介绍了全孔径和近背反测量系统的光路结构. 对采用连续相位板技术后引起的激光焦斑变化进行了分析. 介绍了采用全孔径和近背向散射诊断系统在神光III原型上完成的考核束匀滑实验效果的实验, 对比了使用束匀滑前后背向散射系统获得的散射光份额和散射光谱分布. 实验发现, 在神光III原型使用800J能量 8束打靶的条件下, 使用束匀滑后背向散射光份额可以降低到5%以下, 其散射光谱也更加集中. 这些数据为黑腔能量学等研究的进一步发展起到重要的促进作用.
2013, 62 (17): 175203.
doi: 10.7498/aps.62.175203
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负载内外层电流分配是决定双层丝阵Z箍缩内爆动力学模式的关键因素. 在"强光一号"装置上, 利用微型磁探针系统定量测量了双层钨丝阵三个重要径向位置点的电流, 获得了其在驱动电流开始上升至驱动电流达到峰值之前20ns这一阶段内的时间演化行为. 实验使用的双层钨丝阵负载高度为20mm、单丝直径为3.8μm、内/外层丝阵直径分别为8mm/16mm. 对比了内/外层丝根数分别为42/21和21/42时电流分配的差异. 结果表明: 驱动电流上升过程中, 内外层丝阵的电流均逐步增大, 外层丝阵电流份额逐渐减小, 而内层丝阵电流份额逐渐增大; 内层丝阵最大电流份额未超过50%; 内/外层丝根数为21/42的负载外层电流较大.
2013, 62 (17): 175204.
doi: 10.7498/aps.62.175204
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大气压冷等离子体射流的传播机理一直是人们研究的一个热点. 本文采用自洽的二维等离子体流体模型, 研究了大气压氦气冷等离子体射流在自身环境气体中以及在介质管中的传播问题. 得到了电子密度、电离速率、空间电场以及电子温度等参量的时空分布规律, 分析了介质管大小以及介质管介电常数对射流放电性质的影响, 得到了一种提高电子密度和射流尺寸的新方法.
2013, 62 (17): 175205.
doi: 10.7498/aps.62.175205
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为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
2013, 62 (17): 176101.
doi: 10.7498/aps.62.176101
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本文通过理论和实验对液晶 5CB在剪切和电场耦合作用下流变行为进行了研究. 采用液晶连续理论, 建立了包括界面锚定能, 弹性自由能, 介电自由能和流动能在内的系统 Gibbs自由能公式, 通过最小化系统自由能的方法求解液晶在剪切和电场耦合作用下的取向分布及其黏度变化, 从分子基础模型上揭示了液晶在耦合作用下的流变行为、微观机理及其影响规律, 并通过流变测试对此进行验证. 对比分析了理论和试验结果的误差和原因, 发现界面锚定效应对于液晶分子的取向和黏度具有重要影响. 理论和试验结果均表明, 液晶在电场作用下具有明显的电黏效应, 表现出非牛顿流变行为, 其黏度值由剪切和电场的竞争和耦合作用共同决定. 在外电场作用下液晶的黏度可以增加到初始值的 4倍左右, 液晶这种其自身黏度可随着外场 (例如运动速度) 改变的特性在一定的条件下可以自适应地满足不同工况对黏度的要求, 这对实现智能摩擦润滑具有重要的意义.
2013, 62 (17): 176102.
doi: 10.7498/aps.62.176102
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本文利用高温油相法制备出尺寸、形状均一的 MnO纳米颗粒, X射线衍射图 (XRD) 和透射电子显微镜 (TEM) 照片清晰表明MnO纳米颗粒为单一的面心立方岩盐晶体结构, 尺寸为15nm, 粒径分布很窄. 通过零场冷却 (ZFC) 和带场冷却 (FC)的磁滞回线发现MnO纳米颗粒具有明显的交换偏置效应, 而且磁滞回线同时表现出横向和纵向偏移. 横向偏移说明纳米颗粒中两相复合的存在, 纵向偏移说明了存在自旋玻璃相或者超顺磁相. 进而通过不同频率下随温度变化的交流磁化率的测定, 根据Mydosh的经验数值确认 MnO纳米颗粒表面层为自旋玻璃相, 并得到 MnO纳米颗粒表面自旋玻璃相的转变温度为TSG=32K.
2013, 62 (17): 176103.
doi: 10.7498/aps.62.176103
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利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好.
2013, 62 (17): 176104.
doi: 10.7498/aps.62.176104
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基于密度泛函理论, 分别计算了α, γ铀的晶格常数、平衡态体积、体弹模量及其导数等, 与实验和其他第一性原理计算结果符合较好; 并根据焓-压强曲线得到了两相的相变压强～111GPa. 通过体心立方结构理想拉伸强度的计算, 分析其在极端加载条件下的结构行为. 另外, 计算了小应变情况下U-Nb (6.25at.%) 的能量-应变关系, 发现对应于剪切模量c’的应变会使得该结构的能量降低, 揭示了该结构的力学不稳定性.
2013, 62 (17): 176105.
doi: 10.7498/aps.62.176105
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用直径 300 nm的聚苯乙烯微球配制不同浓度的胶体晶体溶液, 将其快速注入内表面镀有导电薄膜的玻璃样品池中, 形成 (111) 晶面平行于玻璃表面的面心立方单晶结构. 通过激光衍射Kossel线方法, 研究了不同体积分数的胶体晶体样品 及它们在均匀电场作用下晶体结构的变化. 实验发现, 随着电场强度的增加, 胶体晶体表现为各向同性的压缩. 胶体晶体在恒定电场下始终保持面心立方结构, 晶格常数随着电场强度的增加逐渐减小. 实验结果可用电场力、电流体力学作用力及颗粒间静电斥力共同解释: 电场力使带电微球克服静电斥力并沿电场反方向运动导致晶体压缩, 而由电场力作用引起的电流体力学液流产生的持续推力使垂直于电场平面上的胶体微球相互靠近. 本实验为天宫一号搭载科学实验的地基实验.
2013, 62 (17): 176106.
doi: 10.7498/aps.62.176106
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本文通过数值模拟研究了H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 首先通过分析仿真程序中影响迁移率的物理模型, 发现通过修改了的由于表面散射造成迁移率退化的Lombardi模型, 仿真的SOI晶体管转移特性和实测数据非常符合. 然后使用该模型, 仿真研究了处于截止态 (VD=5V) 的 H形栅SOI NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应. 结果表明: 随着总剂量水平的增加, 器件在同等条件的重离子注入下, 产生的最大漏极电流脉冲只是稍有增大, 但是漏极收集电荷随总剂量水平大幅增加.
2013, 62 (17): 176401.
doi: 10.7498/aps.62.176401
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利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线.
2013, 62 (17): 176402.
doi: 10.7498/aps.62.176402
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采用基于密度泛函理论的第一性原理和准简谐晶格动力学方法对Ru的六角密排 (hcp)、面心立方 (fcc)、体心四方 (bct) 和体心立方 (bcc) 结构的磁性、晶格结构稳定性和高温高压下的相变进行了系统的研究. 计算获得了各相结构的磁性基态及其稳定性范围, 结果表明: 零温下在计算的压力范围内, NM-hcp 结构是Ru最稳定的结构, 压力的单独作用下并没有相变的发生; NM-fcc结构是Ru的亚稳定结构, 而NM-bcc和FM-bct结构在动力学上并不稳定. 高温高压下Ru将发生从NM-hcp到NM-fcc结构的相变, 并给出了Ru的温度压力相图.
2013, 62 (17): 176801.
doi: 10.7498/aps.62.176801
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采用脉冲激光沉积法在蓝宝石衬底上制备出可见光发光良好的氧化锌薄膜, 在不同的温度下进行了后退火处理. 随着退火温度的升高, 薄膜的可见光发光发生了显著改变, 载流子浓度、迁移率、电阻率也呈现出一定的变化规律. 结合 X射线衍射、扫描电子显微镜、光致发光谱及霍尔测量, 探讨了本征氧化锌薄膜可见光发光的发射机理, 并分析了其 n型导电的原因.
2013, 62 (17): 176802.
doi: 10.7498/aps.62.176802
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采用巨正则蒙特卡洛方法研究C2H6, CO2和CH4三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料 (ZIF)-ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能. 考察了C2H6, CO2和CH4三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热; C2H6-CH4, CO2-CH4 与C2H6-CO2等摩尔二元混合物的分离; 以及C2H6-CO2-CH4三元体系的分离性能. 研究结果表明: 低压下不同气体的吸附量大小与其吸附热关系紧密; 而高压下因有限的孔空间, 尺寸较小的气体分子吸附量增长趋向更快; 多组分吸附分离中, 低压下能量效应通常占据主导, ZIF优先吸附作用力较强的组分; 高压下堆积效应影响显著, ZIF会优先吸附尺寸较小的组分. ZIF-2和ZIF-71对这3种二元体系的分离性能良好. 对于三元混合物吸附分离, 在常温下3000-4000kPa范围内, ZIF-2具有良好的天然气净化性能, 可有效地分离出天然气中的C2H6和CO2.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (17): 177101.
doi: 10.7498/aps.62.177101
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本文基于密度泛函理论的第一性原理计算了单空位缺陷对 扶手椅型石墨烯纳米带电学特性的影响. 计算结果表明: 当单空位位于纳米带边缘位置时, 系统结构最稳定. 不同位置上单空位缺陷的引入都会使得原本为半导体的本征 扶手椅型石墨烯纳米带变成金属性; 随着单空位浓度的减小, 其对纳米带能带结构的影响逐渐减弱; 随着纳米带宽度的增大, 表征其金属性的特征值表现出震荡性的减弱. 单空位缺陷诱导的扶手椅型纳米带的半导体特性到金属特性的转变为石墨烯在 电子器件中的应用提供了理论指导.
2013, 62 (17): 177102.
doi: 10.7498/aps.62.177102
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采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理超原胞方法和虚晶近似方法, 在局域密度近似和广义梯度近似下, 对四方和正交以及单斜相K0.5Na0.5NbO3的能量和原子结 构以及电子结构进行了系统的研究. 计算结果表明三种K0.5Na0.5NbO3相的能量差别较小, 这与实验上它们之间容易发生相转化是一致的. 进一步发现单斜相的能量比四方相和正交相低, 说明单斜相结构更加稳定, 并且理论计算的结构参数与实验值符合得很好. 电子结构结果也表明单斜相的键合作用比四方相和正交相键合作用更强, 进一步说明单斜相结构更加稳定.
2013, 62 (17): 177301.
doi: 10.7498/aps.62.177301
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本文运用紧束缚模型对介观尺寸原子链的等离激发进行了系统的研究, 通过量子响 应理论和相无规近似得到了等离激元的本征频率方程, 通过该方程计算了系统中等离子体的激发能量, 并分别对体系的本征振荡以及外电场作用在原子链上发生共振的情况进行了研究. 结果表明, 体系在外场作用下发生共振时, 偶极矩的峰值与等离子体的激发态相对应, 说明外场此时激发了等离激元; 体系处在共振情况下, 电荷振荡的幅度远远大于非共振的情况, 相对来说体系的电荷虚部的共振更为明显. 对于体系的本征等离振荡频率, 同等长度时等离子体的激发能量总是大于同级的单电子激发能量; 等离激元的能谱与原子链的长度和电子密度以及系统的库仑关联强度都有很大关系; 在原子链长度保持不变的情况下, 等离子体的激发能量随电子数目的变化以半满为中心呈对称关系.
2013, 62 (17): 177302.
doi: 10.7498/aps.62.177302
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运用电流-电压(I-V), 变频电容-电压(C-V)和原子力显微镜 (AFM) 技术研究In组分分别为15%, 17%和21%的Ni/Au/-InAlN肖特基二极管InAlN 样品表面态性质 (表面态密度、时间常数和相对于InAlN 导带底的能级位置). I-V和变频 C-V方法测量得到的实验结果表明, 随着In组分增加, 肖特基势垒高度逐渐降低, 表面态密度依次增加. 变频 C-V特性还表明,随着测试频率降低, C-V曲线有序地朝正电压方向移动, 该趋势随着In组分的增加而变得更加明显, 这可能归结于InAlN表面态的空穴发射. AFM表面形貌研究揭示InAlN 表面粗糙度增加可能是表面态密度增加的主要原因.
2013, 62 (17): 177501.
doi: 10.7498/aps.62.177501
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针对磁性应力监测研究中力磁耦合关系有多种变化趋势且一直没有合理理论解释这一问题, 从磁性材料的微观磁畴运动出发, 根据磁致磁化过程, 详细分析了两种不同磁化状态下力致磁化的变化规律, 揭示出力磁耦合关系的变化特征, 进而提出磁化状态是导致力磁耦合关系差异的本质因素; 对工程上实际缆索用镀锌钢丝在不同磁化状态下进行了力磁耦合试验, 结果与理论一致: 力磁耦合关系随磁化状态的不同而不同, 本质上有效地解释了已有研究中力磁耦合关系的矛盾多样性.
2013, 62 (17): 177701.
doi: 10.7498/aps.62.177701
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采用脉冲激光沉积 (PLD) 方法在Si及SiC基底上制备了相同厚度的GaN纳米薄膜并对其进行了微结构表征及场发射性能测试分析. 结果表明: 基底对于GaN薄膜微结构及场发射性能具有显著的影响. 在SiC基底上所制备的GaN纳米薄膜相对于Si基底上的GaN纳米薄膜, 其场发射性能得到显著提升, 其场发射电流可以数量级增大. 场发射显著增强应源于纳米晶微结构及取向极化诱导增强效应. 本研究结果表明, 要获得优异性能场发射薄膜, 合适基底及薄膜晶体微结构需要重点考虑.
2013, 62 (17): 177801.
doi: 10.7498/aps.62.177801
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采用高温熔融法和热处理制备了Cr4+掺杂Li1.14Zn1.43SiO4微晶玻璃, 探讨了不同热处理温度下样品的物相、微观形貌及发光性能. 结果表明: 580℃热处理2h得到的微晶玻璃, Li1.14Zn1.43SiO4微晶的粒径约为5nm, 在808nm的二极管激发下, 可观察到中心波长位于1226nm, 半高宽为230nm的近红外宽带发射峰, 荧光寿命约为200.731.71s. 随着热处理温度的升高, Cr4+离子所处的晶体场环境发生了变化, 且可以观察到样品吸收光谱发生微弱的蓝移, 而荧光光谱发生少量的红移, 分析了晶体场环境变化对样品发光性能的影响.
2013, 62 (17): 177802.
doi: 10.7498/aps.62.177802
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由于尺寸缩小引起的量子效应, 硒(Se) 材料的低维纳米结构具有更高的光响应和低的阈值激射等特性, 因此成为纳米电子与纳米光电子器件领域一个重要的研究方向. 本文通过对非晶硒薄膜的快速热退火来制备硒纳米颗粒, 退火温度在100180℃之间时, 结晶后的硒纳米颗粒均为三角晶体结构, 其颗粒尺寸随退火温度的增加而线性增大. 光致发光谱测试发现三个发光峰, 分别位于1.4eV, 1.7eV和1.83eV. 研究发现位于1.4eV处的发光峰来源于非晶硒缺陷发光, 位于1.83eV处的发光峰来源于晶体硒的带带跃迁发光; 而位于1.7eV处的发光峰强度随激发功率增强而指数增大, 且向短波长移动, 该发光峰应该来源于非晶硒与硒纳米颗粒界面处的施主-受主对复合发光.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (17): 178101.
doi: 10.7498/aps.62.178101
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研究了铸态Mg-Sn-Si合金中Mg2(Si,Sn)复合相的结构、 特性以及该相对Mg-Sn-Si合金变质作用的影响. 结果表明: Sn原子能取代Mg2Si中的部分Si生成Mg2(Si,Sn)复合相, 该三元相与Mg2Si, Mg2Sn相的结构相同, 属于面心立方结构, Mg2(Si,Sn)相的元素含量并不固定, 在Si富集区形成的Mg2(Si,Sn)相中, Si元素含量高, 在Si贫乏区形成的Mg2(Si,Sn)相中, Si元素含量低. Si含量较多的Mg2(Si,Sn)相性能与Mg2Si相接近, Sn含量较多的Mg2(Si,Sn)相性能与Mg2Sn相接近, 实验中发现Mg2(Si,Sn)复合相的纳米硬度、 弹性模量与维氏硬度等物理性能介于Mg2Si与Mg2Sn之间, Mg2(Si,Sn)相对汉字状Mg2Si相的变质处理起到桥梁作用.
2013, 62 (17): 178102.
doi: 10.7498/aps.62.178102
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利用水热合成技术, 分别以CuCl22H2O, 硫粉为铜源和硫源, 以KOH或NaOH为矿化剂, 成功合成了Cu2S纳米晶体和碱金属离子掺杂的KCu7S4纳米线和NaCu5S3 微纳米球. 通过X射线衍射(XRD)、电子能谱(EDS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜 (HRTEM) 对产物的结构和形貌进行了表征和分析. 结果显示: KOH含量低于1g或NaOH低于2g时, 产物为斜方辉铜矿Cu2S; 高碱含量 (不低于3g) 时, K或Na离子成功掺入产物结构中, K掺杂产物为纯净的四方相KCu7S4, 单晶结构, 尺寸均匀, 长度可达几十微米的纳米线; Na掺杂未改变产物的形貌, 形成六方晶系结构的NaCu5S3. 产物的形成和生长与反应温度、反应时间和矿化剂密切相关. 并讨论了Cu2S纳米晶及其掺杂纳米晶的形成机理及掺杂机理. 最后研究了碱金属离子掺杂对产物的光学性能的影响, 漫反射光谱显示Cu2S, KCu7S4和NaCu5S3纳米晶的光学带隙分别为1.21eV, 0.49eV和0.42eV, K+和Na+的掺杂, 极大的改变了产物的光学特性.
2013, 62 (17): 178103.
doi: 10.7498/aps.62.178103
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系统地研究了利用分子束外延方法在GaAs(001) 衬底上外延生长的MnAlx薄膜的结构和垂直易磁化特性随组分及生长温度的依赖关系. 磁性测试表明, 可在较大组分范围内 (0.4≤x≤1.2) 获得大矫顽力的垂直易磁化MnAlx薄膜, 然而同步辐射X射线衍射和磁性测试发现当x≤0.6时MnAl薄膜出现较多的软磁相, 当x >0.9时, MnAl薄膜晶体质量和化学有序度逐渐降低, 组分为MnAl0.9时制备的薄膜有最好的[001]取向. 随着生长温度的增加, MnAl0.9薄膜的有序度、垂直磁各向异性常数、矫顽力和剩磁比均增加, 350℃时制备的MnAl0.9薄膜化学有序度高达0.9, 其磁化强度、剩磁比、矫顽力和垂直磁各向异性常数分别为265emu/cm3、93.3%、8.3kOe (1 Oe=79.5775A/m)和7.74Merg/cm3 (1 erg=10-7J). 不含贵金属及稀土元素、良好的垂直易磁化性质、 与半导体材料结构良好的兼容性以及磁性能随不同生长条件的可调控 性使得MnAl薄膜有潜力应用于多种自旋电子学器件.
2013, 62 (17): 178104.
doi: 10.7498/aps.62.178104
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本文研究了二维金三角形纳米颗粒阵列的三次谐波非线性光学效应. 金三 角纳米颗粒阵列是基于微球刻印技术制成. 采用反射式光学系统, 观察到该纳米结构在光谱分辨的飞秒激光照射下产生明显的三次谐波. 研究表明, 当激光抽运频率接近金纳米颗粒的局域表面等离激元共振位置时, 三次谐波信号得到增强; 三次谐波辐射方向满足动量匹配条件.
2013, 62 (17): 178105.
doi: 10.7498/aps.62.178105
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采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶.
2013, 62 (17): 178401.
doi: 10.7498/aps.62.178401
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单只磁控管输出功率不能满足大规模工业应用, 需要对多只磁控管进行相干功率合成. 为解决普通磁控管相干功率合成所需的相位一致性, 需要对普通磁控管引入注入锁频技术, 以保障工作频率和相位差的稳定性. 本文在阻抗匹配的条件下, 结合磁控管稳定振荡的条件, 从等效电路的角度出发对磁控管注入锁频原理进行分析, 给出了在小注入比和大注入比情况下磁控管的注入锁频理论, 大注入比情况比小注入比情况给出了更大的锁频带宽. 采用MATLAB对理论方程进行解析求解, 同时通过三维粒子仿真软件对锁频理论进行了对比验证, 得出了在不同注入比下磁控管的锁频带宽和相位差微分方程, 给出了在不同初始相位下的相位差变化曲线, 得到了A6磁控管在自由振荡和注入锁频工作下三维模拟仿真的输出功率、频率和波形. 模拟结果表明, 在两种情形预测的锁频带宽内, 磁控管均能被锁定并稳定工作, 在大注入比下大注入比情况比小注入比情况更为准确.
2013, 62 (17): 178501.
doi: 10.7498/aps.62.178501
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异质结界面电荷的存在改变了异质结的内建势, 这引起了界面势垒尖峰高度和形状的扰动, 从而使异质结界面载流子的输运产生相应的变化, 最终导致异质结双极晶体管 (HBT) 性能的改变. 基于热场发射-扩散模型, 对异质结界面电荷对InP/InGaAs HBT性能的改变做了研究, 得到结论是正极性的界面电荷有利于InP/InGaAs HBT的直流和高频特性的改善, 而负极性的界面电荷则使器件的直流和高频特性变差.
2013, 62 (17): 178502.
doi: 10.7498/aps.62.178502
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金属-半导体-金属光电探测器的光栅结构可激发表面等离子体, 有效增强探测器的吸收. 为深入研究器件结构对于表面等离子体的激发及共振增强的影响, 本文提出了一种具有超薄有源层的硅基锗金属-半导体-金属光电探测器的设计方法. 采用时域有限差分的方法详细分析了光栅周期、光栅厚度、 光栅间距及有源层厚度对于表面等离子体共振增强器件性能的影响, 通过仿真模拟获得了器件的最佳结构, 详细地分析了各个界面激发的表面等离子体及其共振模式对于光谱吸收增强的机理. 仿真结果表明, 有源层锗的厚度为400nm的超薄器件在通信波段具有较高的吸收, 尤其在1550nm波长处器件的归一化的光谱吸收率可以高达53.77%, 增强因子达7.22倍. 利用共振效应能够极大地提高高速器件的光电响应, 为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了有效途径.
2013, 62 (17): 178701.
doi: 10.7498/aps.62.178701
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制备了表面带阴/阳离子的多孔二氧化硅纳米颗粒, 通过QCM-D研究了颗粒在不同pH值环境下与磷脂膜的非特异性吸附情况. 结果表明, NH2-MSN 在48的pH值范围内与磷脂膜相互吸引, 而COOH-MSN由于与磷脂膜的电性始终保持一致而无法发生吸附现象. 本研究能够帮助理解和预测纳米颗粒与细胞膜间的相互作用, 为药物输运提供载体, 有助于多孔二氧化硅纳米颗粒在药物输运体系中的应用.
编辑推荐
2013, 62 (17): 178801.
doi: 10.7498/aps.62.178801
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本文重点研究了不同浓度可溶性石墨烯(SPFGO)对于聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)]对苯乙炔(MEH-PPV)/SPFGO复合薄膜的光致发光(PL)、 有机电致发光(OLED)和有机光伏(OPV)性能的影响. 研究发现, 在MEH-PPV中掺杂SPFGO之后, MEH-PPV/SPFGO复合薄膜的光致发光发生了非常强烈的猝灭, 意味着MEH-PPV和SPFGO之间发生了非常强烈的载流子传输. 当SPFGO的浓度较低的时候, 能够提高OLED的性能, 当SPFGO的浓度为0.2%时, OLED的性能达到最佳, 而此时的OPV性能基本没有改变. 当掺杂较高浓度的SPFGO 之后, OPV的性能有了明显的提升, 当浓度为15%时, OPV达到了最佳的性能, 而此时的OLED发生了非常强烈的猝灭. 通过实验数据可以看出, 当SPFGO较低浓度的时候, 起到增强载流子注入的作用, 提升OLED亮度的同时降低了开路电压. 而当SPFGO达到较高浓度时, SPFGO作为电子受体, 可以起到改善MEH-PPV/SPFGO 界面激子分裂和提高OPV性能的作用. 因此, 通过调节SPFGO浓度可以起到独立调控OLED性能和OPV性能的作用.
2013, 62 (17): 178902.
doi: 10.7498/aps.62.178902
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本文研究复杂交通运输网络上的拥挤与效率问题. 在无标度网络、随机网络以及小世界网络等不同拓扑结构中, 探讨了不同的能力分配方式和不同的OD (Origin-Destination) 交通需求分布对网络拥挤度和效率的影响. 随着平均交通需求的增加, 分析无标度网络、随机网络以及小世界网络从自由流状态到交通拥堵状态的变化规律. 为便于比较, 本文侧重研究网络拥挤度的倒数, 并将其定义为通畅度. 研究发现网络中的通畅度与效率之间存在线性相关关系, 并且不同网络中的线性比例系数 (或斜率)是不同的, 从而体现了不同网络具有不同的运输性能.
前沿领域综述
2013, 62 (17): 178901.
doi: 10.7498/aps.62.178901
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如何用定量分析的方法识别超大规模网络中哪些节点最重要, 或者评价某个节点相对于其他一个或多个节点的重要程度, 这是复杂网络研究中亟待解决的重要问题之一. 本文分别从网络结构和传播动力学的角度, 对现有的复杂网络中节点重要性排序方法进行了系统的回顾,总结了节点重要性排序方法的最新研究进展, 并对不同的节点重要性排序指标的优缺点以及适用环境进行了分析, 最后指出了这一领域中几个有待解决的问题及可能的发展方向.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (17): 179101.
doi: 10.7498/aps.62.179101
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应用比例积分控制原理将瞬态传热模型预测结果与出口 温度实测数据逐步进行反馈可准确预测原始静态地层温度. 为此, 本文基于井下各控制组件质量、动量及能量守恒原理, 建立了实际井身结构与钻具组合条件下循环和停止循环期间井筒-地层温度分布全瞬态传热模型, 应用全隐式有限差分法进行求解, 并引入比例积分控制原理对比分析实测温度与预测温度的误差范围进而精确、 快速获取原始地层温度. 结合一口深井基础数据计算表明, 套管下入深度改变了井筒-地层间热交换效率, 进而影响了近井壁地层温度分布状况; 同时, 钻井过程中循环和停止循环作业过程改变了井下各控制组件的初始条件与边界条件, 致使近井壁原始地层温度分布距离产生变化. 建立的数学模型和研究方法可为石油钻井、地热井开采及地球深部原始地层温度信息准确、 经济、快速获取提供理论基础.
