Vol. 71, No. 3 (2022)
2022年02月05日
封面文章
在量子计算科学中, 如何更好地构建量子搜索算法一直以来受到学者们的广泛关注, 并且基于量子行走寻找新的搜索算法也仍吸引着学者们不断深入研究与探索. 本文从减少搜索过程中的时间消耗、增加算法搜索的准确性和可控性等多方面进行考虑, 提出了一种基于置换群的多粒子量子行走搜索算法. 首先分析得到置换群在空间中可看成一个闭环, 定义了置换集合, 并且通过同构映射将数据点所在数据集映射到定义的置换集, 使得置换集合中元素数据点形成一一对应的关系. 其次, 根据给定初始态和硬币算符, 在数据点集与置换集合张成的搜索空间中利用多粒子的量子行走在环上进行目标数据搜索. 最后, 根据函数$\varPhi(w)=1$ 找到目标数据, 并用量子态存储数值, 用于形成搜索算法的反馈控制; 同时通过控制硬币算符从而控制量子行走在环上的行走方向, 增加搜索的可操作性与准确性. 本文利用多粒子的量子行走进行搜索, 分析得到粒子数量参数j与时间复杂度呈非线性负相关; 提出的量子行走搜索算法符合零点条件与下确界条件, 且不受变量数j的影响; 通过数值分析得到量子行走搜索算法的时间复杂度等价于$O(\sqrt[^3]{N})$ , 相比于Grover搜索算法提高了搜索效率.
姜瑶瑶,
张文彬,
初鹏程,
马鸿洋
.2022, 71(3): 030201.
总论
封面文章
2022, 71 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.71.20211000
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在量子计算科学中, 如何更好地构建量子搜索算法一直以来受到学者们的广泛关注, 并且基于量子行走寻找新的搜索算法也仍吸引着学者们不断深入研究与探索. 本文从减少搜索过程中的时间消耗、增加算法搜索的准确性和可控性等多方面进行考虑, 提出了一种基于置换群的多粒子量子行走搜索算法. 首先分析得到置换群在空间中可看成一个闭环, 定义了置换集合, 并且通过同构映射将数据点所在数据集映射到定义的置换集, 使得置换集合中元素数据点形成一一对应的关系. 其次, 根据给定初始态和硬币算符, 在数据点集与置换集合张成的搜索空间中利用多粒子的量子行走在环上进行目标数据搜索. 最后, 根据函数$\varPhi(w)=1$ 找到目标数据, 并用量子态存储数值, 用于形成搜索算法的反馈控制; 同时通过控制硬币算符从而控制量子行走在环上的行走方向, 增加搜索的可操作性与准确性. 本文利用多粒子的量子行走进行搜索, 分析得到粒子数量参数j与时间复杂度呈非线性负相关; 提出的量子行走搜索算法符合零点条件与下确界条件, 且不受变量数j的影响; 通过数值分析得到量子行走搜索算法的时间复杂度等价于$O(\sqrt[^3]{N})$ , 相比于Grover搜索算法提高了搜索效率.
2022, 71 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.71.20210969
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采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用. 在相同的模拟步数中, Müller-Plathe法可以得到很好的结果, 热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感. 然而, Jund法并不能得到良好的线性温度梯度, 其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小. 在此基础上, 运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响. 结果表明, 无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管, 其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的. 只要长度增加, 纳米管的热导率相应增大, 但增长速率不断降低. 直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度, 在高温时, 直径对热导率几乎没有影响. 除此之外, 纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的, 但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.
2022, 71 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.71.20211456
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在实际量子密钥分发系统中, 由于设备、器件存在缺陷, 在量子态制备过程中往往存在误差, 而这些态制备误差会导致一定的系统安全性漏洞. 本文在Tamaki等(Phys. Rev. A 90 052314 )的工作基础之上, 提出了一种基于标记单光子源的态制备误差容忍量子密钥分发协议. 本文将发送端制备态误差进行参数刻画并带入量子密钥协议安全性分析之中, 避免了实际应用中由于态制备装置的不理想可能引入的安全性漏洞, 提高了系统的安全性. 同时, 为了方便起见, 本文采用三强度诱骗态方案开展建模分析与数值仿真计算. 仿真结果显示, 本文提出的协议对态制备误差具有很好的鲁棒性. 同时, 由于标记单光子源具有真空脉冲概率低的优点, 与此前基于弱相干态脉冲的同类协议相比, 我们的协议在传输距离较远时能够显示出更优的性能. 因而, 该工作有望为未来发展长距离量子保密通信应用与研究提供重要的参考价值.
2022, 71 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.71.20211433
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基于矩阵乘积态表述的无限时间演化块算法, 研究了具有x, y, z三个自旋方向的轨道自由度和轨道序竞争的量子罗盘自旋链模型. 为了刻画该模型的量子相和相变, 计算了基态能量、局域序参量、弦关联序参量、临界指数、冯诺依曼熵、有限纠缠标度和中心荷. 结果表明: 该量子基态相图由条纹反铁磁相、反铁磁相、单调奇数Haldane相和振荡奇数Haldane相构成. 从条纹反铁磁相到反铁磁相, 以及从单调奇数Haldane相到振荡奇数Haldane相发生了非连续相变; 从振荡奇数Haldane相到条纹反铁磁相, 以及从反铁磁相到单调奇数Haldane相发生了连续相变; 连续相变线和非连续相变线的交点是多临界点. 此外, 连续相变点处的临界指数$\beta=1/8$ 和中心荷$c = 1/2$ 表明连续相变的普适类属于Ising类. 由此揭示了该模型量子基态相图的本性, 对今后研究更高自旋以及更为复杂轨道序竞争的量子罗盘链模型的量子相与相变具有一定借鉴与参考意义.
2022, 71 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.71.20211549
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为拓广离散忆阻器的研究与应用, 基于差分算子, 构建了具有平方非线性的离散忆阻模型, 并实现了Simulink仿真. 仿真结果表明, 设计的忆阻器满足广义忆阻定义. 将得到的离散忆阻引入三维混沌映射中, 设计了一种新型四维忆阻混沌映射, 并建立了该混沌映射的Simulink模型. 通过平衡点、分岔图、Lyapunov指数谱、复杂度、多稳态分析了系统复杂动力学特性. 本文从系统建模角度出发, 构建离散忆阻与离散忆阻混沌映射, 进一步验证了离散忆阻的可实现性, 为离散忆阻应用研究奠定了基础.
2022, 71 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.71.20211272
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为了刻画在黏弹性介质中具有质量涨落的耦合粒子的运动行为, 本文提出了相应模型, 即三态噪声激励下的分数阶耦合系统. 利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换, 发现了粒子间的统计同步性, 并得到了系统输出幅值增益的解析表达. 在此基础上, 针对模型涉及的关键要素, 即耦合系统、分数阶系统和三态噪声, 着重分析了耦合系数、系统阶数和噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的广义随机共振现象的影响, 并给出了合理解释. 具体地说, 1)随着耦合系数的增大, 共振现象将先增强后减弱, 直至收敛. 该现象表明适当的耦合作用能够促进系统共振现象的产生, 体现了研究耦合系统的重要性. 2)随着系统阶数的增大, 共振现象将逐渐减弱. 当系统阶数取值为1, 即系统退化为整数阶系统时, 其输出幅值增益的峰值最小, 该现象说明分数阶系统能比传统整数阶系统得到更大的输出幅值增益. 3)噪声稳态转移概率对系统输出幅值增益的影响会随着与之相关的其他参数的变化而变化. 在一定参数条件下, 三态噪声不仅能够使系统输出幅值获得比双态噪声激励时更大的增益, 还能改变系统的共振类型. 最后, 通过数值仿真验证了上述结果的正确性.
2022, 71 (3): 030503.
doi: 10.7498/aps.71.20211276
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采用分子动力学方法模拟介孔尺度和结构对混合硝酸盐热输运特性的影响. 使用Material Studio软件分别建立不同尺度、两种结构的混合硝酸盐模型以及达到共晶状态的不同比例的NaNO3-KNO3模型, 通过对模型进行运算并整理计算结果, 对纳米尺度下混合硝酸盐热输运特性的微观机理进行分析. 结果表明: 太阳盐的相变温度随着纳米孔尺度的增大呈现先增加后减小的趋势, 最终与宏观尺度下的熔点一致; 阳离子的比例对混合硝酸盐的相变温度有很大的影响, 且纳米线结构也会改变硝酸盐的相变温度. 硝酸盐的体热膨胀系数随着介孔尺度的增大而减小, 随着NaNO3含量的增加而增大, 随着介孔结构的改变而改变. 离子之间的相互作用的增强会使导热率增大, 但对定压比热容没有太大影响.
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2022, 71 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.71.20211437
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将TiNi基记忆合金薄膜与光纤相结合可制成智能化、集成化且成本经济的微机电系统和微传感器件. 本文采用磁控溅射法在二氧化硅光纤基底上制备TiNi记忆合金薄膜, 系统讨论了溅射工艺参数以及后续退火处理对薄膜质量的影响. 采用自研制光纤镀膜掩膜装置在直径为125 μm的光纤圆周表面上形成均匀薄膜. 实验表明: 在靶基距、背底真空度、Ar气流量和溅射时间一定的条件下, 溅射功率存在最佳值; 溅射压强较大时, 薄膜沉积速率较低, 但薄膜表面粗糙度较小. 进行退火处理后, 薄膜形成较良好的晶体结构, Ti49.09Ni50.91薄膜中马氏体B19′相和奥氏体B2相共存, 但以B19′为主. 根据本文研究结果, 在玻璃光纤基底上制备高质量的TiNi基记忆合金薄膜是可实现的, 本工作为下一步研制微机电系统和微型传感器做了基础准备.
原子和分子物理学
2022, 71 (3): 033101.
doi: 10.7498/aps.71.20211864
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纳米线电极在充/放电过程中引起电极的屈曲失稳行为可能会对结构造成力学损伤. 本文针对纳米线电极结构, 建立了包含锂扩散、应力、浓度影响弹性模量的多场耦合理论模型. 基于构建的模型, 研究了表面效应对纳米线电极屈曲失稳的影响. 结果表明表面效应能够提高纳米线电极的抗屈曲性, 延迟纳米线电极的临界屈曲时间. 同时, 表面效应的影响表现出半径尺寸和长细比的依赖性, 即随着电极半径尺寸的增大而减小, 而随着电极长细比的增大而增大. 此外, 模型还显示, 在有表面效应的条件下, 相对于弹性硬化属性的纳米线电极, 具有弹性软化属性的电极因为具有更好的抗失稳性而更适宜作为电极材料. 研究结果为纳米线电极的力学可靠性设计提供了一定的帮助.
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2022, 71 (3): 033201.
doi: 10.7498/aps.71.20211663
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高电荷态离子精细结构跃迁波长的精密测量不仅可以检验量子电动力学(quantum electrodynamics, QED)效应、电子关联效应等基本物理模型, 还能够为天体物理、聚变等离子体物理甚至高电荷态离子光钟等研究提供关键原子物理数据. 本工作基于复旦大学现代物理研究所的高温超导电子束离子阱(SH-HtscEBIT)装置, 搭建了一套新的光谱校刻系统, 并结合内校刻与外校刻的方法对其光谱波长测量的不确定度进行了评估, 新的光谱校刻系统在可见光波段引起的波长不确定度最低达到0.002 nm. 在此基础上, 使用SH-HtscEBIT装置结合新的校刻系统开展了Ar13+离子1s22s22p 2P1/2 —2P3/2磁偶极跃迁(M1)波长的精密测量, 实验测得该跃迁波长为(441.2567 ± 0.0026) nm, 是目前SH-HtscEBIT上测量精度最高的实验结果, 为下一步开展高电荷态离子超精细分裂和同位素位移等精密测量实验奠定了基础.
2022, 71 (3): 033401.
doi: 10.7498/aps.71.20211308
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采用重归一化Numerov算法求解关于超低温双原子碰撞问题的非含时薛定谔方程组. 以39K-133Cs碰撞为例, 研究了超低温下双原子Feshbach共振的性质. 结果表明, 重归一化Numerov算法可以很精确地描述超冷条件下碰撞过程. 与改进的logarithmic derivative算法相比, 在同等参数条件下, 重归一化Numerov方法在计算效率上虽然有一定劣势, 但在大格点步长参数范围内有着更好的稳定性. 提出重归一化Numerov和logarithmic derivative算法相结合的传播方法, 在保证结果精度的同时大大减少了计算时间. 此项算法也可以应用于求解任意温度下的两体碰撞耦合薛定谔方程组.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.71.20211254
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结构型雷达吸波材料不仅可以有效吸收雷达波, 还能同时承受载荷, 在雷达隐身领域具有重要应用. 基于超表面的结构型雷达吸波材料可以实现对雷达波近乎“完美”的吸收, 且具有结构轻薄的特点, 但其限制在于吸波带宽通常较窄. 针对该问题, 提出一种拓宽超表面吸波体工作带宽的新方法. 该方法利用可重构的思想, 通过在超表面中混合集成变容二极管和开关二极管, 将吸波频率的连续可调与离散搬移有机结合, 以此展宽吸波体的有效吸波带宽. 基于该方法, 设计了一款超宽带可调超表面吸波体, 并深入分析了其吸波机理, 通过开关二极管和变容二极管工作状态的调节与配合, 在4.57—8.51 GHz内实现了高效可调吸波. 实测结果验证了该吸波体的低雷达散射截面特性, 证实了设计方法的有效性. 所提出的宽带可调设计方法简单可行, 还可以拓展应用到其他类型的宽带微波器件设计.
2022, 71 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.71.20211183
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为了探究典型粗糙面上随机粒子层中能量传输的多次散射机制, 提出了一种基于矢量辐射传输方程的建模二阶计算方法. 该建模方法将建模场景(粗糙面上粒子层)在高度维(Z轴)划分为多个传输散射层, 基于矢量辐射传输理论中的一阶迭代散射解, 利用典型粗糙面的半经验半解析方法, 求解出整个场景的二阶迭代散射解. 同时, 研究粒子层能量在粒子与粒子间的多次散射机制, 以及粒子与地表粗糙面间的多次散射机制. 数值结果表明, 该二阶迭代解法相较于矢量辐射传输方程的一阶迭代散射解, 能够更完整地探究互作用的散射特性, 且可从能量传输角度解译建模场景中物体间的相干作用, 从而可用于植被地物环境下的多次散射机制的解析以及散射系数变化趋势的预估.
2022, 71 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.71.20211491
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基于衍射原理和模耦合理论, 提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal, MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构. 结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理. 研究表明, 双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的. 接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响, 探究了双重Fano共振的演变规律. 结果表明, 改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐, 且在最优条件下, 共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit, FOM)可高达460.0和$ 4.00 \times {10^4} $ , 共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和$ 2.22 \times {10^4} $ . 该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.
2022, 71 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.71.20211665
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大口径超高峰值功率激光的时空耦合(spatiotemporal couplings, STCs)畸变会严重影响焦斑的功率密度, 为了准确预测远场处的光场分布、补偿STCs畸变以提升远场的峰值功率密度, 亟须一种有效的时空耦合特性的单次测量方法. 本文提出了一种基于空谱干涉和频域分割的超快激光时空耦合特性测量方法, 对该测量方法的基本原理与实现方式进行了详细的阐述, 并对其进行了模拟计算与分析, 模拟结果表明该测量方法能够精确表征超短脉冲激光的时空耦合特性.
2022, 71 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.71.20211295
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为研究圆柱曲面的单光子量子雷达散射截面与经典雷达散射截面相比存在的具体优势, 引入光子波函数, 将引起量子干涉的距离矢量进行分解, 通过圆柱曲面的曲面积分推导得到了单基地单光子下的圆柱曲面量子雷达散射截面的封闭表达式. 分析了不同电尺寸的圆柱曲面长度和曲率半径的影响, 对比了圆柱曲面量子雷达散射截面与经典雷达散射截面的封闭表达式. 封闭表达式的分析和仿真结果都表明, 圆柱曲面长度的电尺寸决定量子雷达散射截面的旁瓣数, 曲率半径的电尺寸决定了量子雷达散射截面曲线的包络, 量子雷达散射截面的整体强度与曲率半径的电尺寸呈线性关系. 圆柱曲面的量子雷达散射截面与经典雷达散射截面相比具有旁瓣增强的优势, 有利于隐身目标的探测.
2022, 71 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.71.20211751
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模式不稳定效应和非线性效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的主要障碍. 采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备25/400 μm的M型掺镱双包层光纤, 纤芯和中间凹陷区域的数值孔径分别为0.054和0.025. 基于该光纤搭建976 nm双向泵浦全光纤结构放大器. 在泵浦光功率为3283 W时, 获得2285 W中心波长为1080 nm的激光输出, 3 dB线宽为3.01 nm, 测量的光束质量因子为1.42, 且未出现受激拉曼散射现象. 这是目前基于M型掺镱光纤实现的最高输出功率, 通过优化光纤结构参数实现功率进一步提升是有希望的.
2022, 71 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.71.20211613
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石墨烯和纳米颗粒的复合材料具有新颖的光学和电学特性, 被广泛应用于信息传感、光电转换、医学诊断等领域, 具有十分广阔的发展前景. 虽然石墨烯拥有优异的光电性能, 可以实现对随机激光性质的调控, 但目前实现特殊结构的石墨烯与金属纳米结构的复合过程复杂繁琐, 利用石墨烯有效降低随机激光阈值仍存在挑战. 本文利用便捷的化学还原及吸附法制备Au/石墨烯结构, 以染料DCJTB为增益介质, 使用旋涂法制备了均匀的薄膜样品; 研究对比Au纳米颗粒和Au/石墨烯结构随机激光特性, 分析了石墨烯的作用机理. 研究结果表明, Au/石墨烯复合材料透射峰与增益介质的光致发光光谱峰最为接近, 对于染料分子的能级迁跃起到了促进作用. 在相同的增益介质中, 石墨烯的加入不仅使得光子在无序介质中散射频次增加, 促进了增益效果, 而且增强了Au纳米颗粒表面的等离子体共振效应. 二者相互协同, 展现出了优异的随机激光特性, 阈值降低至2.8 μJ/mm2; 对样品重复测量可得样品的激射重复性较强、品质较高. 本研究对促进随机激光应用、实现高性能的光电器件起到了一定的推动作用.
2022, 71 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.71.20211719
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构建核壳结构可有效降低材料的表面缺陷及实现掺杂离子的可控区域分布, 已成为目前增强及调控材料发光特性的有效手段之一. 为此, 本文以外延生长技术, 构建了一系列NaLnF4 (Ln = Y, Yb, Ho)@ NaLnF4 (Ln = Y, Yb)核壳微米结构, 并实现了Ho3+离子上转换发光的增强及可控调节. 借助共聚焦显微光谱测试系统, 在980 nm近红外激光激发下, 研究Ho3+离子在不同单颗粒核壳结构中的上转换发光特性. 结果表明, 当包覆NaYF4惰性壳时, NaYF4:Yb3+/Ho3+及NaYbF4:Ho3+ 微米棒的上转换发射强度均得到了明显增强, 而NaHoF4@NaYF4微米核壳结构的发射强度却没有发生明显的变化. 当在其NaYF4惰性壳中引入Yb3+离子时, NaYF4:Yb3+/Ho3+, NaYbF4:Ho3+及NaHoF4 微米核壳结构的发射强度及红绿比均再次得到了明显增强. 基于对其光谱特性及动力学过程的研究, 其发射增强主要由于壳层中的Yb3+离子通过能量迁移及传递过程有效地提高Ho3+离子激发, 进而在双向协同的作用下实现其发光有效增强及色彩调控. 由此可见, 对于微米晶体而言, 构建其不同的核壳结构不仅可实现其发光有效增强, 且可根据掺杂离子的不同及其区域分布实现光谱的精准调控, 为拓展高效发光特性的微米晶体在防伪、微纳光电器件等领域的应用提供新途径.
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2022, 71 (3): 034208.
doi: 10.7498/aps.71.20211596
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利用超构表面优异的波前调控能力将片上光子集成电路对光场的操控拓展至自由空间是当前一项重要课题. 本文采用传输相位方法设计了一种基于波导模式激发的内嵌式超构表面, 其相位分布同时满足导模的基频以及二倍频的聚焦. 在此基础上, 将内嵌式材料限定为相变材料, 结合其在不同相态时的折射率差异, 通过仿真手段实现了两种相态下分别针对于基波和二次谐波的聚焦. 在基波(或二次谐波)实现高质量聚焦时, 焦点处二次谐波(或基波)的成分得到了很大程度上的抑制, 更有利于后续完全滤波. 进一步地, 通过在波导层底面嵌入与顶面完全相同的超构表面, 并横向错开半个周期, 最终将关于基波聚焦和二次谐波聚焦的器件效率提升为原先单阵列情形的2.2倍和3.7倍. 本文的研究为导波驱动(或激发)超构表面的线性及非线性多功能复合调控提供了一种新的可能途径.
2022, 71 (3): 034601.
doi: 10.7498/aps.71.20210702
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层裂强度表征了材料内部最大动态抗拉能力, 并与材料本身的力学性质以及损伤早期演化相关. 建立层裂强度计算的解析表达式, 深入认识层裂强度所包含的微细观物理涵义, 有利于更好地优化延性金属材料的层裂强度. 目前大量的实验表明: 延性金属材料的层裂强度对加载拉伸应变率、温度效应以及材料初始微细观结构具有很强的依赖关系. 本文基于对孔洞成核与增长的损伤早期演化特性的分析, 以及对温度效应和晶粒尺寸与材料本身力学性质之间关系的分析, 给出了简单、实用的层裂强度的解析物理模型, 物理模型的计算结果与典型延性金属高纯铝、铜和钽的层裂强度实验结果基本符合, 从而验证了我们给出的层裂强度模型具有较好的适用性和预测性.
2022, 71 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.71.20211291
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通过引入具有类电磁诱导透明效应的超材料, 非对称光子晶体谐振腔的透射特性得到了极大的优化, 包括透射峰的品质因子和谐振腔模所对应的电磁场强度. 品质因子的提高与非对称场强局域的增强有利于高性能电磁二极管的实现. 我们在引入非线性材料的微带波导系统中验证了该方案. 实验结果显示, 此二极管在1.329 GHz的工作频率下可产生高达19.7 dB的透射对比度, 同时输入功率强度仅为7 dBm. 此外, 我们提出的方案并没有大幅增加器件体积和剧烈降低信号透过率. 这些特性的亚波长尺度实现将有益于集成光学回路的小型化.
气体、等离子体和放电物理
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2022, 71 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.71.20211470
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经典轨迹蒙特卡罗(CTMC)方法是研究离子-原子碰撞系统电荷交换过程的常用方法, 广泛应用于天体物理以及实验室等离子体环境下重粒子碰撞过程的研究. 本文利用四体碰撞模型(4-CTMC)研究了包括两个束缚电子的四体碰撞过程, 通过数值求解四体碰撞系统的哈密顿运动方程, 计算了高电荷态入射离子(Li3+, Be4+和O7+)同氦原子在大能量范围的单、双电子电离和俘获截面. H++He碰撞截面的计算中, 在50—200 keV/amu的入射能区, 4-CTMC的结果几乎重复了实验结果. 在高电荷态入射情形下, 4-CTMC计算的单电子电离和俘获截面值相较于三体碰撞模型(3-CTMC)在100—500 keV/amu的入射能区内与实验符合更好. 尽管4-CTMC和3-CTMC忽略了电子关联, 均高估了双电子电离和俘获截面(与实验值相比), 但4-CTMC的结果更接近实验.
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2022, 71 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.71.20211450
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高端芯片制造所需要的极紫外光刻技术位于我国当前面临35项“卡脖子”关键核心技术之首. 高转换效率的极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分. 本文通过采用双激光脉冲打靶技术实现较强的6.7 nm极紫外光输出. 首先, 理论计算Gd18+—Gd27+离子最外层4d壳层的4p-4d和4d-4f能级之间跃迁、以及Gd14+—Gd17+离子最外层4f壳层的4d-4f能级之间跃迁对波长为6.7 nm附近极紫外光的贡献. 其后开展实验研究, 结果表明, 随着双脉冲之间延时的逐渐增加, 波长为6.7 nm附近的极紫外光辐射强度呈现先减弱、后增加、之后再减弱的变化趋势, 在双脉冲延时为100 ns处产生的极紫外光辐射最强. 并且, 在延时为100 ns处产生的光谱效率最高, 相比于单脉冲激光产生的光谱效率提升了33%. 此外, 发现双激光脉冲打靶技术可以有效地减弱等离子体的自吸收效应, 获得的6.7 nm附近极紫外光谱宽度均小于单激光脉冲打靶的情形, 且在脉冲延时为30 ns时刻所产生的光谱宽度最窄, 约为单独主脉冲产生极紫外光谱宽度的1/3. 同时, Gd极紫外光谱的变窄提高了波长为6.7 nm (0.6%带内)附近的光谱利用效率.
2022, 71 (3): 035203.
doi: 10.7498/aps.71.20211471
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目标以极高速度在大气层内运动时, 周围会因剧烈摩擦产生等离子体绕流场. 等离子体绕流场运动速度分布不均匀, 而且绕流场电子密度随时间动态变化, 导致等离子体绕流场对入射其中的电磁波产生不均匀的频率调制, 进而影响雷达的探测性能. 为了复现等离子体绕流场在电磁波照射时产生的不均匀频谱调制现象, 本文在中国科学院力学研究所JF-10风洞开展了等离子体绕流场回波频谱测量实验, 通过信号源、环形器、天线和频谱仪组成的测量系统, 以点频发射体制, 获取了S和C波段的回波频谱数据, 观察到了等离子体绕流场对目标回波频谱的调制现象, 对测量现象的形成原因进行了讨论; 基于测量数据, 仿真分析了等离子体绕流场对目标一维距离像的散焦效应.
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2022, 71 (3): 035204.
doi: 10.7498/aps.71.20211172
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直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳靶, 经球对称压缩加速后, 在中心转滞获得高温等离子体热斑, 实现聚变点火. 在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性, 特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏, 导致点火的失败. 本文通过理论解析和数值模拟, 对基于Zhang等提出的双锥对撞点火方案(2020 Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 378 20200015 )在2020年冬季实验条件下的流体力学不稳定性增长进行了分析. 结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致, 在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩, 同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25, 壳层依然处于安全状态, 但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时, 则可能出现壳层的破裂. 因此, 未来实验中的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长.
2022, 71 (3): 035205.
doi: 10.7498/aps.71.20211495
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Z箍缩负载初始化电流通道的形成建立过程、电流密度分布模式及其演化特征对研究等离子体动力学发展、分析等离子体不稳定性模式、开展磁流体数值模拟工作等具有重要意义. 平面薄膜是研究这一问题中具有连续二维结构的理想构型. 基于理想无限长平板假设下的反场薄膜-回流柱负载模型, 通过理论对电感主导模式下的电流通道建立和演化过程、薄膜平面磁场分布特征和薄膜各部分受力特征进行了计算分析. 通过开展对称型与非对称型下的平面薄膜电爆炸实验, 以可见光分幅相机记录薄膜等离子体自辐射光分布为主要诊断手段开展了实验验证. 结果显示, 早期电流的建立与分布符合电感模型预期, 薄膜等离子体表现出电流密度边缘聚集和钳状型等离子体发光形态. 中后期图像显示发光强区会由薄膜边界向中心位置转移并导致峰状凸起型等离子体发光形态的演化, 表明电流分配受等离子体发展影响, 边界融蚀等离子体向心汇聚导致电流随之转移, 最终造成电流通道的快速切换.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (3): 036501.
doi: 10.7498/aps.71.20211434
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碳化硅(SiC)由于性能优异, 已广泛应用于核技术领域. 在辐照环境下, 载能入射粒子可使材料中的原子偏离晶体格点位置, 进而产生过饱和的空位、间隙原子、错位原子等点缺陷, 这些缺陷将改变材料的热物性能, 劣化材料的服役性能. 因此, 本文利用平衡分子动力学方法(Green-Kubo方法)采用Tersoff型势函数研究了点缺陷对立方碳化硅(β-SiC或 3C-SiC)热传导性能的影响规律. 研究过程中考虑的点缺陷包括: Si间隙原子(SiI)、Si空位(SiV)、Si错位原子(SiC)、C间隙原子(CI)、C空位(CV)和C错位原子(CSi). 研究结果表明, 热导率(λ)随点缺陷浓度(c)的增加而减小. 在研究的点缺陷浓度范围(点缺陷与格点的比例范围为0.2%—1.6%), 额外热阻率(ΔR = Rdefect – Rperfect, R = 1/λ, Rdefect为含缺陷材料的热阻率, Rperfect为不含缺陷材料的热阻率)与点缺陷的浓度呈线性关系, 其斜率为热阻率系数. 研究表明: 空位和间隙原子的热阻率系数高于错位原子的热阻率系数; 高温下点缺陷的热阻率系数高于低温下点缺陷的热阻率系数; Si空位和Si间隙原子的热阻率系数高于C空位和C间隙原子的热阻率系数. 这些结果有助于预测及调控辐照条件下碳化硅的热传导性能.
2022, 71 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.71.20211631
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联苯烯单层由碳原子的四元、六元和八元环组成, 具有与石墨烯相似的单原子层结构. 2021年5月, Science首次报道了该材料的实验合成, 引起了科研工作者的极大关注. 基于第一性原理的密度泛函方法, 研究了铁原子在联苯烯单层的吸附构型并分析了其电子结构. 结构优化、吸附能和分子动力学的计算表明, 联苯烯单层的四元环空位是铁原子最稳定的吸附位点, 吸附能可达1.56 eV. 电子态密度计算表明铁3d电子与碳的2p电子有较强的轨道杂化, 同时电荷转移计算显示铁原子向近邻碳原子转移的电荷约为0.73个电子, 说明联苯烯单层与吸附的铁原子之间形成了稳定的化学键. 另外, 铁原子吸附于联苯烯单层后体系显磁性, 铁原子上局域磁矩大小约为 1.81 μB, 方向指向面外. 因此, 本文确认了联苯烯单层是比石墨烯更好的铁原子吸附载体且体系有磁性, 这为研究吸附材料的电磁、输运、催化等特性提供了新的平台.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.71.20211516
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借助第一性原理计算, 对VOBr2单层的结构、磁性以及铁电性进行了系统研究. 计算结果表明低温下VOBr2会产生自发铁电极化, 从高对称顺电相转变为铁电相结构. 与同族姊妹材料VOI2不同的是, V的二聚化现象不仅无法在VOBr2中稳定存在, 还会导致局域磁矩淬灭. 此外, VOBr2易磁化轴在面内a轴方向, 面内a, b轴上近邻磁矩均为反铁磁耦合. VOBr2中的铁电极化主要由V在a轴方向V—O—V链上的铁电位移产生, 大小约为40 μC/cm2. 与铁电同步翻转相比, 通过分步翻转不同链上的铁电极化, 可以有效降低铁电翻转能垒, 从而有望通过低能外场实现部分或个别链上的铁电翻转, 为低能耗高密度铁电存储器件设计提供新的思路和方向.
2022, 71 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.71.20211511
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钯作为典型高压标定材料, 研究其在极端条件下的结构变化以及热力学性质具有广泛需求并充满了挑战, 特别是冲击加载下钯的固-固相变过程研究仍然匮乏. 本文基于嵌入原子势, 使用经典分子动力学方法从原子角度揭示了冲击载荷加载下钯的结构相变路径, 在0—375 GPa的压力区间观察到一系列复杂的结构转变特征, 从初始的面心立方(FCC)结构, 至带密排六方(HCP)结构的层错体心立方(BCC)结构, 直至完全熔化. 在沿$ \langle100\rangle $ 晶向冲击下, 在70.0 GPa发现了FCC-BCC相变过程, 远低于之前研究中静高压的结果. 此外, 还发现了冲击方向依赖的相变点, 在沿着$ \langle110\rangle $ 及$ \langle111 \rangle $ 晶向冲击时FCC-BCC相变压力分别增加至135.8和165.4 GPa, 同时相比完美晶体, 引入缺陷会使FCC-BCC相变压强值有20—30 GPa的增幅, 并通过势能分布的分析予以验证. 本文发现冲击加载下钯的FCC-BCC相变压力大大降低的特殊现象, 为钯在高压实验等极端条件下的应用提供了新的理论认识.
2022, 71 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.71.20211443
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高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题, 目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测, 而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关, 无法准确、实时地监测治疗状态. HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化, 换能器表面的声学负载也在不断变化, 针对该问题, 本文构建了换能器电压电流实时检测平台, 通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化. 以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象, 并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照, 实验结果表明, 在HIFU辐照过程中, 换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程, 此时停止辐照可见焦域出现明显损伤, 而此时B超图像灰度无明显变化; 此外, 当焦域出现空化时, 其波动幅度与范围将较之更大. 此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.
2022, 71 (3): 037202.
doi: 10.7498/aps.71.20211265
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为研究磷化铟高电子迁移率晶体管(InP HEMT)外延结构材料的抗电子辐照加固设计的效果, 本文采用气态源分子束外延法制备了系列InP HEMT外延结构材料. 针对不同外延结构材料开展了1.5 MeV电子束辐照试验, 在辐照注量为2 × 1015 cm–2条件下, 并测试了InP HEMT外延结构材料二维电子气辐照前后的电学特性, 获得了辐照前后不同外延结构InP HEMT材料二维电子气归一化浓度和电子迁移率随外延参数的变化规律, 分析了InP HEMT二维电子气辐射损伤与Si-δ掺杂浓度、InGaAs 沟道厚度和沟道In组分以及隔离层厚度等结构参数的关系. 结果表明: Si-δ掺杂浓度越大, 隔离层厚度较薄, InGaAs 沟道厚度较大, 沟道In组分低的InP HEMT外延结构二维电子气辐射损伤相对较低, 具有更强的抗电子辐照能力. 经分析原因如下: 1)电子束与材料晶格发生能量传递, 破坏晶格完整性, 且在沟道异质界面引入辐射诱导缺陷, 增加复合中心密度, 散射增强导致二维电子气迁移率和浓度降低; 2)高浓度Si-δ掺杂和薄隔离层有利于提高量子阱二维电子气浓度, 降低二维电子气受辐射损伤的影响; 3)高In组分应变沟道有利于提高二维电子气迁移率, 但辐照后更容易应变弛豫产生位错缺陷, 导致二维电子气迁移率显著下降.
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2022, 71 (3): 037301.
doi: 10.7498/aps.71.20211536
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氧化镓作为新一代宽禁带材料, 其器件具有优越的性能. 本文仿真研究了n+高浓度外延薄层对氧化镓肖特基二极管的势垒调控. 模拟结果显示, 当n型氧化镓外延厚度为5 nm、掺杂浓度为2.6×1018 cm–3时, 肖特基二极管纵向电流密度高达496.88 A/cm2、反向击穿电压为182.30 V、导通电阻为0.27 mΩ·cm2, 品质因子可达123.09 MW/cm2. 进一步研究发现肖特基二极管的性能与n+外延层厚度和浓度有关, 其电流密度随n+外延层的厚度和浓度的增大而增大. 分析表明, n+外延层对势垒的调控在于镜像力、串联电阻及隧穿效应综合影响, 其中镜像力和串联电阻对势垒的降低作用较小, 而高电场下隧穿效应变得十分显著, 使得热发射电流增大的同时, 隧穿电流得到大幅度提升, 从而进一步提升了氧化镓肖特基二极管的性能.
2022, 71 (3): 037501.
doi: 10.7498/aps.71.20211584
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基于线性自旋波理论, 研究了二维各向异性双层平方晶格阻挫模型的基态性质. 探讨了各向异性和自旋间交换作用对基态相图及系统可能发生相变的影响. 结果显示: 对于各向同性, 当层间耦合相互作用$ {J_{\text{c}}} \geqslant $ $ 0.21 $ 或$ {J_{\text{c}}} \leqslant - 0.175 $ 时, Nèel态(NS)和Collinear态(CS)能共存; 对于各向异性, NS和CS也可以共存. 对弱的各向异性, NS更稳定; 对于强的各向异性, 系统将发生由NS向CS转换的一阶相变.
2022, 71 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.71.20211381
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各向异性贵金属纳米结构所特有的表面增强电场和近红外性能在纳米光电和生医传感等领域具有重要的应用, 但是其最佳光学性能的激发受限于结构姿态与光电场偏振方向的匹配. 本文基于芯帽颗粒特有的两个表面等离子体共振模式, 提出引入补偿结构, 利用二聚体结构间的局部表面等离子体共振耦合作用补偿电场偏转时缺失的近红外性能, 实现解除对激发光偏振方向的依赖关系. 基于有限元法数值求解了光与三维复杂异构二聚体作用后的电磁场分布, 分析了芯帽-芯壳异构二聚体间的作用模式, 从理论上明确了补偿结构去除偏振依赖的机理. 补偿后, 芯帽异构二聚体可在任意姿态下产生稳定的近红外高吸收性能, 在传感、成像、药物释放与光热疗法中具有广泛的应用潜力.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.71.20211299
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光波单向传输器件在全光计算和信息处理方面具有重要应用. 本文提出一种具有完全光子带隙的硅基空气孔光子晶体漏斗型光波导结构, 在光通信波段可实现单向传输特性. 漏斗型光波导可打破光波对称传输, 引入点缺陷通过模式转换与失配进一步抑制反向透射, 并研究了不同的点缺陷类型与位置对反向透射的影响. 采用时域有限差分法进行数值计算, 优化选取了最佳的点缺陷模式. 结果显示, 单柱型点缺陷在向左移动5a (a为光子晶体晶格常数, a = 470 nm)时, 横电(TE)偏振光在工作波长1550 nm处正向透射率为0.716, 透射对比度为0.929, 工作带宽为111 nm. 另外, 本文提出的光波单向传输器件结构简单、工艺要求低, 有望为集成光路中单向传输器件设计提供新的解决方案.
2022, 71 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.71.20211585
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以钙钛矿为顶、晶硅为底的钙钛矿/硅叠层电池可以提高太阳光谱的利用率, 突破单结电池中的肖克利极限(SQ极限), 是实现更高光电转换效率的有效途径之一. 如何降低光子在电池表面和界面的传输损失, 最大化响应层的吸收效率是其中的关键. 本文通过时域有限差分法和严格耦合波分析, 系统研究了不同种类金属纳米球对钙钛矿/硅叠层电池的光谱响应和能量转换效率的增强机制. 结果表明, 由于表面电子云对光波的共振增强, 金属纳米结构的引入显著提升了光子进入到电池响应层的透射率, 电池总的吸收光谱和量子响应效率因而得到明显提升. 对于最优的Al纳米球, 观察到的加权平均透射率从73.16%提升到79.15%, 电池能量转换效率从23.09%提高到24.97%, 效率相对提高了8.14%.
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2022, 71 (3): 038802.
doi: 10.7498/aps.71.20211525
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硫硒化锑薄膜太阳电池因其制备方法简单、原材料丰富无毒、光电性质稳定等优点, 成为了光伏领域的研究热点. 经过近几年的发展, 硫硒化锑太阳电池的光电转换效率已经突破10%, 极具发展潜力. 本文针对硫硒化锑太阳电池中n/i界面引起的载流子复合进行了深入研究. 发现硫硒化锑太阳电池的界面特性会受到界面电子迁移能力和能带结构两方面的影响. 界面电子迁移率的提高能使电子更有效地传输至电子传输层, 实现器件短路电流密度和填充因子的有效提升. 在此基础上, 引入ZnO/Zn1–xMgxO双电子传输层结构能够进一步优化硫硒化锑太阳电池性能. 其中, Zn1–xMgxO能级位置的改变可以同时调节界面和吸光层的能级分布, 在Zn1–xMgxO导带能级为–4.2 eV, 对应Mg含量为20%时, 抑制载流子复合的效果最为明显, 硫硒化锑太阳电池也获得了最佳的器件性能. 在去除缺陷态的理想情况下, 双电子传输层结构硫硒化锑太阳电池在600 nm厚时获得了20.77%的理论光电转换效率, 该研究结果为硫硒化锑太阳电池的进一步优化和发展提供了理论与技术支持.
2022, 71 (3): 038803.
doi: 10.7498/aps.71.20211401
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当前锂离子动力电池电化学模型存在模型复杂、建模难度大、计算效率低、老化评估效果差的问题, 本文提出一种考虑电池衰退老化的机理模型(ADME). 本文首先通过有限差分法对伪二维(P2D)电化学模型进行离散降阶处理, 得到简化伪二维(SP2D)模型. 在SP2D模型的基础上, 基于阴阳两极发生的副反应导致的衰退老化现象, 提出一种考虑电池衰退老化的机理模型. 其次, 使用多变量偏差补偿最小二乘法实现模型参数辨识. 最后通过动力电池衰退老化性能循环实验, 对比分析了恒流、脉冲工况下SP2D模型和ADME模型的终端电压输出. 结果表明: ADME模型较为简单、计算效率和估算精度高, 可以有效评估电池容量老化衰退, 得到理想的锂离子动力电池外特性曲线.
