综述
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2022, 71 (5): 050303.
doi: 10.7498/aps.71.20211865
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近年来超导量子计算的研究方兴未艾, 随着谷歌宣布首次实现“量子优势”, 这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注. 超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件, 通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差, 可对量子态进行精确调控, 从而实现量子计算和量子信息处理. 超导量子比特有着诸多方面的优势, 很有希望成为普适量子计算的核心组成部分. 以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间, 目前已引起越来越多的兴趣. 本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理, 进而按照器件加工的一般顺序, 从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺, 为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程. 最后, 介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子, 并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.
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2022, 71 (5): 058504.
doi: 10.7498/aps.71.20211883
摘要 +
传感器作为物联网技术的基石, 在人们的生产生活中发挥着重大作用. 其中, 基于隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistance, TMR)的磁传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点, 在导航定位、生物医学、电流检测和无损检测等领域具有极大的应用前景. 本综述以TMR传感器技术路线的发展为核心, 囊括了从基本传感单元到三维空间磁场检测, 再到实际应用的多个研究重点. 首先, 介绍了TMR传感器发展历程并阐明其基本工作原理, 讨论了提高单个传感单元磁隧道结输出线性度的方法. 接下来, 详细介绍了传感器的重要电路结构—惠斯通电桥, 以及制备TMR全桥结构的多种工艺方法. 进一步, 从三维空间磁场检测这一市场需求入手, 深入讨论了基于TMR传感器的三维传感结构的设计和制备方法. 同时, 以传感器灵敏度和噪声水平这两大基本性能为切入点, 列举了TMR传感器性能的优化方案. 最后, 本文对TMR传感器的应用展开了详细介绍, 以自旋麦克风, 生物传感器两个新兴应用为例, 对TMR传感器未来在物联网中的发展和应用进行了展望.
总论
2022, 71 (5): 050101.
doi: 10.7498/aps.71.20211504
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针对大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统信道估计中的导频设计问题, 在压缩感知理论框架下, 提出了一种基于信道重构错误率最小化的自适应自相关矩阵缩减参数导频优化算法. 首先以信道重构错误率最小化为目标, 推导了正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit, OMP)算法下信道重构错误率与导频矩阵列相关性之间的关系, 并得出优化导频矩阵的两点准则, 即导频矩阵列相关性期望和方差最小化; 然后研究了优化导频矩阵的方法, 并提出相应的自适应自相关矩阵缩减参数导频矩阵优化算法, 即在每次迭代过程中, 以待优化矩阵平均列相关程度是否减小作为判断条件, 调整自相关矩阵缩减参数值, 使参数不断趋近于理论最优. 仿真结果表明, 与采用Gaussian矩阵、Elad方法、低幂平均列相关方法得到的导频矩阵相比, 本文所提方法具有更好的列相关性, 且具有更低的信道重构错误率.
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2022, 71 (5): 050301.
doi: 10.7498/aps.71.20211324
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双模纠缠态是量子信息领域一种重要的量子资源, 本文基于四波混频过程从理论上提出了对双模纠缠态的单个模式(单模放大方案)和对双模纠缠态的两个模式(双模放大方案)的放大. 利用光学分束器模型来模拟在光学传输过程中损耗引入的真空场噪声, 利用部分转置正定判据分析了两种不同的放大方案中四波混频过程的增益对初始双模纠缠态的纠缠程度的影响. 结果表明, 在特定的损耗情况下, 两个方案中初始双模纠缠态的纠缠度都随增益的增大而减小, 直至消失, 且双模放大方案中初始双模纠缠态纠缠消失得比单模放大方案中更快. 本文的理论结果为实验上实现基于四波混频过程的双模纠缠态的放大奠定了理论基础.
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2022, 71 (5): 050302.
doi: 10.7498/aps.71.20210907
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量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域, 是一种利用量子力学原理, 能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式. 基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态, 并利用局域幺正变换加载信息. 本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案. 发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特. 接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听, 从而实现信息的确定性安全传输. 另外, 我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器, 可以在当前的量子通信装置上实现.
2022, 71 (5): 050501.
doi: 10.7498/aps.71.20211656
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可视图(visibility graph, VG)算法已被证明是将时间序列转换为复杂网络的简单且高效的方法, 其构成的复杂网络在拓扑结构中继承了原始时间序列的动力学特性. 目前, 单维时间序列的可视图分析已趋于成熟, 但应用于复杂系统时, 单变量往往无法描述系统的全局特征. 本文提出一种新的多元时间序列分析方法, 将心梗和健康人的12导联心电图(electrocardiograph, ECG)信号转换为多路可视图, 以每个导联为一个节点, 两个导联构成可视图的层间互信息为连边权重, 将其映射到复杂网络. 由于不同人群的全连通网络表现为完全相同的拓扑结构, 无法唯一表征不同个体的动力学特征, 根据层间互信息大小重构网络, 提取权重度和加权聚类系数, 实现对不同人群12导联ECG信号的识别. 为判断序列长度对识别效果的影响, 引入多尺度权重度分布熵. 由于健康受试者拥有更高的平均权重度和平均加权聚类系数, 其映射网络表现为更加规则的结构、更高的复杂性和连接性, 可以与心梗患者进行区分, 两个参数的识别准确率均达到93.3%.
2022, 71 (5): 050502.
doi: 10.7498/aps.71.20212017
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局部有源忆阻器(locally-active memristor, LAM)凭借其高集成度、低功耗和局部有源特性等优点, 在神经形态计算领域显示出巨大的潜力. 本文提出了一种简单的N型LAM数学模型, 通过揭示其非线性动力特性, 设计了N型LAM神经元电路. 采用Hopf分岔、数值分析等方法定量研究了该电路的动力学行为, 成功模拟了多种神经形态行为, 包括全或无行为、尖峰、簇发、周期振荡等. 并利用该神经元电路结构模拟了生物触觉神经元的频率特性. 仿真结果表明: 当输入信号幅值低于阈值时, 神经元电路输出信号的振荡频率与输入信号强度呈正相关(即兴奋状态), 并在阈值处达到最大值. 随后, 继续增大激励强度, 振荡频率则逐渐降低(即保护性抑制状态). 最后, 设计了N型LAM硬件仿真器, 并完成了人工神经元电路的硬件实现, 实验结果与仿真结果、理论分析相一致, 验证了该N型LAM具备的神经形态行为.
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2022, 71 (5): 050503.
doi: 10.7498/aps.71.20211959
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非线性调频(NLFM)信号在雷达、通信、信号处理中应用广泛, 该类信号所激励下的非线性系统响应有着丰富的信息, 通过共振来增强NLFM信号具有一定实际意义与价值. 本文主要研究了受到不同类型NLFM信号所激励的非线性系统共振现象, 提出了实时尺度变换方法来处理高频NLFM信号, 克服人为选择造成信号输出响应较差的缺点. 同时, 提出实时谱放大因子作为共振评价指标, 准确评价NLFM信号激励下的系统共振响应, 讨论系统参数对系统最优共振响应的影响, 参数选择在合理的区间内即可实现最优共振响应, 不仅实现信号特征的大幅增强, 还保持信号时频特征的连续性. 最后, 将实时尺度变换方法和固定尺度变换方法进行对比, 说明所提方法处理NLFM信号的优越性.
2022, 71 (5): 050504.
doi: 10.7498/aps.71.20211829
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突触输入刺激神经元产生的电活动, 在神经编码中发挥着重要作用. 通常认为, 兴奋性输入增强电活动, 抑制性输入压制电活动. 本文选取可调节电流衰减速度的突触模型, 研究了兴奋性自突触在亚临界Hopf分岔附近压制神经元电活动的反常作用, 与抑制性自突触的压制作用进行了比较, 并采用相位响应曲线和相平面分析解释了压制作用的机制. 对于单稳的峰放电, 快速和中速衰减的兴奋性自突触分别可以诱发频率降低的峰放电和混合振荡(峰放电与阈下振荡的交替), 而中速和慢速衰减的抑制性自突触也可以分别诱发频率降低的峰放电和混合振荡. 对于与静息共存的峰放电, 除上述两种行为外, 中速衰减的兴奋性和慢速衰减的抑制性自突触还可以诱发静息. 兴奋性和抑制性自突触电流在不同的衰减速度下, 分别作用在峰放电的不同相位, 才能诱发同类压制行为. 结果丰富了兴奋性突触压制电活动反常作用的实例, 获得了兴奋性和抑制性自突触压制作用机制的不同, 给出了调控神经放电的新手段.
2022, 71 (5): 050701.
doi: 10.7498/aps.71.20211394
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超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势, 极大地推动了光声成像技术的临床应用推广. 传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号, 系统结构紧凑且无需图像配准, 操作便捷. 但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集, 使得其成本较高; 且成像结果易受通道一致性差异影响. 本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术, 该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描, 实现超声/光声双模态成像, 是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术. 本文开展了系列仿体和活体成像研究, 实验结果表明: 系统有效成像范围为15.6 mm, 超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s–1和0.1 s–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率). 基于本文所提技术研究, 有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及; 也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.
2022, 71 (5): 050702.
doi: 10.7498/aps.71.20211315
摘要 +
设计了一种氧化石墨烯(GO)功能化的倾斜光纤光栅(TFBG)传感器, 用于检测水溶液中的重金属离子. 通过氧等离子体活化光纤表面, 以及采用GO的无水乙醇分散液, 避免了咖啡环效应引起的GO的团聚和堆叠, 充分了暴露GO的表面和羧基. 吸附重金属离子后, GO-TFBG传感器的透射光谱中的谐振峰发生红移, 这是由GO向重金属离子的电子转移导致的有效折射率变化造成的. 对Pb2+和Cd2+离子最低检测限可达到10–10 mol/L (ng/L量级), 相应灵敏度分别为0.426 dB/(nmol·L–1)和0.385 dB/(nmol·L–1)(2.06和3.43 dB/(μg·L–1)). 此外, GO-TFBG传感器具有出色的器件一致性, 5组传感器的传感性能稳定. 本研究实现了GO纳米片在光纤表面的无团聚和均匀成膜, 获得了具有超大表面积的GO并充分暴露表面羧基实现对重金属离子的吸附, 利用了TFBG不同模式谐振对环境的高度敏感性, 完成了对低浓度重金属离子的高灵敏度、可重复检测. 本研究为提高各种类型的基于二维材料的传感器性能提供了参考.
基本粒子物理学与场
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2022, 71 (5): 051101.
doi: 10.7498/aps.71.20211671
摘要 +
等离子体层嘶声波对电子的散射损失是地球内外辐射带之间的槽区(1.8 ≤ L ≤ 3)形成的主要机制. 冷等离子体色散关系被广泛地运用于量化嘶声波对高能电子的散射效应研究中, 而在真实的磁层环境中, 热等离子体的存在会修正嘶声波的色散特性. 基于范阿伦双星的观测数据, 对比了利用磁场观测数据得到的槽区嘶声波观测幅值和反演幅值, 并研究了空间位置与地磁活动水平对嘶声波冷等离子体色散关系适用性的影响. 结果表明, 冷等离子体近似整体上高估了嘶声波的幅值, 观测幅值与反演幅值的差异有着很强的日夜不对称性, 而没有明显的地磁活动强度依赖性. 此外发现, 波动磁场的反演强度在低频(高频)处显著低于(高于)观测强度, 意味着冷等离子体近似整体上高估(低估)了嘶声波对槽区较低(较高)能量电子的散射强度. 研究证明, 槽区嘶声波冷等离子体色散关系的适用范围有很强的空间区域与频率局限性, 这对深入理解槽区电子的动态演化过程有非常重要的意义.
核物理学
2022, 71 (5): 052101.
doi: 10.7498/aps.71.20211611
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沿面放电是破坏绝缘系统性能的原因之一. 聚酰亚胺常用于高频电力设备的气-固绝缘中, 为此利用密度泛函理论, 从原子分子层面探讨了在外电场下聚酰亚胺及其受极性基团OH–影响后的单分子链结构、能级与态密度、静电势、激发态等微观参数对陷阱形成以及沿面放电的影响. 结果表明, 外电场下, 聚酰亚胺分子结构卷曲, 偶极矩增加, 易于积聚电荷形成空间电荷中心, 尤属引入极性基团OH–后变化较明显; 聚酰亚胺分子中, 苯环区域形成空穴陷阱, 酰亚胺环区域形成电子陷阱, 且电子陷阱能级的数量较多, 其中空间电荷陷阱深度随外电场的增加逐渐变深; 聚酰亚胺分子在引入极性基团OH–后激发能降低, 使得分子内部的电子变得容易被激发; 电子与空穴的空间分离度随电场增加而降低, 利于空穴与电子的复合而发出光子.
封面文章
2022, 71 (5): 052901.
doi: 10.7498/aps.71.20211646
摘要 +
锂是熔盐堆燃料载体盐的主要材料之一, 其中子核反应截面数据是熔盐堆芯中子物理设计及堆芯长期安全运行中的重要基础数据. 本工作基于中国散裂中子源反角白光中子束线(CSNS Back-n)飞行时间谱仪, 利用中子全截面测量谱仪(NTOX), 采用透射法测量了天然锂中子全截面. 实验中, 中子飞行距离约为76.0 m, 采用15.0 mm和8.00 mm两种厚度的天然锂金属样品, 在0.4 eV—20 MeV中子能量范围内测得了统计计数较好的中子全截面. 特别是在keV及以下能区增补了实验数据, 为锂的核数据评价工作提供了更加丰富和可靠的实验数据. 在此基础上, 采用1/v律和R矩阵理论对MeV以下能区的新测量数据进行了理论分析, 获得了7Li和6Li在260 keV能量附近的中子共振参数.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (5): 054201.
doi: 10.7498/aps.71.20211783
摘要 +
Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉是光子的一种非经典效应, 在量子光学中起到重要作用. 偏硼酸钡(β-barium borate, BBO)具有较高的非线性效率, 常被用来产生双光子态, 进而展示HOM干涉. 然而, 在以前的实验中, 人们往往使用带通滤光片对双光子的频谱进行过滤, 所得光谱由带通滤光片直接决定, 而对BBO晶体自身的原始光谱, 特别是泵浦光强聚焦下的原始光谱, 缺乏系统性研究. 本文对泵浦光强聚焦条件下BBO晶体产生的双光子纠缠态光谱分布和HOM干涉进行了深入研究. 理论计算发现, 使用50 mm透镜聚焦的情况和无聚焦情况相比, 下转换光的光谱宽度会增加7.4倍, HOM干涉条纹的宽度会减少为无聚焦情况的1/8, 干涉条纹可见度会从53.0% 提高到98.7%. 实验上使用II型BBO晶体制备了能量-时间纠缠态, 并进行了HOM干涉, 获得了$(86.6 \pm 1.0) $ % 的干涉可见度. 干涉可见度极大提高的原因在于强聚焦改善了光谱的对称性. 此外, 本文提出的不同入射角获得不同光谱分布的技术方案有望在未来应用于高维量子纠缠态的制备.
2022, 71 (5): 054202.
doi: 10.7498/aps.71.20211811
摘要 +
近年来, 直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小, 热管理能力强等优势而成为研究热点. 本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法. 应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响. 计算分析了均匀性为92%, 80%和70%, 且总的抽运功率不变时, 激光器高阶像差分布情况. 随着均匀性逐渐减弱, 激光器中高阶像差逐渐增强, 低阶像差量基本保持不变. 实验中, 设计加入波导和未加入波导结构, 构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布, 分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布, 抽运功率为5 kW时, 测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPDH), 其畸变量均方根(RMS)值为0.66 μm和0.79 μm, 实验结果和理论分析结果基本趋势一致.
2022, 71 (5): 054203.
doi: 10.7498/aps.71.20211406
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层间扭转角度是对石墨烯物理性质宽波段可调谐的一个新参量. 本文采用2° < θ < 15°扭转角度下的连续近似模型, 获得了不同扭转角度双层石墨烯分别在有、无电场下的能带结构, 通过电子-光子相互作用跃迁速率, 计算模拟了范霍夫奇点附近电子带内跃迁和带间跃迁所引起的光学吸收谱. 结果表明, 在无外加电场时, 带间跃迁吸收峰的位置随着扭转角度的增大而发生从红外到可见光波段的蓝移, 且吸收系数增大, 带内跃迁的光学吸收系数相对于带间跃迁高出2个数量级; 而存在外加电场时, 两个范霍夫奇点在波矢空间的位置发生偏移, 带间跃迁吸收峰发生分裂, 且两个分裂的吸收峰位置随着电场强度的不断增大而反向行进. 上述研究结果对石墨烯材料在光电器件方面的应用有一定指导作用.
2022, 71 (5): 054204.
doi: 10.7498/aps.71.20211502
摘要 +
孤立阿秒脉冲因可以跟踪和控制原子及分子内电子的运动过程而备受关注. 本文从理论上开展了氦原子在3束飞秒脉冲激光组合场辐照下产生的高次谐波和阿秒脉冲辐射的研究. 组合激光场由 16 fs/1600 nm, 15 fs/1100 nm 和 5.3 fs/800 nm 的钛宝石脉冲构成. 与前两束脉冲合成的双色场产生谐波谱相比, 附加钛宝石脉冲的三色场产生的高次谐波发射谱呈现出高转换效率及宽带超连续特性, 超连续谱范围覆盖从 230—690 次谐波, 傅里叶变换后实现了128 as高强度孤立短脉冲的产生. 该结果归因于合成的三色场呈现出高功率及少周期的中红外飞秒脉冲激光特性, 可以有效控制原子电离以及复合发生在中红外飞秒脉冲的一个有效光学周期内.
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2022, 71 (5): 054205.
doi: 10.7498/aps.71.20211217
摘要 +
为了满足日益增加的集成光子器件设计的需求, 本文研究了一种铌酸锂/钠表面等离子体波导(LiNbO3/Na surface plasmonic waveguide, LNSPW), 并利用LNSPW构成电光可调的定向耦合器(directional coupling, DC). 利用有限元方法(finite element method, FEM)对波导的模式特性和耦合器的耦合特性进行了分析. 结果表明, 随着波导尺寸的增大, 传播长度可达约200 μm, 归一化有效模场面积小于0.4. 通过调节耦合间距(Wgap)、耦合长度(LC)和工作波长(λ)等参数, 铌酸锂钠表面等离子体波导构建的定向耦合结构可实现3 dB耦合. 当Wgap = 100 nm和LC = 17 μm时, DC在V0 = 53 V时可实现3 dB耦合, 且具有较好的方向性和隔离度. LNSPW的研究为实现可调的DC提供了一种可行的方案, 在集成电光可调器件研究领域有潜在的应用前景. 除此之外, LNSPW还可广泛应用于非线性光学、光信号处理及光全息存储等领域.
2022, 71 (5): 054206.
doi: 10.7498/aps.71.20211838
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CMOS图像传感器应用于空间任务时容易受到质子单粒子效应影响. 本文采用商用正照式(FSI)和背照式(BSI)CMOS图像传感器开展了不同能量的质子辐照实验, 实验中通过在线测试方法分析质子单粒子效应. 其中, 质子能量最高为200 MeV, 总注量为1010 particle/cm2, 结果未发现外围电路的单粒子效应, 但观察到像素阵列出现不同形状的单粒子瞬态亮斑. 通过提取瞬态亮斑沉积能量和尺寸大小两个特征参数, 比较了不同能量质子对瞬态亮斑特征的影响, 以及FSI和BSI中瞬态亮斑特征的差异. 最后, 结合仿真方法, 与实验结果进行比较, 预测了质子在CMOS图像传感器像素单元产生瞬态亮斑的能量沉积分布. 仿真结果验证了光电二极管耗尽区厚度减小和外延层减薄是导致BSI图像传感器中质子能量沉积分布左移的主要因素.
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2022, 71 (5): 054301.
doi: 10.7498/aps.71.20211848
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高阶拓扑绝缘体是近年来发现的一类具有特殊拓扑相的新型拓扑绝缘体, 目前已在光学、声学等多种经典波系统中实现. 本文采用数值模拟方法研究了一种二维声学蜂窝结构, 通过调节胞内和胞间耦合波导管, 使体能带发生反转诱导拓扑相变, 进而利用拓扑相构建出声学二阶拓扑绝缘体. 蜂窝结构的拓扑性质可以用量子化的四极矩$ {Q_{ij}} $ 表征, 当$ {Q_{ij}} = 0 $ 时, 系统是平庸的; 而当$ {Q_{ij}} = 1/2 $ 时, 系统是拓扑的. 基于该蜂窝结构, 分别研究了六边形和三角形结构的声学高阶态, 在两种构型的蜂窝结构中均观测到了孤立的零维角态, 研究结果表明只有存在钝角的六边形结构对缺陷具有鲁棒性, 受拓扑保护. 本文的拓扑角态丰富了高阶拓扑绝缘体的研究, 同时可为紧凑声学系统中的鲁棒限制声提供一条新途径.
2022, 71 (5): 054701.
doi: 10.7498/aps.71.20211921
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刮膜蒸发器是通过旋转刮板强制成膜, 可实现高黏度非牛顿流体类物料平稳蒸发的新型高效蒸发器. 蒸发器内流体的流动、分布与传输机制直接决定了蒸发器的蒸发效率与功耗. 不同于现有研究主要基于牛顿流体开展, 本文针对不同黏度的非牛顿流体, 建立蒸发器三维计算流体动力学模型, 系统研究了蒸发器内的流场分布特性和成膜机理. 结果表明: 低黏非牛顿流体的流场分布特性和牛顿流体类似, 物料可在壁面形成均匀且连续的液膜; 随着黏度的增加, 液膜的均匀性和连续性逐渐变差. 通过对流场分布与传输形式的研究, 结合液膜分布、速度分布、剪应变率分布, 以及黏度分布进行对比分析发现, 蒸发器内部结构与运行状态形成的剪切场与黏度分布是蒸发器良好成膜的关键. 此外, 提出对刮板前缘进行弯折可辅助高黏流体液膜铺展, 并对最佳弯折角度进行探索. 本研究为刮膜蒸发器的设计和应用提供了理论指导与依据.
2022, 71 (5): 054702.
doi: 10.7498/aps.71.20211851
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采用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质内含流固溶解反应的互溶驱替过程, 重点研究了被驱替流体与驱替流体黏性差异较大的情况下, 溶解反应引起的多孔介质内部结构变化对驱替过程的影响; 定量分析了不同达姆科勒数及佩克莱数下多孔介质孔隙率和驱替过程驱替效率随时间的演变. 研究结果表明: 达姆科勒数较大时, 溶解反应的发生会在多孔介质内部生成虫洞, 导致一部分被驱替流体不能被波及, 驱替流体沿虫洞离开多孔介质, 造成驱替效率的减少. 在此基础上, 随着达姆科勒数的增大, 孔隙率变化越大, 生成的虫洞越宽, 最终驱替效率变大, 但仍小于无溶解反应时的驱替效率; 随着佩克莱数的增大, 指进增长速度越快, 孔隙率变化越小, 驱替效率越小.
气体、等离子体和放电物理
2022, 71 (5): 055201.
doi: 10.7498/aps.71.20211524
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系统电磁脉冲广泛存在于强电离辐射环境中, 且难以有效屏蔽. 为了评估稀薄空气对系统电磁脉冲的影响, 本文基于粒子-流体混合模拟方法, 建立了三维非稳态模型, 计算并分析了稀薄空气等离子体的特性以及其与电磁场响应的相互作用. 结果表明, 压力越高, 光电子发射面附近的次级电子数密度越高, 轴向分布的梯度越大, 腔体中部的电子数密度在20 Torr (1 Torr = 133 Pa)下出现峰值, 而电子温度随压力升高单调递减. 腔体内的稀薄空气等离子体阻碍了空间电荷层的产生, 电场响应峰值比真空条件下的低了一个数量级, 电场脉冲宽度也显著降低. 光电子运动特性决定了电流响应的峰值, 压力升高, 到达腔体末端的电流先增加再减小. 而等离子体电流会抑制总电流的上升速率, 并使电流响应出现拖尾. 最后, 将数值模拟结果与电子束模拟系统电磁脉冲的实验结果进行比较, 验证了本文混合模拟模型的可靠性. 本研究所采用的混合模拟方法相比于粒子云网格-蒙特卡罗碰撞方法, 大幅减小了计算消耗.
2022, 71 (5): 055202.
doi: 10.7498/aps.71.20211270
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使用等离子体背向受激拉曼散射对激光进行放大时, 等离子体的密度、温度和长度都会对激光的放大效果产生影响. 为了探究等离子体密度对结果的影响, 本文使用一维粒子模拟程序模拟了波长为800 nm的泵浦激光入射到均匀等离子体中, 等离子体密度和泵浦光光强对散射光光谱的影响. 模拟结果表明, 等离子体密度降低会导致散射光的波长变短, 而泵浦光的光强在一定范围内降低会增加散射光中背向散射光的比例. 通过分析散射光的光强和等离子体的密度, 发现前向拉曼散射是等离子体密度变化的原因. 模拟结果对等离子体背向受激拉曼散射放大的实验研究具有重要的指导意义.
2022, 71 (5): 055203.
doi: 10.7498/aps.71.20211781
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采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段, 然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据. 本文从带电粒子在磁场中的运动出发, 推导了真空室内电子与离子运动行为, 得出闭合磁场的作用机制, 并依此研究了磁控溅射阴极和离子源布局方式对电子约束效果和沉积效率的影响. 结果表明, 闭合磁场在真空室中主要通过约束电子来约束等离子体, 进而减少系统内电子损失; 阴极数量和真空室尺寸对闭合磁场的作用效果有重要影响. 提出在真空室中央增加对偶离子源, 研究了闭合磁场中阴极类型、旋转角度和磁场方向对电子的约束作用, 发现当离子源正对阴极相斥或相吸时, 真空室内分别形成了局部高密度和均匀连续的两种等离子体分布特征, 边缘电子溢出比均低于3%, 镀膜区的电子占比相对无对偶离子源时分别提高到53.41%和42.25%.
2022, 71 (5): 055204.
doi: 10.7498/aps.71.20211383
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磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表, 磁等离子体动力学过程是其核心工作机制. 为深入理解外磁场对其工作特性的影响, 本文采用粒子云(particle in cell, PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型, 进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真, 通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性, 并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布, 以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响. 研究结果表明: 阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤; 外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧, 等离子体束流集中于轴线附近, 推力主要产生机制是自身场加速; 外磁场强度较高时, 阴阳极放电电弧稳定, 推力产生主要机制是涡旋加速, 推力、比冲随外磁场强度线性增大; 推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大; 放电电压随阴极电流增大而增大, 但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2022, 71 (5): 056101.
doi: 10.7498/aps.71.20211857
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通过离子辐照产生缺陷, 可以非常有效地调控磷烯诸多物理性质. 本文应用分子动力学方法模拟离子辐照磷烯的过程, 给出了缺陷的形成概率与入射离子能量、离子种类以及离子入射角度之间的关系, 并且应用非平衡态分子动力学计算辐照后磷烯热导率的变化. 以缺陷形成概率为切入点, 系统地研究了辐照离子的能量、辐照剂量、离子的种类以及离子的入射角度对磷烯热导率的影响. 应用晶格动力学方法研究了空位缺陷对磷烯声子参与率的影响, 并计算了声子局域模式的空间分布. 基于量子微扰和键弛豫理论, 指出空位缺陷明显降低磷烯热导率的最重要物理机制是空位缺陷附近的低配位原子对声子强烈散射. 本文研究可为缺陷工程调控磷烯的热输运性质提供理论参考.
2022, 71 (5): 056701.
doi: 10.7498/aps.71.20211949
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Bessel型光晶格是一种非空间周期性的柱对称的光晶格势场, 其兼具无限深势阱和环状势阱的特征, 在0阶Bessel光晶格势场中央形成深势阱, 而在非0阶Beseel光晶格势场中能形成具有中央势垒的环状浅势阱. 极化激元是一种半光半物质的准粒子, 该准粒子甚至可以在室温条件下发生玻色-爱因斯坦凝聚相变, 形成极化激元凝聚. 另外, 通过极化激元能级的腔诱导TE-TM分裂能在极化激元凝聚中实现足够强的自旋-轨道耦合作用. 极化激元凝聚能在室温条件下实现, 在其中又存在自旋-轨道耦合作用, 其为量子物理的研究提供了全新的平台. 本文把Bessel光晶格势场引入到极化激元凝聚系统, 研究了存在自旋-轨道耦合作用下的旋量双组分极化激元凝聚系统的稳态结构. 通过求解Gross-Pitaevskii方程给出了极化激元凝聚系统在实验室坐标系和旋转坐标系中极化激元凝聚系统的稳态结构, 由于Bessel势场的引入, 使得稳态结构更具有多样性. 给出了实验室坐标系中在中央深势阱中存在的基础型高斯孤立子、多极孤立子和在环状浅势阱中存在环状孤立子和多极孤立子的稳态结构; 给出了旋转坐标系中存在的涡旋环状孤立子, 及其由于自旋-轨道相互作用引起的组分分离的稳态结构. 分析了自旋-轨道耦合作用对两种坐标系中稳态结构的影响和多极孤立子在旋转坐标系中的稳定性. 结果表明, 环状浅势阱中形成的多极孤立子相对于中央深势阱中形成的多极孤立子具有更好的稳定性, 它们在旋转过程中能够长时间保持相对结构和空间分布不变. 在旋转坐标系中, 即使不满足双组分组分分离的条件, 由于自旋-轨道耦合作用的引入也能使得两组分发生组分分离.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2022, 71 (5): 057301.
doi: 10.7498/aps.71.20211917
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准垂直GaN肖特基势垒二极管(SBD)因其低成本和高电流传输能力而备受关注. 但其主要问题在于无法很好地估计器件的反向特性, 从而影响二极管的设计. 本文考虑了GaN材料的缺陷以及多种漏电机制, 建立了复合漏电模型, 对准垂直GaN SBD的特性进行了模拟, 仿真结果与实验结果吻合. 基于此所提模型设计出具有高击穿电压的阶梯型场板结构准垂直GaN SBD. 根据漏电流、温度和电场在反向电压下的相关性, 分析了漏电机制和器件耐压特性, 设计的阶梯型场板结构准垂直GaN SBD的Baliga优值BFOM达到73.81 MW/cm2.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2022, 71 (5): 058101.
doi: 10.7498/aps.71.20211304
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本文研究了经局部塑性变形后, Fe78Si9B13金属玻璃在原子尺度上的结构演变及其对合金显微硬度的影响. 借助砂纸作为传力的媒介, 充分放大了作用于带材表面上的等效压力, 发生塑性变形后合金表面产生了大量的剪切带. 基于倒空间和实空间的同步辐射X射线衍射分析, 在塑性变形后, 合金结构的致密度增大, 过剩自由体积被排出, 并由此揭示了Fe78Si9B13金属玻璃在短程及中程尺度上原子协同重排行为. 结合高分辨透射电子显微镜观察的结果, Fe78Si9B13金属玻璃在发生塑性变形后, 结构不均匀的程度将会加剧. 此外, 不同于单轴加载下金属玻璃的加工软化, Fe78Si9B13金属玻璃在发生局部塑性变形后, 维氏硬度增大, 表现出局部的加工硬化行为. 从自由体积的角度看, 合金表面的大量剪切带可能是由于剪切带影响区域的重叠和交叉发生相互作用, 并加速原子迁移, 使自由体积湮灭的速率大于产生速率.
2022, 71 (5): 058102.
doi: 10.7498/aps.71.20211796
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由于SiC禁带宽度大, 在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒, 制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题, 因此, 研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要. 本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 结合平均静电势和局域态密度计算方法, 研究了石墨烯作为过渡层对不同金属 (Ag, Ti, Cu, Pd, Ni, Pt)/SiC接触的SBH的影响. 计算结果表明, 单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低; 当石墨烯为2层时, SBH进一步降低且Ni, Ti接触体系的SBH呈现负值, 说明接触界面形成了良好的欧姆接触; 当石墨烯层数继续增加, SBH不再有明显变化. 通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度, SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响, 并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数. 此外, SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.
2022, 71 (5): 058501.
doi: 10.7498/aps.71.20211694
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具有超导绝缘相变特性的纳米多孔超导薄膜在红外光电探测领域有着潜在的应用价值, 而其在红外波段的宽带光响应特性研究目前尚未见报道. 为此, 本文以纳米多孔氮化铌(NbN)薄膜为主要对象, 研究了其在780—5000 nm的近、中红外波长范围内的光响应特性. 首先, 采用Drude模型拟合的方法, 不仅将对实验数据拟合的精度提高了约17%, 而且得到了中红外波段的NbN光学参数; 进而, 采用时域有限差分法分析了加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件的光响应特性, 并给出了能够将纳米多孔薄膜简化为均匀薄膜的Bruggeman等效模型, 从而可以将纳米多孔NbN薄膜光响应特性的仿真维度由三维降为一维; 最后, 基于等效模型和传输矩阵法, 对加载纳米多孔NbN薄膜的背面对光器件在近、中红外波段内的光吸收特性进行了优化设计. 结果表明: 一方面, 使用Bruggeman等效模型简化设计过程并不会影响最终结果的正确性; 另一方面, 仅仅是加载较为简单的光学腔, 即可使得探测器的薄膜光吸收率在近、中红外宽带设计时均大于82%, 在近红外双波长设计时均大于93.7%, 并且多孔薄膜结构具有天然的极化不敏感特性.
2022, 71 (5): 058502.
doi: 10.7498/aps.71.20211795
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为探索锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)总剂量效应的损伤机理, 采用半导体器件三维模拟工具(TCAD), 建立电离辐照总剂量效应损伤模型, 分析比较电离辐射在SiGe HBT不同氧化层结构的不同位置引入陷阱电荷缺陷后, 器件正向Gummel特性和反向Gummel特性的退化特征, 获得SiGe HBT总剂量效应损伤规律, 并与60Co γ辐照实验进行对比. 结果表明: 总剂量辐照在SiGe HBT器件中引入的氧化物陷阱正电荷主要在pn结附近的Si/SiO2界面处产生影响, 引起pn结耗尽区的变化, 带来载流子复合增加, 最终导致基极电流增大、增益下降; 其中EB Spacer氧化层中产生的陷阱电荷主要影响正向Gummel特性, 而LOCOS隔离氧化层中的陷阱电荷则是造成反向Gummel特性退化的主要因素. 通过数值模拟分析获得的SiGe HBT总剂量效应损伤规律与不同偏置下60Co γ辐照实验的结论符合得较好.
2022, 71 (5): 058503.
doi: 10.7498/aps.71.20211350
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通过采用稀土元素镨掺杂铟锡锌氧化物半导体作为薄膜晶体管沟道层, 成功实现了基于铝酸的湿法背沟道刻蚀薄膜晶体管的制备. 研究了N 2O等离子体处理对薄膜晶体管背沟道界面的影响, 对其处理功率和时间对器件性能的影响做了具体研究. 结果表明, 在一定的功率和时间处理下能获得良好的器件性能, 所制备的器件具有良好的正向偏压热稳定性和光照条件下负向偏压热稳定性. 高分辨透射电镜结果显示, 该非晶结构的金属氧化物半导体材料可以有效抵抗铝酸的刻蚀, 未发现明显的成分偏析现象. 进一步的X射线光电能谱测试表明, N 2O等离子体处理能在界面处形成一个富氧、低载流子浓度的界面层. 其一方面可以有效抵抗器件在沉积氧化硅钝化层时等离子体对背沟道的损伤; 另一方面作为氢的钝化体, 抑制了低能级施主态氢的产生, 为低成本、高效的薄膜晶体管性能优化方式提供了重要参考.
2022, 71 (5): 058701.
doi: 10.7498/aps.71.20211761
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基于深度学习的磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)方法需要大规模、高质量的病患数据样本集进行预训练. 然而, 由于病患隐私及设备等因素限制, 获取大规模、高质量的磁共振数据集在实际临床应用中面临挑战. 本文提出一种新的基于深度学习的欠采样磁共振图像重建方法, 该方法无需预训练、不依赖训练数据集, 而是充分利用待重建的目标MR图像的结构先验和支撑先验, 并将其引入深度图像先验(deep image prior, DIP)框架, 从而削减对训练数据集的依赖, 提升学习效率. 基于参考图像与目标图像的相似性, 采用高分辨率参考图像作为深度网络输入, 将结构先验信息引入网络; 将参考图像在小波域中幅值大的系数索引集作为目标图像的已知支撑集, 构造正则化约束项, 将网络训练转化为网络参数的最优化求解过程. 实验结果表明, 本文方法可由欠采样k空间数据重建得到更精确的磁共振图像, 且在保留组织特征、细节纹理方面具有明显优势.
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2022, 71 (5): 058702.
doi: 10.7498/aps.71.20211754
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单扫描时空编码磁共振成像是一种新型超快速磁共振成像技术, 它对磁场不均匀和化学位移伪影有较强的抵抗性, 但是其固有的空间分辨率较低, 因此通常需要进行超分辨率重建, 以在不增加采样点数的情况下提高时空编码磁共振图像的空间分辨率. 然而, 现有的重建方法存在迭代求解时间长、重建结果有混叠伪影残留等问题. 为此, 本文提出了一种基于深度神经网络的单扫描时空编码磁共振成像超分辨率重建方法. 该方法采用模拟样本训练深度神经网络, 再利用训练好的网络模型对实际采样信号进行重建. 数值模拟、水模和活体鼠脑的实验结果表明, 该方法能快速重建出无残留混叠伪影、纹理信息清楚的超分辨率时空编码磁共振图像. 适当增加训练样本数量以及在训练样本中加入适当的随机噪声水平, 有助于改善重建效果.
2022, 71 (5): 058703.
doi: 10.7498/aps.71.20211375
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本文从周期信号的整周期采样无频谱泄露这一原理出发, 提出基于multisine信号的整周期采样理论, 从理论上推导出满足multisine整周期采样的采样率设置条件, 构建了基于FPGA+数模转换器+模数转换器的整周期采样实现方法, 研制了一种基于multisine激励和整周期采样的新型多频电阻抗成像(mfEIT)系统; 设计了胡萝卜棒+黄瓜棒的双目标成像模型, 并进行了多频时差成像和频差成像实验. 实验表明, 本mfEIT系统能够在一个基波周期(1 ms)内实现20个频率点(2—997 kHz)多目标组织边界的全频阻抗测量, 成像结果可区分具有不同电特性生物组织的结构与位置. 本文提出的基于multisine信号的整周期采样理论及其实现方法, 只需一个multisine基波周期即可完成一次全频阻抗测量, 为研制高速mfEIT系统奠定了理论和技术基础.
2022, 71 (5): 058704.
doi: 10.7498/aps.71.20211634
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基于人脸视频的生理信号检测面临的主要挑战是运动伪影噪声. 针对受试者头部刚性旋转运动引起的伪影噪声, 本文提出利用头部运动信息构建自适应滤波器的非接触式心率检测方法. 该方法利用人脸二维和三维的特征点计算受试者运动中头部的偏航和俯仰欧拉角度, 并将其作为调控过程噪声协方差的信号质量指数, 进而构建了自适应Kalman滤波器, 实现了稳健的心率估计. 实验结果表明: 本文提出的方法可有效抑制头部刚性旋转运动引起的噪声, 平均绝对误差为2.22 beat/min, 均方根误差为2.76 beat/min, 与现有方法相比准确度分别提升9%与24.6%, 具有统计显著性. 本文提出的头部旋转角度自适应非接触鲁棒性心率检测方法在自发运动的真实场景下能有效提升检测的准确性, 扩大了成像式光电容积描记技术在视频健康监测领域的使用场景.
2022, 71 (5): 058705.
doi: 10.7498/aps.71.20211408
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激光的单色性和自然图像频谱稀疏且集中在低频区间的特点, 使图像频谱稀疏采样成像成为可能. 基于小规模激光探测器, 引入参考激光, 本文提出了频域稀疏采样激光成像方法. 介绍了频域稀疏采样激光成像的原理和成像系统结构, 推导了激光回波重构复频谱的表达式, 给出了重构频谱和复图像的仿真结果并分析了信号参数对重构效果的影响, 同时采用相干系数、均方误差和结构相似度来评价其重构效果. 规模为256 × 256的激光回波复图像仿真表明, 5个拼接1/4 × 1/4规模频域探测器组成的近似十字型稀疏采样结构, 在约31.25% (5/16)的频域稀疏采样条件下, 仍可获得较好的重构频谱和重构复图像.
