Vol. 72, No. 16 (2023)
2023年08月20日
封面文章
在拓扑系统中, 探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注, 其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦. 本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统, 有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper (AAH) 模型, 研究非线性拓扑泵浦的实验方案. 首先, 通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化, 得到了非线性系统的孤子态解. 然后, 分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运, 发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征, 由所占据能带的陈数决定, 并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性. 同时还计算了在不同相互作用强度下, 系统最低能带和最高能带对应陈数的分布. 最后, 基于$ ^{7}\text{Li}$ 原子的动量光晶格实验系统, 提出了一个非线性拓扑泵浦方案. 本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程, 并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响. 结果表明, 在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性. 本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径, 有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.
苑涛,
戴汉宁,
陈宇翱
.2023, 72(16): 160302.
总论
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2023, 72 (16): 160201.
doi: 10.7498/aps.72.20230638
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得益于高达4.8 eV的禁带宽度, 超宽禁带半导体氧化镓(Ga2O3)在深紫外探测领域具有天然的优势. 考虑到光电探测器在高温领域具有十分重要的用途, 本文研究了一种WO3/β-Ga2O3异质结深紫外光电探测器以及高温对其探测性能的影响. 利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备了Ga2O3薄膜, 并采用旋涂和磁控溅射技术分别制备了WO3薄膜和Ti/Au欧姆电极. 在室温(300 K)下, 该探测器的光暗电流比为3.05×106, 响应度为2.7 mA/W, 探测度为1.51×1013 Jones, 外量子效率为1.32%. 随着温度的升高, 器件的暗电流增加、光电流减少, 导致上述光电探测性能的下降. 为了理清高温环境下探测性能退化的内在物理机制, 研究了温度对光生载流子产生—复合过程的影响, 继而阐明了高温对光电流增益机制的影响. 研究发现, WO3/β-Ga2O3异质结光电探测器能够在450 K的高温环境中实现稳定的自供电工作, 表明全氧化物异质结探测器在恶劣探测环境中具有应用潜力.
2023, 72 (16): 160301.
doi: 10.7498/aps.72.20230398
摘要 +
随着雷达、电子战和5G通信等无线射频技术的快速发展, 对宽带射频信号的测量和实时频谱表征变得越来越重要. 传统射频信号实时测量技术受模数转换器采样率和数字信号处理能力的限制, 存在测量带宽窄、数据量大、易受电磁干扰等问题. 本文提出一种基于量子压缩感知的射频信号测量技术, 使用集成电光晶体作为射频传感, 通过被测射频信号调制光子波函数构建压缩感知机, 实现对宽带射频信号的压缩测量, 显著提升了频谱感知带宽. 实验演示了工频和中频高压信号的长时间频谱监测, 以及高频射频信号的实时频谱测量. 在傅里叶极限频谱分辨率下, 实现了GHz量级的实时频谱分析带宽, 数据压缩率达到1.7×10–5, 可以满足5G无线通信、认知无线电等应用对宽带射频信号频谱测量的需求, 为发展下一代宽带频谱感知技术提供了新的技术路径.
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2023, 72 (16): 160401.
doi: 10.7498/aps.72.20230605
摘要 +
在S-dual暴涨模型中通过在非正则动能项中引入峰值函数, 可产生丰度可观的原初黑洞和次级引力波. 该模型分别在1012, 108和105 Mpc–1对原初密度扰动的功率谱进行放大, 产生了质量量级分别为10–13太阳质量、地球质量、行星质量的原初黑洞, 以及峰值频率分别为毫赫兹、微赫兹、纳赫兹的次级引力波. 其中在10–13太阳质量附近的原初黑洞可以解释全部的暗物质, 产生的次级引力波能被未来的空间引力波探测器探测到.
2023, 72 (16): 160501.
doi: 10.7498/aps.72.20230338
摘要 +
开放量子系统在一定程度上可由等效的非厄米哈密顿量来描述, 因此探究非厄米系统的耗散作用有许多重要的现实意义. 本文研究了开边界条件下一维非厄米系统中与耗散强度相关的动力学规律, 发现耗散可诱导边缘爆发重新出现. 粒子在开边界条件下的一维非厄米耗散晶格系统中进行含时演化后, 系统存在边缘爆发即在边缘处有较大的粒子损失概率, 而增大胞内跃迁强度后边缘爆发消失, 研究发现若增大或者减小耗散强度, 边缘爆发会重新出现. 这种重现的与原先的边缘爆发有所不同, 主要表现为粒子的损失概率分布由边缘分布趋向于体分布, 这是由于两种情况下粒子运动方向的概率不同; 更深层的原因与非厄米系统远离宇称-时间对称破缺点有关. 另外还研究了杂质势垒对非厄米动力学中粒子损失概率分布的影响, 结果表明在无耗散的A格点上放置很小的势垒就能明显地阻碍粒子运动, 并且当势垒增大到一定高度后, 其对粒子运动的影响趋于不变.
2023, 72 (16): 160701.
doi: 10.7498/aps.72.20230735
摘要 +
采用水热法一步合成二维(2D)纳米片组成的SnS2/ZnS微花结构, 在空气气氛中煅烧获得不同组分的微花复合结构, 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)和气敏特性分析仪, 研究了煅烧温度对微花结构组分和气敏性能的影响. 结果表明: 450 ℃煅烧得到的SnO2/ZnS(SZ-450)微花结构的室温NO2气敏性能优于其他煅烧温度得到的微花结构, 其室温下对体积分数为10–4 NO2的响应值可达27.55, 响应/恢复时间为53 s/79 s, 理论检测下限低至2.1×10–7 (体积分数), 并具有良好的选择性、重复性和稳定性. 分析认为SZ-450元件优异的室温气敏特性与SnO2和ZnS之间的异质结有关, 本文可为室温NO2气体传感器提供敏感材料, 推动其研发及应用进程.
封面文章
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2023, 72 (16): 160302.
doi: 10.7498/aps.72.20230740
摘要 +
在拓扑系统中, 探索相互作用引起的新奇的拓扑泵浦现象日益受到人们的关注, 其中包括由相互作用诱导的非线性拓扑泵浦. 本文提出可以利用超冷原子动量光晶格系统, 有效地模拟一维非线性的非对角Aubry-André-Harper (AAH) 模型, 研究非线性拓扑泵浦的实验方案. 首先, 通过数值方法计算了一维非对角AAH模型的非线性能带结构随相互作用强度的变化, 得到了非线性系统的孤子态解. 然后, 分析了不同相互作用强度下孤子态的拓扑输运, 发现其质心的移动距离具有量子化的输运特征, 由所占据能带的陈数决定, 并讨论了非线性拓扑泵浦对相互作用符号的依赖性. 同时还计算了在不同相互作用强度下, 系统最低能带和最高能带对应陈数的分布. 最后, 基于$ ^{7}\text{Li}$ 原子的动量光晶格实验系统, 提出了一个非线性拓扑泵浦方案. 本文构造了一种近似于孤子态分布的初始态并演示了其动力学演化过程, 并分析了绝热演化条件对泵浦过程的影响. 结果表明, 在动量晶格系统中演示非线性拓扑泵浦具有可行性. 本文的工作为在超冷原子系统中研究非线性拓扑泵浦提供了一个可行的途径, 有助于进一步探测非线性引起的拓扑相变和边界效应.
核物理学
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2023, 72 (16): 162801.
doi: 10.7498/aps.72.20230531
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钨作为未来聚变堆偏滤器靶板的候选材料, 需要长期服役在高温且受到高能中子辐照的严峻环境, 这将导致钨发生中子辐照诱导再结晶, 从而提高钨发生沿晶脆断的可能性, 威胁偏滤器的运行安全, 因此研究中子辐照诱导钨再结晶的物理机制具有重要意义. 然而, 与最近高通量同位素反应(HFIR)堆高温下中子辐照实验观察到的结果相比, 目前考虑辐照增强再结晶驱动力效应的模型低估了中子辐照对再结晶的影响, 结果表明仍有其他效应影响再结晶过程. 基于此, 本文在假设晶界迁移率与自体扩散系数成正比的前提下, 引入辐照增强晶界迁移因子(R), 建立了新的辐照诱导再结晶动力学模型. 模拟结果显示, 在综合考虑辐照增强再结晶驱动力和晶界迁移效应后, 模型计算出的850 ℃下达到一半再结晶分数所需要的时间($ {{t}}_{{X}{}={}0.5} $ )和HFIR堆中子辐照实验结果相符, 这表明辐照增强晶界迁移效应是影响辐照诱导再结晶现象的重要因素之一. 另外, 模型研究了不同辐照温度下钨的$ {{t}}_{{X}{=0.5}} $ . 结果表明辐照与未辐照的$ {{t}}_{{X}{=0.5}} $ 差别随温度升高而逐渐下降. 这是因为随着温度的升高, 辐照缺陷复合加剧, 辐照缺陷对再结晶驱动力的贡献下降, 且热激活扩散系数增大的幅度大于辐照下扩散系数的增大幅度, 所以热激活效应会逐渐主导再结晶过程.
原子和分子物理学
2023, 72 (16): 163101.
doi: 10.7498/aps.72.20230615
摘要 +
在修正了各种误差(自旋-轨道耦合效应、标量相对论效应、核价相关效应及基组截断)的基础上, 本文利用内收缩的多参考组态相互作用(icMRCI) +Q方法计算了AlH分子10个Λ-S态和26个Ω态的势能曲线. 利用包含自旋-轨道耦合效应的icMRCI/AV6Z*理论计算了$ {\rm X}{}^1\Sigma _{{0^ + }}^ + $ , $ {\rm a^3}{\Pi _{{0^ + }}} $ , $ {\rm a^3}{\Pi _1} $ , $ {\rm a^3}{\Pi _2} $ 和$ {\rm A^1}{\Pi _1} $ 态之间的跃迁偶极矩. 计算得到的光谱常数和跃迁数据与现有的实验值符合很好. 研究发现:1) A1Π1 – ${\text{X}}^{1}{{\Sigma }}_{{{0}^ + }}^ +$ (0, 0), (0, 1), (0, 2), (1, 0), (1, 1), (1, 2), (1, 3), (1, 4)和(1, 5)带Q(J'')支的跃迁比较强, 随着J''的增大, Δυ = 0带的爱因斯坦A系数和振动分支比值逐渐减小, 加权的吸收振子强度值逐渐增大; Δυ ≠ 0带的爱因斯坦A系数、振动分支比和加权的吸收振子强度值逐渐增大; 2) A1Π1态υ' = 0和1能级的辐射寿命随着J'的增大而缓慢增大; 3) AlH分子的A1Π1 (υ' = 0和1, J' = 1, +) →$ {\text{X}}{}^1\Sigma _{{0^ + }}^ + $ (υ'' = 0—3, J'' = 1, –)跃迁满足双原子分子激光冷却的准则, 即对角化分布的振动分支比, A1Π1(υ' = 0和1, J' = 1, +)态极短的辐射寿命, ${{\text{a}}^{3}}{{{\Pi }}_{{{0}^ + }}}$ , a3Π1和a3Π2中间电子态不会对激光冷却产生干扰. 因此, 基于A1Π1(υ'= 0和1, J' = 1, +) ↔ $ {\rm X}{}^1\Sigma _{{0^ + }}^ + $ (υ''= 0—3, J'' = 1, –)循环跃迁, 本文提出了激光冷却AlH分子的可行性方案, 冷却时使用四束可见光波段的泵浦激光就可以散射2.541 × 104个光子, 这足以冷却到超冷温度, 并且主跃迁的多普勒温度和回弹温度为μK量级.
2023, 72 (16): 163201.
doi: 10.7498/aps.72.20230548
摘要 +
利用三维经典系综模型, 研究空间非均匀激光场驱动的氙原子非次序双电离, 并对比了空间均匀激光场的情况. 结果显示, 波长较短时, 空间非均匀激光场与空间均匀激光场的非次序双电离的产率较为相近. 随着波长的增大, 较高激光强度时空间非均匀激光场下非次序双电离受到越来越明显的抑制. 相比于空间均匀激光场, 空间非均匀激光场下非次序双电离两电子的末态发射角表现出更强烈的关联特性, 特别在较大的激光波长下, 两电子的末态发射角几乎全部集中在${0^\circ }$ 附近, 这意味着两电子往往是平行发射到相同方向. 此外, 波长由近红外增大到中红外时, 空间非均匀激光场下非次序双电离的有效再碰撞均由第1个电子的第1次返回主导, 而空间均匀激光场下则呈现由第1次返回主导到第2次返回主导的转变. 进一步, 通过反演分析非次序双电离的经典轨迹, 揭示了空间非均匀激光场下关联电子超快动力学过程的更多细节.
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2023, 72 (16): 163401.
doi: 10.7498/aps.72.20230470
摘要 +
重粒子碰撞中的电子转移涉及复杂的电子关联机制, 极大地影响等离子体中电荷态平衡, 也是X射线的辐射的重要来源之一. 电子转移截面与速率系数是国防工业发展核聚变等离子体所需要的重要原子参数. 基于全量子的非辐射分子轨道密耦合方法, 系统研究了质子碰撞硼原子在${10}^{-3}—{10}^{3}\;{\rm{e}}{\rm{V}}/{\rm{u}}$ 能量区间内的硼原子电子转移过程. 计算采用多参考组态方法得到总共15个电子转移、激发以及弹性散射的通道, 每个通道对应的分子态能量得到了与实验符合较好的结果. 分子态的绝热势能曲线间的避免交叉现象明显, 构成了电子转移的主要途径. 计算发现, 质子碰撞硼原子过程中2s轨道的电子转移是占主导地位, 2p轨道的电子转移贡献较小. 在低能区, 电子转移截面出现了明显的量子共振现象, 这些共振主要来源于不同能量通道的耦合. 此外, 还计算了不同温度下的质子碰撞硼原子的电子转移速率, 该速率可为复杂等离子体环境的模拟诊断提供重要的原子参数支持.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2023, 72 (16): 164101.
doi: 10.7498/aps.72.20230547
摘要 +
在微波无线输能领域中, 如何实现多目标点的电磁波可调控聚焦是一个值得关注的问题. 本文提出了一种基于时间反演多径环境下的多目标电磁波聚焦的新方法. 该方法基于多个输出之间的信道相关性, 将输入和输出节点之间的信道信息进行提取、筛选、加权和重构后在单个发送端上重建反演信号, 利用时间反演的空间选择特性实现均衡的电磁波聚焦. 基于这种方法, 设计了两组在多径环境下的实验. 实验结果表明, 通过这种方法可以使弱相关模型下不同输出端口获得均衡稳定的聚焦峰, 在强相关模型下使不同输出端口的分辨效果进一步提升. 此外, 6个额外的实验验证了所提出的方法可以在弱相关或强相关的单输入多输出信道模型下, 通过改变不同的权值灵活地调整不同接收端的输出峰值电压比.
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2023, 72 (16): 164201.
doi: 10.7498/aps.72.20230759
摘要 +
基于相位共轭光反馈混沌激光系统(主激光器)产生的极端事件, 研究了将其输出注入到一个自由运行的半导体激光器(从激光器)的演化情况. 通过注入参数空间中极端事件相对数量的二维统计图分析注入参数对极端事件产生的影响, 发现在主从激光器混沌输出高相关性参数区域, 从激光器中的极端事件的相对数量趋向于一个接近主激光器中极端事件相对数量的稳定值; 在某些特定的弱相关区域, 从激光器中的极端事件的相对数量趋向于增加. 研究结果证明了通过光注入控制极端事件的可能性, 有利于优化混沌激光系统性能或拓展其应用场景.
2023, 72 (16): 164202.
doi: 10.7498/aps.72.20230684
摘要 +
本文研究了不同风向和风速下大气非线性热晕效应对双模涡旋光束轨道角动量(orbital angular momentum, OAM )和相位奇异性的影响. 由于不同模式叠加的双模涡旋光束具有不同的对称性, 热晕效应对其的影响不仅与风速有关, 还与风向密切相关. 研究发现: 在一定风向角度下, 风速越小, 热晕效应越强, OAM值越大, 即热晕效应促进了双模涡旋光束的OAM增大. 因此, 在一定风向以及风速下双模涡旋光束可以获得大于自由空间的OAM, 并且大于单模涡旋光束的OAM. 模式越高的光束需要更小的风速才能使得OAM值大于自由空间中的OAM值. 此外, 构成双模涡旋光束的两束子光束的拓扑荷数相差越大, 不同风向下其OAM值越稳定. 另一方面, 还研究了风控热晕效应对线刃型位错奇点演化的影响, 研究表明: 线刃型位错线和风向垂直时, 位错线消失; 线刃型位错线和风向平行时, 位错线始终存在; 线刃型位错线和风向为钝角或锐角时, 位错线演化为光学涡旋对. 上述研究结果对激光大气传输和光通信领域具有理论指导意义.
2023, 72 (16): 164203.
doi: 10.7498/aps.72.20230673
摘要 +
亚波长光栅可以等效为均匀介质, 具备可控的双折射、色散和各向异性等优势, 有利于设计高性能的光子器件. 尽管目前传统的亚波长光栅结构只需要单步刻蚀, 然而通常需要100 nm及以下的制造分辨率, 这对当前主流的晶圆级硅光子芯片制造技术来说比较困难. 亚波长光栅的各向异性可以通过引入砖砌型拓扑结构来进一步设计, 从而在设计中提供额外的自由度, 同时还可以降低制造分辨率需求(> 100 nm). 本文提出并研究了基于硅基砖砌型亚波长光栅的紧凑型TE0-TE1和TE0-TE2模式转换器, 其中砖砌型亚波长光栅的最小特征尺寸为145 nm. 实现了TE0模式到TE1模式和TE2模式的转换, 转换区域长度分别为9.39 µm和11.27 µm. 测试结果表明, 在68 nm (1512—1580 nm, 受限于激光器调谐范围和光栅耦合器)带宽内, 插损和串扰分别小于2.5 dB和–10 dB.
2023, 72 (16): 164301.
doi: 10.7498/aps.72.20230594
摘要 +
基于线性相干及相位调控机制设计制备了两类声学触发器, 所设计的声学触发器由相控单元和多端口波导结构组成, 其宽度与长度分别为0.32λ和0.82λ (λ为声波波长), 具有亚波长结构特征. 基于相控单元的相位调制及声波的线性相干机制, 分别实现了T触发器和D触发器的声学逻辑功能, 且相对带宽(工作带宽与工作频带的中心频率之比)分别可以达到0.23和0.22. 实验测量与数值模拟的结果吻合很好. 本文所提出的声触发器具有宽频带、亚波长尺寸及结构简单等特点, 可为设计新型声触发器及声逻辑门提供理论方案与原理性器件.
2023, 72 (16): 164701.
doi: 10.7498/aps.72.20230695
摘要 +
多孔介质内气泡的Ostwald熟化行为广泛存在于CO2地质封存、多孔材料制备、燃料电池等领域. 为探究孔隙尺度下多孔介质内气泡的熟化特性, 建立了基于浓度耦合计算的三维孔隙网络模型, 该模型考虑了气泡形态、多孔介质结构以及气液之间的传质, 通过求解三维孔隙网络内各孔体的气相浓度, 得到各气泡的演化过程, 并采用四孔隙结构微流体芯片可视化实验验证了模型的可靠性. 为分析多孔介质非均质性对气泡熟化过程影响, 构建了两种不同孔隙尺寸的三维孔网结构, 对两个区域内的气泡熟化过程进行了数值模拟. 结果表明: 气泡初始分布会对熟化过程产生影响, 当气泡非均匀分布时, 气泡从小孔隙区域传输至大孔隙区域的同时, 也会各自向自身区域的大气泡区域传质; 气泡初始尺寸的差异, 会加速熟化进程, 使熟化时间明显短于均匀分布状态. 孔隙数的选取对平均毛细力、饱和度等连续尺度等效参数具有显著影响, 孔隙数增加时毛细力与饱和度呈现更具规律性的非线性变化. 该模型的建立可以预测地质封存过程中CO2的演化过程, 为CO2长期封存过程中非均质性的影响机制研究提供指导.
2023, 72 (16): 164702.
doi: 10.7498/aps.72.20230815
摘要 +
液体弹珠具有不润湿/不黏附, 以及与外界进行选择性物质交换等特性, 可以作为微量液滴承载体, 广泛运用于微流控、化学/生物微反应器等新兴领域. 碰撞可作为弹珠进行物质传递的一种操控方法, 区别于液滴-液滴或弹珠-弹珠的碰撞, 弹珠与液滴的碰撞行为更为丰富与复杂, 对其的研究可为以弹珠为媒介的物质的有效传递奠定理论基础. 本文利用高速摄像机拍摄技术, 捕捉了液体弹珠与固着液滴碰撞过程, 探究了不同奥内佐格数(Oh)以及壁面亲/疏水性(接触角: θ 为35.4°—124.5°)下弹珠与液滴之间的碰撞过程. 结果表明: 在亲水壁面时, 以翻越的形式与液滴结束碰撞; 当改用疏水壁面后, 以回弹行为取代翻越; 当壁面疏水性提高接触角达到θ = 124.5°时, 有效碰撞面积增大, 碰撞后在界面产生的波动使弹珠表面的颗粒迁移, 出现裸露区域, 形成液桥后快速完成聚结-合并(聚并). 弹珠与固着液滴碰撞后, 会出现三种运动行为即翻越、回弹以及聚并.
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2023, 72 (16): 164703.
doi: 10.7498/aps.72.20230608
摘要 +
微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁, 气泡微马达的驱动速度高, 这一优势在实际应用中不可替代. 管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低, 气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近. 鉴于此, 本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系, 调和了高能量转化率与界面受限的矛盾. 在实验中, 借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的~100 μs级过程, 气泡聚并紧邻微球发生, 通过释放的能量驱动微球显著运动, 其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题. 进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制. 研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节, 给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响, 确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (16): 165101.
doi: 10.7498/aps.72.20230541
摘要 +
基于课题组前期获得的研究双原子分子某电子态完全势能函数改进后的Hulburt-Hirschfelder (improved Hulburt-Hirschfelder, IHH)势能模型, 结合实验测量得到的光谱常数和Rydberg-Klein-Rees (RKR)光谱数据, 对NO+离子基态包含离解区在内的全程势能曲线进行研究. 利用获得的完全势能曲线数值求解一维薛定谔方程, 得到了体系包含高激发态在内的振转能级, 并以此为基础计算获得体系总的内部配分函数, 最后借助量子统计系综理论计算NO+离子系统在100—6000 K温度内的摩尔热容、摩尔熵、摩尔焓和约化摩尔吉布斯自由能. 对NO+离子系统的研究结果表明, IHH势模型同样也适用于离子系统, 计算的势能曲线与实验数据吻合良好, 其精度优于HH势和MRCI/aug-cc-pV6Z势, 且预测的热力学性质较HH势模型更接近实验值. 本文提出的研究方法为通过双原子离子微观信息获取系统宏观热力学性质提供了一条新的有效途径.
2023, 72 (16): 165201.
doi: 10.7498/aps.72.20230587
摘要 +
由于成像板(imaging plate, IP)对电磁辐射场不敏感, 因而作为探测介质被广泛应用于激光驱动的辐射粒子诊断设备中, 在使用前需要对其特性和物理机制进行研究. 利用90Sr/90Y电子源测量BAS-SR和BAS-TR两种IP板的时间衰减曲线, 同时对长时间辐照的衰减曲线进行修正; 刻度了 BAS-SR和BAS-TR两种IP板对90Sr/90Y电子源的绝对灵敏度, 其分别为(0.033±0.002) PSL/e和(0.0180±0.0038) PSL/e (photostimulated light, PSL), 与国际上大部分电子绝对刻度的结果基本相符, IP板对辐射粒子的绝对刻度依赖于IP板的类型、扫描设备和实验环境. 此外对BAS-SR和BAS-TR两种IP板辐照后进行多次连续扫描, 研究了信号强度变化趋势的规律. 建立了用于描述辐射粒子在IP板荧光层中沉积能量、存储信息和信息读取微观物理过程的光激励发光模型, 结合光激励发光模型建立的数学模型有效地阐释了IP板探测辐射粒子物理机制与其表现的特性之间的关系. 这些研究可以为后续开展IP板应用于激光等离子体诊断实验提供一定的数据基础.
编辑推荐
2023, 72 (16): 165202.
doi: 10.7498/aps.72.20230686
摘要 +
基于自主研发的二维流体尘埃模型, 研究了射频容性耦合硅烷等离子体放电中不同腔室结构对尘埃颗粒密度空间分布的影响. 模拟发现, 有别于一维模型, 径向电场和作用在尘埃颗粒上的离子拖拽力径向分量是导致尘埃颗粒密度分布径向不均匀的主要因素, 使其在极板边缘处呈现两个局部峰值, 其中一个峰值表明尘埃颗粒有可能会克服电场力的支撑更接近极板. 在极板半径较小或极板间距较小的情况下, 径向离子拖拽力的作用增强, 使尘埃颗粒更易于在极板边缘处和腔室侧壁附近聚集, 出现环状尘埃颗粒分布带. 在放电极板有介质材料包裹的情况下, 尘埃颗粒密度径向分布的均匀性得到改善. 最后, 还模拟了单个尘埃颗粒在极板边缘处的涡旋运动规律.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (16): 166101.
doi: 10.7498/aps.72.20230736
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石墨烯线缺陷在谷电子学中有非常重要的应用. 实验发现, 线缺陷附近存在局域形变. 当前研究普遍认为, 由于形变较小, 对近邻跳跃能的影响小于5%, 局域形变对谷输运性质的影响可以忽略不计. 基于第一性原理计算和非平衡格林函数方法, 本文研究了局域形变对两种不同构型线缺陷谷输运性质的影响. 结果发现, 对于58环线缺陷, 在较低能量下, 局域形变对谷隧穿系数的影响并不明显, 然而, 在较高能量下局域形变的影响非常明显, 谷隧穿系数最大值并没有随着能量升高而减小, 而是在很大能量范围内都保持不变. 进一步研究表明, 该效应是由与线缺陷相连的C—C键长发生改变造成的. 通过构建两个平行线缺陷, 可以在很大的角度范围内都实现100%谷过滤效果. 相比之下, 局域形变对57环线缺陷谷隧穿系数的影响非常小.
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2023, 72 (16): 166102.
doi: 10.7498/aps.72.20230396
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采用摩擦氧浓度法测定600 ℃高温钛合金的阻燃性能, 通过聚焦离子束技术和高分辨电子显微镜对燃烧组织的燃烧区、熔凝区和热影响区内不同价态的氧化产物进行表征与界面结构分析, 发现燃烧产物Al2O3, Ti2O3以及TiO2具有不同于氧化过程的形成方式; 结合自由能和蒸气压计算, 揭示燃烧组织演变的机理及其对合金阻燃性能的影响. 结果表明, 合金中6%的Al元素含量导致熔凝区/热影响区界面不能形成连续性Al2O3保护层; 1800 K左右TiO蒸气压的显著增加造成熔凝区形成Ti2O3和Ti构成的疏松结构, 为氧的快速内扩散提供路径; 此外, 燃烧区中形成的TiO2熔体对基体不具有保护作用. 因此, 600 ℃高温钛合金不具备良好的阻燃性能.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (16): 167101.
doi: 10.7498/aps.72.20230191
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降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要. 鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe2单层, 本文理论构建GaN/1T-VSe2异质结模型, 并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应. 计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的. 研究表明: 本征异质结为p型肖特基接触, 同时发现施加拉伸或压缩应变, 异质结始终保持p型肖特基接触不变, 没有出现欧姆接触. 而施加外电场则不同, 具有明显的调控效应, 较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触, 较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触. 特别是实施化学掺杂, 异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变, 例如引入B原子能使GaN/1T-VSe2异质结实现典型的欧姆接触, 而C和F原子掺杂, 能使GaN/1T-VSe2异质结实现准欧姆接触. 这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考, 特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.
2023, 72 (16): 167201.
doi: 10.7498/aps.72.20230765
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激基复合物有机发光二极管(exciplex-based organic light-emitting diodes, EB-OLEDs)中自旋对态(spin-pair states)的系间窜越(intersystem crossing, ISC)和反向系间窜越(reverse ISC, RISC)是重要的自旋混合过程. 它们通常展示正常的电流依赖关系, 即随电流的增大而减弱. 本文利用磁电致发光(magneto-electroluminescence, MEL)作为指纹式探测工具, 在具有不同电荷平衡的EB-OLEDs中观察到多种电流依赖的ISC和RISC过程. 它们有趣的表现为: 随着器件注入电流增大, 非平衡器件中电流依赖的MEL曲线呈现从正常ISC (1—25 μA)向反常ISC (25—200 μA)过程的转换, 而平衡器件中电流依赖的MEL曲线则展示从正常ISC (1—5 μA)→反常RISC (10—50 μA)→正常RISC (50—150 μA)→反常ISC (200—300 μA)过程的转换. 通过拟合和解析MEL曲线, 发现非平衡和平衡器件中的ISC和RISC过程随着电流增大都先增强后减弱. 这些丰富而有趣的转换可归因于增大电流时自旋对态增加的数量与其减短的寿命之间的竞争. 此外, 平衡器件中的RISC过程比非平衡器件中的更强, 从而导致平衡器件的外量子效率比非平衡器件的更高. 显然, 本文不但加深了对EB-OLEDs中电流依赖的ISC和RISC过程的理解, 还为设计制作高效率EB-OLEDs提供了清晰的器件物理思路.
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2023, 72 (16): 167501.
doi: 10.7498/aps.72.20230628
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自旋转移力矩纳米振荡器是一种直流驱动的新型纳米微波振荡器, 因其易集成、尺寸小、频率调制范围宽等优点, 成为未来射频收发器的理想器件. 但是, 自旋转移力矩纳米振荡器的稳定自激振荡需要外加磁场的条件限制了其应用. 基于宏自旋模型(又称单自旋或单畴模型), 利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程, 理论上研究了类场矩和电流强度对垂直磁化的自由层磁矩的零场稳定自激振荡特性的影响. 研究结果表明, 当类场矩参数与自旋转移力矩参数的比值为负值且其绝对值大于某一数值时, 自旋转移力矩纳米振荡器可以实现零场自激振荡, 其物理机制可以通过能量平衡方程解释, 并且这一临界比值依赖于该系统的阻尼系数和电流强度. 尤其是, 自旋转移力矩纳米振荡器的稳定自激振荡频率可以通过类场矩参数与自旋转移力矩参数的比值和电流强度的大小来调节, 并且其类场矩的绝对值越大, 施加的电流强度越小(大于临界电流强度), 则越有利于抑制二次和三次自激振荡频率的形成, 从而提高自旋转移力矩纳米振荡器的“单频”性. 上述结果提供了一种实现频率可调的零场自旋转移力矩纳米振荡器的理论方案.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (16): 168101.
doi: 10.7498/aps.72.20230636
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全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池因其优良的特性而受到广泛关注, 但是钙钛矿层具有带隙宽、结晶性较差、表面缺陷较多和水分稳定性差等缺点, 严重制约了全无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池性能的提高和商业化发展. 本文以无空穴传输层的碳基CsPbBr3钙钛矿太阳能电池作为控制组, 在PbBr2前躯液中引入具有丰富疏水F离子的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)作为添加剂, 调节CsPbBr3钙钛矿薄膜的生长过程, 改善晶体结构和薄膜形态, 降低缺陷密度及非辐射复合几率. 结果表明, PVDF处理后钙钛矿器件的光伏性能得到了显著改善, 光电转换效率提高至8.17%. 并且在无封装条件下保存1400 h后, 光电转换效率仍可保持90%以上. 这表明适量添加PVDF可以有效提高CsPbBr3薄膜质量及器件性能. 本工作对进一步拓展CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的优化设计思路具有重要意义.
2023, 72 (16): 168102.
doi: 10.7498/aps.72.20222270
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提高环氧树脂热界面材料热导率对解决5G等微电子芯片高热流密度散热问题具有重要意义. 采用非平衡态分子动力学方法, 重点研究了纳米金刚石填料的不同填充方式对环氧树脂基复合物热导率的影响. 结果表明, 单颗粒填充方式下, 复合物热导率随金刚石尺寸的增大而增大, 大尺寸金刚石填料可以降低复合物的自由体积分数, 对热导率的提升效果更显著; 多颗粒填充方式下, 复合物热导率随颗粒数的增多呈先增大后减小的趋势, 增加颗粒数可以减小复合物的自由体积分数, 但具有更大的比表面积及界面热阻, 其对热导率的削弱作用更为显著. 此外, 同一质量分数下, 增大纳米金刚石颗粒尺寸比增加颗粒数对复合物热导率的提升效果更为显著. 本文研究对具有高热导率的纳米金刚石/环氧树脂复合物热界面材料的设计和制备具有指导意义.
2023, 72 (16): 168103.
doi: 10.7498/aps.72.20230720
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水产品的新鲜度极大地影响着人类的生命及身体健康, 水产品在存放过程中会释放出以三甲胺为代表的胺类气体, 通过检测这类气体的浓度可以监控水产品的新鲜度. 本文以具有优良气体敏感性能的MoO3纳米带作为基体, 通过引入Cu3Mo2O9纳米颗粒制备Cu3Mo2O9/MoO3复合材料, 具有非常好的三甲胺气体敏感性能、快速响应/恢复时间及长期稳定性. 结果表明, 采用这种复合材料制备的气敏元件在50—240 ℃, 质量分数为5×10–6时对三甲胺气体的响应可达到Rair/Rgas = 13.9, 最小检测极限的体积分数为2×10–7. 分布在MoO3纳米带表面的Cu3Mo2O9颗粒与基体形成异质结界面, 利用Cu3Mo2O9的强氧吸附能力与催化效应促进电子与空穴的分离, 显著改善了复合材料的电子输运性能和气敏特性, 为制备高性能MoO3基气敏材料提供了新的策略.
2023, 72 (16): 168104.
doi: 10.7498/aps.72.20230675
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以三嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(P123)为模板, 硅酸四乙酯(TEOS, C8H20O4Si)为硅源合成了比表面积高达712.5 m2/g, 孔体积为2.44 cm3/g的新型介孔氧化硅载体(MCF). 通过正电子湮没寿命谱(PALS)以及常规表征手段; 例如N2吸附脱附、透射电子显微镜、热重分析、傅里叶变换红外光谱等系统研究了聚乙烯亚胺(PEI)改性MCF对纳米尺度孔结构的影响. 结果表明, 合成的MCF具有明显的无序介孔结构, 孔与孔之间通过窗口相互连接形成了一个连续的、具有良好热稳定性的多孔通道网络, 同时可以直观看到有机胺PEI已被成功引入到MCF通道中. 为了更全面地评估材料孔径的变化情况, 通过高灵敏度、可探测亚纳米量级的正电子湮没技术研究正电子在PEI负载MCF中的湮没机制, 发现存在τ3和τ4两个长寿命分量, 表明样品中存在微孔和介孔. 同时由于PEI分子的引入, 导致τ3和τ4呈明显的下降趋势, 之后利用正电子在纯气体中的湮没率公式校正PALS所测得的寿命来计算所得孔尺寸, 发现孔尺寸随着有机分子PEI的填充而逐渐减小, 这将为探究聚乙烯亚胺改性MCF孔结构的调控机理以及有机分子改性介孔分子筛材料体系的孔结构表征提供新的思路.
2023, 72 (16): 168105.
doi: 10.7498/aps.72.20230064
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在生产或使用过程中, 薄金属板中会产生微缺陷(微颗粒或气孔), 这些微缺陷的数目及尺寸决定了薄金属板的品质, 影响其使用寿命和安全系数. 因此, 对微缺陷进行定量和准确的表征是保证薄金属板产品品质与使用安全的必要条件. 电磁检测中的运动感应涡流磁场检测可应用于检测导电非导磁材料中的缺陷. 本文通过模拟和实验结果显示, 当提离距离、永磁体表面剩磁确定时, 永磁体尺寸与缺陷检测信号幅值正相关. 另外, 提出一种运动感应涡流磁场检测中激励磁场的优化方法, 由该方法产生的两种永磁体阵列相比于同体积、同表面剩磁的简单永磁体, 产生的缺陷检测信号幅值更高, 因而可以提高检测的灵敏度.
2023, 72 (16): 168801.
doi: 10.7498/aps.72.20230132
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采用钒/钯(V/Pd)金属复合膜渗氢是从混合气体中分离氢气的一种有效实用方法. 为深入地了解催化Pd层与金属膜结合处的界面结构与吸氢/渗氢特性的关联性, 进而提升合金膜提纯氢气的能力, 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了V/Pd金属复合膜界面的氢吸附/扩散行为. 研究结果表明: 由于V/Pd界面的电荷密度随着V/Pd成键而增加, 导致氢原子(H)溶解能随着接近界面而增大, 在V/Pd界面附近具有最高的溶解能(0.567 eV). 氢迁移能垒计算表明, 与H沿V/Pd界面水平扩散的最大能垒(0.64 eV)相比, H垂直V/Pd界面能垒(0.56 eV)更小, 因而H倾向于垂直V/Pd界面进行迁移, 并由Pd层扩散到V基体一侧, 因V/Pd界面处Pd层的氢溶解能(0.238 eV)高于V膜侧(–0.165 eV), H将在界面的V膜侧积累, 易引起氢脆. V基体掺杂Pd/Fe的计算表明, 与未掺杂的能垒(0.56 eV)相比, 掺杂Pd/Fe可明显地降低界面扩散路径中的最大能垒(0.45 eV/0.54 eV), 利于氢的渗透扩散, 且掺杂界面能一定程度抑制V和催化Pd层的相互扩散, 提高复合膜的结构稳定性.
地球物理学、天文学和天体物理学
2023, 72 (16): 169501.
doi: 10.7498/aps.72.20230569
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激光回馈(或激光自混合干涉)技术在位移、距离、速度、振动等传统物理量测量领域具有广泛的研究和应用. 近20年来, 这项技术在纳米粒度检测中也展示出了巨大的前景, 其测量原理是: 基于激光束与照射区域每个粒子相互作用的非相干叠加, 粒子直径可以通过激光回馈信号功率谱的洛伦兹拟合而求出. 激光回馈粒度检测一般使用恒流驱动的半导体激光器, 其信号功率谱峰会位于零频附近, 只呈现出右侧部分, 有些使用固体激光器的粒度传感器通过一对声光调制器进行移频, 将功率谱峰搬离零频位置, 但是极大地增加了系统的复杂度和费用. 本文用线性调制电流驱动半导体激光器, 以产生近似线性调频, 从而方便地把功率谱峰搬移到任意期望的频谱位置上. 此外, 适当的光反馈强度下, 倾斜的回馈信号条纹会导致功率谱峰产生高次谐波, 这些谐波峰的频谱展宽较主峰更为明显, 可以有效提高纳米粒子检测的灵敏度. 本文所提出的新技术方案通过数值仿真和实验验证, 有望应用在低成本、结构紧凑、高灵敏度的激光回馈粒度传感器或相关仪器中.
