专题：拓扑量子输运和器件
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2023, 72 (8): 087401.
doi: 10.7498/aps.72.20230397
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拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料. 因其相对论性能带色散关系, 拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应, 例如费米弧表面态和手征反常. 近年来, 因在拓扑量子计算的潜在应用, 拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注. 本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展: 1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控. 对于前者, 利用约瑟夫森电流对电磁场的响应, 拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示, 高阶拓扑半金属相被证实, 有限动量配对及超导二极管效应被实现. 对于后者, 通过交流约瑟夫森效应, 狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现, 纯电学栅压调控的拓扑相变被实现. 本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.
综述
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2023, 72 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.72.20230092
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计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力, 通过在成像链路中引入编解码过程, 在增大信息量的同时降低系统的复杂度, 为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础. 本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展. 简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标, 将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化, 在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果. 随着微纳加工技术的发展, 简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件. 复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法. 本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术, 以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用, 并对未来的发展进行展望.
2023, 72 (8): 087701.
doi: 10.7498/aps.72.20222078
摘要 +
压电材料能够收集环境中存在的微小的机械能, 具有将机械信号转换为电信号的强大能力. 利用压电材料的压电效应与电化学氧化还原效应二者的耦合可以实现压-电-化学耦合. 近年来, 压-电-化学耦合在收集清洁能源和处理废水保护环境方面受到国内外研究人员的广泛关注. 本文综述了增强压-电-化学耦合的策略, 从构建异质结、负载贵金属、构筑相界、混合碳或石墨烯和调控缺陷方面出发进行了总结梳理. 从电子的运输和转移、材料相变和氧空位的角度解释不同策略中的物理机理, 并对研究前景进行了展望.
总论
2023, 72 (8): 080201.
doi: 10.7498/aps.72.20230031
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使用物理启发的神经网络方法求解物理逆问题正成为一种趋势, 但仅通过损失函数引入物理信息的方案难以求解. 为解决电磁器件逆设计中物理启发神经网络模型不易收敛的问题, 本文引出了深度物理启发神经网络. 深度物理启发神经网络使用偏微分方程的基本解构成的网络替代传统的前馈神经网络, 将数学物理模型嵌入网络结构. 这一特点使深度物理启发网络的训练参数具有实际物理意义, 相较传统物理启发神经网络拥有更简洁的损失函数, 计算效率和稳定性也有明显提升. 以二端口波导的散射参数设计为例, 数值实验结果表明该方案在保证与设计目标相关性系数大于0.99的同时, 最快可在25 s实现器件逆设计, 且能够获得多样化的结构设计结果. 本文提出的方法为逆物理问题求解构建及神经网络的物理信息嵌入探索提供了新思路.
2023, 72 (8): 080202.
doi: 10.7498/aps.72.20222230
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本文研究了时域非连续伽略金算法(discontinuous Galerkin time-domain, DGTD)中的可穿透薄层问题, 薄层问题属于多尺度问题, 精确建模资源消耗太高难以实施, 可采用近似方案. 研究发现采用等效表面电流激励易产生发散, 为提高计算方案鲁棒性, 研究了电磁场修正方案, 这一方案允许采用参数很大的薄层(高介电系数), 其计算方法简便易行. 此外, 还给出了多层介质薄层的仿真方案, 并对相关数值算例进行验证, 结果说明了本文算法的精确性和有效性, 本文方案可用于复杂薄层电磁问题的快速求解.
2023, 72 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.72.20222312
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数值研究了偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate, BEC) 在环形运动高斯势搅拌时的动力学行为. 当高斯势运动速度和尺寸逐渐变化时, 偶极BEC中将出现稳定层流、涡旋偶极子、Bénard–von Kármán(BvK)涡街以及混乱激发4种模式. 结果表明高斯势在偶极BEC中圆周运动时产生涡街的条件非常苛刻, 只有适当尺寸的高斯势以合适的速度运动时, 尾流中周期性脱落的具有相同旋量的涡旋对稳定的分布在内外两个圆环上, 形成BvK涡街. 在实验参数下进行系统数值计算得到了不同偶极相互作用时的相图, 讨论了偶极相互作用以及高斯势速度和尺寸对不同激发模式的影响. 通过高斯势所受拖拽力的计算, 分析了不同激发的物理学机制.
2023, 72 (8): 080502.
doi: 10.7498/aps.72.20222294
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基于时变切换策略, 给出了原广义时滞反馈控制的一种改进方案, 即含时变切换的广义时滞反馈控制. 含时变切换的广义时滞反馈控制只在特定时段上对受控系统施加控制, 而在其他时段上不施加控制, 这不同于原广义时滞反馈控制具有的恒定控制. 通过实例分析, 研究了含时变切换的广义时滞反馈控制在镇定不稳定多旋转周期轨线中的具体性能. 通过计算受控周期轨线的最大Floquet乘数, 得到了受控多旋转周期轨线的稳定区域随切换频率变化的关系图. 结果表明, 随着切换频率的增大, 受控多旋转周期轨线的稳定区域呈现非平滑变化. 特别地, 当选择适当的切换频率时, 含时变切换的广义时滞反馈控制的稳定区域显著大于原广义时滞反馈控制的稳定区域.
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2023, 72 (8): 080503.
doi: 10.7498/aps.72.20222432
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分形格点是一类特殊的格点, 它具有非整数的维度, 且打破了平移不变性. 本文对分形格点中伊辛模型的临界行为进行了研究. 在这个系统中存在从有序到无序的连续相变, 本文利用张量网络重正化群算法计算了不同位置格点上的物理量, 并据此在不同空间位置拟合出了相应的临界指数. 由于平移对称性的缺失, 发现临界指数的拟合结果对空间位置有依赖关系. 另外, 在分形格点中的不同位置检验了临界指数间的标度关系(hyperscaling relations), 最终发现在某些格点上所有的标度关系全部成立, 而在另外一些格点上则只有部分的标度关系成立.
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2023, 72 (8): 080701.
doi: 10.7498/aps.72.20222257
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极低温(< 1 K)环境对于凝聚态物理、天文观测和量子计算等前沿领域具有重要意义, 其中稀释制冷是应用最广泛的极低温制冷技术. 针对小冷量应用的冷凝泵型稀释制冷机利用冷凝泵实现3He的低温循环, 无需复杂的机械泵组和连接气路, 具有结构紧凑、操作便利、成本低等优势, 从而成为新的研究热点. 本文围绕冷凝泵型稀释制冷机, 介绍了其制冷原理和系统架构, 设计并搭建了预冷系统、稀释低温系统和测量系统, 并对整机进行了实验研究. 辅助多测温点测量系统, 通过多次实验总结了稀释低温循环过程, 由吸附制冷机预冷、稀释循环启动和稀释制冷三个阶段组成, 并且分析了系统启动和运行特性. 经过测试, 实验最低温度可达108 mK. 该制冷机可以很方便地拓展低温平台的制冷温区, 为凝聚态物理、材料、医学研究等前沿领域提供重要支撑.
原子和分子物理学
2023, 72 (8): 083101.
doi: 10.7498/aps.72.20222410
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通过数值和解析的方法研究了拉伸到大核间距的分子离子的高次谐波辐射, 重点研究了与短轨道贡献相关的谐波辐射谱的精细结构. 研究结果表明, 大核间距分子离子的短轨道谐波辐射谱呈现了复杂的干涉结构. 通过利用一个考虑了电荷共振效应的强场近似模型, 可以分辨这些复杂的干涉结构的物理起源: 谐波辐射谱上一些干涉最小来源于电离过程中的两中心干涉效应, 而另外一些干涉最小来源于再结合过程中的两中心干涉效应, 电离干涉最小与再结合干涉最小交替出现. 与电离过程不同, 再结合过程中, 库仑加速会显著改变再结合电子的德布罗意波长, 从而改变干涉最小的位置.
2023, 72 (8): 083201.
doi: 10.7498/aps.72.20222314
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许多氨基酸分子的平动、转动及振动均落在太赫兹(THz)波段, 通过其在THz波段的特征指纹峰, 可以对氨基酸进行定性及定量研究. 本文利用太赫兹时域光谱技术测量了DL-谷氨酸及其一水合物在0.5—3.0 THz的室温太赫兹吸收谱, 发现二者的太赫兹特征峰存在明显差异. 基于DL-谷氨酸一水合物特征吸收峰(1.24 THz)在不同样品浓度下吸收幅度的变化, 对二者的混合样品进行了定量分析, 并对定量解析式进行了反推验证. 最后, 基于密度泛函理论对DL-谷氨酸及其一水合物进行了量化模拟, 在理论数据与实验峰匹配情况下, 对实验所得THz吸收峰的来源进行了讨论归纳. 研究结果表明, DL-谷氨酸及其一水合物的THz特征峰 (<2.80 THz)来源于分子间作用模式, 其余吸收峰来源于分子间与分子内的共同作用模式.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2023, 72 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.72.20222463
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空间光学系统在应用需求牵引下, 向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展, 像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长, 微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化, 因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求. 本文从误差分析理论出发, 提出了光线追迹精度表示模型, 依据模型分析了计算过程误差来源, 并设计了高精度光线追迹算法. 数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明, 本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级, 残差平均比Zemax小近3个数量级, 数值稳定性也得到了极大提升.
2023, 72 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.72.20222336
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基于相变材料Ge2Sb2Te5 (GST) 设计了一种太赫兹超材料, 在太赫兹波段实现了慢光和吸收功能的切换. 该超材料由三部分构成, 分别是金环构成的微结构层、SiO2介质层和GST薄膜. 研究结果表明: 当GST薄膜处于绝缘态时, 由于两个谐振环的电磁诱导透明效应, 入射THz光脉冲通过该THz超材料时群速度会减慢, 最大群延迟可以达到3.6 ps; 当GST薄膜转变为金属态时, THz超材料可实现双波段吸收, 在0.365 THz处吸收率可以达到97%, 在0.609 THz处吸收率可以实现完美吸收(吸收率100%). 另外还研究了该THz超材料的入射光偏振不敏感特性, 发现当入射光脉冲的偏振角从0°变化到90°时, THz超材料的慢光和吸收特性不受影响. 所设计的THz超材料在光缓存器、光传感器、光开关等领域具有潜在的应用价值.
2023, 72 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.72.20222406
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金属液滴是真空弧放电的伴随产物, 它对理解阴极斑放电性质具有重要作用, 而且对工程应用也有重要影响. 金属液滴的测量一般采用离线的收集法, 不能获得全部空间和单次放电信息. 本文提出了一种通过Mie散射在线测量真空弧放电液滴的新方法, 并对它的可行性进行了探索研究. 首先通过仿真程序计算了钛金属液滴的散射光性质, 结果表明小直径颗粒散射光在全部角度上均有分布, 随着直径增加, 散射光越来越集中在前向, 这为不同直径液滴信号的反演提供了可能. 接着对探测器进行了分环设计, 当探测器分为35环时, 光能系数矩阵容易求解, 同时保证测量系统具有良好的分辨率. 初步实验结果表明, 钛金属液滴直径主要分布在9.8 μm附近, 验证了Mie散射测量真空弧液滴方法的有效性. 但液滴直径分布和离线测量有较大差异, 缺少小直径液滴信息, 主要原因来源于测量系统信噪比不够, 不能有效地获得小直径液滴散射信号, 还需要进一步优化.
2023, 72 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.72.20221965
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基于现有的实验, 利用不同频率的光脉冲耦合到InAs/GaAs量子点的不同能级之间可形成梯形、$ {{\Lambda }} $ 形和$ {\rm{V}} $ 形等3类量子点电磁诱导透明介质. 继而研究这三类能级构型InAs/GaAs量子点电磁诱导透明介质中的光孤子形成和存储性质, 结果表明, 梯形和$ {{\Lambda }} $ 形InAs/GaAs量子点体系不但可形成光孤子还可以实现光孤子的存储与读取, 且其所存储光孤子的保真度比光存储的保真度高; 但$ {\rm{V}} $ 形InAs/GaAs量子点体系却不能形成光孤子, 这是由于体系的非线性效应非常弱. 有趣的是在相同的实验参数下, $ {{\Lambda }} $ 形InAs/GaAs量子点体系所存储的光孤子幅度比梯形所存储的光孤子幅度大. 这为半导体量子点器件对所存储光孤子进行调幅操作提供了理论依据.
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2023, 72 (8): 084206.
doi: 10.7498/aps.72.20222343
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量子光学频率梳在量子计算、量子信息以及高精度量子测量等领域都有重要的价值, 同步泵浦光学参量振荡器是制备量子光频梳最主要的手段. 本文采用中心波长为815 nm、脉冲宽度为130 fs的锁模飞秒脉冲激光二次谐波泵浦I类共线BiB3O6晶体以制备真空压缩态量子光频梳, 给出了同步泵浦光学参量振荡器中空间走离效应对获得量子光频梳压缩度的影响. 研究表明, 随着晶体长度的增加, 压缩度的增长会受到空间走离效应限制, 经计算在晶体长度为1.49 mm时压缩达到最大. 在此基础上, 本文实验研究了在四种晶体长度下获得的真空压缩态量子光频梳的压缩特性, 当BiB3O6长度为1.5 mm时获得了(3.6±0.2) dB的最大真空压缩, 考虑损耗后为(7.0±0.2) dB, 实验结果与理论分析相符. 该研究揭示了飞秒脉冲光在非线性晶体中存在的空间走离效应是影响量子光频梳压缩特性的重要因素, 为优化量子光频梳的实验测量提供了指导.
2023, 72 (8): 084207.
doi: 10.7498/aps.72.20222031
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水在纳米通道中会表现出与体相水不一样的独特结构和动力学性质, 但现有实验技术依然无法有效地进行探测和表征. 光谱是用于研究和鉴别物质成分及其特性的有效技术手段, 因此本文利用分子动力学模拟计算了受限在(6, 6)单壁碳纳米管中一维有序单链状水(single-file water, SW)的红外吸收光谱, 研究发现SW在0—35 THz区域内的主峰相对于体相水有明显的蓝移和增强, 分析表明是由于SW的有序性导致分子间的摆转(libration)振动(包括rock, twist, wag三种模式)耦合权重发生变化引起的, 即频率较高的twist和wag模式在SW中相对体相水中束缚能减小, 振动相对容易发生, 从而导致谱峰发生蓝移和增强. 与此同时, 研究表明SW光谱分量特性能很好地预测和解释SW的结构和动力学性质. 进一步地, 太赫兹电场效应模拟实验验证了SW的红外吸收能力基本符合光谱的分布特性.
2023, 72 (8): 084208.
doi: 10.7498/aps.72.20222384
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为了适应光学滤波、微波信号处理等各种应用场景的需求, 集成硅基光子滤波器需要具备多功能可重构和灵活可调谐特性. 本文提出了一种可调反射器辅助的微环光滤波器芯片设计. 通过传输矩阵模型, 仿真结果表明, 该器件可实现4种自由光谱范围的切换、100 dB消光比滤波、带通与带阻切换、Fano共振、类似电磁感应透明和类似电磁感应吸收等谱型的重构, 且每种谱型均可以实现滤波中心频率的大范围调谐. 本技术在集成光子模拟信号处理和微波光子学等领域具有广阔的应用前景.
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2023, 72 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.72.20230068
摘要 +
集合多种诊断和治疗功能的声/磁造影剂微泡的研究与开发已经成为当前医学超声、生物医学工程及临床应用领域共同关注的热点问题. 超顺磁氧化铁纳米颗粒具有独特的磁性特征和良好的生物相容性, 可被用作核磁共振造影剂来提升影像对比度、空间分辨率及临床诊断准确性. 我们的前期工作表明, 通过将超顺磁氧化铁纳米颗粒挂载于常规超声造影剂微泡表面, 可以成功构建多模态诊断及治疗介质, 显著改变超声造影剂微泡的尺度分布及包膜粘弹系数等物理特性, 进而影响微泡造影剂的声散射特性及其声空化效应和热效应. 然而, 此前的研究仅考虑了声场强度和微泡浓度等影响因素, 对于脉冲超声时间特性对磁性微泡造影剂动力学响应的影响的相关研究仍有所欠缺. 本文通过热电偶对凝胶仿体血管模型中流动的双模态磁性微泡在不同占空比超声脉冲信号作用下, 产生温升效应开展了系统的实验测量, 并基于有限元模型对实验结果进行了仿真验证. 结果显示, 脉冲信号占空比的提升是增强血管中磁性微泡在聚焦超声作用下温升效果的关键性时间影响因素. 本文的研究成果将有助于更好地理解不同超声作用参数对双模态磁性微泡的热效应的影响机制, 对保障双模态磁性微泡在临床热疗应用中的安全性和有效性具有重要的指导意义.
2023, 72 (8): 084302.
doi: 10.7498/aps.72.20222361
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浅海波导运动声源定位研究中, 在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题. 现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感, 且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度. 针对这两个问题, 本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法, 首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域, 波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励, 峰值位置与模态传播角和水平波数相对应; 然后, 在波束-波数平面内提取各峰值幅度, 并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配, 实现声源深度估计. 所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离, 消除了声源距离相关项, 提高了模态分辨能力, 可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计. 仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.
2023, 72 (8): 084701.
doi: 10.7498/aps.72.20222421
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本文改进了多弛豫时间多组分伪势格子玻尔兹曼方法, 使其可以适用于极大黏度比的情况. 研究了二维直通道内的两相流动, 分析了饱和度、黏度比、润湿性和毛细管数对相对渗透率和相渗曲线的影响. 结果表明, 大黏度相的相对渗透率随着黏度比的增大而增大, 维持高流动能力的饱和度范围也随之扩大, 小黏度相与之相反; 黏性耦合效应对两相相对渗透率的影响存在极限, 即不会导致小黏度相的相对渗透率低于最小值, 也不会使大黏度相的相对渗透率高于最大值; 非润湿条件会使大黏度相的流动能力增强, 相对渗透率增加, 并强化相渗曲线的非单调性; 润湿条件会减弱大黏度相的流动能力, 相对渗透率降低; 毛细管数的增加会导致更明显的接触角滞后效应, 使两相相对渗透率降低.
气体、等离子体和放电物理
2023, 72 (8): 085201.
doi: 10.7498/aps.72.20230009
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呼吸振荡作为霍尔推力器中的一种低频、大振幅放电不稳定性, 对推力器的性能及寿命有严重的影响. 本文利用包含了离子径向扩散和电子壁面相互作用的双区“捕食者-被捕食者”(Predator-Prey, P-P)模型, 对霍尔推力器中呼吸振荡的激发机理和影响因素开展了研究. 研究结果表明, 电子与壁面之间相互作用导致的能量耗散对呼吸振荡有抑制作用, 而近阳极区的离子径向扩散对呼吸振荡有激发作用. 依赖于近阳极区的离子径向扩散强度, 模式振荡频率以及放电电流的振荡峰值呈现非单调变化的趋势. 此外, 在推力器放电通道长度一定的情况下, 呼吸振荡的激发与电离区长度的变化无关, 而振荡的频率(周期)随着电离区长度的增大而增大(减小). 本文的研究结果将为霍尔推力器中呼吸振荡激发机理的认识以及呼吸振荡抑制新方法的提出提供理论支撑.
2023, 72 (8): 085202.
doi: 10.7498/aps.72.20222394
摘要 +
等离子体仿真是研究等离子体放电特性的重要手段, 特别是阳极层离子源, 其放电结构的几何特性对等离子体特性的作用很难通过实验手段进行系统研究. 然而, 传统仿真模型一般是针对离子源进行整体建模, 离子源的阴阳极几何轮廓形成的复杂求解域, 导致模型的计算效率和收敛性较差. 鉴于此, 将离子源结构仿真与等离子体仿真分离, 首先利用磁镜原理将离子源内外阴极大小、形状和相对位置等一系列阴极几何参数简化为磁镜比Rm和磁镜中心磁感应强度 B 0两个磁镜参数, 并在此基础上, 建立了高效粒子网格/蒙特卡罗模型, 将收敛时间由1.00 μs缩短到0.45 μs, 大幅提升了计算效率和稳定性. 进一步利用该模型系统研究了阳极层离子源放电结构的几何特性对等离子体特性的影响规律, 发现Rm = 2.50, B 0 = 36 mT时磁镜对等离子体约束效果最佳, 当放电中心的位置与内外阴极间磁镜中心重合时, 不仅能够输出高密度离子束流, 同时可大幅减少阴极刻蚀, 并保证内外阴极的刻蚀平衡.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2023, 72 (8): 086301.
doi: 10.7498/aps.72.20222015
摘要 +
具有低晶格热导率和高热电优值的二维 (2D)材料可用于热电器件的制备. 本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论, 系统地预测了单层Cu2X (X = S, Se)的热电性质. 研究发现单层Cu2Se较Cu2S在室温下具有更低的晶格热导率 (1.93 W/(m·K)和3.25 W/(m·K)), 这源于其更低的德拜温度和更强的非谐性. 单层Cu2X (X = S, Se)价带顶处的能带简并效应显著增大了其载流子有效质量, 导致p型掺杂下具有高的塞贝克系数和低的电导率. 在最优掺杂浓度下, 单层Cu2S (Cu2Se) n型的功率因数16.5 mW/(m·K2) (25.9 mW/(m·K2))远高于其p型的功率因数1.1 mW/(m·K2) (6.6 mW/(m·K2)), 且随着温度的提升这一优势将更加明显. 温度为700 K时, 单层Cu2S和Cu2Se在n型最优掺杂浓度下的热电优值可以达到1.85和2.82, 高于p型最优掺杂浓度下的热电优值0.38和1.7. 单层Cu2X (X = S, Se)的优良热电性能可与近期报道的许多先进的热电材料相媲美, 特别是单层Cu2Se的热电优值高于众所周知的先进热电材料—单层SnSe (2.32). 因此, 单层Cu2X (X = S, Se)是一类具有优异性能和良好应用前景的潜在热电材料. 这些结果为后续探索2D热电材料的实验及应用提供了理论依据, 并为深入了解声子热输运对热电优值的影响提供了新的见解.
2023, 72 (8): 086401.
doi: 10.7498/aps.72.20222334
摘要 +
实验研究了复合添加微量元素La和Al-5Ti-1B对Al-Cu合金凝固组织的影响, 发现与单独添加Al-5Ti-1B相比, 复合添加Al-5Ti-1B和微量La可进一步细化Al-Cu合金凝固组织, 降低α-Al的形核过冷度. 结合高分辨透射电镜表征和理论计算, 探明了复合添加微量元素La和Al-5Ti-1B对Al-Cu合金凝固组织的细化机理: 经Al-5Ti-1B细化处理的Al-Cu合金凝固时, Cu富集于α-Al与TiB2粒子的界面处, 增加了α-Al与TiB2粒子间的错配度, 降低了TiB2粒子对α-Al的异质形核能力; 添加微量的La能有效降低α-Al与TiB2粒子间的错配度, 减小TiB2粒子和α-Al间的界面能及接触角, 从而提高TiB2粒子促进α-Al的异质形核能力和Al-5Ti-1B对Al-Cu合金晶粒的细化效果.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2023, 72 (8): 087201.
doi: 10.7498/aps.72.20230035
摘要 +
采用高能球磨法制备了Ti1–xNiSb (x = 0, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25) 和Ti1–x–yScyNiSb (x = 0.10, 0.15; y = 0.03, 0.05) 样品, 并系统地研究了Sc掺杂对Ti1–xNiSb样品的物相、微结构以及电热输运性能的影响. 实验结果表明, Sc掺杂能够有效降低载流子浓度, 提高塞贝克系数, 改善材料的电输运性能. 此外, 由于Sc掺杂能够提高原子间的结合能, 从而有效减少了NiSb杂相. Ti1–x–yScyNiSb的晶格热导率随Sc掺杂而上升, 这可归因于化学键的增强以及电声散射作用的减弱. 但是载流子浓度的急剧下降导致样品的电子热导率显著下降, 从而Ti1–x–yScyNiSb样品的总热导率明显降低. 最终, Ti0.8Sc0.05NiSb样品获得最佳的热电性能, 其功率因子在973 K达到17.7 μW·cm-1·K-2, 无量纲热电优值ZT在973 K达到0.42, 相比未掺杂的单相Ti0.9NiSb样品提升了180%.
2023, 72 (8): 087202.
doi: 10.7498/aps.72.20222433
摘要 +
以磁隧道结/重金属层组成的三端口磁隧道结为理论模型, 通过对包含自旋转移矩和自旋轨道矩的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程做线性化稳定性分析, 研究了自旋轨道矩协助自旋转移矩驱动的磁化强度翻转. 发现在自旋轨道矩协助下, 磁矩的翻转时间极大减小, 翻转时间随自旋轨道矩电流密度的增大而减小, 且自旋转移矩和自旋轨道矩的结合可实现零磁场的磁化翻转. 另外, 相比自旋轨道矩的类阻尼项, 类场项在磁化强度的翻转中起着主导作用, 且自旋轨道矩类场项的出现也可以减小磁化强度的翻转时间, 磁化强度翻转时间随自旋轨道矩类场项强度的增大而减小.
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2023, 72 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.72.20222467
摘要 +
石墨烯等离激元是决定石墨烯光学性质的重要元激发, 拥有一系列优异的特性, 其通过外置电场的动态可调性最引人注目; 石墨烯具有很强的磁场响应(如室温观测的量子霍尔效应), 因而磁场可作为一个新的调控自由度, 形成的准粒子叫作石墨烯磁等离激元. 鉴于石墨烯的二维属性, 石墨烯磁等离激元的研究大多采用三维近似, 即将石墨烯等效成厚度很薄的三维块材, 该处理方案需消耗大量的计算资源. 本文在准静态近似下, 围绕库仑定律和电荷守恒定律, 构建了高效的二维有限元方法, 自洽地求解石墨烯面内的积分微分方程, 并提出本征值损失谱表征准粒子的激发. 利用二维有限元方法, 探讨了4类石墨烯环中磁等离激元的激发; 最低阶的偶极共振都支持磁等离激元的对称劈裂, 在孔很小时, 其对模式劈裂的影响可忽略, 但当孔的尺寸变大时, 内外边界的相互作用将抑制模式劈裂, 并最终导致其消失.
2023, 72 (8): 087302.
doi: 10.7498/aps.72.20222272
摘要 +
本文制备了氧化硅、聚酰亚胺以及氧化硅-聚酰亚胺堆叠结构钝化层的非晶铟镓锌氧背沟道刻蚀型薄膜晶体管. 与传统氧化硅钝化层薄膜晶体管相比, 聚酰亚胺钝化层薄膜晶体管的电学特性大幅提高, 场效应迁移率从4.7提升至22.4 cm2/(V·s), 亚阈值摆幅从1.6降低至0.28 V/decade, 电流开关比从1.1×107提升至1.5×1010, 负偏压光照稳定性下的阈值电压偏移从–4.8 V下降至–0.7 V. 电学特性的改善可能是由于氢向聚酰亚胺钝化层扩散减少了背沟道的浅能级缺陷.
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2023, 72 (8): 087501.
doi: 10.7498/aps.72.20230046
摘要 +
量子自旋系统在外磁场下的动力学性质一直是凝聚态理论和统计物理研究的热点. 本文利用递推关系方法, 通过计算系统的自旋关联函数及其对应的谱密度, 研究了三模型随机外场对一维量子Ising模型动力学性质的调控效应. 在三模型随机横场下, 利用r分支引入了非磁性杂质, 研究表明: 非磁性杂质使得系统的低频响应得到保持, 中心峰值行为更加明显; 非磁性杂质与横场之间的竞争能激发出新的频率响应, 呈现多峰行为; 但较多的非磁性杂质最终会限制系统对横场的响应. 此外, 研究还发现随机横场的三模分布参数满足$ q{B_q} = p{B_p} $ 这一条件, 是使中心峰值行为得到保持的有利条件. 在三模型随机纵场下, r分支仅仅起到调节纵场强度的作用, 且r分支所占比重的增大不利于低频响应, 与三模型随机横场下r分支的调控作用是相反的.
封面文章
2023, 72 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.72.20230039
摘要 +
高精度里德伯原子光谱在研究里德伯原子间的相互作用、里德伯能级结构、电磁场的精密测量等方面具有重要的应用价值, 里德伯原子光谱对比度、信噪比的提高和线宽的压窄是获得高灵敏测量的基础. 本文通过理论和实验研究了腔增强的里德伯原子光谱, 与自由空间的光谱相比实现了在光谱线宽不变情况下11.5倍的光谱对比度和信噪比的提高. 其原因是在双光子共振处产生的电磁诱导透明和光泵浦效应会导致腔内原子对探测光吸收的减弱, 提高了光学腔的阻抗匹配效率, 从而使进入腔内的光强增大, 因此提高了里德伯原子光谱的对比度和信噪比, 提高的倍数取决于探测光穿过原子的透射率. 预期通过优化铯原子温度, 光谱的对比度和信噪比能够提高23倍. 本工作为提高里德伯原子光谱的对比度和基于里德伯原子的精密测量灵敏度提供了参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2023, 72 (8): 088801.
doi: 10.7498/aps.72.20222466
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以相变芯材为核心的复合相变材料的潜热储存技术, 对解决可再生能源间歇性问题有着关键作用. 本研究以天然竹木为原材料, 使用高温碳化方法得到碳化竹木, 并使其分别吸附氧化石墨烯和还原氧化石墨烯, 最终与聚乙二醇(PEG2000)复合形成稳定的复合相变材料. 实验结果表明, 还原氧化石墨烯可以达到很好的包封率、热导率和光热转换效率提升效果. 碳化竹木/还原氧化石墨烯/聚乙二醇三元复合相变材料包封率高达81.11%, 熔化潜热为115.62 J/g, 凝固潜热为104.39 J/g, 热导率大幅提升至1.09 W/(m·K)(纯PEG2000的3.7倍), 光热转换效率大幅提高至88.35% (纯PEG2000的3.1倍).
2023, 72 (8): 088802.
doi: 10.7498/aps.72.20230105
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高效铜基薄膜太阳电池通常采用无机n型半导体材料CdS作为缓冲层, 因此, 缓冲层与吸收层之间的界面质量和能带匹配对载流子的收集利用至关重要. 在优化CdS基础工艺的基础上, 在含硫气氛下对硫化镉/铜基薄膜异质结进行退火的策略进一步提高CdS薄膜质量, 并将其应用到铜基太阳电池, 调控铜基薄膜电池p-n异质结能带匹配. 研究表明, CdS薄膜在含硫的惰性气氛中退火可以有效提高CdS薄膜的结晶质量并抑制CZTS/CdS异质结界面的非辐射复合, 器件的开路电压得到大幅提升, 最高可达718 mV. 在器件效率方面, 基于溅射法的CZTS太阳电池效率从3.47%提升到5.68%, 约为不退火处理的2倍. 该研究为铜基薄膜太阳电池器件实现高开路电压提供了可靠的工艺窗口. 同时, 有力地说明了退火气氛选择对于CdS质量以及CZTS/CdS异质结能带匹配的重要性, 除了界面互扩散以外, 对薄膜材料组分及其结晶性等均实现了调控.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2023, 72 (8): 089601.
doi: 10.7498/aps.72.20222282
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提出结合高阶月球重力场模型GL990D的2阶位系数和月球天平动参数, 以及月球的平均密度和平均惯性矩因子, 来解决月核大小及其密度组成的问题. 基于不同分层结构模型, 推导了不同分层结构情况下的平均密度和平均惯性矩因子, 并以它们理论值和观测值的残差平方和作为目标函数, 应用模拟退火算法对多参数进行估算. 考虑三层模型的月球内部结构模型, 估算的月核大小约为470 km, 月核密度约为5486 kg/m3, 反演的月核大小及其密度组成与其他研究相近, 验证了本文算法的可靠性. 考虑月核分成外核和内核的情况, 反演的外核大小约为385 km, 内核大小约为350 km, 对应的外核密度约为4618 kg/m³, 内核密度约为7879 kg/m3. 表明月球至35.6亿年前发电机效应约束时, 形成了以硫化亚铁为主的外核, 月核内部则形成了纯铁为主包含部分镍铁合金的内核.
