《 》创刊90周年
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2024, 73 (17): 175202.
doi: 10.7498/aps.73.20240831
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本文从设计和运行托卡马克聚变堆需求的角度, 简要概述了托卡马克高约束运行方案和高能量粒子约束涉及的关键物理的发展现状和挑战. 过去几十年中, 托卡马克高约束模式物理研究取得了重要进展, 明确了聚变堆运行区的主要稳定性和约束的限制条件及其性能优化的主要调控手段, 发展了感应、混合和稳态等若干可能适用于未来托卡马克聚变堆的运行方案. 在反应堆阿尔法粒子加热主导的条件下, 潜在主导阿尔法粒子输运损失的阿尔芬不稳定性的线性谱特征和激发机制得到了充分的理解; 在阿尔芬不稳定性的非线性饱和、阿尔法粒子约束, 及通过加热沉积和微观湍流对等离子体约束的影响等方面开展了大量的实验和理论探索. 当前, 磁约束聚变物理已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段, 面临着全新的挑战, 如: 聚变堆条件下如何实现高能量阿尔法粒子对等离子体有效自加热; 在阿尔法粒子自加热为主条件下, 如何通过调控等离子体关键参数分布维持等离子体稳定性和高约束性能, 实现聚变堆高效安全运行; 能否建立全尺度模型, 实现聚变堆复杂等离子体的长时间动力学过程的准确预测等. 这些关键问题的解决, 可为未来聚变堆的设计和运行奠定坚实的物理基础, 同时推动等离子体学科的发展.
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2024, 73 (17): 178103.
doi: 10.7498/aps.73.20240947
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自组装生物分子软物质材料是以生物分子或生物分子基元为构建单元, 通过自组织过程形成的一类新型软物质材料. 因其组成单元的生物特性和其中弱相互作用驱动组装的特征, 这类材料通常具有高度生物相容性、可逆组装、动态响应和微结构可控性等优势, 在生物医学、组织工程和柔性传感等领域中被广泛关注并得到了相关研发和应用. 本文简要介绍自组装生物分子软物质材料的基本构建原理和物理特性, 并以氨基酸、多肽分子等组装单元为例, 对三类自组装生物分子软物质材料(纳米材料、凝胶材料和复合材料)的自组装分子机制、材料构建思路、力学特性和功能应用场景做了具体阐述. 我们认为自组装生物分子软物质材料的研究, 将从结构单元的发掘和相关特性的表征, 向多功能性质定制与前端应用集成方向发展, 从而研发出崭新的复合智能生物软物质材料, 进一步促进其在生物医学、有机半导体和软体机器人等新兴领域中的应用.
观点和展望
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2024, 73 (17): 177801.
doi: 10.7498/aps.73.20240994
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拓扑在凝聚态物理中的应用始于量子霍尔效应的研究, 并逐渐成为现代凝聚态物理的主旋律. 其重要性在于它描述物理系统的普适性质. 但基于拓扑场论的分数量子霍尔液体宏观描述并非完备. 本文从微观角度出发讨论分数量子霍尔液体中的几何自由度及其量子动力学, 揭示其基本元激发为自旋为2的类引力子并据有特定手性, 着重讨论该手征类引力子的实验探测.
专题: 量子通信和量子网络
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2024, 73 (17): 170301.
doi: 10.7498/aps.73.20240819
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现有的城域量子网络大多基于单一的量子密钥分发协议实现, 将不同协议实现的城域量子网络进行互联是大规模量子网络的发展趋势, 但其域间密钥业务提供仍存在成功率低、密钥供需不适配等问题. 针对以上问题, 本文面向多域跨协议量子网络提出了两种域间密钥业务按需提供策略, 分别是基于BB84(Bennett-Brassard-1984)旁路优先的按需提供策略和基于测量设备无关(measurement-device-independent, MDI)旁路优先的按需提供策略. 同时, 设计了内嵌两种策略的域间密钥业务按需提供算法. 仿真结果表明, 所提策略能够在双域和三域量子网络中高效完成域间密钥业务的按需提供. 相比传统策略, 两种按需提供策略可将多域量子网络的密钥供需均衡度提高1个数量级以上, MDI旁路优先策略在低密钥率需求下可将域间密钥业务请求成功率提升30%. 此外, 所提策略可在一定程度上降低域间密钥业务提供的成本, 提高现实安全水平.
仪器与测量
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2024, 73 (17): 173701.
doi: 10.7498/aps.73.20240695
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纳米离子束是制备束斑直径在微纳米尺度荷能离子束的先进技术, 主要应用于高分辨和高精度的离子束分析、离子束加工和离子束材料改性研究, 在材料分析、微纳加工、微电子器件制造和量子计算等方面发挥着重要的作用. 高品质离子源作为纳米离子束装置的关键部件, 其性能指标直接决定着该装置的技术水平. 然而, 目前常用的传统离子源存在离子种类单一、能散高和结构复杂等问题, 已经难以满足新应用场景下的多离子种类和高分辨的要求, 突显出研发新型离子源的重要性和迫切性. 随着激光冷却技术的日臻成熟, 基于光电离冷原子和激光冷却离子技术可以获得温度在mK甚至μK量级的超冷离子, 其低温和易于操控等典型特征极大地促进了超冷离子源的发展. 超冷离子具有极小的横向速度发散, 可以显著提升离子源的亮度和发射度等品质参数, 为纳米离子束技术的革新带来了巨大的发展机遇. 因此, 超冷离子源的研究对于实现更高亮度、更小尺寸、更低能散、更多样化离子种类以及结构更简化的高品质离子源具有重要的意义. 本文综述了近年来超冷离子源的研究进展, 从制备原理、产生方式以及典型应用等方面介绍了磁光阱离子源、冷原子束离子源和超冷单离子源在基础研究和应用技术研发方面取得的重要成果, 并对超冷离子源的未来发展和应用前景进行了展望.
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2024, 73 (17): 178701.
doi: 10.7498/aps.73.20240727
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透射X射线显微镜(transmission X-ray microscope, TXM)是高精密度的尖端X射线成像设备, 是现代科学技术的结晶, 可以在纳米尺度上进行无损成像, 为物理学、生命科学、材料学和化学等领域的众多科学问题提供了有力的研究工具 . 虽然国内外很多同步辐射装置都建立了以TXM为核心的纳米CT实验站, 但是目前国际上只有个别企业能提供商业化的实验室TXM . 究其原因, 主要是该仪器涉及众多高难度的工程技术问题, 诸如: 高亮度实验室X射线源、高分辨率X射线光学元器件、高精度样品台、高灵敏度探测器、仪器对温度和振动等环境因素的超高要求等 . 为了提高研发高端X射线成像仪器的水平, 需要逐个突破在研发X射线纳米CT过程中遇到的技术瓶颈 . 本文主要讨论了工作能量为5.4 keV的实验室TXM的仪器设计, 以及全场成像实验结果 . 该仪器工作在吸收衬度模式下, 成像视野达到了26 μm, 可以对30 nm线宽的特征结构实现清晰的成像, 西门子星测试卡的功率谱曲线表明该仪器具有分辨半周期为28.6 nm线对结构的潜力 .
数据论文
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2024, 73 (17): 176301.
doi: 10.7498/aps.73.20240795
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本工作提出了一种对Cu2ZnSnS4中Zn元素异价取代策略, 探讨了新型四元硫族化合物A2M2M'Q4 (A = Na, K, Rb, Cs, In, Tl; M = Cu, Ag, Au; M' = Ti, Zr, Hf, Ge, Sn; Q = S, Se, Te)作为新型太阳能电池吸收层材料的应用潜力. 利用第一性原理高通量计算, 评估了1350种A2M2M'Q4化合物热力学稳定性、带隙、光谱极限最大效率和声子色散谱等特性. 结果表明, 有10种热力学和动力学稳定的候选材料, 它们表现出合适的带隙, 并展现出高的光吸收性能, 光谱极限最大效率的理论值均超过30%. 它们的电子结构和光学性质类似于Cu2ZnSnS4, 有望应用于高效单结薄膜太阳能电池. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00006 中访问获取.
总论
2024, 73 (17): 170302.
doi: 10.7498/aps.73.20240802
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本文旨在研究带电沙尘大气对微波量子照明雷达性能的影响. 基于Mie粒子散射理论, 运用模拟离散随机分布粒子对光子多重散射的蒙特卡罗方法, 对不同能见度及不同粒子带电量的沙尘大气的微波衰减进行分析. 根据量子照明雷达理论, 采用基于分束器理论的分光链路模型模拟沙尘大气信道, 并根据量子雷达方程及量子检测错误概率理论, 开展不同能见度带电沙尘大气对微波量子照明雷达的检测错误概率、信噪比和最大探测范围等影响研究, 并与经典TMN雷达性能进行对比分析. 结果表明, 在沙尘大气中, 量子照明雷达的性能随着能见度的增大而提高, 粒子带电会引起信号衰减增大及系统性能下降, 带电量的变化引起性能的改变是非线性的. 当能见度较高时适当提高信号频率可提高量子照明雷达的性能, 当能见度较低时频率提高带来的增益会小于衰减增大带来的性能下降, 这种情况不宜增大频率. 在与经典雷达的比较发现, 在较低能见度及较低发射平均光子数时量子雷达性能较优, 但随着光子数增加, 优势逐渐降低.
2024, 73 (17): 170502.
doi: 10.7498/aps.73.20240872
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首先提出一种新型局部有源忆阻器, 并分析该忆阻器的频率特性、局部有源性及非易失性. 然后将新型局部有源忆阻器引入二维Hindmarsh-Rose神经元和二维FitzHugh-Nagumo神经元, 构建新型忆阻耦合异质神经元模型. 在数值仿真中, 通过改变耦合强度, 发现该模型具有周期尖峰放电模式、混沌尖峰放电模式、周期簇发放电模式及随机簇发放电模式. 最后基于Lyapunov稳定性理论和预定义时间稳定性理论, 提出一种新型预定义时间同步策略, 并将该策略应用于新型忆阻耦合异质神经元的混沌同步中. 结果表明, 与有限时间同步策略、固定时间同步策略和传统预定义时间同步策略相比, 新型预定义时间同步策略的实际收敛时间最小. 研究新型忆阻耦合异质神经元的放电模式和混沌同步有助于探索大脑的神经功能, 并在神经信号处理及保密通信领域中具有重要意义.
2024, 73 (17): 170601.
doi: 10.7498/aps.73.20240840
摘要 +
本文研究了光频扫描干涉绝对测距的长度基准精准标定方法. 利用气体吸收光谱在线标定测距系统中作为长度基准的延时长光纤光程, 并提出利用加权线性最小二乘方法解决不同吸收谱峰不确定度的差异. 针对吸收光谱标定光纤光程重复精度低的问题, 提出了利用双向吸收光谱特征融合的方法提升光纤光程标定精密度. 针对吸收谱峰绝对光频准确性不足的问题, 提出单一吸收光谱比例系数的标定方法, 相较于逐一校准谱峰光频的思路更为简单直接, 提升了光纤光程标定准确度. 为验证上述方法的有效性, 分别进行了重复精度评估实验、比例系数标定实验以及精度比对实验. 实验结果表明, 标定164 m光纤光程的标准差为10—30 μm, 在系统温度上升及温度稳定条件下, 0—10 m及0—15 m的测量范围内, 测距标准差不大于5 μm, 测距比对残差不大于± 4 μm, 显示了该系统良好的测距性能.
封面文章
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2024, 73 (17): 170501.
doi: 10.7498/aps.73.20240796
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活性物质的自推进特征引发了许多非平衡自组织现象, 而聚合物链的构象自由度可以使链产生独特的平衡自组装行为, 这激发了活性物质与聚合物物理的交叉研究. 本文通过分子动力学模拟, 研究了自驱动活性对ABA 型三嵌段共聚物凝胶化转变的调控. 研究结果表明活性嵌段共聚物凝胶的塌缩源于自驱动活性引起的网络链运动, 活性越大则凝胶网络越容易产生大直径空洞. 在凝胶网络的拓扑缺陷方面, 当A嵌段之间吸引强度较大时, 环链比例随活性力增强而增大, 吸引强度较小时情况则相反. 交联点的分支数随活性的变化除了受到吸引强度的影响, 还与链刚性有关. 在动力学方面, 活性聚合物的定向运动会引发稳定聚合物凝胶整体的反常扩散. 本文的研究有助于增进对活性聚合物集体行为的认识, 为高分子活性材料的设计和应用提供了新的思路.
核物理学
2024, 73 (17): 172401.
doi: 10.7498/aps.73.20240656
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高超声速飞行器在临近空间飞行时, 由于飞行器与空气剧烈的相互作用, 形成包含等离子体鞘套和尾迹的等离子体流场, 研究其电子密度分布特性对高超声速飞行器的目标识别、测控通信等具有重要意义. 地面模拟实验测量是研究等离子体包覆高超声速飞行器电磁散射特性的有效方法之一, 为满足地面模拟实验瞬态等离子体流场电子密度分布的测量需求, 本文提出了一种Ka波段七通道微波干涉仪测量系统研制方案. 该系统采用单发七收的方式, 利用单曲面透镜将波导开口天线辐射的电磁波转化为近似平面波, 将7个平行且非对称排列的开口波导作为接收通道天线, 缩减了接收天线的尺寸以及天线之间的距离, 提高了测量的空间分辨率. 基于七通道微波干涉仪测量系统在弹道靶和激波管设备开展了动态实验, 测量了超高速流场电子密度二维分布, 结果表明该系统具备瞬时大动态范围信号的接收能力, 幅度线性动态范围优于65 dB, 相位动态范围180°, 响应时间优于1 μs; 所测量的超高速流场等离子体电子密度二维分布, 能够较好地反映弹道靶设备与激波管设备产生的瞬态等离子体细节变化, 电子密度测量动态范围为(1010—1013) cm–3量级, 电子密度测量误差不超过0.5个数量级, 径向空间分辨率优于15 mm.
原子和分子物理学
2024, 73 (17): 173101.
doi: 10.7498/aps.73.20240461
摘要 +
腙类分子开关在超分子化学领域有非常重要的应用价值, 基于靛红发色团发展出的新型腙类分子开关已被合成. 因其具有可见光激发下的顺反异构化特征、衍生物的易合成性及对外界刺激的敏感性, 其在生物化学领域具有重要的应用价值. 然而, 该新型分子开关的光致异构化机制尚不明确, 异构过程是否存在新奇的现象也不得而知. 本文采用基于半经验OM2/MRCI的轨迹面跳跃动力学方法, 系统地研究了一种名为靛红双氮二苯腙分子开关E-Z异构化过程的光致异构化机理. 研究发现该E构型分子开关的S1激发态平均寿命约为 107 fs, 该分子开关的E-Z异构化量子产率为16.01%. 通过对该分子开关光致异构化过程的计算, 明确了两种不同分子开关异构化机制; 除围绕C=N键旋转的传统分子开关异构机制之外, 阐明了新的异构机制——分子开关转子部分面对面的扭转; 通过时间分辨的荧光辐射谱的计算, 预测了异构化过程中存在极快的荧光猝灭现象, 并且伴随着荧光红移的发生; 通过对计算得到的荧光光谱与激发态平均寿命的分析, 提出了“暗态”的存在, 并对“暗态”存在的原因给出了可能的解释. 研究结果可为新型分子开关的设计及应用提供理论指导作用.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
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2024, 73 (17): 174201.
doi: 10.7498/aps.73.20240673
摘要 +
本文采用实时傅里叶变换光谱探测技术, 研究了基于泵浦强度调制的超快光纤激光器中锁模脉冲产生与湮灭动力学过程. 结果表明: 当泵浦调制电压处于高电平时, 激光器输出稳定的锁模脉冲. 随着调制电压跳变至低电平, 锁模脉冲的强度不断降低, 而后经历一段衰减振荡阶段后发生湮灭, 在~5 μs后孤子从噪声中重建, 这一过程伴随着调Q不稳定性的产生. 在低电平阶段, 激光腔内的湮灭过程连续发生, 其周期为~55 μs. 通过改变调制泵浦的占空比, 能够操控在低电平调制下孤子连续湮灭的次数. 进一步, 锁模与孤子湮灭的连续切换过程与泵浦调制频率有关, 调制频率的升高能够有效缩短两种状态的持续时间从而减少孤子湮灭的次数. 此外, 通过减小低电平的值, 能够降低激光腔内的增益, 使得孤子连续湮灭的周期缩短. 研究结果有利于深入了解孤子的形成与湮灭动力学, 并为超快激光器各种运行机制的发展提供了新的视角.
2024, 73 (17): 174202.
doi: 10.7498/aps.73.20240860
摘要 +
水下无线光通信技术为深海勘探和海洋资源开发利用带来了一种效率高且可靠性强的通信新方案. 本文采用490 nm垂直外腔面发射激光器作为光源, 基于声光外调制技术, 采用脉冲位置调制方式(pulse-position modulation, PPM)搭建了长距离水下无线光通信系统. 结合光源的优势并经过软判决算法优化PPM解调来提升水下通信性能, 采用64 PPM调制, 成功实现了96 m的水下传输距离, 在50 MHz时隙频率下得到传输的误码率为1.9 × 10–5. 同时测量到采用软判决解调相较于硬判决解调在性能增益上有着大约2 dB的提升, 验证了软判决算法在提升水下通信性能方面相比硬判决算法的显著优势.
2024, 73 (17): 174203.
doi: 10.7498/aps.73.20240878
摘要 +
光学针是一种特殊的空间光场分布, 具有极小的横向光斑尺寸, 可以突破衍射极限, 同时在纵向上拥有较长的焦深. 光学针通常利用透镜对光束进行紧聚焦来产生, 本文利用圆艾里光束固有的自聚焦特性来构建光学针. 研究结果表明, 锥角调制的圆偏振圆艾里涡旋光束在选取合适的拓扑荷后, 可以产生光学针. 这是因为在锥角调制下, 光束的纵向分量被显著增强, 而纵向分量光场具有极小的横向光斑尺寸. 光学针的焦深与光束的主环半径近似呈线性关系, 因此增大主环半径可以有效增强光学针的焦深. 此外, 具有不同拓扑荷的圆艾里涡旋光束可以构建出不同结构的空间光场. 本文的研究有望在超分辨成像和光学微操控等领域具有潜在应用价值.
2024, 73 (17): 174204.
doi: 10.7498/aps.73.20240778
摘要 +
通过倍频技术产生的532 nm固体激光器是目前应用最广泛的激光器之一, 其最常用的倍频晶体三硼酸锂(LBO)在角度鲁棒性与倍频效率上仍有不足. 为获得具有较好的角度鲁棒性的倍频晶体, 实现激光器结构复杂度的降低与稳定性的提升, 本文从角度鲁棒性的理论分析出发, 对啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)晶体的结构进行设计, 并对其进行理论仿真与实验测试. 模拟仿真的结果表明, 该设计结构的CPPLN晶体具有良好的角度鲁棒性, 在$ - {3^ \circ } $ 至$ + {3^ \circ } $ 的范围内倍频效率一直维持在最高倍频效率的60%以上. 倍频实验的结果显示可以达到LBO晶体的11倍以上. 同时CPPLN晶体的倍频光功率关于入射角度的半高宽可以达到$ {6^ \circ } $ 以上, 并且出射光斑为标准的高斯光斑, 几乎不受入射角度的影响. 研究表明, CPPLN晶体具有远高于LBO晶体的倍频效率, 且角度鲁棒性优于LBO晶体的角度鲁棒性.
2024, 73 (17): 174205.
doi: 10.7498/aps.73.20240861
摘要 +
优异的光学吸收器一直具备着高品质因数和完美吸收的特性, 然而, 这类吸收器通常会受到传统表面等离子体共振带来的欧姆损耗, 制约其在实际应用中的吸收性能. 本文提出了一种基于法布里-珀罗腔的可调谐连续域束缚态(bound state in the continuum, BIC), 通过调整模型的参数, 可将BIC可以转变为准BIC, 在连续谱中实现了100%的完美吸收. 在本文中, 采用干涉理论探究了影响完美吸收的因素, 用耦合模理论和阻抗匹配理论对准BIC进行理论计算, 采用电场和磁场理论解释了吸收器完美吸收的物理机制. 与传统吸收器相比, 该吸收器具有优异的结构参数鲁棒性和广泛的BIC调控范围. 更重要的是, 该吸收器具有出色的传感性能, 其最大灵敏度可达34 nm/RIU, 最大品质因数为9.5. 最后, 该吸收器还实现了双频的开光性能, 其中双频开关的最大调制深度和最小插入损耗分别为99.4%和0.0004 dB. 这些研究结果在光子学、光通信、传感器技术等领域具有重要意义.
2024, 73 (17): 174301.
doi: 10.7498/aps.73.20240714
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超声波的相位变化携带着组织结构的重要信息, 通过相位加权可提高超声图像的清晰度. 针对褶皱散射回波微弱、受噪声影响大、时域修正成像耗时长等问题, 提出一种基于相位虚部相干因子的频域相干成像方法. 首先提取波场信号中的相位信息, 然后采用环形统计获取相位虚部矩阵, 通过相位虚部矩阵与相位迁移成像(phase shift migration, PSM)中的原频域矩阵相乘构建相位虚部相干因子(phase imaginary coherence factor, PICF), 将相位虚部相干因子引入相位迁移成像, 并对各层迁移波场进行修正, 通过频域信号相乘恢复纤维纹理信息. 对厚度为18 mm的碳玻纤维复合材料板进行检测, 实验结果表明: 未加权的相位迁移成像在10 mm深度以后的纤维铺层信息丢失, 无法检测出深层区域的缺陷; 用PICF加权后PSM成像可检测出位于11, 15, 16 mm处的3个纤维褶皱, 褶皱缺陷成像清晰度和纹理细致度均得到提高, 褶皱角度的检测误差约为10%, 并且成像耗时仅为1.5 s, 运算效率比时域全聚焦成像(total focusing method, TFM)至少提高8.67倍.
2024, 73 (17): 174701.
doi: 10.7498/aps.73.20240826
摘要 +
在气泡辐射声问题中一直被使用的气泡声发射公式并未考虑介质的黏性在声波传播过程中产生的影响. 本文结合气泡的边界条件, 对黏性介质中的声波方程进行求解, 给出黏性介质中经过修正的气泡的声发射公式, 进行气泡动力学方程求解和有限元仿真等数值计算后发现, 在考虑介质的黏性时, 本文提出的黏性介质中气泡声发射公式所计算出的声压小于经典气泡声发射公式计算出的声压, 并且随着介质黏度、超声频率以及传播距离的增加, 二者之间的误差逐渐增大.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (17): 175201.
doi: 10.7498/aps.73.20240877
摘要 +
飞行器以高超音速飞行或再入过程中, 表面会被等离子体鞘套包覆. 等离子体鞘套会阻碍电磁波传播, 造成飞行器无线电信号衰减甚至中断, 即通信黑障. 行波磁场是一种能够通过调控等离子体鞘套密度来缓解通信黑障的磁场. 本文针对一维行波磁场无法准确描述空间内等离子体密度分布的问题, 建立了三维行波磁场产生模型和三维等离子体密度分布模型. 通过研究行波磁场与等离子体相互作用的机理, 得到了空间内等离子体的密度分布. 研究结果表明, 在行波磁场的作用下, 等离子体会往飞行器前端汇聚, 从而在后端形成尺寸为50$\times$ 100 mm的密度降低区域, 使该区域内的等离子体密度最大降低71%, 且提供持续的通信时间. 基于RAM-C飞行试验的数据, 利用所提出的模型研究了电流大小和行波速度对飞行器再入过程中电磁波衰减的影响, 同时对比了行波磁场与外加静磁场对电磁波衰减的抑制效果. 结果表明, 施加行波磁场能够使飞行器在30.48 km处的X波段以及其他高度处的L波段、S波段、C波段和X波段的电磁波衰减降低到30 dB以下. 行波磁场和静磁场的对比结果表明, 行波磁场对电磁波衰减的抑制效果明显优于静磁场.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (17): 177101.
doi: 10.7498/aps.73.20240765
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通过对GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在不同温度下直流特性变化的现象与机理分析, 本文基于EEHEMT等效电路模型, 针对GaN HEMT漏源电流Ids提出了一种温度效应模型. 该模型考虑到温度对GaN HEMT阈值电压、膝点电压、饱和电流等方面的影响, 对原始EEHEMT模型中的Ids公式进行修改, 将Ids公式中的关键参数与温度建立起适当的函数关系式. 修改后的模型能够准确反映GaN HEMT在不同温度下的电性能变化趋势. 为了进一步验证该温度效应模型的精确度, 本文在片测试了由南京电子器件研究所研制的0.25 μm工艺不同尺寸GaN HEMT在–55, –25, 25和75 ℃温度下的直流特性. 对比在不同温度下的模型仿真数据与测试结果, 两者相对误差均小于5%, 表明本文提出的温度效应模型在–55—75 ℃温度下能够精准表征GaN器件的输出特性及转移特性.
2024, 73 (17): 177102.
doi: 10.7498/aps.73.20240973
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准确评估与灵活调控表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPP)的传输特性对基于等离激元效应设计的高速-小型化器件具有重要意义. 本文从理论上推导了SPP在不同厚度金膜表面传播的群速度色散. 当金膜厚度小于40 nm时, 随着膜厚度的增大, SPP的群速度色散显著减小; 金膜厚度为40—60 nm时, SPP的群速度色散下降趋势变缓, 并在厚度大于60 nm后保持恒定. 利用时域有限差分方法, 数值模拟了不同传播距离下SPP的电场时间演化. 通过比较不同传输距离下SPP近场强度与入射光色散量的关系确定SPP的群速度色散, 并得到接近理论推导的结果, 进而提出利用负啁啾脉冲激发SPP来补偿传输中产生的群延迟色散, 实现不同传输距离SPP场振幅、脉宽的调控. 此外, 利用定制的SPP激发金属纳米天线, 通过调控入射脉冲色散量与SPP在金膜中传播产生群延迟色散的传播特性相结合的手段, 实现在纳米信号接收器中热点位置的fs时间灵活时空相干控制. 这对于利用等离激元效应设计和控制微型片上集成系统具有重要意义.
2024, 73 (17): 177501.
doi: 10.7498/aps.73.20240648
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本文采用溶胶-凝胶法制备了一系列Ca3Co2–xTixO6 (x = 0, 0.02, 0.04, 0.06)多晶样品, 并对他们的磁性、介电和磁介电性能进行了研究. X射线衍射结果显示少量的Ti4+并未改变Ca3Co2O6的晶体结构. 虽然非磁性的Ti4+离子破坏了Ca3Co2O6的长程铁磁链并抑制了部分铁磁相互作用, 使得掺杂样品的磁化强度有所降低. 但磁性测量结果拟合得到的居里-外斯温度和交换常数均为正值, 说明在Ti4+掺杂的Ca3Co2–xTixO6样品中铁磁相互作用依旧是占据主导地位的. 由于Ti4+离子的引入, Ca3Co2O6的自旋阻挫得到一定程度释放, 抑制了Ca3Co2O6磁化台阶的形成. Ca3Co2O6作为一种典型的磁介电耦合材料, Ti4+离子掺杂对体系自旋阻挫的释放和精细磁结构的调控也使得样品的磁介电耦合效应受到了一定程度的抑制.
2024, 73 (17): 177701.
doi: 10.7498/aps.73.20240838
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介电电容器具有功率密度高、充放电速度快、损耗低及循环稳定性好等优点, 在先进电子和电力系统中发挥了重要的应用. 聚合物电介质凭借其高击穿强度、柔性和易加工等优点, 成为高电压电容器的首选材料. 然而, 其较低的温度稳定性难以满足新能源汽车和光伏发电等新兴领域对高工作温度的需求. 本文利用物理气相沉积技术, 在具有高玻璃化转变温度(Tg)的热塑性聚酰亚胺(TPI)薄膜表面沉积氧化铝(Al2O3)镀层, 制备了有机/无机三明治结构的Al2O3/TPI/Al2O3电介质薄膜. 研究结果显示, 氧化铝镀层不仅与TPI之间具有优异的界面结合性, 还提高了肖特基势垒, 抑制了电极电荷的注入, 从而降低了高温下的漏电流, 并提高了击穿强度. 制备的Al2O3/TPI/Al2O3三明治结构薄膜在高温下获得了优异的放电能量密度(Ud)和充放电效率(η). 例如, 在150和200 ℃高温下, η > 90%时的Ud分别达到4.06和2.72 J/cm³, 相比纯TPI薄膜提升了98.0%和349.4%.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (17): 178101.
doi: 10.7498/aps.73.20240822
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在实际应用中, 柔性、轻质、高性能是聚合物基电磁屏蔽材料应具备的特点. 目前, 制备兼具优异电导率、电磁屏蔽性能和力学性能的聚合物基电磁屏蔽材料仍然是一个巨大挑战. 因此, 本工作以单壁碳纳米管和聚醚酰亚胺为原料, 通过静电纺丝和真空辅助过滤的方法制备了单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜. 通过调控单壁碳纳米管的面密度, 复合薄膜的电导率可以提升至1866 S/cm. 对于电磁屏蔽性能, 单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜在Ku波段(12—18 GHz)的总电磁屏蔽效能为75.78—81.83 dB, 高于纯单壁碳纳米管薄膜的电磁屏蔽效能(65.19—69.81 dB). 由于聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管之间形成了界面, 在一定的单壁碳纳米管面密度范围内, 界面越多, 消耗的电磁波能量越多. 对于力学性能, 单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺薄膜的最大拉伸强度和断裂伸长率分别为28.52 MPa和7.91%, 是单壁碳纳米管薄膜的1.13倍和1.5倍, 随着单壁碳纳米管面密度的增大, 单壁碳纳米管之间的相互作用以及聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管在界面处的相互作用对复合薄膜的力学性能起到了一定的增强作用. 单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜作为一种优异的聚合物基电磁屏蔽复合材料, 可用于如精密电子仪器的防护和可穿戴电子设备等领域.
2024, 73 (17): 178102.
doi: 10.7498/aps.73.20240834
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连续域束缚态最初是在量子力学中发现的, 它是一种可保持局域化的波动现象. 这种效应已在各种材料系统中得到广泛研究, 包括压电材料、石墨烯和光子晶体. 本工作提出了一种由中断的环形槽组成的四重旋转对称硅超表面. 通过同时打破晶胞的面内反转对称性, 实现了具有高品质因子和显著手性的准连续域束缚态. 通过对动量空间中拓扑荷的研究, 揭示了由超表面的内部共振机制产生的准连续域束缚态的独特拓扑特征. 在合适的对称破坏下, 具有平面内对称破坏的四重旋转对称超表面表现出–0.93的强圆二色性, 并且其显示出了在对称破坏较大时的强圆二色性. 这项工作所取得的成果在手性生物传感器和低阈值激光器等领域具有广阔的应用前景.
2024, 73 (17): 178801.
doi: 10.7498/aps.73.20240732
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通过磁控溅射单一四元靶材磁控得到的黄铜矿Cu(In, Ga)Se2 (CIGS)太阳电池开发的主要瓶颈是严重的载流子复合, 其开路电压非常低. CIGS与钼(Mo)之间不良的缺陷环境是吸收体和界面复合严重的主要原因之一. 其中, 在背界面处引入的CuGaSe2 (CGS)低温缓冲层可以有效地抑制吸收体与背电极在高温磁控过程中的不利界面反应, 从而获得高质量的晶体. 通过这种背界面工程, 不仅可以很好地解决吸收体和界面质量不佳的问题, 而且有利于在吸收层中形成梯度带隙结构, 从而使深能级InGa缺陷转换为较低能级的VCu缺陷, 最终CIGS太阳电池的转换效率达到15.04%. 这项工作为直接溅射高效率CIGS太阳电池的产业化提供了一种新的方法.
2024, 73 (17): 178901.
doi: 10.7498/aps.73.20240552
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从数据中推断网络的结构作为复杂网络中一个重要科学问题已得到广泛关注. 现有的网络重构方法大多将网络重构问题转化为一系列线性方程组的求解问题, 然后通过某种截断方法对每个方程组的解进行截断, 从而确定每个节点的局部结构. 然而现有的截断方法大多存在着精度不足的问题, 且少有方法衡量每个方程组解的可截断性, 即节点的可重构性. 为了解决这些问题, 本文提出了一种基于高斯混合模型的无向网络重构方法. 该方法首先将节点间连接关系的推断问题转化为一个聚类问题, 然后利用高斯混合模型进行求解, 得到每个节点与其他节点的连接概率, 并根据概率定义一个基于信息熵的可重构指标, 从而在真实网络结构未知的情况下衡量每个节点的可重构性. 将该方法用于无向网络中, 可以利用无向网络的对称特征, 将可重构性高的节点作为训练集指导可重构性低的节点进行结构推断, 从而更好地重构出无向网络. 最后, 通过在合成数据和真实数据上与现有的截断方法进行比较, 证明了该方法可以更有效地重构出网络结构.
