《 》创刊 90 周年
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2024, 73 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.73.20232022
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马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计, 其编织操作可用于构筑拓扑量子比特, 是拓扑量子计算的基本单元, 可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题. 现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构, 如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等, 以及单一材料, 如2M-WS2, 4Hb-TaS2和铁基超导体等. 铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势, 引起了广泛关注. 最近, 大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到, 为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台. 本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测, 其中将重点介绍FeTe0.55Se0.45, (Li0.84Fe0.16)OHFeSe, CaKFe4As4和LiFeAs等材料体系. 接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作. 然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作. 最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望.
专题: 热传导及其相关交叉领域研究
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2024, 73 (3): 033701.
doi: 10.7498/aps.73.20231719
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热传导现象是物理学中最重要的研究课题之一, 特别是近年来, 随着对单分子器件研究的不断深入, 人们越来越关注低维(一维和二维)微观系统的热传导问题. 离子阱中的离子晶体处于真空环境中, 没有与外部环境进行能量交换, 其晶体结构和温度可以通过电场和光场精确操控, 为研究低维晶体在经典或量子状态下的热传导提供了理想的实验平台. 本文综述了近年来离子晶体中热传导的理论研究, 包括一维、二维和三维模型中温度分布和稳态热流的计算方法, 以及在不同维度离子晶体构型下热流与温度分布的特性. 此外, 还讨论了无序度对离子晶体热导性的影响.
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2024, 73 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.73.20231151
摘要 +
金属是人类使用最广泛的材料之一. 相对于对金属力学性能的研究, 金属导热性能的相关研究较为匮乏. 对金属导热机制的理解往往还依赖于一百多年前建立的威德曼-弗朗兹定律. 金属导热和电子输运有密切联系, 同时又与晶格振动有关. 深入理解金属导热机制, 不但对材料应用意义重大, 而且有利于提高对导热基本理论的认知. 本文回顾了金属导热研究的历史, 并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结, 特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述. 此外, 本文也对金属导热理论的未来发展方向进行了探讨.
专题: 热传导及其相关交叉领域研究 • 封面文章
封面文章
2024, 73 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.73.20231262
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高超声速飞行器在飞行过程中产生大量气动热, 高效的热防护技术对保证其正常工作具有重要意义. 本文基于热超材料调控热流传播路径思想, 针对高超声速飞行器头锥, 采用坐标变换法设计非封闭式点变换热斗篷及简化近似的多层结构. COMSOL数值模拟研究表明, 两种结构均有效实现导热和辐射热流的热绕流, 使部分热量沿头锥表面传播, 头锥前端温度显著降低, 机体升温速率减缓. 但其热防护性能的提升要求材料固相和辐射热导率低于原隔热材料. 进一步设计了非封闭式域变换热斗篷, 材料固相和辐射热导率均可高于原隔热材料. 模拟结果表明, 热绕流显著提升了域变换热斗篷的热防护能力, 相比于纯隔热材料, 头锥前端温度降低达100 K, 机体降温达10 K, 展现出重要的热防护应用潜力.
综述
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2024, 73 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.73.20230832
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III族氮化物半导体由于包含了宽的直接禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高电子迁移率等优异的性质, 自从发展以来便成为半导体领域中的一个热点. 并且由于其禁带宽度可以从近紫外涵盖到红外区域, 因此在传统半导体所难以实现的短波长光电子器件领域, 也具有广阔的应用前景. 原子层沉积由于其特殊的沉积机制可以在较低的温度下实现III族氮化物半导体的高质量制备, 通过调整原子层沉积的循环比也可以方便地调整合金材料中的成分. 发展至今, 原子层沉积已经成为制备III族氮化物及其合金材料的一种重要方式. 因此, 本文着重介绍了近期使用原子层沉积进行III族氮化物半导体及其合金的沉积及应用, 包括使用不同前驱体、不同方式、不同类型原子层沉积, 在不同温度、不同衬底上进行氮化物半导体及其合金的沉积. 随后讨论了原子层沉积制备的III族氮化物材料在不同器件中的应用. 最后总结了原子层沉积在制备III族氮化物半导体中的前景和挑战.
总论
2024, 73 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.73.20230771
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时域有限差分方法(finite-difference time-domain, FDTD(2, 2))被广泛用于量子力学中薛定谔方程的求解, 然而受Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)条件的影响, 计算空间中的网格尺寸会限制时间步长的取值范围, 极大降低了FDTD(2, 2)方法的数值计算效率. 另外, FDTD(2, 2)方法在时间域和空间域只具有二阶数值精度, 在计算中往往会导致较大的误差累计, 影响仿真结果的正确性. 为了克服这些问题, 结合空间滤波方法(spatial filtering, SF)和高阶辛时域有限差分 (symplectic finite-difference time-domain, SFDTD(3, 4))方法(3和4分别表示时间和空间数值精度), 提出了一种时间稳定性条件可扩展的SF-SFDTD(3, 4)方法用于求解含时薛定谔方程. SF-SFDTD(3, 4)方法无需对传统SFDTD(3, 4)方法的迭代公式进行进一步的推导, 只需要在每一次的数值迭代过程中加入空间滤波操作, 滤除因采用不满足CFL条件的时间步长而产生的不稳定空间域高频分量, 保证数值方法的稳定性, 因此所提方法与传统SFDTD(3, 4)方法具有较高的兼容性. 同时, 理论分析了SF-SFDTD(3, 4)方法的数值色散误差. 最后, 通过数值算例验证了本文所提方法的正确性和有效性.
2024, 73 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.73.20230592
摘要 +
研究了量子博弈中的“PQ”问题, 重点探讨了参与者策略制定、收益分配和量子效应对博弈结果的影响. 首先回顾了量子博弈理论的发展, 并对经典博弈与量子博弈进行了对比, 详细定义了参与者和策略空间, 并利用收益矩阵和量子操作符进行了建模. 为解决“PQ”问题, 提出了量子策略选择和优化算法, 并设计了针对该问题的量子算法. 在实际应用和案例研究方面, 通过评述经典双人博弈—“PQ翻硬币”问题, 表明当其中一个参与人采用量子策略时, 他可以打败他的经典对手, 获得更高的收益. 通过量化手段, 把整个“PQ”问题放在一个更为普遍和公平的条件下, 对其推广并从多个方面和角度再次对其进行研究. 同时, 给出了“不完全公平博弈”和“完全公平博弈”的定义, 对量子硬币翻转博弈(Meyer 1999 Phys. Rev. lett. 82 1052 )进行了修改, 使博弈公平, 并研究了量子硬币翻转的多轮版本. 最后对“PQ”问题的局限性与扩展性进行了讨论, 并展望了量子博弈研究的未来发展方向.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.73.20231447
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具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景. 本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton, SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器. 与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比, 所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性, 渐近频率降低至原来的55%. 缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制. 随着偏置电压从0.5 V增至30 V, 缺口带频率从2.1 GHz移动到2.3 GHz, 实现动态调节. 仿真结果表明, 缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S21 < –1 dB)和良好的回波损耗(S11 > –10 dB), 并且具有小型化的优势, 尺寸仅为0.78λg × 0.35λg, λg是中心频率处的波长. 采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器. 实物测量和仿真结果吻合较好, 验证了设计的可靠性.
2024, 73 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.73.20231484
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基于相干与偏振的统一理论, 采用傅里叶变换和卷积定理的方法, 研究了携带多个离轴涡旋相位的径向偏振矩形对称余弦-高斯关联结构光束的传输特性. 结果表明, 该光束因其独特的空间相干结构而具有自分裂特性, 可以分裂成4束完全相同的子波瓣. 更重要的是, 多离轴涡旋相位的调制可以作用在每个子波瓣上. 当相干度较大时, 通过调制光束的离轴涡旋数量N0和光束阶数可以在焦平面处产生具有三角形或正方形等多边形空心光强分布的光斑阵列, 并且每个子波瓣上对应的偏振态呈现倒三角形或斜正方形的椭圆分布. 当相干度较小时, 部分相干光束的空间相干性调控占主导作用, 多离轴涡旋相位的调制效果消失, 每个子波瓣的光强退化成高斯形式分布, 但其偏振态分布仍保持不变, 与光束阶数和相干长度无关. 此外, 当利用障碍物遮挡住其中一个离轴涡旋相位时, 光束仍具有一定的自修复能力. 然而, 若将其中一个离轴涡旋相位完全遮挡住, 此时每个子波瓣的强度分布和偏振态分布都遭到破坏, 会出现不同程度的“缺口”.
2024, 73 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.73.20231126
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氟化镁微腔光频梳具有体积小、功耗低、光谱覆盖范围广、色散可调控的优势, 在光通信、中红外光谱等领域有着潜在应用前景. 本文研究了氟化镁回音壁模式微瓶腔平台产生的光频梳光谱特性. 为了优化氟化镁微瓶腔光频梳的光谱分布, 利用有限元法迭代求解了瓶腔结构在不同曲率和轴向模式下的二阶色散及高阶色散, 通过分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程仿真了不同轴向模式激励下的光频梳光谱演变过程. 结果表明, 在最佳曲率半径下通过低阶轴向模式激励可以实现宽带范围的近零反常色散调谐, 而高阶轴向模式将导致微瓶腔呈现弱正常色散. 在低阶轴向模式下较弱的反常色散使光频梳的带宽得到展宽, 证明了三阶色散和负的四阶色散可以展宽克尔孤子光频梳; 在高阶轴向模式下弱正常色散抑制了克尔光频梳的产生, 拉曼光频梳占主导地位. 在适宜的泵浦条件下通过调控微瓶腔的轴向模式可以实现克尔孤子光频梳和拉曼光频梳的选择性激发. 本文工作的开展将为氟化镁微腔色散设计及宽带克尔孤子光频梳、拉曼光频梳实验调控提供指导意义.
2024, 73 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.73.20231442
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提出一种利用锁相双频激光泵浦正常色散碳化硅微环谐振腔产生光频率梳的方案. 对绝缘体上碳化硅微环谐振腔光波导进行色散调控, 实现1550 nm波段平坦正常色散优化设计. 利用Lugiato-Lefever方程对锁相双频激光泵浦正常色散碳化硅微环谐振腔的光频率梳产生进行仿真, 研究了泵浦失谐量改变时光频率梳产生的时域和频域演化过程. 同时探究了泵浦功率、微腔波导损耗、微腔色散、双频激光功率占比、双频激光频率间隔等各项参数对光频率梳产生的影响, 仿真产生的光频率梳带宽可覆盖1500—1600 nm. 仿真结果有助于推动基于正常色散碳化硅微环谐振腔的1550 nm波段高重复频率宽带光频率梳的研究和应用.
2024, 73 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.73.20231472
摘要 +
声散射是海洋声学的重要内容, 海底表面的不平整性形成的声散射是海洋中引起声传播起伏的原因之一. 针对海底表面粗糙度声散射问题, 建立了水平分层浅海波导中海底散射声场模型. 该模型将简正波理论与Lambert定律相结合. 基于该模型获得了散射声场声压的振幅与相位的统计分布, 并数值模拟了海底散射声场的强度及其空间相关系数, 实现了粗糙界面条件下海底散射声场预报, 揭示了散射声场空间特性随海底粗糙度的变化规律. 结果表明, 使用Lambert定律描述粗糙界面声散射时, 在海底粗糙度小于波长情况下, 随着空间距离的增大, 空间两个不同位置的散射声场的空间相关系数具有周期性振荡衰减的变化规律, 并且在垂直方向上, 振荡周期更大, 衰减更慢. 当粗糙度增大时, 水平和垂直相关系数振荡幅度逐渐增大, 水平相关系数振荡周期数逐渐减少, 在接收点逐渐靠近海底时, 垂直相关系数不再发生衰减, 这是海底声散射减弱的结果. 本文模型理论亦可推广到粗糙海面的声散射建模中. 对于非水平海底情况, 采用耦合简正波或绝热简正波理论进行声传播建模, 可以得到距离有关波导中粗糙界面的散射声场.
2024, 73 (3): 034302.
doi: 10.7498/aps.73.20231578
摘要 +
超声波识别在国防、军事、航空航天、核设施等高科技领域具有重要的应用价值. 利用超声波可以实现对个体金属材料的识别, 但现有研究侧重于识别材料超声信号差异的算法, 缺乏识别机理. 本文以2A12铝合金为例, 利用6个晶粒在尺寸、形状、排布方向以及排列顺序不同时, 建立了10个2A12铝合金微结构的初级模型, 以此类比多晶金属材料的复杂微观结构. 利用Comsol有限元软件仿真计算了金属材料不同微观结构中的超声波时域信号, 并将回波信号中的的背向散射信号提取为超声指纹. 定义了特征差异Q, 量化了具有不同微结构的散射模型间的超声指纹的差异. 结果表明, 微观结构的细微变化也会导致超声信号出现差异, 其中晶粒尺寸的变化对信号的影响更为显著. 随后提出了超声识别算法, 并对4块形状完全一致的2A12铝合金样品进行了识别实验. 识别结果表明, 利用超声指纹可以准确识别出目标样品, 且各样品间的超声指纹有显著区别. 最后对样品进行了扫描电子显微镜实验, 所得电子显微镜图片显示了各样品真实微观结构的形貌与差异, 证实了所建立的超声散射模型的有效性.
2024, 73 (3): 034303.
doi: 10.7498/aps.73.20231251
摘要 +
Janus-Helmholtz换能器利用驱动振子纵向谐振与Helmholtz谐振腔的液腔谐振耦合, 具有大功率、宽带声发射特性. 传统观点认为导纳曲线中低频谐振峰对应液腔谐振频率, 而高频谐振峰对应纵振动谐振频率, 然而大量的实验研究发现该结论存疑. 本文结合一只Janus-Helmholtz换能器实验样机的实验结果, 运用等效电路法结合有限元法分析并求解了驱动振子纵向模态的谐振频率, 使用有限元法分析并求解了Helmholtz谐振腔的液腔谐振频率. 研究结果表明, 与传统观点相反, 导纳曲线中第1个谐振峰为驱动振子的纵向谐振, 第2个谐振峰为Helmholtz谐振腔的液腔谐振; Janus换能器4个大尺寸辐射面带来的可观辐射质量是造成纵向振动谐振频率在水中大幅度下降的原因; Janus-Helmholtz换能器中存在两个等体积的Helmholtz共振腔而非传统认为的仅存在一个共振腔. 这些结论对于正确认识Janus-Helmholtz换能器的结构及性能特性起到了正本清源的作用, 也为优化创新该换能器的结构、改善换能器的声发射特性提供了技术支撑.
2024, 73 (3): 034304.
doi: 10.7498/aps.73.20230963
摘要 +
采用声悬浮无容器处理技术, 研究了聚乙二醇-硫酸铵(PEG-AMS)双水相液滴的蒸发与相分离过程. 双水相液滴蒸发过程中, 液滴赤道直径的平方$ {d}^{2} $ 随时间线性减小, 同时液滴横纵比$ \gamma $ 随时间线性增大. 初始处于单相区的液滴随着水分蒸发可以跨越到双相区, 进而发生相分离. 声悬浮状态下PEG-AMS双水相液滴的相分离分为3个阶段: 首先液滴内部形成富PEG相微滴, 然后富PEG相微滴发生碰撞凝并同时向外迁移, 最终液滴形成水平分层结构. 对比分析了不同横纵比及不同成分的双水相液滴的蒸发和相分离过程, 发现横纵比$ \gamma $ 越大, 富PEG相体积分数越小, 则液滴蒸发速率越快; 横纵比$ \gamma $ 越大, 富PEG相体积分数越大, 则液滴相分离越快. 这些发现有助于深入理解声悬浮条件下液滴的运动特性、蒸发动力学和相分离规律, 并为材料的声悬浮无容器制备和加工提供依据.
2024, 73 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.73.20231485
摘要 +
介电泳通过非均匀电场作用于介电液体内偶极子影响表面润湿性, 实现液滴接触角可调, 克服了电润湿效应的接触角饱和限制, 但其驱动电极需图案化处理, 难以实现实用的三维可调光学器件. 本文采用外裹绝缘介电层且互不导通的双柔性电极缠绕于平板基底形成二维平面线墙, 模拟叉指图案电极以驱动液体介电泳, 给出了“液滴-叉指平面线墙”模型的接触角与电压理论关系. 在0—250 Vrms电压范围内实验测量的接触角变化可达32°, 符合上述理论关系, 为构造液体介电泳三维可调光学器件提供了理论和实验基础.
气体、等离子体和放电物理
2024, 73 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.73.20231448
摘要 +
基于EAST托卡马克装置高性能极紫外空间分辨杂质光谱仪, 本文首次开展了磁约束聚变装置高Z杂质上下不对称分布的实验研究. 实验结果显示, 在同向中性束注入期间, 等离子体芯部环向旋转速度Vt0较大, 钨杂质上下不对称性较强, 且辐射(密度)较强的一侧背离离子$B\times \nabla B$ 漂移方向; 当从上外偏滤器充气口注入氘化甲烷气体后, Vt0迅速下降, 原有上下不对称性发生反转. 因此我们针对近似条件下W32+杂质离子特征线辐射不对称因子Iu/Id与Vt0依赖关系开展了进一步的统计分析. 结果表明, Iu/Id正相关于Vt0, 当Vt0 < 20 km/s以下时, 不对称性发生反转. 上述现象从实验角度验证了漂移动理学的理论预测, 说明环向旋转带来的离心力影响了杂质离子平行于磁场方向的动量守恒, 作为直接诱因, 造成了高Z杂质密度的上下不对称分布, 进而影响辐射的分布. 本文对钨杂质上下不对称性分布的实验观测为进一步开展高Z杂质极向输运的机理研究打下了坚实的基础, 并为今后聚变堆高Z杂质控制提供重要的参考.
2024, 73 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.73.20231577
摘要 +
结合理论分析和数值模拟, 研究了TM02模过模结构相对论返波管的模式竞争机制. 理论推导得到波纹波导中混合模式与圆波导中对应模式的近似关系, 以近似模式作为波导输入来计算包含的高频结构S11参数曲线, 分析各模式的品质因数. 三维粒子模拟结果显示, 当TM02模式的耦合阻抗优势明显时, 束波作用点基本不受两端反射影响, 输出的其他模式微波主要是由互作用模式转换而来; 当耦合阻抗优势不明显时, 品质因数的改变会影响束波相互作用, 起振模式随之变化. 各模式群速度接近时, 谐振对工作模式的影响的实质是末端反射主导下的品质因数对模式的影响. 品质因数和耦合阻抗对返波管工作模式的共同作用为在输出模式稳定的前提下优化输出功率、降低磁场提供了更大空间, 使用多目标优化设计算法对相对论返波管进行优化, 最终三维模拟得到的返波管输出功率达到534 MW, TM02模式输出功率占比94.95%.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2024, 73 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.73.20231417
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β弛豫行为及应力弛豫是探索非晶合金微观结构非均匀性的重要切入口. β弛豫行为及应力弛豫与非晶合金扩散、玻璃转变行为以及塑性变形等密切相关, 探究它们之间关联有重要科学意义. 本文以典型的La基非晶合金作为研究载体, 系统地探究了通过不同冷却速率所得块体样品与条带样品的β弛豫特征及应力弛豫行为. 结果表明, 冷却速率是控制玻璃体系能量状态, 进而影响其物理力学性能的重要参数. 冷却速率越大, 低温内耗更大, 对应β弛豫激活能更小, β弛豫行为在温度谱中展宽更大, 表明高冷却速率导致原子移动性更大, 微观尺度结构非均匀程度更高. 基于应力弛豫测量与分析, 发现高冷却速率变形特征时间减小, 归一化应力衰减幅度更大, 在外加力场作用下更易变形, 变形单元更易激活以容纳结构形变. 本研究为进一步厘清非晶合金β弛豫、变形及微观结构非均匀性之间关联提供了思路.
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2024, 73 (3): 036102.
doi: 10.7498/aps.73.20231568
摘要 +
钙钛矿太阳能电池由于具有高效率、低成本、高比功率以及明显优于硅基和Ⅲ-V族化合物太阳能电池的辐照抗性等优点, 被认为是新型空间太阳能电池的有力竞争者之一. 目前, 人们重点关注钙钛矿太阳能电池的辐照效应, 而对核心的钙钛矿薄膜的辐照损伤机理研究较少. 本文首先利用蒙特卡罗法模拟预测了钙钛矿太阳能电池的电子辐照效应, 然后结合电子辐照前后钙钛矿薄膜的微观组织结构表征和光学/电学性能对比, 阐述了薄膜的辐照损伤机理, 并对钙钛矿太阳能电池的电子辐照可靠性进行了评价. 研究表明, 混合阳离子钙钛矿薄膜与太阳能电池表现出优异的电子辐照抗性. 即使在累计剂量达5×1015 e·cm–2的100 keV电子辐照下, 电池依然可保持17.29%的平均能量转换效率, 维持了约85%的初始效率水平. 本研究为新型空间太阳能电池的抗辐照加固设计提供了理论与实验依据, 有助于提高新型空间太阳能电池的服役性能与可靠性.
2024, 73 (3): 036103.
doi: 10.7498/aps.73.20221360
摘要 +
采用181Ta32+重离子辐射AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管, 获得器件在重离子辐射前后的电学特性和低频噪声特性. 重离子辐射导致器件的阈值电压正向漂移、最大饱和电流减小等电学参数的退化. 微光显微测试发现辐射后器件热点数量明显增加, 引入更多缺陷. 随着辐射注量的增加, 电流噪声功率谱密度逐渐增大, 在注量为1×1010 ions/cm2重离子辐射后, 缺陷密度增大到3.19×1018 cm–3·eV–1, 不同栅压下的Hooge参数增大. 通过漏极电流噪声归一化功率谱密度随偏置电压的变化分析, 发现重离子辐射产生的缺陷会导致寄生串联电阻增大.
2024, 73 (3): 036201.
doi: 10.7498/aps.73.20231081
摘要 +
由于铁在国防和工业领域扮演着重要的角色, 因此研究其动态高压下的行为有着重要的意义. 本文拟采用大规模非平衡分子动力学方法研究冲击加载下铁的各向异性在双晶铁中对相变的影响, 通过追踪模型的局域结构、剪切应力分布和冲击后的形貌特点, 分析影响晶界两侧冲击响应的因素. 研究表明, 沿非中心对称晶向冲击可造成对称晶界两侧的相变阈值、相变路径和相变模式出现较大的差异, 考虑到该类型晶界两侧微观结构的对称性, 这种不对称的冲击响应与人们的惯性认知存在着偏差. 本文揭示了晶格的各向异性对冲击加载下晶界两侧的相变有重要的影响, 可以为多晶金属和合金的冲击实验提供一定的理论支持.
2024, 73 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.73.20231109
摘要 +
疏水力作为胶体物理化学及生物大分子体系中重要作用力, 具有典型的多尺度作用程特征, 其中亚稳态液膜空化气泡桥接诱发长程疏水力和固液界面水分子重排熵效应诱导短程疏水力假说占据着当前学术主流, 但仍缺少系统理论研究. 为进一步阐明基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制, 借助原子力显微镜(AFM)及分子动力学模拟对全氟辛基三氯硅烷疏水化颗粒与表面间长程疏水力进行了系统研究. AFM力测试结果表明: 长程疏水力作用程随接近次数增加而逐渐增大并逐渐趋于稳定, 第十次接触时进针曲线跳入黏附距离达到502.01 nm, 退针曲线中观察到了预示空化气泡毛细桥断裂的台阶. 此外, 发现经典毛细力数学模型可以较好地拟合进针曲线, 通过计算得到毛细桥体积约为0.30 μm3, 从理论角度直接验证了亚稳态液膜空化气泡毛细桥的存在. 进一步借助GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations)大尺度牵引分子动力学模拟从分子尺度探索疏水颗粒分离过程中空化气泡毛细桥产生、演化过程与力学行为的内在关联机制, 结果表明: 疏水颗粒从基板表面跳出分离瞬间, 产生的局部压降吸引氮气分子向液膜内部扩散从而形成空化气泡毛细桥, 同时, 在毛细桥断裂时刻在计算弹簧势力曲线中观察到了力跳跃行为. 最后研究了溶液气体含量对长程疏水力的影响规律, 发现气体分子含量和空化气泡毛细桥体积增长速率与毛细桥拉伸断裂长度呈现正相关关系, 进一步表明了长程疏水力的气体浓度依赖效应. 基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制的揭示有助于进一步完善胶体物理化学及生物大分子间相互作用理论体系, 同时对调控实际矿物浮选过程具有重要指导意义.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
编辑推荐
2024, 73 (3): 037202.
doi: 10.7498/aps.73.20231393
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数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象. 当参数$ \varDelta\neq0$ 时, 此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为. 通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变, 即发生第1次局域化转变进入完全局域相后, 继续增加调制强度, 一些局域态重新恢复成了退局域化态, 进一步增加调制强度, 系统将再次进入完全局域化相. 最后给出了局域化相图. 当参数$ \varDelta=0$ 时, 此系统仅存在单频率调制. 通过解析和数值求解证明了, 系统存在解析的迁移率边, 但不存在重返局域化. 该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考, 也为重返局域化的研究提供了新的视角.
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2024, 73 (3): 037501.
doi: 10.7498/aps.73.20231066
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磁制冷因高效、环保、结构简单等特点, 正有望成为替代传统蒸气制冷的新型室温制冷技术之一. 当前针对单一影响因子对磁制冷样机的影响作用规律研究较为丰富, 但对磁场-流场时序中流动时间占比工况的研究较少, 且影响规律尚不明晰. 本文以前期研制的紧凑型室温磁制冷系统为基础, 在固定的磁场时序情况下开展不同流动时间占比的实验研究, 探索制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的关联. 以磁场时序1∶4∶1∶4与频率0.45 Hz的工况为例, 开展了固定磁场时序的不同流动时间占比(100%, 80%, 60%)的实验研究. 结果表明: 1)小利用系数和高流动时间的组合可获得较大温跨, 大利用系数和高流动时间占比的组合可获得较大冷量, 其中当利用系数为0.42、流动时间占比为100%时, 获得最大无负荷制冷温跨26.2 K; 2)对比研究了利用系数与流动时间占比对回热器压降及性能系数的影响, 流动时间占比的增大和利用系数的减小均会造成流体速度的减小, 会使压降进一步减小, 性能系数进一步增大. 本研究阐明了制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的影响规律, 为进一步提升室温磁制冷机的性能奠定基础.
2024, 73 (3): 037502.
doi: 10.7498/aps.73.20231436
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在稀土永磁材料中, Sm-Co基合金具有优异的高温磁性能, 是目前最有发展前景的永磁材料. 然而, 这些合金在高温环境的实际应用中, 由于其相对较低的饱和磁化强度和结构稳定性而受到限制. 本研究采用Fe, Ni, Cu, Zr作为代表的过渡金属元素, 通过第一性原理计算, 研究掺杂元素对SmCo3合金结构稳定性、磁性能和电子结构的影响. 计算结果表明, 元素Ni, Cu和Fe的掺杂有利于提升SmCo3体系结构稳定性, 而元素Zr的掺杂不利于体系结构稳定性. 磁性能计算表明, 掺杂非磁性元素在一定程度上会降低SmCo3体系的总磁矩, 而掺杂磁性元素可以增大SmCo3体系的总磁矩, 在SmCo3体系中并不是掺杂所有的磁性元素都可以增大体系总磁矩, 并通过电子结构的分析阐明了其微观机制. 最后筛选出了过渡元素Fe有利于提升SmCo3的磁性能和结构稳定性, 并在其原胞中掺杂原子百分比为0—22.22%范围内, 预测了其最佳掺杂原子百分比为18.52%.
2024, 73 (3): 037601.
doi: 10.7498/aps.73.20231240
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研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联, 从基本Maxwell黏弹性模型出发, 到三参量扩展指数方程, 讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应. 结果表明, 非晶态聚苯乙烯应力松弛行为呈现典型非指数特征, 单一特征时间的指数衰减形式与有限特征时间的有限谱方法均无法合理描述聚苯乙烯应力松弛行为, 这是由于非晶态聚合物微观结构非均匀性所导致的特征时间谱连续分布. 此外, 本文进一步探究了物理老化导致的应力松弛行为变化, 老化导致体系向更稳定能量状态迁移, 变形单元难以激活, 因而导致应力松弛过程慢化, 特征时间延长.
2024, 73 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.73.20231542
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为了提高透射式GaAs光电阴极性能, 将国内与美国ITT公司的透射式GaAs光电阴极量子效率曲线进行对比, 可知我国透射式光电阴极积分灵敏度已经达到2130 μA/lm, 美国ITT达到了2330 μA/lm. 利用修正后的量子效率、光学性能以及积分灵敏度的理论模型, 分别对两者进行光学结构拟合. 结果表明, 国内光电阴极在窗口层和发射层的厚度、电子扩散长度以及后界面复合速率等方面均与ITT有一定差距. 为了缩短两者的差距, 优化阴极结构参数, 具体研究了电子扩散长度和发射层厚度对量子效率的影响, 结果表明如果均匀掺杂透射式GaAs光电阴极发射层厚度为1.3 μm、电子扩散长度为7 μm, 则积分灵敏度可以达到2800 μA/lm以上.
2024, 73 (3): 037802.
doi: 10.7498/aps.73.20230858
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蓝紫光有机电致发光器件难以提升发光效率. 本文以BCzVBi作为深蓝荧光材料, 把Al纳米颗粒引入ITO/PEDOT:PSS/TAPC/BCzVBi:BCPO/TmPyPb/Liq/Al有机发光器件的TmPyPb电子传输层, 尝试用Al纳米颗粒的高频局域等离激元效应来改善此问题. 在室温真空蒸镀Al膜, 厚度为1 nm时, 形成尺寸在10 nm量级的分散纳米颗粒. 将这种颗粒膜插入TmPyPb层内距离BCzVBi:BCPO发光层x = 4, 8, 12 nm处, 与没有Al层的对比器件相比, 器件的电流密度和发光亮度都会因载流子迁移率变差而下降. 但在x = 8 nm, 两者都显著回升. 其机理可能在于, x < 8 nm, 会产生过强的荧光淬灭, 而x > 8 nm, 到达Al颗粒的荧光衰减过多, 又难以产生足够强的局域等离子体振荡. 在x = 8 nm, 达到最大亮度的电压(9 V)没有变化, 最大亮度从4200 Cd/m2降到3500 Cd/m2, 但电流密度也从335.19 mA/cm2减小到145.71 mA/cm2, 使得电流效率反而从0.88 Cd/A提高到2.36 Cd/A, 从而把外量子效率提升了170%, 效率滚降比则从78%降到30.5%, 压减61%. 在电流密度高达270 mA/cm2时, 电流效率和外量子效率也能提升66.5%. 这些结果表明, Al纳米颗粒高频局域表面等离激元确实能够有效增强深蓝光有机发光二极管的发光性能.
2024, 73 (3): 037803.
doi: 10.7498/aps.73.20231405
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采用共沉淀法制备了Yb3+/Er3+ 共掺杂的稀土掺杂上转换纳米晶. 并对样品的相结构和形貌进行表征. 结果表明: 制备的NaYF4:Yb3+, Er3+具有六方晶相, 形貌均一. 利用两步阳极氧化法制备了阳极氧化铝模板. 通过扫描电子显微镜对样品形貌进行表征, 结果表明: 制备的阳极氧化铝模板周期性良好, 孔径均一. 在近红外 980 nm 激发下, 阳极氧化铝模板实现了对上转换纳米晶发光强度的增强, 使NaYF4:Yb3+, Er3+的红绿光发射强度分别增强了4.4倍和9.0倍. 运用时域有限差分法探究其增强机制, 结果表明主要增强机制为阳极氧化铝模板的局域表面等离子共振效应. 接着探究了不同入射角度下模板的发光强度, 发现随着入射角度的增大, 上转换纳米晶红绿光的发光强度均先减小后增大. 本研究为上转换纳米晶在防伪领域和太阳能电池领域的应用提供了参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.73.20230984
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AgNbO3具有反铁电性及高的极化强度, 在智能器件领域有着重要的应用前景. 本文采用助溶剂法合成了高质量的AgNbO3单晶(最大尺寸5 mm×4 mm×4 mm), 系统研究了其相转变特征、光学和电学性能. 当AgNbO3晶体处于正交M相时, 保持着相同的畴结构; 由M2相转变至M3相时, 偏光显微镜(PLM)照片衬度变暗, 同时电导率和介电损耗明显上升. 当AgNbO3单晶由M3相到顺电O相时, 畴结构消失; 同时, 表现出明显的热滞后现象, 属于第一类相变. 室温下, AgNbO3单晶的直接带隙拟合禁带宽度为2.73 eV, 略窄于AgNbO3陶瓷. 在临界电场以下, AgNbO3单晶表现出更高的电致应变(0.076%, Em = 130 kV/cm). 在绿色激光照射下, 介电常数由70增至73, 表现出明显的光致介电效应.
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2024, 73 (3): 038401.
doi: 10.7498/aps.73.20231455
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高速旋转的超导转子可制作高精度惯性器件, 对载体的角位置或角速度进行测量, 超导转子的质量偏心和球面误差是影响测量精度的主要误差源. 超导转子结构越复杂, 其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大, 则其测量角速度的精度越低. 基于此, 本文设计了一种结构简单的超导转子驱动电磁结构, 并通过有限元方法研究了定子对超导转子产生的转矩, 分析了定子对超导转子的定中和加转效果. 基于对超导转子转矩的研究结果, 提出了一种定中和驱动一体化的超导转子驱动方法, 即通过定子线圈同时实现定中和驱动功能, 并设计了对应的定子控制时序. 最后分析了所提驱动方法驱动过程的力矩分布, 并结合定子系统的响应特性对驱动效果进行了定量分析, 计算了不同条件下超导转子加速到50 Hz需要的时间. 结果表明, 所设计的驱动电磁结构及提出的定中驱动一体化的驱动方法可以对超导转子定中和驱动, 研究结果为进一步优化超导转子结构, 及超导转子的驱动方法提供参考.
2024, 73 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.73.20231504
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动态电感探测器容易频域集成, 作为一种新兴的超导探测器件在(亚)毫米及光学波段的天文探测和阵列成像中得到了初步应用. 在单像素层面, 动态电感探测器的暗噪声水平是关键指标之一. 本文详细介绍了一种适用于动态电感探测器的噪声功率谱分析方法, 可以较好地平衡噪声频谱分辨率与方差性能, 准确且高效地进行噪声谱分析. 利用此方法, 研究了两种工艺的超导铝动态电感探测器, 发现在铝膜上下两层镀氮化硅膜的样品的频率噪声约为裸铝样品的25%—50%. 基于这种双层氮化硅工艺, 进一步研究了多种几何设计的集总结构铝动态电感探测器在不同微波功率和温度下的噪声特性, 实验结果与典型的二能级系统噪声行为相符. 本文的研究为动态电感探测器的噪声谱表征提供了一种标准方法, 并为研制低噪声的超导铝动态电感探测器奠定了基础.
2024, 73 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.73.20231787
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传统的肺功能检测仪是基于测量呼气和吸气期间的气流和压力变化来评估受测者的呼吸功能. 这些技术主要基于机械式压差传感器或涡轮传感器, 通过测量受测者口腔吹气和吸气的能力来评估其肺功能. 其所测得的肺功能参数包括峰值呼气流量(peak expiratory flow, PEF)和用力肺活量(forced vital capacity, FVC)等. 本文报道了基于动态湿度传感技术发展而来的穿戴式呼吸功能检测系统(穿戴式呼吸波谱仪). 基于湿度传感器的特点, 对呼吸检测原理与设备的定量设计与模拟潮气实验进行了全面的探索. 根据达西定律, 通过穿戴式呼吸波谱仪的气体流量与其内外压差成正比关系, 该系统符合压差式传感原理. 以此为基础, 根据其结构特点, 建立PEF和FVC与传感器电信号变化的定量关系. 实验结果验证了波谱仪内相对湿度的最大变化率与PEF呈线性正相关的关系. 波谱仪的模拟潮气实验结果表明, 测试范围为180—840 L/min条件下, PEF的示值误差小于10%, 相邻测试误差小于5%, 频率响应测试误差小于12%, 符合呼气峰值流量计行业标准的要求. 此外, 将传统便携式肺功能检测仪作为对照, 进行不同PEF (300—720 L/min)和FVC (3—6 L)条件下的模拟潮气实验. 结果表明, 波谱仪所测PEF和FVC的平均示值误差分别约为0.35%和0.23%, 均远远小于便携式肺功能检测仪, 充分验证了该系统对肺功能实时评估的准确性和可靠性. 更重要的是, 在模拟自由呼吸条件(PEF为12—24 L/min, FVC为0.5—0.7 L)下, 波谱仪的电信号变化与 自由呼吸体积仍呈线性关系. 因此, 穿戴式呼吸波谱仪可对人体自然、微弱的鼻呼吸, 进行自由、动态、定量的长期监测. 所测量人们的自由呼吸波谱在人体肺功能实时监测以及呼吸系统疾病远程监测方面, 具有巨大的应用潜力.
2024, 73 (3): 038801.
doi: 10.7498/aps.73.20231139
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碳基无空穴传输层钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)因其替换了昂贵的贵金属电极, 以及去掉了稳定性差的空穴传输材料而受到广泛关注. 但是C-PSCs内部载流子分离和传输性能差阻碍了效率的提高, 而内建电场的增强可以改善载流子传输性能从而提升电池光电性能. 本文将铁电材料钛酸钡(BaTiO3)粉末作为添加剂引入钙钛矿前驱液中制备C-PSCs, 改善钙钛矿薄膜形态, 降低薄膜缺陷密度及提高C-PSCs载流子传输性能. 结果表明, 当BaTiO3质量分数为1.0%时, 钙钛矿薄膜均匀致密, 电池的光电转换效率最高. 对薄膜施加正向电压极化处理后, 铁电材料BaTiO3剩余极化电场增大了内建电场, 为载流子输运和萃取提供充足的动力, 从而抑制非辐射复合的发生; 同时耗尽层宽度增大, 反向饱和电流减小, 电池性能显著提升, 优化后最佳器件效率为9.02%. 本文为钙钛矿吸收层掺杂实现内建电场调控提供了一种有效策略.
2024, 73 (3): 038901.
doi: 10.7498/aps.73.20231096
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量化复杂网络之间的结构相似性是网络科学中一个基本且具有挑战性的问题, 在医学、社会学等多个领域发挥了至关重要的作用. 传统的网络比较方法通常基于简单的结构特征, 例如节点度分布、最短路径长度等, 这些方法可能无法充分捕捉网络的全局结构信息, 导致得到的网络相似性不精准. 本文提出了一种基于高阶信息的网络相似性比较方法, 该方法同时考虑了网络的全局结构和局部结构. 具体而言, 通过构建网络节点的高阶聚类系数分布和节点间距离分布, 并利用基于这两个分布的Jensen-Shannon散度来量化网络之间的相似性. 实验结果表明, 相较于其他基线方法, 本文提出的方法不仅能高效地比较不同网络的相似性, 且在对真实网络进行扰动的过程中也表现出鲁棒性.
地球物理学、天文学和天体物理学
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2024, 73 (3): 039501.
doi: 10.7498/aps.73.20231481
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狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一, 然而目前国内尚无该类载荷, 导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据, 严重制约了相关学科的发展. 国外已发射的成像光谱仪仅具有2''量级的空间分辨率, 很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征. 为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程, 需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据. 鉴于此, 本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪, 相比现有仪器, 系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测. 性能评价结果表明, 系统在62—80 nm, 92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4'', 光谱分辨率均优于0.007 nm, 光谱成像质量接近衍射极限, 对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.
