数据论文
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2024, 73 (4): 044207.
doi: 10.7498/aps.73.20231475
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采用提拉法生长出了钕掺杂钪酸钆晶体(Nd3+:GdScO3), 通过低温吸收光谱和室温发射光谱, 对其中Nd3+的实验能级进行分析指认, 确定了Nd3+:GdScO3的66个实验Stark能级, 拟合了其自由离子参数和晶体场参数, 拟合均方根误差为13.17 cm–1. 与Nd3+:YAP和Nd3+:YAG相比, Nd3+:GdScO3的晶场强度较弱. 弱的晶体场强度有可能是Nd3+:GdScO3晶体具有优良激光特性的原因之一. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.15702中访问获取.
总论
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2024, 73 (4): 040201.
doi: 10.7498/aps.73.20231590
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作为非线性发展方程的一种特殊局域解, 呼吸子具有包络振荡结构, 且这种振荡呈现周期性变化. 根据呼吸子在分布方向和演化方向的周期性, 呼吸子主要有3种类型, 即Kuznetsov-Ma呼吸子(Kuznetsov-Ma breather, KMB)、Akhmediev呼吸子(Akhmediev breather, AB)和一般呼吸子(general breather, GB). 近年来, 周期背景下的呼吸子现象在许多非线性物理领域被观察到, 比如在非线性光纤光学、流体力学等. 研究表明背景周期波的调制不稳定性可以激发呼吸子的产生, 且周期背景下的呼吸子具有非常丰富的物理性质和相互作用. 因此, 最近在周期背景下呼吸子的时空结构和相互作用引起了广泛关注. Gerdjikov-Ivanov方程可以被用来描述在量子场理论、弱非线性色散水波、非线性光学等领域中的非线性物理现象. 构造该模型的各种类型的解是非常有意义的工作. 据了解, 在椭圆函数背景下的多呼吸子之前还未被研究过. 本文首先利用修正的平方波(modified squared wave, MSW) 函数法和行波变换法获得该方程的椭圆函数解. 然后, 在椭圆函数解初始条件下得到该方程Lax对的通解. 基于椭圆函数的转换公式以及积分公式, 将势函数周期解化简为只含有Weierstrass椭圆函数. 然后, 利用达布变换构造出在椭圆函数背景下呼吸子的具体表达形式. 在椭圆函数背景下, 推导出3种不同类型的呼吸子, 包括GB, KMB和AB. 最后, 给出3种呼吸子的时空结构三维图, 并且展示它们之间相互作用的过程.
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2024, 73 (4): 040301.
doi: 10.7498/aps.73.20231566
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对称性在理解物质的拓扑态方面具有关键作用. 过去人们认为手征对称性保证了一维晶格的量子化Zak相位及其对应的非平庸拓扑相. 本文展现了在一维手征对称性破缺的情况下, 晶格系统仍具有量子化Zak相位和非平庸拓扑相. 具体而言, 在超冷原子动量晶格系统中有效地模拟了一个链长为26、手征对称性破缺的Zigzag模型, 其中相等的次近邻耦合强度能够在保留空间反演对称性的同时破坏手征对称性. 通过测量原子的时间平均波包位移来获得系统的拓扑不变量, 并得到了其对应的量子化的Zak相位. 此外, 还观测到系统随着最近邻耦合强度比例的变化会从非平庸拓扑相转变为平庸拓扑相. 本文不仅为对称性及拓扑相的相关研究提供了一个完全可控的平台, 还可以通过控制格点间耦合强度和原子间相互作用, 探索例如Tasaki, Aharonov-Bohm caging模型中的平带拓扑以及引入相互作用研究的非线性拓扑现象.
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2024, 73 (4): 040302.
doi: 10.7498/aps.73.20230458
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宇称-时间(PT)对称性理论描述了具有实能级的非厄密特哈密顿量, 在量子物理学和量子信息科学中起着重要作用, 是量子力学中活跃且重要的主题. 研究者们对如何描述哈密顿量的PT对称性的问题给予了高度关注. 本文基于PT对称理论和哈密顿量归一化特征函数, 提出了算子F的定义. 然后, 在找到算子CPT和算子F的对易子和反对易子的特性后, 给出了刻画了无量纲情况下哈密顿量的PT对称性的第一种方法. 进一步研究发现, 该方法还可以量化哈密顿量在无量纲情况下的PT对称性. 此外, 提出了另一种基于哈密顿量特征值实部和虚部来描述哈密顿量PT对称性的方法, 该方法仅用于判断哈密顿量是否具有PT对称性.
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2024, 73 (4): 040303.
doi: 10.7498/aps.73.20231503
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与各种非参数化纠缠度量相比, 参数化纠缠度量显示了其优越性. 并发纠缠被广泛用于描述量子实验中的纠缠. 作为一种纠缠度量, 它与特定Rényi-α熵有关. 本文提出了一种基于Rényi-α熵的参数化两体纠缠度量, 命名为α-对数并发纠缠. 与现有的参数化度量不同, 首先定义了纯态的度量, 然后推广到混合态. 进一步验证了α-对数并发纠缠满足纠缠度量3个条件. 展示了对纯态的度量是容易计算的, 然而对于混合态, 解析计算只适用于特殊的双量子位态或特殊的高维混合态. 因此, 本文致力于建立一般两体态α-对数并发纠缠的一个下界. 令人惊讶的是, 这个下界是这个混合态的正部分转置判据和重排判据的函数. 这表明了3种纠缠度量之间的联系. 有趣的是, 下界依赖于与具体态相关的熵参数. 这样我们可以选择适当的参数α, 使得$ G_\alpha({\boldsymbol{\rho}})\gg0$ 用于特定态 ρ 的实验纠缠检测. 此外, 计算了isotropic态的α-对数并发纠缠的表达式, 并给出了$ d=2$ 时isotropic态的解析表达式. 最后, 讨论了α-对数并发纠缠的的单配性. 建立了两个量子比特系统中并发纠缠和α-对数并发纠缠之间的函数关系, 然后得到了该函数的一些有用性质, 并结合Coffman-Kundu-Wootters (CKW)不等式, 建立了关于α-对数并发纠缠的单配性不等式. 最终证明了单配性不等式对于α-对数并发纠缠是成立的.
2024, 73 (4): 040304.
doi: 10.7498/aps.73.20231138
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量子计算因具有并行处理能力, 相比于经典计算有着指数级的加速, 但量子系统具有脆弱性, 极易受到噪声的影响, 量子纠错码是克服量子噪声的有效手段. 量子表面码是一种拓扑稳定子码, 由于其结构上的最近邻居特点和较高的容错阈值, 表面码在大规模容错量子计算方面具有巨大的潜力. 目前已有的基于边界的表面码均为编码一个逻辑比特的表面码, 本文主要研究基于边界如何实现多逻辑量子比特的编码, 包括设计表面码的结构, 根据结构找出对应的稳定子和逻辑操作, 进一步根据稳定子设计出基于稳定子实现的编码线路; 在研究基于测量和纠正的单量子比特间CNOT实现原理和基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现原理的基础上, 优化了基于融合操作和分割操作的单逻辑量子比特表面码间CNOT门实现方案, 将其扩展到所设计的多逻辑量子比特表面码上实现了多逻辑量子比特表面码之间的CNOT操作, 并通过仿真验证量子线路的正确性. 本文设计的多逻辑比特表面码克服了单比特表面码不能密铺于量子芯片的缺点且提高了某些逻辑操作的长度, 提高了容错能力. 基于联合测量的思想降低了对辅助比特的要求且减小了实现过程中对量子资源的需求.
2024, 73 (4): 040401.
doi: 10.7498/aps.73.20231463
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Lorentz-breaking理论不仅对弯曲时空背景有影响, 而且对于在弯曲时空中的玻色子和费米子的动力学方程都有一定的修正. 因此, 我们需要在不同的黑洞时空中对玻色子和费米子的量子隧穿辐射进行适当的修正. 从而得到经过Lorentz-breaking理论修正后的黑洞Hawking温度等物理量的新表达式及其物理意义. 本文根据Einstein-Bumblebee引力理论中得到的Kerr-Sen-like (KSL)黑洞时空度规, 在标量场作用量中引入aether-like场矢量修正项和弯曲时空中的d’Alembert算符并应用弯曲时空中的变分原理, 研究了此时空度规中的Lorentz-breaking修正项及KSL时空中自旋为零的含有Lorentz-breaking修正项的玻色子动力学方程的新形式. 通过正确选择与KSL时空度规相对应的aether-like场矢量, 求解修正的玻色子动力学方程, 得到了修正的量子隧穿率, 并在此基础上研究了含有Lorentz-breaking修正项的此黑洞的Hawking温度和Bekenstein-Hawking熵. 此外, 还研究了Lorentz-breaking效应对玻色子正、负能级分布及其能级交错的最大值的影响, 从而得出此黑洞时空中的量子非热辐射的条件. 最后对所得到的一系列结果的物理意义进行了深入的讨论.
2024, 73 (4): 040503.
doi: 10.7498/aps.73.20231343
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强耦合振子可用于微弱脉冲信号的检测和波形恢复, 但其对微弱脉冲信号的检测频率会受到系统内置频率的限制. 在系统内置频率固定的情况下, 系统只能对一定频率范围内的脉冲信号进行有效检测和波形恢复, 在检测更高频率的脉冲信号时会出现波形失真. 本文分析了耦合振子内置频率和微弱脉冲信号检测频率之间的关系, 提出两种改进强耦合振子结构以扩展微弱脉冲信号的频率检测范围. 通过引入非线性恢复力耦合项, 非线性恢复力强耦合振子可以有效保留信号的高频分量, 在更高频率的脉冲信号输入时也能较好地保留信号特征. 双振子强耦合系统通过引入Van der Pol-Duffing振子, 加强了系统内部结构的稳定性, 同样达到了扩展脉冲信号频率检测范围的效果. 此外, 基于变迭代步长和混沌检测的频率相关性, 提出了一个未知频率脉冲信号检测方法, 以改变迭代步长的方法代替改变系统内置频率来进行频率扫描, 并且利用混沌检测的频率相关性, 将接收信号和恢复信号的相关系数和纯噪声输入情况下的相关系数进行对比, 根据两个相关系数之间的明显差异可以有效检测出脉冲信号. 通过仿真实验进行验证, 所提方法可以有效检测出未知频率的脉冲信号, 并且所提的改进强耦合振子结构相对于强耦合振子有较大的性能提升.
2024, 73 (4): 040701.
doi: 10.7498/aps.73.20231505
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面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求, 设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器, 解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题. 本文主要开展了脉冲X射线发生器的超快调制控制模块研究, 并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X射线产生. 理论方面, 建立了脉冲X射线发生器时间响应模型, 分析了出射脉冲X射线的时域时间特性. 实验方面, 搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X射线时间特性实验测试系统, 测试了激光控制光源及脉冲X射线发射源的时间特性参数. 实验结果表明脉冲X射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性, 且与所建立的理论模型高度符合. 相比于传统X射线调制方案, 脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展, 本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X射线发射源提供新思路.
2024, 73 (4): 040502.
doi: 10.7498/aps.73.20231549
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螺旋波是心室跳动过速和纤维性颤动的根源, 钉扎螺旋波相对于自由螺旋波来说更难消除. 本文采用格子Boltzmann方法求解, 以FitzHugh-Nagumo模型为对象, 研究了使用反馈控制法消除钉扎螺旋波. 数值结果表明, 无论钉扎螺旋波钉在圆形障碍物还是矩形障碍物上, 反馈控制法对其都具有很好的控制作用. 此外, 通过数值模拟系统研究了可激性系数、反馈控制信号幅度、记录反馈信号时间和障碍物的大小对钉扎螺旋波的控制情况. 研究表明, 钉扎螺旋波消除有三种情况. 首先, 反馈控制信号幅度和可激性系数与钉扎螺旋波消除所需的时间有关, 反馈控制信号幅度越大或可激性系数越小, 钉扎螺旋波消除越快. 其次, 障碍物大小和可激性系数影响着能成功消除钉扎螺旋波下记录反馈信号时间与加入反馈控制时间之间对应的时间间隔. 最后, 在保持加入反馈控制时间不变的情况下, 记录反馈信号时间影响着能成功消除钉扎螺旋波所需的最小反馈控制信号幅度.
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2024, 73 (4): 040501.
doi: 10.7498/aps.73.20231605
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得益于量子信息理论的发展, 保真度、纠缠熵等概念被引入到量子相变的研究中, 不仅能用来标识新奇的物质相, 还能用来探测量子相变的临界点以及描绘其临界行为. 从度量空间的角度来看, 这些物理量都可以被理解为度量空间中两个函数的距离. 本文利用波函数和实空间中密度分布函数的距离, 研究了以广义Aubry-André-Harper模型为代表的准周期系统, 发现该方法不仅能标识拓展相、临界相和局域相, 还能找到准确的相变点并计算出临界指数. 此外, 不仅将度量空间方法推广到波包扩散动力学研究, 还提出了一种新的量, 即态密度分布函数的距离, 发现上述定义的两种物理量都能标识不同的物质相及相变点. 通过定义某个函数在不同参数下的距离, 不仅为标识已知系统相变点提供了研究工具, 还为探测未知系统的不同物质相、相变点及其临界行为提供了一种直观的方法.
气体、等离子体和放电物理
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2024, 73 (4): 045201.
doi: 10.7498/aps.73.20231369
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在刻蚀工艺中, 通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源, 以实现对离子能量和离子通量的独立调控. 本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型, 在Ar/O2/Cl2放电中, 研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响. 研究结果表明: 当偏压频率为2.26 MHz时, 随着偏压的增加, 除了Cl–离子和ClO+离子的密度先增加后降低最后再增加外, 其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加. 当偏压频率为13.56和27.12 MHz时, 除了Cl–离子和$ {\text{Cl}}_2^ + $ 离子外, 其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似. 随着偏压频率的提高, 在低偏压范围内(<200 V), 由于偏压源对等离子体加热显著增加, 导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加; 而在高偏压范围内(>300 V), 由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强, 导致除了$ {\text{Cl}}_2^ + $ 离子和Cl–离子外, 其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先下降后增加的. 此外, 随着偏压频率的增加, 离子能量分布中的高能峰和低能峰彼此靠近, 离子能峰间距变窄, 并最终变成单峰结构. 本文的结论对于优化等离子体刻蚀工艺具有重要意义.
核物理学
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2024, 73 (4): 042101.
doi: 10.7498/aps.73.20231531
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基于相对论平均场理论(RMF), 采用TM1以及有效超子−核子和超子−超子相互作用, 首先研究了16O和$^{18}_{\Lambda\Lambda}{\rm{O}}$ 的单粒子能级受超子的影响情况, 发现超子的加入使得核子能级能量降低. 其次基于相对论无规位相近似方法(RRPA), 自洽地计算了16O和$^{18}_{\Lambda\Lambda}{\rm{O}}$ 同位旋标量巨单极和四极共振态. 发现相比于16O各巨共振的响应函数, 超核的响应函数会发生改变. 研究表明: 这种改变主要来自于超子的加入导致的核子单粒子能级的改变, 以及超子粒子−空穴组态跃迁的贡献, 而超子−超子剩余相互作用对单极和四极共振在低能区的响应函数的影响比较小, 特别对高能区的响应函数基本没有影响.
2024, 73 (4): 042801.
doi: 10.7498/aps.73.20231493
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全局计数问题在反应堆pin-by-pin模型蒙特卡罗模拟和多物理耦合计算中动态粒子输运蒙特卡罗模拟等重大研究领域中都有广泛的应用场景. 大量的全局减方差算法研究立足于全局计数误差分布的展平, 由此提高全局计数的整体效率. 本工作针对两种高效全局减方差算法, 即均匀计数密度算法(属于源偏倚算法的一种)和权窗算法的结合展开研究, 提出利用均匀计数密度算法的偏倚因子调整权窗下限, 由此实现两种算法的有机结合. 基于Hoogenboom-Martin压水堆全堆基准题中开展了一系列对比测试, 验证了混合全局减方差算法更优于单一权窗算法或均匀计数密度算法, 尤其是在降低最大误差方面. 同时, 基于新的指标, 验证了均匀计数密度算法较经典的均匀裂变源算法具有更好的表现. 研究结果表明, 本文提出的混合全局减方差算法能高效求解全局计数问题, 进一步促进了相关领域的研究.
原子和分子物理学
2024, 73 (4): 043101.
doi: 10.7498/aps.73.20231570
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利用量子化学计算研究了五氟吡啶分子的激发态非绝热弛豫路径中一些关键点的分子结构和能量. 计算确定了五氟吡啶分子基态及两个最低激发态的结构和相应电子态的垂直和绝热激发能, 其中基态是具有C2v对称性的平面结构, 而激发态结构为平面外畸变的半船型结构. 同时确定了3个锥形交叉S2/S1, S1/S0, S2/S0的拓扑结构和能量. 在分支空间中, 锥形交叉S2/S1, S1/S0, S2/S0的结构都是尖峰不对称结构, 分别为船型、半船型和椅式结构, 其能量分别为6.39, 5.16和8.51 eV. 计算结果表明五氟吡啶分子的非辐射弛豫主要是S2态上的波包经锥形交叉S2/S1快速内转换到S1态, 再通过S1/S0弛豫到基态的路径, 而直接通过S2/S0衰减到基态的概率较小.
2024, 73 (4): 043102.
doi: 10.7498/aps.73.20230904
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二维InSe半导体材料由于其优异的电学性能以及适中可调的带隙等优点, 引起了研究者的关注. 材料中的空位缺陷不仅影响材料的光电学特性, 还影响材料的环境稳定性. 相比于InSe材料中的其他相, δ-InSe具有更优异的材料性能, 然而关于对该材料环境稳定性影响的研究未见报道. 本文基于密度泛函理论, 系统研究了O2环境下二维δ-InSe材料的稳定性问题. 结果表明: 1)在O2环境下, 完美δ-InSe表面具有良好的惰性和稳定性, O2分子在其表面从物理吸附到解离吸附需要克服1.827 eV的势垒; 2) Se空位(VSe)的存在则会促进δ-InSe的氧化反应, 被氧化的过程仅需克服0.044 eV的势垒, 说明VSe的存在使δ-InSe在O2环境下的稳定性显著下降, 此外被O2分子氧化的δ-InSe单层有利于H2O分子的解离吸附; 3)含有In空位(VIn)的δ-InSe被氧化的速率较慢, O2分子在VIn表面的物理吸附的吸附能和电荷转移与完美表面基本一致, 被氧化的过程需克服1.234 eV的势垒. 这一研究结果将为更好地理解单空位缺陷对δ-InSe单层的氧化行为提供理论指导, 同时为高可靠二维δ-InSe器件的实验制备提供参考.
2024, 73 (4): 043201.
doi: 10.7498/aps.73.20231477
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利用中国原子能科学研究院 HI-13MV串列加速器上提供的动能为 15—55 MeV的类氦C离子分别轰击Fe, Ni, Nb和Mo金属厚靶, 采用HpGe探测器测量了K-X射线, 获得了相应的K-X射线的发射截面. 本文中由于各个靶原子外壳层电离度的不同, 类氦C离子与Fe, Ni靶原子相互作用发射的Kβ与Kα X射线的分支强度比随入射离子动能增加而减小, 而Nb, Mo靶原子发射的K-X射线分支强度比变化不明显. 利用厚靶截面公式计算了靶原子K-X射线的发射截面, 并与不同的理论模型及质子的结果进行了对比. 结果表明随类氦C离子动能的增大, Fe, Ni靶原子发射的Kβ与Kα X射线的总产生截面与考虑多电离的两体碰撞近似修正模型最为符合Nb, Mo靶原子发射的Kβ与Kα X射线的总产生截面与平面波恩近似模型的理论值最为接近. 质子与单核子C离子能量相同时, 质子比类氦C离子激发不同靶的K-X射线产生截面约小3个数量级.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2024, 73 (4): 044101.
doi: 10.7498/aps.73.20231377
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CH4广泛存在于行星大气之中, 研究CH4的解离动力学对了解宇宙中气体演化的过程具有重要的价值. 目前, $ {\text{CH}}_4^{2 + } \to {\text{CH}}_3^ + + {{\text{H}}^ + } $ 碎裂通道已被大量研究, 但针对该通道的解离机制的解释尚存在一定争议. 本实验利用高分辨反应显微成像谱仪, 开展了25—44 eV的极紫外 (extreme ultraviolet, XUV) 光电离实验及1 MeV Ne8+与CH4的碰撞实验. 通过符合测量得到了$ {\text{CH}}_3^ + $ 和 H+两种离子的动能, 重构了两体解离的动能释放 (kinetic energy release, KER), 并研究了$ {\text{CH}}_4^{2 + } $ 解离产生$ {\text{CH}}_3^ + + {{\text{H}}^ + } $ 解离路径下的碎裂动力学过程. 在光电离实验中, 观测到KER谱上存在4.75 eV和6.09 eV两个峰, 结合前人的工作及XUV的能量范围, 对每个峰的机制归属进行讨论. 特别是4.75 eV峰, 分析认为可能来自于$ {\text{CH}}_4^{2 + } $ 直接解离机制的贡献. 另外, 在1 MeV Ne8+离子碰撞实验中, 可观测到3个KER峰, 将每个峰的分支比与以往的实验结果进行对比, 未发现速度效应对KER谱的显著影响.
2024, 73 (4): 044201.
doi: 10.7498/aps.73.20230432
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在强电磁场下真空产生正负电子对的研究中, 多场的组合扮演重要的角色. 本文运用计算量子场论方法在全时空数值求解狄拉克方程, 研究了两个空间分离的局域化振荡电场击穿真空产生正负电子对的过程. 结果表明通过选取合适的场参数, 两场的相互作用可以显著增强正负电子对的产生. 两场的相互作用使产生正负电子对的动量分布曲线出现了周期性的振荡, 并导致了非对称的多光子跃迁过程. 通过含时微扰理论分析得出, 正负电子对的动量分布的周期性振荡可由电场宽度、电场频率和两场间距共同决定. 两场间距能够改变正负电子对动量分布的变化周期, 随着两场间距的增大, 产生正负电子对的动量(能量)的单一性得到优化; 电场宽度不仅影响正负电子对动量分布的峰谷高度差, 还会改变其在动量空间峰值的展宽; 根据能量守恒定律, 电场频率的增大使得产生粒子对的动量随之变大. 因此, 通过选择合适电场参数可以抑制或加强特定动量分布的正负电子对, 这为今后的实验设计提供了重要的理论指导.
2024, 73 (4): 044202.
doi: 10.7498/aps.73.20231194
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利用概率幅变分近似结合多重尺度法, 研究了探测光在两边产生点间隧道耦合的非对称阵列型三量子点电磁诱导透明介质的传播性质. 结果表明, 由于系统的色散效应和点间隧穿耦合产生的非线性效应相平衡, 系统能形成稳定传播的超低速时间光孤子. 有趣的是, 仅开启一边的点间隧穿耦合(即另一边关闭), 随着点间隧穿耦合强度的增加, 光孤子的速度呈现出先增大后减小的变化趋势, 但光孤子的幅度却一直增大. 两边两个点间隧穿耦合强度均开启后, 随着点间隧穿强度逐渐的增大, 光孤子的幅度随着点间隧穿强度的增大会出现逐渐减小, 直到出现一个拐点后才迅速增大; 而光孤子的速度相比较于单个隧穿强度的影响会明显降低, 且出现停滞的现象. 这些结果不但揭示出点间隧道耦合对三量子点电磁感应透明介质光孤子的动力学有着重要影响, 而且还预言在半导体量子点器件中可利用点间隧道耦合调节其光孤子传输的幅度.
2024, 73 (4): 044203.
doi: 10.7498/aps.73.20231519
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本文提出了基于耦合腔的一维晶格理论方案, 其中每个晶胞包含微波腔光子和磁子, 通过调控磁子与微波光子的耦合来研究系统中的拓扑相变和拓扑量子通道. 首先, 分析了在奇偶晶格数情况下, 系统能谱和边缘态的特征, 并发现边缘态分布可以展示反转过程, 可以实现多通道拓扑量子态传输; 其次, 考虑存在缺陷和无序的扰动, 发现它们在较小值范围内, 可以使能带产生波动和翻转现象, 但边缘状态对其是鲁棒的, 这表明边缘态受到系统的拓扑保护. 该研究结果为研究拓扑磁子-光子提供了一条新途径, 将在量子信息处理中有着广阔的应用前景.
2024, 73 (4): 044204.
doi: 10.7498/aps.73.20231384
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大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战. 本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法, 通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域, 生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号, 再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性, 仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信. 仿真验证了该方案的可行性, 随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验, 实现了误码率低于10–6的14 Gbit/s数据传输.
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2024, 73 (4): 044205.
doi: 10.7498/aps.73.20231616
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2.94 μm纳秒铒激光是宽调谐中红外激光和临床医疗研究中重要的固体激光源. 本文研制了新型LiNbO3声光调Q Er:YAG 激光器, 研究了20 Hz重复频率下不同调Q延迟时间和耦合腔镜反射率对激光输出脉冲特性的影响规律. 根据测量激光器的热透镜焦距设计了凹凸谐振腔补偿热透镜效应, 获得了激光单脉冲能量为34.68 mJ、脉冲宽度为119.9 ns的调Q输出, 相应的峰值功率为289.24 kW, 与平平腔相比输出能量提高了2.09倍. 据我们所知, 这是目前声光调Q Er:YAG激光器中获得的最高能量, 可为进一步研究宽调谐中红外激光技术提供新的手段.
2024, 73 (4): 044206.
doi: 10.7498/aps.73.20231348
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本文报道了一种台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的3.4 μm中红外脉冲串激光器. 建立了基频台阶声光调Q理论模型, 模拟了不同台阶调Q间隔时光子数密度随时间变化趋势, 获得了台阶信号最优触发时间, 确定了台阶声光调Q获得脉冲串激光输出的可能性. 根据理论模拟设计台阶信号触发时间, 并应用于台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN光参量振荡器的中红外脉冲串激光器实验中, 在每个重复周期内声光Q开关分三次开启, 获得了单脉冲包络含三个子脉冲的3.4 μm中红外脉冲串激光输出. 脉冲包络内子脉冲间隔为5 μs, 最窄脉宽为12.8 ns, 脉冲包络重频为20 kHz, 理论和是实验中均发现脉冲包络内子脉冲宽度逐渐增大. 在最大平均输出功率为1.08 W时, 1064 nm基频光与3.4 μm参量光的光-光转换效率为10.05%, 光束质量因子M 2为2.01.
2024, 73 (4): 044301.
doi: 10.7498/aps.73.20231451
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随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高, SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块. SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件, 天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力, 然而, 其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题. 本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验, 并定位了激光单粒子效应敏感区域. 实验结果表明, SiGe HBT瞬态电荷收集是引起 SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因. TCAD模拟表明, 离子在CMOS区域入射时, 电离径迹会越过深沟槽隔离结构, 进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集. ADS电路模拟分析表明, 单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时, 瞬态电压峰值骤降, 这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用. 本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
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2024, 73 (4): 046101.
doi: 10.7498/aps.73.20231421
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非晶合金力学行为与其微观结构非均匀性之间本征关联, 是固体力学研究领域至今未能很好解决的重要科学问题之一. 单一力学激励形式并不能有效地描述非晶合金微观结构非均匀性, 特别是结构与动力学的关联. 如何探索非晶合金结构信息, 须将诸多因素综合, 在不同力学激励下研究非晶合金微观结构非均匀性与变形机理. 本研究以La62Cu12Ni12Al14非晶合金为模型体系, 利用动态力学分析仪研究非晶合金动态弛豫行为. 基于准点缺陷模型, 对模型合金体系α弛豫和β弛豫进行了分离. 借助于拉伸应变率跳实验, 探索非晶合金高温流变行为. 确定非晶合金塑性流变过程中弹性、滞弹性以及塑性变形的贡献. 本研究从非晶合金动态力学弛豫行为和宏观塑性流变行为出发, 尝试揭示微观非均匀性对非晶合金在不同激励形式中缺陷的激活、扩展和融合的物理本质.
2024, 73 (4): 046501.
doi: 10.7498/aps.73.20231696
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应用第一性原理可以计算含能材料0 K下的结构和物理性质, 但温度效应的缺失通常会导致计算数据与实验结果产生偏差. 同时, 与温度相关的热力学参数是含能材料在宏观和介观尺度下建模的关键输入. 为此, 本文以高能低感炸药1-氧-2, 6-二氨基-3, 5-二硝基吡嗪(LLM-105)为研究体系, 基于准简谐近似, 采用色散修正的密度泛函理论研究温度加载下LLM-105的分子间相互作用和热力学性质. 晶格参数和热膨胀系数的演化表明LLM-105分子间相互作用具有强烈的各向异性, 其中b轴方向(分子层间)的膨胀率远高于ac平面(分子层内). Hirshfeld表面及其指纹图分析进一步证实LLM-105的分子间相互作用主要取决于O···H构成的氢键. 结合Mulliken布居数和结构分析, 温度加载下氢键相互作用的变化可诱发硝基旋转, 并使得C—NO2键的强度明显减弱, 为高温分解反应的触发键提供了理论依据. 此外, 本文计算了等容和等压条件下的热容、熵以及等温和绝热条件下的体模量等基础热力学参数. 其中绝热条件下的体模量与实验值吻合, 同时体模量随温度的演化反映了LLM-105在温度加载下的软化行为. 上述理论研究可用于构建含能材料在介观和宏观尺度下的模型, 也为测量原子分子水平下的热力学性质提供了重要的参考价值.
2024, 73 (4): 046801.
doi: 10.7498/aps.73.20231555
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金属有机物化学气相淀积(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)作为异质结半导体材料外延的关键手段, 其外延层厚度均匀性会直接影响产品的良率. 本文将理论与实验相结合, 针对3个MO源喷嘴的垂直反应腔MOCVD, 将各MO源喷嘴等效为蒸发面源, 并引入一等效高度来涵盖MOCVD的相关外延参数, 建立外延层厚度与各MO源喷嘴流量间的定量关系, 设计并利用EMCORE D125 MOCVD系统外延生长了AlGaAs谐振腔结构, 根据实验测得的外延层厚度分布结果, 利用最小二乘法对模型参数进行了拟合提取, 基于提取的模型参数, 给出了优化外延层厚度均匀性的方法. 4 in (1 in = 2.54 cm)外延片mapping反射谱的统计结果为, 腔模的平均波长为651.89 nm, 标准偏差为1.03 nm, 厚度均匀性达到0.16%. 同时外延生长了GaInP 量子阱结构, 4 in外延片mapping荧光光谱的统计结果为, 峰值波长平均值为653.3 nm, 标准偏差仅为0.46 nm, 厚度均匀性达到0.07%. 本文提出的调整外延层厚度均匀性的方法具有简单、有效、快捷的特点, 且可以进一步推广至具有4个MO喷嘴以上的垂直反应腔MOCVD系统.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2024, 73 (4): 047101.
doi: 10.7498/aps.73.20231406
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硒化锑(Sb2Se3)是一种元素丰富、经济且无毒的太阳电池吸收层材料. 太阳电池的性能在很大程度上取决于载流子的传输特性, 然而在Sb2Se3中, 这些特性尚未得到很好的理解. 通过密度泛函理论和形变势理论, 本文对纯Sb2Se3以及掺杂了As, Bi的Sb2Se3的空穴传输特性进行研究, 计算并分析了影响迁移率的3个关键参数: 有效质量、形变势和弹性常数. 结果显示, 有效质量对迁移率具有最大影响, 掺杂Bi的Sb2Se3表现出最高的平均迁移率. 同时发现, Sb2Se3的空穴迁移率呈现出明显的各向异性, 其中x方向的迁移率远高于y, z方向, 这应该与x方向的原子主要以较强的共价键连接, 而y, z方向以较弱的范德瓦耳斯力连接有关. 载流子传输能力强的方向有助于有效传输和收集光生载流子, 本研究从理论上强调了控制Sb2Se3沿特定方向生长的重要性.
2024, 73 (4): 047801.
doi: 10.7498/aps.73.20231301
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近十年来, 制备近紫外有机发光二极管成为有机电子学领域的研究热点之一. 但是当器件的电致发光波长延伸到400 nm以下后, 对器件中各功能层的材料选择提出了更高要求. 本实验中, 以宽带隙小分子材料BCPO(bis-4-(N-carbazolyl)phenyl)phenylphosphine oxide)为发光层, 基于BCPO的发射光谱确定了电子传输材料和空穴传输材料, 制备了电致发光峰位波长在384 nm附近的近紫外有机发光二极管. 在最佳的器件结构下, 器件的最大外量子效率达到2.98%, 最大辐射功率达到38.2 mW/cm2. 电致发光谱中波长在400 nm以下的近紫外光占比为57%. 结果表明器件在恒压模式下展示了良好的稳定性, 此外, 对影响器件稳定性的多个关键因素给予了深入的分析.
2024, 73 (4): 047802.
doi: 10.7498/aps.73.20231514
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本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面, 获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum, QBIC). 通过选择不同形式的对称破缺, 在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC, 并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性. 模拟计算表明, 通过测量两个QBIC的谐振波长, 能够实现折射率和温度的双参数传感; 通过调节不对称参数, 利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系, 理论上能够提高品质因子到任意的数值, 从而实现传感性能的提升和调节. 该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU, 45829和8197, 其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.
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2024, 73 (4): 047803.
doi: 10.7498/aps.73.20231600
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Bi2O2Se是一种新型半导体材料, 具有载流子迁移率高、空气中稳定和自旋轨道耦合强等优点, 并且其合成方法多种多样, 应用范围十分广泛. 但已有研究大多集中在其二维薄膜, 本文介绍一种使用三温区管式炉通过化学气相沉积生长Bi2O2Se一维纳米线的方法, 研究了云母衬底处于水平方向不同位置以及竖直方向不同高度对Bi2O2Se纳米线生长的影响, 并归纳出适于其生长的优化条件. 之后, 基于生长的Bi2O2Se纳米线构建了超导量子干涉器件, 并观测到随磁场的超导量子干涉, 为拓宽Bi2O2Se纳米线的应用提供了思路.
2024, 73 (4): 047901.
doi: 10.7498/aps.73.20231604
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非晶态碳薄膜由于具有极低的二次电子发射系数(secondary electron yield, SEY), 在真空微波器件与设备异常放电领域引起了广泛关注. 然而, 非晶态碳薄膜对二次电子发射影响的动态过程及微观机理仍缺乏了解. 本文采用Monte Carlo方法, 建立了Cu表面非晶态碳薄膜的二次电子发射数值模拟模型, 能够精确地模拟电子与薄膜及基底材料的散射及二次电子发射的微观物理过程. 结果表明, 随着薄膜厚度从0 nm增加至1.5 nm时, SEY峰值下降了大约20%; 继续增大厚度, SEY峰值不再下降. 然而, 当薄膜厚度大于0.9 nm时, SEY曲线呈现出双峰形态, 但随着薄膜厚度增加至3 nm, 第二峰逐渐减弱甚至消失. 电子散射轨迹和二次电子能量分布结果, 表明这种双峰现象是由于电子在两种材料中散射所致. 相比以往模型, 所提模型考虑了功函数的变化以及界面势垒对电子散射路径的影响. 该模型从微观层面上解释了SEY曲线双峰现象形成的原因, 相关的计算结果为非晶态碳薄膜对SEY的抑制规律提供了理论预测.
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2024, 73 (4): 048701.
doi: 10.7498/aps.73.20231515
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p53是一种肿瘤抑制蛋白, 对阻碍癌症发展、维持遗传完整性起着至关重要的作用. 在细胞核内, 4个p53分子通过高度协同的方式、通过DNA结合域与DNA结合, 形成稳定的四聚体活性结构, 并转录激活或抑制其靶向基因. 然而, 大多数肿瘤细胞中存在大量p53的突变, 其中绝大部分突变发生在p53的DNA结合域, 而p53的DNA结合域又是p53形成四聚体活性结构、调控下游靶基因转录的重要区域. 本文通过全原子分子动力学模拟, 研究了野生型p53四聚体内分子间的相互作用机制. 结果表明, 位于DNA两侧的对称二聚体是一个稳定的二聚体, 在与DNA结合前后都能维持稳定的结构. 位于DNA同侧的两个单体依靠两个接触面提供的蛋白-蛋白相互作用和DNA的骨架作用使四聚体活性结构保持稳定, 这些相互作用为四聚体的形成机制提供了重要支撑. 该工作厘清了p53四聚体在动力学过程中的内部相互作用机制和关键残基, 揭示了四聚化过程中各个相互作用界面的关键位点, 对于理解p53的抑癌机制、探索有效治癌策略、发展治癌药物具有重要意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2024, 73 (4): 048901.
doi: 10.7498/aps.73.20231416
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识别网络传播中最有影响力的节点是控制传播速度和范围的重要步骤, 有助于加速有益信息扩散, 抑制流行病、谣言和虚假信息的传播等. 已有研究主要基于描述点对交互的低阶复杂网络. 然而, 现实中个体间的交互不仅发生在点对之间, 也发生在3个及以上节点形成的群体中. 群体交互可利用高阶网络来刻画, 如单纯复形与超图. 本文研究单纯复形上最有影响力的传播者识别方法. 首先, 提出单纯复形上易感-感染-恢复(SIR)微观马尔可夫链方程组, 定量刻画单纯复形上的疾病传播动力学. 接下来利用微观马尔可夫链方程组计算传播动力学中节点被感染的概率. 基于网络结构与传播过程, 定义节点的传播中心性, 用于排序节点传播影响力. 在两类合成单纯复形与4个真实单纯复形上的仿真结果表明, 相比于现有高阶网络中心性和复杂网络中最优的中心性指标, 本文提出的传播中心性能更准确地识别高阶网络中最有影响力的传播者.
