Vol. 74, No. 14 (2025)
2025年07月20日
综述
2025, 74 (14): 148803.
doi: 10.7498/aps.74.20250591
摘要 +
动力电池作为新能源汽车的核心动力装置, 其精准建模对于动力电池的运行状态估计、全生命周期故障诊断、多工况安全管控等具有重要意义. 以P2D(pseudo-two-dimensions)模型为代表的电化学模型作为能从微观尺度表征电池内部电化学反应过程的机理模型, 其对于动力电池的老化、生热行为的准确描述是电池单体容量衰减、内阻增大、受热不均以及电池模组性能不一致评价的重要依据. 本文梳理了目前锂离子动力电池电化学建模的最新研究进展, 剖析了电化学模型与等效电路模型、老化模型、热模型的耦合方法及应用现状, 重点针对电化学模型的参数繁多且辨识困难的问题, 对比分析了单粒子模型、带液相单粒子模型、电化学平均值模型、固液相重构模型、一维电化学模型等动力电池电化学模型降阶方法的优势与不足, 指出了电化学模型降阶表征的关键难点, 并对电化学模型降阶重构方法的研究趋势进行了展望, 以期为动力电池电化学模型的降阶重构研究指明方向.
仪器与测量
2025, 74 (14): 148703.
doi: 10.7498/aps.74.20250211
摘要 +
纳米尺度下的太赫兹(THz)时域光谱与成像技术对于材料研究和器件检测等至关重要. 然而, 受限于THz波波长衍射极限的限制, 传统的远场THz时域光谱与成像技术无法提供飞秒时间尺度和纳米空间分辨的载流子浓度分布和超快动力学过程研究. 本文介绍了基于超快THz时域光谱成像技术与扫描探针技术耦合的超快THz散射型扫描近场光学显微镜系统. 利用针尖与样品表面的近场相互作用, 该近场系统已被证实可以以~60 nm横向空间分辨率的静态THz光谱实现半导体材料和器件研究, 进而获得半导体材料和器件的静态THz电导率分布情况, 而且还可以通过光激发瞬态载流子的方式, 获得半导体材料的瞬态电导率和激光THz发射超快动力学过程, 为研究材料和器件在纳米空间分辨、超快时间分辨和THz谱学成像方面的性能提供了有力支持.
总论
2025, 74 (14): 140201.
doi: 10.7498/aps.74.20250071
摘要 +
利用基于相场理论的格子Boltzmann方法研究了匀强电场作用下含可溶性表面活性剂液滴的动力学行为. 首先通过模拟静态液滴表面活性剂浓度分布和漏电介质液滴在电场作用下形变两个基准问题验证了方法的可靠性. 其次, 本文重点研究了含表面活性剂液滴在电场作用下的形变、破裂和聚合行为. 研究发现, 对于形变行为, 单液滴存在扁长型和扁平型两种形变模式, 表面活性剂浓度越高, 液滴形变越大; 对于破裂行为, 单液滴存在细丝状和窄颈状两种破裂模式, 含表面活性剂的液滴更容易发生破裂行为; 对于聚合行为, 双液滴存在形变聚合和吸引聚合两种过程, 表面活性剂促进其形变聚合, 但抑制其吸引聚合.
2025, 74 (14): 140202.
doi: 10.7498/aps.74.20250409
摘要 +
现有模型因忽略三维几何约束与动态交互效应, 难以准确模拟复杂楼梯场景下的群体行为. 本文提出一种双层运动模型, 通过分层建模方法融合三维元胞离散化空间、双足步态动力学及接触力扰动分析. 模型将行人抽象为“双足一点”多节点系统, 构建上层质心运动空间与下层双足支撑平面. 模型下层基于元胞路径规划约束跨步运动, 并设计准同步状态切换机制保障群体时空一致性; 上层采用几何检测算法识别行人物理接触, 结合碰撞动力学模型, 量化接触冲突对行人稳定性的影响. 仿真实验表明, 模型能够有效模拟行人上下楼运动轨迹、动态平衡维持机制及失稳事件演化过程. 研究采用稳定裕度评估行人间接触力的扰动效应, 揭示了密度对失稳风险的正向影响, 为楼梯场景下的安全评估与疏散优化提供了高效仿真工具.
2025, 74 (14): 140301.
doi: 10.7498/aps.74.20250302
摘要 +
随着石墨烯等二维材料的发现, 相对论二维Dirac方程越来越受到研究者们的关注, 准确求解电磁场中的Dirac方程是研究和调控Dirac电子量子状态的基础. 通过将分区级数方法应用到Dirac方程中并对该方程在正则区、泰勒区和非正则区进行级数展开, Dirac电子束缚态的普适性判据被推导出来, 束缚态的能级和波函数被计算出来. 用该方法计算有质量Dirac电子在库仑电势下(相对论二维类氢原子)的能级和波函数并与解析解进行比较, 结果表明该方法具有非常高的准确性. 对均匀磁场和线性电势下Dirac电子态的计算结果表明, 该方法对于复杂电磁场中Dirac方程的求解具有普遍的适用性. 用该方法研究了均匀磁场B和线性电势V = Fr下Dirac电子束缚态随着电势强度的变化, 负能态的能级序列变化被观察到, 在临界处F = 0.5B, 正能态的束缚态仍然存在, 而只有能量超过0的少数负能态的束缚态才存在. 该方法提供了求解Dirac方程的有效工具并丰富了人们对相对论量子力学的认识.
2025, 74 (14): 140302.
doi: 10.7498/aps.74.20250268
摘要 +
量子密钥分发为远程安全通信提供了理论保障, 但现有的关联源量子密钥分发协议在处理源关联性时容忍能力较弱, 导致密钥率低、传输距离短, 限制了其应用. 本文提出了一种改进的关联源量子密钥分发协议, 摒弃传统的基于损耗容忍的安全性分析, 转而采用标准BB84协议进行安全性分析. 通过对比不同参数下的性能, 结果表明, 改进协议在密钥率和传输距离上具有显著提升, 展示了更强的应用潜力.
2025, 74 (14): 140303.
doi: 10.7498/aps.74.20250458
摘要 +
超纠缠作为一种多自由度上的高维量子纠缠现象, 在量子通信、量子计算和高维量子态操控中发挥着关键作用. 与单一自由度纠缠态不同, 超纠缠态在偏振、路径、轨道角动量等多个自由度上同时建立纠缠关系, 通过纠缠操控分发技术, 可以构建出高维量子信息网络. 基于此, 本文构建了一个超纠缠的全连接量子网络, 通过周期极化薄膜铌酸锂(PPLN)波导级联二次谐波产生和自发参量下转换过程实现偏振和time-bin自由度的超纠缠, 并使用密集波分复用(DWDM)技术, 将超纠缠态复用到单模光纤中传输给终端用户. 使用Franson-type干涉和双光子符合测量技术对纠缠态的质量进行表征, 同时对偏振纠缠态进行了量子态层析, 并利用纠缠分发技术在网络中实现长距离分发及量子密钥传输. 实验结果表明, 偏振纠缠和time-bin纠缠的双光子干涉对比度均大于95%, 并且在经过100 km纠缠分发后, 两种自由度的量子态保真度依旧高于88%, 证明了该网络具有高质量的超纠缠, 并且可以实现远距离的纠缠分发. 本文的方法为构建支持量子隐形传态、超密集编码等量子任务的大规模超纠缠的量子网络提供了一种新的方案.
2025, 74 (14): 140701.
doi: 10.7498/aps.74.20250212
摘要 +
飞秒激光激发的太赫兹波在很多领域得到了广泛的应用. 本文演示了一种新的太赫兹辐射产生方式, 利用飞秒激光与透明固体介质作用产生的红外超连续辐射(>1 μm)泵浦太赫兹电光晶体, 产生了单周期、低频、宽带的太赫兹辐射. 飞秒激光电离介质过程会同时产生红外超连续辐射和太赫兹辐射, 如果产生的红外超连续辐射和太赫兹辐射一同进入电光晶体, 那么红外超连续辐射的存在会干扰原有太赫兹辐射的探测. 但通过窄带滤光片过滤出红外超连续辐射的特定成分, 可以用来测量电光晶体在红外波段的响应特征, 这为电光晶体的红外响应研究提供了新的思路.
2025, 74 (14): 140702.
doi: 10.7498/aps.74.20250369
摘要 +
高能量密度物理实验诊断中, 采用晶体谱仪等X射线分光元件可实现靶物质中心区温度和密度等参数的高谱线分辨要求, 通过优化靶点光源到探测器间的光输运效率, 可极大地提升在低光源发射度下实验诊断精度. 本文介绍了一种大口径锥型玻璃管的X光传输部件, 构建了对应的数学模型, 基于光线追迹法, 用MATLAB软件对其X射线的传输图像进行了数值模拟. 结果显示: 新设计的大口径锥型玻璃管传输部件对面型误差要求较低, 其焦斑范围可控; 可以有效提升光源的利用率, 其平均增益约为3.1. 另外, 本文还介绍了该大口径锥型玻璃管传输部件系统性的性能模拟和分析结果, 为实验室高能量密度物理研究中的低发射度X射线诊断技术升级提供了新的思路和参考.
基本粒子物理学与场
2025, 74 (14): 141201.
doi: 10.7498/aps.74.20250448
摘要 +
利用无狭缝摄谱技术获取了中国广东一次人工触发闪电通道等离子体的光谱. 基于光谱诊断方法确定了该触发闪电通道电流的最大值与最小值分别为30.9 kA和25.6 kA, 并采用线性电流衰减传输线模型(modified transmission line with linear current decay, MTLL)对电流进行了模拟. 在此基础上, 采用时域有限差分方法(finite-difference time-domain, FDTD)和传输线模型研究了不同距离处的电场分布特征, 并对58 m处产生的电场进行了比较. 结果发现: 当回击速度取1.3×108 m/s时, 辐射电场与实验垂直电场偏差较大, 但与FDTD方法模拟的垂直电场符合一致. 进一步, 采用FDTD方法、偶极子方法、电荷-磁场极限估算法研究了58 m, 90 m, 1.6 km的磁场分布. 与实验数据比较发现: 不同计算方法与实验值在58 m和90 m处有一定差异, 但在1.6 km处符合一致.
核物理学
2025, 74 (14): 142101.
doi: 10.7498/aps.74.20250451
摘要 +
基于准粒子模型对强磁场和有限温度下色味锁夸克物质与色味锁磁星的性质进行了讨论. 发现色味锁夸克物质的每核子自由能、有效质量、每核子熵等物理量受磁场、温度、能隙常数的影响较大, 并且强磁场、有限温度环境中色味锁夸克物质的压强会产生各向异性. 进一步研究了不同等熵阶段下的色味锁磁星的性质, 发现色味锁磁星的质量、半径等性质与磁星内部的磁场强度分布、磁场方向分布紧密相关, 磁星内部温度会随着每核子熵的增加而增大. 结论还表明色味锁夸克物质的多方指数会随着色味锁夸克星质量的增大而减少.
原子和分子物理学
2025, 74 (14): 143101.
doi: 10.7498/aps.74.20250324
摘要 +
水蒸气凝结是自然界中一种普遍存在的物理现象, 在各类工业生产过程中扮演着重要的角色. 因此, 针对水蒸气凝结过程的调控机制, 近年来受到学者们广泛关注. 本文采用分子动力学模拟方法以铜表面为研究对象, 构建二级微结构模型进行水蒸气凝结行为的研究, 讨论了不同几何特性对凝结过程的影响. 发现随着柱宽度或柱高比的增大, 凝结量先增大后减小; 随着柱间距的增大凝结量随之减小; 第2级微结构形状对凝结能力的提升由强至弱依次为圆柱、矩形、圆台, 第1级微结构形状对凝结能力的提升由强至弱依次为矩形、圆柱、圆台; 水蒸气凝结受第1和第2级微结构的共同影响.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (14): 144101.
doi: 10.7498/aps.74.20250130
摘要 +
电介质激光加速器作为一种微型加速器, 其结构设计直接影响加速粒子束的能量增益和束流品质. 多数设计基于波长约1 μm的近红外激光驱动光源. 采用10倍波长的长波红外激光作为驱动光源, 有望在保持加速梯度的前提下获得更高束流品质. 受长距离加速限制, 相关波段下的结构设计仍较为缺失. 为此, 本研究提出一种基于深度学习技术的长波红外介电光栅加速器结构设计方法, 建立包含几何参数、材料性质、光场能量等多个参数的综合评估方法, 通过精准预测粒子能量增幅, 综合提取最优粒子能量增幅对应的结构参数以实现结构设计. 结果表明, 本研究所设计的光栅加速器粒子能量增幅高达99.5 keV, 同比增长19.9%, 可实现100%的传输效率, 束斑半径14.5 μm, 加速的平均粒子束电流为20.4 fA, 比近红外光栅结构高出了6.9倍, 且粒子束亮度与近红外光栅结构相当. 本研究为长波红外高净增益介电光栅加速器的设计提供了潜在的技术路线, 同时为复杂光电器件结构设计提供一个新思路.
2025, 74 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.74.20250485
摘要 +
拓扑泵浦模型可以在光学波导阵列体系中调控光场, 有望实现高抗干扰能力的片上光子器件. 本文从Rice-Mele拓扑泵浦模型出发, 分析了当系统绝热演化条件随结构长度缩短被破坏后的光场演化过程, 利用能带理论研究了其物理本质. 发现受绝热属性调控, 在特定参数下光场模式会经历非绝热演化但最终以边界态输出. 该演化结果与绝热演化一致, 可被称为等效绝热演化过程, 后利用微扰理论证明了该特殊现象的物理本质是能带干涉. 同时表明了绝热属性可以有效调控系统演化末态与边界态的一致程度, 实现完全一致或完全相异的两种输出结果. 该工作补充了拓扑泵浦非绝热演化的理论分析方法, 拓展了拓扑泵浦模型的光场调控能力, 可以作为光学波导阵列体系的基础设计理论, 有望设计高抗干扰且小型化的片上光子器件.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (14): 148702.
doi: 10.7498/aps.74.20250433
摘要 +
柔性电子技术的快速发展推动了可穿戴呼吸监测设备的革新, 但其在医疗级肺功能定量评估中的精准性仍面临挑战. 本研究通过融合水分子响应型柔性传感技术、可穿戴设备与云端智能分析平台, 成功开发出一套医疗级柔性呼吸传感系统(SFMS). 该系统基于仿生微腔压差传感与湿度敏感界面的协同作用, 结合压差-通量动态模型, 实现了呼气峰值流速(PEF)和用力肺活量(FVC)的同步解析, 精准提取FEV1(第1秒呼气量)/FVC等核心肺功能指标. 通过454例临床验证, 系统与金标准肺功能仪的检测结果高度一致(组内相关系数ICC = 0.93—0.97), 在慢性阻塞性肺疾病(COPD)与哮喘鉴别诊断中展现出89.7%的敏感性和92.3%的特异性. 技术层面, 本研究突破传统肺功能检测对专业操作人员的依赖, 开创医疗级柔性传感定量检测技术, 通过嵌入式边缘计算架构实现实时数据云端交互, 并建立多生理参数关联分析的疾病特征谱. 应用价值上, 系统兼具低成本、便携性和操作简便性, 可无缝融入基层医疗场景与家庭健康管理, 为慢性呼吸道疾病的分级诊疗提供技术工具. 其技术路径直接响应世界卫生组织(WHO)呼吸健康行动计划需求, 通过普适化监测推动疾病早筛与长期管理, 具有显著的临床转化潜力, 为构建呼吸系统疾病全域防控体系提供了创新解决方案.
