专题: 超快原子分子光物理
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2025, 74 (15): 150201.
doi: 10.7498/aps.74.20250388
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分子的几何相位效应, 也称为分子Aharonov-Bohm效应, 源于对势能面锥形交叉结构的研究. 在核构型空间环绕锥形交叉点时, 绝热的电子波函数会获得π的相位, 导致其符号反转; 而核的波函数也需相应地改变符号, 保持总波函数的单值性. 该相位与锥形交叉结构拓扑相关, 只有适当地引入分子几何相位才能在绝热表象下准确地描述量子体系的动力学行为. 在透热表象下, 可以隐式地处理几何相位效应以及核-电子的非绝热耦合问题. 本文基于几何相位的量子动力学方法, 设计了一种可以直接提取分子动力学中几何相位的方法. 该相位不同于由锥形交叉拓扑结构导致的量子化的π相位, 它是连续变化的, 是量子体系在投影希尔伯特空间演化时, 几何相位的一种规范不变的表示. 本文的研究为探索分子几何相位及其效应开辟了一个新视角, 并有望为实验研究分子动力学中的几何相位提供一个可能的观测量.
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2025, 74 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.74.20250483
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康普顿散射是指强激光场与物质中电子相互作用导致光子发射的非弹性散射过程. 近年来, 随着X射线自由电子激光器迅速发展, X射线激光的强度逐渐增大, X射线单光子康普顿散射过程的信号逐渐增强. 本文基于非微扰量子电动力学的频域理论研究强X射线激光场下束缚电子的单光子康普顿散射过程. 发现随着入射光子能量的增大, 在背向散射时康普顿散射双重微分概率会逐渐降低. 本工作为高频强激光场中康普顿散射与原子电离之间建立了联系, 为探索高激光强度下的原子结构动力学提供了一个研究平台.
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2025, 74 (15): 153303.
doi: 10.7498/aps.74.20250459
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阿秒钟技术为研究原子分子强场电离过程中电子超快动力学提供了强有力的工具. 该技术依赖定量理论模型从实验测量得到的光电子频谱反演电离过程中系统的超快时域信息, 而构建定量强场理论模型的关键问题之一是库仑效应的理论描述. 与原子相比, 分子具有多中心库仑势, 在外场中具有许多新的效应, 这为检验定量理论模型的适用性提供了更广阔平台. 本文针对拉伸到大核间距的分子的阿秒钟特征观测量, 比较了不同理论模型的预言, 指出最近提出的半经典响应时间理论预言与数值实验结果更一致. 该理论强调, 与具有经典性质的远核库仑效应相比, 具有量子性质的近核库仑效应对分子隧穿电离影响更显著. 本文进一步展望了该理论模型在具有电荷共振、固有偶极、取向效应以及复杂库仑势形式的分子强场电离中的应用.
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2025, 74 (15): 158702.
doi: 10.7498/aps.74.20250573
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飞秒激光激发非线性材料是目前太赫兹的关键产生技术之一, 其由于具有超快时间分辨、超宽频谱分布等优点, 已广泛应用于太赫兹表征与测量、感知与成像等方面. 然而通过微结构等对太赫兹波的调控方法只能对太赫兹传输过程进行调控, 且面临设计困难、工艺复杂等障碍, 难以在产业上广泛应用. 本文通过引入脉冲整形系统改变飞秒激光脉冲的时间色散, 可以直接调控飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用过程, 从而对太赫兹产生过程进行直接调控. 同时利用冲击受激拉曼散射模型与黄昆方程, 对太赫兹波的产生过程进行仿真模拟, 证明了利用飞秒激光脉冲时间色散调控太赫兹波的可行性. 这一结果对于未来基于铌酸锂晶体的片上太赫兹源主动调控具有重要的借鉴意义.
专题: 超快原子分子谱学仪器与测量方法
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2025, 74 (15): 150702.
doi: 10.7498/aps.74.20250534
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近年来, 阿秒极紫外脉冲的产生与相关谱学测量技术的发展, 为研究电子动力学提供了强有力的工具. 阿秒时间尺度上的研究, 能够实时追踪原子分子的电子运动, 测量电子波包演变及其量子特性, 对于揭示电子在原子或分子内部的复杂动力学过程至关重要. 基于阿秒极紫外脉冲串光源发展起来的高能量分辨光电子干涉仪, 以其独特的高能量和高时间分辨特性在阿秒脉冲串光源的表征、原子分子光电离时间延迟、光电子量子态测量以及激光诱导电子动态干涉等动力学研究中实现了重要的应用. 本文围绕建立的先进阿秒串光源和高能量分辨电子谱学测量方法, 对高能量分辨的阿秒超快光电子干涉技术及其应用进行详细介绍, 并基于相关研究进展对阿秒光电子超快动力学以及量子系统相干调控的前景进行了展望.
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2025, 74 (15): 153301.
doi: 10.7498/aps.74.20250647
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阿秒电离动力学作为超快科学的重要研究方向, 其关键实验方法与理论模型的突破对于揭示物质的超快演化过程具有重要的科学意义. 强场多光子跃迁干涉方法是该领域的前沿技术之一, 利用量子路径干涉原理实现对强场多光子电离动力学过程的阿秒时间分辨探测, 已广泛应用于从原子到复杂分子体系中量子态分辨的阿秒级电离延迟测量与表征, 为强场物理研究提供了全新的时间分辨视角. 本文围绕强场多光子跃迁干涉方法在原子与分子强场多光子电离时间延迟探测中的应用展开, 系统阐述该方法的量子干涉机制, 总结近年来原子分子阈上电离动力学及共振量子态间阿秒级时间延迟研究方面的最新进展, 并展望了该技术在未来可能的应用前景与面临的挑战.
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2025, 74 (15): 153302.
doi: 10.7498/aps.74.20250546
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阿秒瞬态吸收光谱是一种全光学泵浦-探测光谱技术. 该技术利用阿秒脉冲(极紫外至软X射线区间)激发或探测应用体系, 实时追踪电子跃迁、量子态演化及能量传递等过程, 为揭示电子和核相关超快动力学机制提供了前沿研究手段. 其核心优势在于: 1)同时具备超快时间(亚飞秒级)和精细光谱(meV级)分辨能力; 2)宽谱阿秒脉冲同时激发多个量子态, 实现多能级并行探测; 3)内壳层-价态跃迁的元素与位点特异性, 使其能够解析电荷转移、自旋态变化及局域结构演化. 目前, 阿秒瞬态吸收光谱已在原子分子物理、电子相干动力学及强场物理等研究领域取得重要突破. 本文系统地阐述了阿秒瞬态吸收光谱的技术原理, 重点分析其在气相和凝聚相体系的应用进展, 展望其在超快物理化学和量子材料等领域的应用前景. 同时, 针对阿秒激光发展趋势和探测技术特点, 探讨了阿秒瞬态吸收光谱技术未来发展方向.
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2025, 74 (15): 153701.
doi: 10.7498/aps.74.20250415
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随着激光冷却原子分子技术和全空间电子离子成像技术的日益成熟与发展, 运用动量成像技术研究冷原子特征属性和碰撞动力学是一个新兴方向, 并且发展了一系列高分辨的电子离子探测装置, 在冷分子反应、里德伯原子、核衰变、玻色-爱因斯坦凝聚光电离与冷等离子体、冷原子与离子/电子碰撞、冷原子相干控制、强场超快等研究方向取得一系列创新成果. 本文综述了相关领域具有代表性的仪器以及相应的重要成果, 最后对成像技术在冷原子上述各相关研究领域中的应用进行相应的总结, 并展望了未来的发展趋势.
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2025, 74 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.74.20250698
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飞行时间光电子谱仪(time-of-flight photoelectron spectrometer, TOF-PES)作为超快电子动力学研究的核心工具, 凭借其数十皮秒量级的飞行时间分辨率与宽能量探测范围, 在阿秒脉冲表征与强场量子过程研究中提供了不可替代的技术支撑. 本文尝试系统地总结飞行时间光电子谱仪的技术原理与发展历程, 探讨磁瓶式高分辨率谱仪技术在电子轨迹控制与收集效率提升方面的突破, 并结合双光子跃迁干涉阿秒拍频重构、阿秒条纹相机等实验技术分析其在阿秒脉冲表征中的关键作用. 此外, 还介绍了TOF技术与其他高精度探测手段之间的融合应用, 包括角分辨光电子能谱、冷靶反冲离子动量谱仪及速度成像谱仪, 展示其在获取多维电子动力学信息方面的潜力. 最后对TOF技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨.
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2025, 74 (15): 153201.
doi: 10.7498/aps.74.20250550
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以软X射线相干光源作为超快探针的瞬态吸收光谱技术在化学、生物、材料领域有着广泛的应用前景. 本文介绍一种基于桌面式软X射线光源的瞬态吸收装置的设计, 该装置利用短波红外激光来驱动软X射线高次谐波阿秒光源的产生, 最大光子能量进入水窗波段(>300 eV). 产生的阿秒光源与近红外激光通过孔镜合束实现了泵浦探测光路的时空同步, 1 h内时间稳定性优于10 fs. 利用该装置开展了氩L边及碳K边瞬态吸收光谱的初步研究, 为实现元素分辨、时间分辨、跃迁通道分辨的电子动力学测量提供了重要的工具.
专题: 极端条件原子分子动力学
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2025, 74 (15): 153401.
doi: 10.7498/aps.74.20250533
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散射截面和反应速率系数是阐明分子气体态-态碰撞传能机制的重要参数, 也是进行非平衡气体动力学建模的重要依据. 本文采用动力学模拟中的准经典轨迹方法(QCT)计算了90个不同初始振动态组合的N2(v) + O2(w)碰撞过程, 详细讨论了各个振动激发、解离反应通道的贡献和演变趋势. 研究发现: O2和N2在振动-振动能量交换(VV)通道的贡献比较接近, 振动-平动跃迁(VT)通道主要以O2为主; 总解离截面主要来自O2单解离通道, 交换解离其次, N2单解离和双解离通道的贡献相对较小. 基于QCT数据集, 训练了性能良好的神经网络模型(相关系数R值达到0.99), 可用于预测N2 + O2态-态碰撞的总解离截面. 和仅采用动力学模拟方法相比, 计算成本降低了约91.94%. 在5000—30000 K高温范围内, 给出了VV/VT速率系数的解析表达式.
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2025, 74 (15): 154102.
doi: 10.7498/aps.74.20250634
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离子与物质相互作用中的电荷转移过程研究对于离子束驱动高能量密度物理、材料离子辐照损伤、离子束电荷剥离技术等领域至关重要. 本文利用激光驱动靶背鞘层场加速机制产生了能量在数MeV量级的碳离子束, 测量了碳离子束穿过具有孔状结构的C9H16O8泡沫靶后的电荷态分布. 实验结果与理论对比发现, 只有同时考虑了电离、俘获、激发和退激等过程的速率方程结果与实验符合很好. 采用气体靶截面数据求解速率方程获得的平衡电荷态低估了实验值, 原因在于泡沫结构靶中固态纤维丝引起的靶密度效应导致离子电荷态升高. 当离子能量高于3 MeV以上时, 实验值与采用了固态靶截面数据的速率方程理论预期一致; 但在低能区出现明显偏差, 原因在于当入射能量小于3 MeV时, 离子激发态寿命小于碰撞时间尺度, 激发态电子在发生第二次碰撞之前退激发回到基态, 靶密度效应减弱, 平均电荷态降低, 实验结果与详细考虑了激发和退激过程的ETACHA程序预期吻合. 该工作为理解离子束与物质相互作用微观机制以及电荷转移模型检验提供了数据和参考.
专题: 原子分子和材料物性数据
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2025, 74 (15): 152501.
doi: 10.7498/aps.74.20250581
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N3+离子与基态He原子碰撞过程在天体物理、星际空间和实验室等离子体环境中具有重要研究意义. 本文采用从头算的多参考单双激发组态相互作用方法精确计算了[NHe]3+碰撞体系的分子结构参数, 包括势能曲线和耦合矩阵元等. 基于计算得到的结构参数, 采用全量子分子轨道强耦合方法开展了低能N3+离子与He原子碰撞电荷转移过程研究, 获得了能量在3.16 × 10–3 eV—24 keV(即2.25 × 10–4 eV/u—1.73 keV/u)范围内的总单电荷、双电荷转移截面和态选择截面. 在计算中考虑了电荷平动因子、高角动量态对碰撞过程的影响, 发现高角动量态对电荷转移截面具有显著影响. 与现有实验和理论结果相比, 当前计算的单电荷和双电荷转移截面与实验测量值更为接近. 相较于Liu等(2011 Phys. Rev. A 84 042706 )未考虑高角动量态的研究, 当碰撞能量大于10 eV/u时, 其总单电荷转移截面约高出当前计算值2—3倍, 表明高角动量态对电荷转移过程具有显著影响. 同时研究表明单电荷转移截面远大于双电荷转移截面, 在碰撞电荷转移过程中占据主导地位. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00165 中访问获取.
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2025, 74 (15): 153102.
doi: 10.7498/aps.74.20250611
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本文基于多组态Dirac-Fock方法(multi-configuration Dirac-Fock, MCDF)和组态相互作用方法(configuration interaction, CI)系统计算了类锂等电子序列Z = 6—51间C3+, F6+, Mg9+, P12+, Ar15+, Sc18+, Cr21+, Co24+, Zn27+, As30+, Kr33+, Y36+, Mo39+, Rh42+, Cd45+, Sn37+, Sb38+共17种离子$ 1{{\rm s}}^{2}{nl}~ ({n}{}\leqslant{}4, \;{l}{}\leqslant{}{3)} $对应的15个能级激发能以及能级间的所有电偶极(E1)、磁偶极(M1)和电四极(E2)跃迁速率. 将所得计算结果与NIST数据库及先前的一些理论结果进行对比, 当前的绝大部分激发能计算结果与NIST数据的差异在0.02%以内, 且显著优于先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果. 而大部分跃迁速率计算结果与NIST数据的差异亦在5%以内, 部分与NIST数据差异较大的激发能以及跃迁速率数据, 当前的结果与先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果相符, 这一结果提示未来需对这些跃迁进行更加深入的理论和实验研究. 本研究可为未来天体和实验室等离子体的实验诊断和理论模拟提供了精确的数据支撑. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00154 中访问获取.
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2025, 74 (15): 153103.
doi: 10.7498/aps.74.20250568
摘要 +
利用多组态Dirac-Hartree-Fock方法对类碳等电子序列(Z = 10, 14, 32, 36, 50)1s22s22p2和1s22s2p3组态的能级结构和电偶极跃迁行为进行理论研究. 在构建充分包含电子关联效应、规模适当的波函数后, 考虑Breit相互作用、量子电动力学效应和原子核质量效应, 比较分析了价-价关联效应、实-价关联效应和实-实关联效应对原子态激发能的影响, 完成了原子态激发能的高精度理论计算. 与其他理论结果相比, 本文计算的Ne V离子的激发能结果与NIST (National Institute of Standards and Technology)数据最为接近; 其他离子的激发能也具有较好的精度. 在此基础上, 结合LS耦合的原子态混合成分和NIST数据, 对出现的原子态命名情况进行分析, 推测了相应的原子态命名. 本文还计算了组态间电偶极跃迁的谱线波长、跃迁速率、线强和加权振子强度, Ne V和Si IX离子的谱线波长与NIST数据符合得很好, 相对误差小于0.62%; 跃迁速率与其他理论结果比较一致. 另外, 本文计算得到的Babushkin和Coulomb两种规范的电偶极跃迁参数具有良好的一致性, 进一步证明了本文采用的理论方法的准确性和可靠性. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00145 中访问获取.
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2025, 74 (15): 153402.
doi: 10.7498/aps.74.20250541
摘要 +
本研究采用双电子半经典渐近态强耦合方法, 系统研究了N6+(1s)离子与H(1s)原子碰撞体系在 0.25—225 keV/u 能区内的单电子俘获过程. 计算得到了自旋平均与自旋分辨的总截面、主量子数n分辨以及轨道量子数$n\ell $分辨的截面数据, 并与现有实验结果及多种理论方法的计算结果进行系统对比分析. 计算结果表明, 总截面在低能区对能量依赖性较弱, 而在高能区则呈现单调递减趋势. 态分辨截面分析显示, 低能区各子壳层之间存在显著的多通道耦合效应; 而在中高能区, 截面在轨道量子数$\ell $上的分布趋近于统计规律, 即电子更倾向于被俘获至具有较高$\ell $值的轨道. 研究结果进一步表明, 对高电荷态离子碰撞体系的准确建模需同时考虑高激发态通道间的耦合效应及电子关联作用. 然而, 不同理论方法在低能区表现出显著差异, 说明对进一步开展具备态分辨能力的实验测量有迫切需求. 本工作提供的截面数据, 对天体物理和实验室等离子体的诊断建模研究具有重要参考意义. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00143 中访问获取.
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2025, 74 (15): 155203.
doi: 10.7498/aps.74.20250600
摘要 +
辐射不透明度实验数据用于评估不透明度理论模型及其计算精度. 针对惯性约束聚变点火靶壳层材料碳的辐射不透明度数据研究需求, 本工作在神光III原型大型激光装置上开展了辐射加热碳等离子体的辐射不透明度实验研究. 实验中采用8路纳秒激光注入锥柱型金黑腔产生高温X光辐射场, 通过辐射场加热黑腔中心的CH薄膜产生高温等离子体, 并利用multi-1D程序模拟了等离子体的温度和密度时间演化过程. 采用空间分辨门控平焦场光栅谱仪结合第9路束匀滑面背光技术, 在同一发次中对背光经过CH半样品的吸收光谱和背光源谱进行测量. 最后, 将实验获得的碳离子(温度65 eV, 密度0.003 g/cm3)在300—500 eV能区的透过率谱与DCA/UTA光谱理论计算结果进行比较. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00153 中访问获取.
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2025, 74 (15): 156401.
doi: 10.7498/aps.74.20250569
摘要 +
本文从Helmholtz自由能出发构建了铅的宽区多相物态方程, 覆盖从常温到10 MK、从常压到107 GPa的温压范围, 计算了冲击雨贡纽线、300 K等温线、熔化线及温稠密过渡区热力学物性, 并与实验值、铅已有的宽区物态方程数据库SESAME-3200以及第一性原理模拟结果进行了对比分析. 一方面, 本文的模型能较好地再现各类实验数据; 另一方面, 在温稠密过渡区, 本文的模型获得了扩展的第一性原理分子动力学模拟结果的验证, 相比SESAME-3200更符合第一性原理的模拟结果. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00166 中访问获取.
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2025, 74 (15): 157102.
doi: 10.7498/aps.74.20250574
摘要 +
稀土金属在工程技术领域具有重要应用, 同时因其与f电子相关的独特行为受到凝聚态物理的广泛关注. 本文结合第一性原理计算与数据汇编, 对稀土金属的弹性性质随原子序数变化开展分析, 并以Ce和Yb为例, 对高压0—15 GPa范围内的弹性演化进行研究讨论, 对比了不同f电子处理方法的模拟表现. 结果表明, 稀土金属随原子序数变化存在明显的延展性差异, 在压力作用下的相变处弹性性质会发生显著改变. 特别是, 在Ce的fcc同构相变和Yb的fcc-bcc相变中出现脆、延性转变. 这些与随原子序数或压力条件改变发生的成键特性变化密切相关. 此外, 研究发现, 将f电子作为芯层电子处理的模拟方法能够较好地描述稀土金属在常压下的弹性性质, 但在描述高压下的结构相变及弹性性质演化趋势时, 将f电子作为价电子并考虑电子关联效应修正的处理方法则更为有效. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00150 中访问获取.
总论
2025, 74 (15): 150302.
doi: 10.7498/aps.74.20250108
摘要 +
高保真度双量子比特门对实现容错量子计算至关重要, 是量子计算领域的重点研究内容之一. 量子门的保真度会受到量子芯片参数、控制波形等多种因素影响. 本文系统地研究了芯片参数、控制波形、耦合器起始频率、比特频率等对CZ门保真度的影响, 在此基础上进一步研究了门保真度对控制参数偏离的响应. 在芯片设计方案层面, 基于CBQ参数的量子芯片可以在更短的门操作时间实现更高保真度的CZ门. 控制波形方面, 三级傅里叶级数波相较方波和圆角梯形波在门错误率和门操作时间两方面均更为出色, 更能满足高效实现高保真度量子门的要求. 耦合器起始频率以及量子比特频率等因素对CZ门保真度的影响则相对较小, 在很宽的频率范围内, 总是可以通过优化控制波形参数实现高保真度的CZ门; 而轻微的控制参数偏离则会导致门错误率显著上升. 本研究对于厘清各因素对CZ门保真度的影响具有重要意义, 可为超导量子芯片设计及高保真度CZ门实验实现提供理论与技术支撑, 助力量子计算工程化发展.
2025, 74 (15): 150501.
doi: 10.7498/aps.74.20250554
摘要 +
本文通过构建里德伯原子天线演示了复杂信号的多路并行传输. 利用852, 509 nm波长的激光进行双光子级联激发制备铯(133Cs)原子里德伯态, 利用差分探测技术消除激光共模噪声, 获得高信噪比的电磁感应透明(EIT)光谱. 实验将复杂混沌信号分解为三维独立电场信号, 演示了三路信号的时间分离传输和多载波并行传输. 我们定量评估了传输信号与参考信号的关联特性, 相关结果证实光学原子天线可以实现复杂信号的波形重构.
2025, 74 (15): 150701.
doi: 10.7498/aps.74.20250517
摘要 +
低维材料体系得益于其本身极高的载流子迁移率以及灵活的集成性, 在太赫兹探测领域被广泛研究并展现出极大的应用潜力. 目前利用软件对半导体太赫兹探测进行仿真分析所依赖的结构主要面向体材料, 而对于低维材料体系的太赫兹探测仿真分析则相对空白. 本文首次对单层MoS2场效应管中等离子体波效应的太赫兹探测进行了仿真分析, 并且系统地阐述了利用等离子体波进行太赫兹探测的原理以及分析过程. 通过调整不同的结构参数和外场条件, 该单层MoS2场效应管太赫兹探测器最大的直流电压信号输出可以达到14 μV. 该信号随着栅极与漏极之间的偏置电压呈现复杂的变化趋势, 通过研究发现该变化趋势与偏置电压引起的载流子浓度变化以及随之改变的动量弛豫时间相关. 本研究有望为低维材料太赫兹探测器设计提供进一步指导.
封面文章
封面文章
2025, 74 (15): 150401.
doi: 10.7498/aps.74.20250582
摘要 +
本文基于类比引力模型, 对声学黑洞的超辐射和霍金辐射现象进行数值研究. 通过求解特定声学度规背景下标量场的径向方程, 计算不同频率下的反射系数、透射系数和霍金辐射功率谱. 数值结果验证了超辐射的存在, 即当入射声波频率低于声学黑洞的特定频率阈值$m \varOmega_{\rm{H}}$时, 反射波被放大. 同时, 计算结果与能量守恒关系一致, 验证了数值方法的可靠性. 关于霍金辐射, 本研究计算了其功率谱随频率的变化. 观察到在超辐射临界频率附近, 霍金辐射功率谱出现显著增强, 这主要是由于玻色-爱因斯坦统计分布函数在包含旋转效应的指数项趋于零时分母接近于零, 以及频率依赖的透射概率共同作用导致的. 随着频率进一步升高, 功率谱呈现出非线性变化, 这反映了频率因子、透射概率以及包含旋转效应的玻色-爱因斯坦统计分布的综合影响. 本工作为理解声学黑洞的量子效应提供了数值支持, 并为未来的理论和实验研究提供了参考.
原子和分子物理学
2025, 74 (15): 153101.
doi: 10.7498/aps.74.20250417
摘要 +
本文结合密度泛函理论与平衡分子动力学模拟, 构建了从量子力学到连续介质力学的跨尺度耦合模型, 基于所建立的高精度势函数与Green-Kubo线性响应理论, 研究了极性分子CO气体在100—800 K温度范围内的剪切黏度与体积黏度. 分子动力学模拟基于C语言编程实现, 采用自适应时间步长算法以提高计算效率. 研究结果表明, CO的体积黏度结果对势函数敏感性明显高于剪切黏度, 不同传统方法因相应原因高估了体积黏度; 所得体积黏度随温度的变化相对于剪切黏度具有显著的非线性规律; 模型采用低体系压力与大体系规模可有效减小统计涨落幅度, 提高体积黏度计算的收敛性与可靠性. 本研究阐释了CO气体黏度的微观动力学机制, 同时可为高温非平衡流动(如高超声速边界层、等离子体输运等)黏度机理研究提供理论参考.
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2025, 74 (15): 153202.
doi: 10.7498/aps.74.20250505
摘要 +
研究了两个巨原子耦合两个一维无限长波导体系中单光子的散射问题. 基于实空间方法推导了各散射振幅的解析表达式, 并据此给出了光子定向路由的一般条件. 研究发现, 通过调节原子间的偶极相互作用、累积相位和局域耦合相位差等参数, 可实现定向路由光子频率的连续可调. 并进一步揭示了光子输运的非互易特性与手性散射机制. 理论分析表明, 非互易性由累积相位、局域耦合相位差、光子-原子频率失谐及原子耦合强度共同调控, 据此建立了完美非互易散射的判据, 并展示了两种典型的完美非互易现象; 与之不同的是, 手性散射仅受累积相位和局域耦合相位差调控, 与频率失谐无关, 由此导出两种完美手性散射的条件, 并对其进行展示. 值得注意的是, 在特定参数条件下, 系统可同时实现完美手性散射与定向散射的协同效应, 展现了该体系在量子信息处理中的潜在应用价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.74.20250469
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空间无线功率传输技术为实现轨道空间站及星载设备的太阳能供电提供了创新解决方案, 然而其产生的高强度电磁脉冲将对卫星常用的单结砷化镓(GaAs)太阳电池构成潜在威胁. 目前, 强电磁脉冲作用下太阳电池的损伤物理机制尚未得到充分阐明. 本研究通过半导体仿真软件建立了单结砷化镓太阳电池的多物理场耦合模型, 系统研究了电磁脉冲作用下电池的热-电耦合损伤机理. 基于多参数仿真分析, 研究了电压幅值和频率电磁脉冲对单结砷化镓太阳电池的损伤规律, 揭示了电压幅值和频率与烧毁时间的关系, 以及不同频段电磁脉冲作用下的损伤模式差异. 本研究对于深入理解空间太阳电池的电磁损伤机理、指导航天器电源系统的电磁防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值.
编辑推荐
2025, 74 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.74.20250432
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为突破单光子成像在极短曝光条件下成像质量与速率受限的问题, 本文提出一种融合超分辨深度学习的单光子成像增强神经网络, 实验上对单光子阵列在超快曝光时间下所获取的低信噪比图像进行增强重构, 实现了在低于0.5个光子通量条件下的高保真成像. 实验上实现了对微秒至毫秒曝光时间范围内512×512像素的单光子阵列高分辨成像, 并对μs量级短曝光时间下的目标图像进行重构. 通过构建的单光子增强深度神经网络可显著提升图像的峰值信噪比(PSNR+7.21 dB)和结构相似性指数(SSIM+0.34), 远高于传统超分辨方法(Bicubic)对低曝光图像超分辨增强重构(PSNR+0.49 dB/SSIM+0.05), 并有效补偿了超快曝光下的成像细节丢失. 并在成像曝光时间5 μs时, 成功实现了对5.19 km处无人机512×512像素的高分辨率弱光成像, 表明该方法在远距离目标成像良好的应用潜力.
2025, 74 (15): 154301.
doi: 10.7498/aps.74.20250379
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设计了一种可支持伪表面波双面传输的声学超表面, 并构建了一类声隐身装置. 该超表面由双向开孔的亥姆霍兹共鸣器周期性排列构成, 能够在上下表面之间灵活传导伪表面波, 且结构整体厚度仅为工作波长的1/20, 具有显著的亚波长特性. 本文理论推导了伪表面波模式的色散方程, 得到传播波矢与结构参数之间的依赖关系, 通过优化双面超表面的结构参数, 确保传导过程中的波矢匹配, 实现伪表面波在上下表面之间的高效耦合. 在此基础上, 本文构建了一种“声透明通道”, 通过在障碍物前后两侧铺设双面超表面, 使伪表面波能够传导至结构下表面并绕过障碍物, 实现声隐身效果. 经数值模拟和实验验证, 该装置对不同形状的大尺寸障碍物均表现出良好的鲁棒性, 并且具有一定的工作带宽. 本文提出的伪表面波隐身器件具有结构轻薄、灵活性高等显著优势, 为深亚波长尺度的伪表面波操控及声学器件设计提供了新的研究思路和技术路径.
2025, 74 (15): 154501.
doi: 10.7498/aps.74.20250272
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TATB是目前安全性能最好的炸药, TATB造型粉颗粒经压制成型的高聚物黏结炸药(PBX)在军事中具有重要的应用. 在应力作用下, TATB造型粉颗粒体系的演化决定了成型药柱的细观结构和整体质量. TATB造型粉颗粒体系在力载作用下的结构演化和力学特性变化难以表征. 本研究采用X-μCT层析成像与同步原位力载相结合的方法, 通过对CT图像处理与分析, 建立了TATB造型粉颗粒体系的三维孔隙网络模型, 基于该模型获得了接触数量、接触面积、接触强弱、配位数等关键特征参量的演化特性. 结果表明, 0—5 MPa下, 随着应力的增加, TATB造型粉颗粒体系中颗粒接触数量呈下降趋势, 减少率为53.3%; 总接触面积减少率为31.5%, 但强弱接触占比几乎维持不变; 颗粒体积平均增加率为45.50%, 平均配位数由7.27增至9.44. 本研究揭示了颗粒在成型过程初期的力学行为演化规律, 实现了颗粒体系力载过程的三维、定量、原位分析, 对炸药颗粒压制过程的力学特性的认识有重要科学意义和工程意义.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (15): 155201.
doi: 10.7498/aps.74.20250303
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深入理解螺旋波等离子体中的低磁场密度峰值现象, 对全面揭示螺旋波放电机制至关重要. 本研究基于低温等离子体动理学效应和带电粒子温度各向异性假设, 利用均匀等离子体中电磁波的一般色散关系, 理论分析了低磁场(<100 G (1 G = 10–4 T))、低气压条件下Trivelpiece-Gould (TG) 波的色散特性、波数关系及功率沉积特性. 研究结果表明: 在波频率ω/2π = 13.56 MHz、离子与电子轴向温度比值Ti, z/Te, z = 0.1、等离子体密度n0 = 1×1011 cm–3、中性气体(Ar)气压pAr = 0.5 mTorr (1 mTorr = 0.133 Pa)参量条件下, 粒子间的碰撞阻尼效应彻底改变了螺旋波与TG波的色散特性和波数关系; 对于TG波 m = 0角向模, n = 1径向模较其余高次径向模在功率沉积中扮演主要角色; 对于TG波(m = 0, n = 1)模, 在电子温度Te, z $\in $ (3, 8) eV范围内, 在低磁场和电子温度各向异性因子$\chi_{\rm{e}} \ll 1 $(χe = Te, ⊥/Te, z)条件下朗道阻尼在功率沉积中占据主导地位, 而在高磁场和$ \chi_{\rm{e}} \gg 1$条件下碰撞阻尼主导功率沉积.
2025, 74 (15): 155202.
doi: 10.7498/aps.74.20250570
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旋转圆柱阴极具有较高的理论靶材利用率, 已经普遍应用于各行各业的薄膜制备中. 在其等离子体研究方面, 相对于平面阴极, 旋转圆柱阴极的等离子体放电输运过程涉及三维体系, 对此传统模型的计算量大且收敛性差, 导致仿真困难. 鉴于此, 本文利用二维粒子网格/蒙特卡罗模型计算得到的等离子体密度和电势分布作为自洽背景场, 再通过三维检验电子蒙特卡罗方法跟踪电子运动实现三维等离子体放电仿真. 在此基础上, 以等离子体密度投影作为刻蚀通量, 耦合元胞自动机方法和检验粒子蒙特卡罗方法分别实现三维靶材刻蚀和粒子沉积仿真, 从而构建了阴极磁场-等离子体放电-靶材刻蚀-薄膜沉积的全链条三维仿真体系. 结果表明, 该三维仿真体系能够精准预测圆柱阴极的工作状态, 其中靶材利用率为85.81%, 与实际误差低于2%; 沉积In/Sn摩尔比为11.76, 与实际相差6.6%; 载板上粒子分布与实际薄膜厚度分布吻合, 沉积均匀区长度为1730 mm, 与实际误差仅为1.1%.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2025, 74 (15): 156201.
doi: 10.7498/aps.74.20250456
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随着微纳声学器件的快速发展, 其核心声学结构已进入纳米尺度范畴, 表面效应对薄膜材料性能的影响日益凸显, 经典弹性理论面临挑战. 本文基于表面弹性理论, 引入表面能密度研究纳米尺度下的表面效应, 采用傅里叶积分变换法推导出纳米尺度SiO2/Si异质结构薄膜表面牵引力下应力场与位移场的解析表达式. 结果显示, 若以表面应力分布与经典理论相差3%作为判断标准, 在激励区域宽度2a的5倍范围内, 材料的微观特性彰显主导地位. 随着激励区域不断减小, 在激励区域内及边界附近表面应力分布较经典理论更加集中, 剪切应力于边界处有极大值, 材料表面刚度与抗变形能力增加, 横向与纵向位移较经典理论减小. 纳米尺度异质结构存在显著表面效应, 导致应力和位移分布明显偏离弹性理论, 经典弹性假设在相应纳米尺度范围不再适用. 以上结果表明, 在纳米尺度固体表面中, 超高频纳米波长声波传播将明显受到尺度效应影响, 经典弹性波理论在纳米尺度存在失效现象, 这对纳米声学理论研究具有参考价值.
2025, 74 (15): 156202.
doi: 10.7498/aps.74.20250555
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虽然空化效应与机械效应在超声溶栓中的作用机制已得到充分证实和深入研究, 但是对于血栓类生物材料, 其浓度依赖的应变硬化特性对超声诱导冲击波效应的影响仍受到广泛关注. 其中, 快速的冲击波形成的空间定位与能量阈值的确定对临床治疗方案的优化具有重要指导价值. 本研究通过准静态单轴压缩实验, 建立了纤维蛋白浓度依赖的幂律本构模型. 基于凝块本构方程与非线性波动方程, 研究了超声在凝块介质中传播的动力学特性. 数值模拟结果表明: 冲击波形成前的应力强间断现象源于凝块渐增硬化特性导致的位移突变; 基于阈值限制的平均陡峭因子冲击波定位判据受网格收敛性严重制约, 而总谐波失真截断误差敏感性相对较低, 基于THD定位判据的峰值应力显著高于前者且具有计算成本优势. 参数化研究表明, 纤维蛋白浓度增大导致冲击波形成位置延后且峰值应力增大. 本研究为临床超声溶栓治疗中冲击波效应的快速定位和灵活调控提供了理论依据.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (15): 157101.
doi: 10.7498/aps.74.20250082
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二氧化钚(PuO2)作为一种重要的核燃料材料, 表面特性直接影响放射性元素的稳定性和迁移行为, 在能源储存领域受到广泛关注. 本文通过第一性原理方法研究水分子在二氧化钚(111)和(110)表面的吸附行为以及氧空位过量电子对这些表面的影响. 模拟表明, PuO2(111)表面比(110)表面表现出更高的稳定性, 具有更高的氧空位形成能. 在化学计量的PuO2(111)和(110)表面上, 水分子的解离吸附构型是最稳定的. 利用轻推弹性带方法, 研究发现在PuO2(111)和(110)表面上, 第1个氢原子的解离仅需0.11 eV和0.008 eV的能垒, 而第2步的完全解离则需要更高的能垒, 分别为0.85 eV和1.02 eV. 在还原的PuO2(111)表面存在氧空位的情况下, 可以促进水分子解离成位于氧空位上方的羟基和与表面氧原子结合的氢原子; 在一定条件下, 克服3.31 eV的能垒, 2个氢原子即可形成H2, 在PuO2(111)过氢表面产生H2能垒下降到1.92 eV. 本文研究对于改进核燃料储存技术、延长储存寿命和降低潜在风险具有重要的实际意义.
2025, 74 (15): 157501.
doi: 10.7498/aps.74.20250482
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针对传统低频电天线存在的体积庞大与高功耗问题, 基于压电谐振原理的磁电天线展现出显著的优势. 然而, 磁电复合材料中的黏接层与压电相、铁磁相之间的声学阻抗失配现象, 严重阻碍了磁-机-电耦合过程中的应力传递效率, 进而限制了磁电复合材料的磁辐射强度. 为提升磁发射性能, 本文设计了一种高界面应力传递特性的磁电复合材料, 其具有类三明治的结构, 由Pb(Zr, Ti)O3压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)压电层、均匀填充MoS2的环氧树脂黏接层, 以及FeBSi(Metglas)磁致伸缩层组成. 通过向黏接层引入二维填料MoS2, 有效改善了黏接层与铁电相、铁磁相之间的声阻抗匹配特性. 系统研究了MoS2填充量对PZT MFC/Metglas磁电复合材料磁发射强度的影响规律. 实验结果表明, 当MoS2填充质量分数为1%时, 该复合材料在最佳偏置磁场条件下的磁发射强度达到了331 μT, 相较于未填充MoS2的磁电复合材料提升了1.5倍; 在距离发射源1 m处, 磁发射强度可达2.7 nT. 结合声阻抗匹配理论, 深入探讨了电-机-磁耦合过程中的应力传递机制. 此外, 通过采用幅移键控调制技术, 验证了基于MoS2改性的PZT MFC/Metglas磁电复合材料在信号无损传输方面的有效性. 本研究提出的黏接层优化方法, 为通过增强应力传递效率提升磁电响应性能提供了一种简便高效的技术途径, 同时为低频水下通信、地下传感以及分布式无线网络等小型通信系统的发展提供了新的技术方案与理论支撑.
2025, 74 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.74.20250488
摘要 +
传统等离子体诱导透明(plasmon induced transparency, PIT)受限于多种明暗模式间的耦合机制. 为了突破该机制的局限性, 本研究提出了一种双偏振石墨烯超表面结构, 该结构由4组对称L型石墨烯环绕十字形中空石墨烯组成, 通过两个单PIT之间的协同效应形成了三重PIT. 研究发现, 通过费米能级和载流子迁移率的调制, 该结构作为慢光器件展现出高达500的群折射率, 具备优异的慢光调控能力. 作为偏振器件, 该结构具有双偏振特性, 在x和y偏振光入射下均能产生三重PIT窗口. 特别的是, 共振频率f6不受入射光偏振方向的影响. 这种在不同偏振光下均具有良好的稳定性和抗干扰能力对偏振器件的设计尤为重要. 因此, 本研究设计了一种慢光调控和偏振选择于一体的多功能集成器件, 为基于偏振不敏感的协同效应提供了新的理论指导和研究方向.
2025, 74 (15): 157901.
doi: 10.7498/aps.74.20250520
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为了提高磁控管用稀土难熔钇盐阴极的热发射能力, 探索Sc2O3掺杂对稀土难熔钇盐阴极热发射性能的影响机理, 采用Sc2O3掺杂稀土难熔钇盐来制备阴极, 并测试该阴极的热发射性能. 热发射测试结果表明, Sc2O3掺杂能够有效地提高稀土难熔钇盐阴极的热发射能力. 其中, 3% Sc2O3 (3%为质量分数, 后同)掺杂能够最大程度地提高阴极的热发射能力, 当阳压为300 V, 温度为1600 ℃时, 3% Sc2O3掺杂阴极可以支取3.85 A/cm2的热发射电流. 而在相同条件下, 未掺杂Sc2O3阴极, 即稀土难熔钇盐阴极仅可以支取1.66 A/cm2的热发射电流, 3% Sc2O3掺杂能够将该阴极的热发射能力提升132%. 寿命试验结果表明, 当负载电流为0.5 A/cm2, 温度为1500 ℃时, 3% Sc2O3掺杂阴极的试验寿命已经超过4200 h, 且没有明显的衰减迹象. 最后, 利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描俄歇纳米探针等对阴极进行详细分析. 结果表明, 热发射测试过程中, 一方面, 掺杂的Sc2O3和Y2Hf2O7发生了置换固溶反应, 生成了ScxY(2–x)Hf2O[7+(3/2)x]固溶体, 造成Y2Hf2O7晶格畸变, 导致晶格处于高能状态, 降低了阴极表面的逸出功, 与此同时, Sc2O3中的Sc置换掉了Y2Hf2O7晶胞中Y, 被置换出来的Y以金属单质形式存在, 改善了阴极表面的导电性. 另一方面, ScxY(2–x)Hf2O[7+(3/2)x]固溶体中会产生一定数量的Vo2+氧空位和自由电子, 也使得阴极表面的导电性能得到改善. 最终, 在这两方面的共同作用下, 阴极的热发射能力得到显著的提高.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (15): 158101.
doi: 10.7498/aps.74.20250595
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溶液法是生长低缺陷高品质碳化硅(SiC)单晶的重要方法, 针对6英寸溶液法生长SiC单晶系统, 建立了感应加热和热质传递全局数值分析模型, 考虑了洛伦兹力、离心力、热浮力以及表面张力对溶液流动的耦合作用, 研究了晶体旋转对溶液中速度场、温度场、碳浓度场、晶体生长速率以及坩埚壁面碳溶解析出的影响规律. 结果表明, 溶液中洛伦兹力的存在使得低晶体转速下的流场十分复杂, 晶体转速需要控制在合适的范围内, 使得生长界面下方由输运决定的碳浓度分布与生长界面处由温度决定的碳浓度分布相协调, 才能获得均匀且高的SiC单晶生长速率. 晶体转速过小使得SiC单晶生长速率很低, 过大导致生长速率径向均匀性下降, 转速为25 r/min时SiC单晶的平均生长速率较高且沿径向分布均匀性较好. 进一步分析了溶液-坩埚交界面碳组分的溶解和析出, 定位了坩埚壁面溶解较快区域和SiC多晶颗粒生成区域, 并结合速度场预测了多晶颗粒的去向. 研究结果为溶液法生长6英寸SiC单晶提供了科学依据.
2025, 74 (15): 158102.
doi: 10.7498/aps.74.20250602
摘要 +
金核银壳(Au@Ag)纳米颗粒兼具金的稳定性、生物相容性及银的优异电磁响应特性, 在纳米医学、环境保护、传感和光学等领域具有重要应用价值. Au@Ag纳米长方体因其结构的各向异性, 特别是表面等离激元共振(SPR)效应, 在基础科学研究中扮演着重要角色. 本研究通过晶种法, 即在水相中调控Au纳米棒种子的尺寸、长径比(AR)及Ag前驱体用量, 制备了形貌、尺寸与光学性质均可控的Au@Ag纳米长方体. 实验表明, 当Au纳米棒直径大于100 nm时, Au@Ag纳米长方体的顶角出现截断; 当Au纳米棒直径小于100 nm时, Au@Ag纳米长方体的顶角随Au纳米棒AR的减小而变得更尖(~90°). 值得注意的是, 当Au纳米棒的AR在一定范围内(~1.39—3.15)时, 均可生长形貌良好(顶角尖锐)的Au@Ag纳米长方体, 这一发现为研究纳米长方体顶角的变化提供了一定参考. 另外, 纳米长方体的长度(~110 nm—141 nm)与宽度(~60 nm—104 nm)可通过调节硝酸银的量实现精准调控. 同时, 模拟计算结果表明, 相对于纳米棒而言, Au@Ag纳米长方体不仅具有丰富的多级SPR模式, 其尖角可产生巨大的电场增强. 本研究进一步拓展了其在多个高科技产业中的应用前景.
编辑推荐
2025, 74 (15): 158701.
doi: 10.7498/aps.74.20250616
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Medin淀粉样蛋白的聚集导致动脉壁退化和脑血管功能障碍, 参与多种血管疾病的发生与发展. 在血管性痴呆或阿尔茨海默病患者的脑小动脉中发现Medin聚集体增加, 且Medin与血管β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积物共定位. 实验证实Medin能够与Aβ共同形成异源纤维, 并通过交叉接种机制调控Aβ的聚集. 然而, Medin与Aβ共聚集的微观机制仍不清楚. 本文利用大规模的全原子副本交换分子动力学模拟(累计模拟时间72 μs), 对Aβ42与Medin三聚体在不同多肽环境(即自聚集vs.共聚集)的相互作用及构象分布进行了研究. 结果表明, Aβ42与Medin的亲和力更高, Aβ42与Medin在自身或彼此结合时具有相似的分子识别位点或区域, 为共聚集提供基础. Aβ42的N端与Medin的C端在Aβ42-Medin交叉聚集中起到关键作用. 更重要的是, 共聚集显著地改变了Aβ42与Medin的相互作用强度、方式以及结构特征. Aβ42-Medin三聚体中, Aβ42分子间相互作用减弱, 仅保留疏水核心区域(16KLVFFA21)之间的结合而提高其他区域的自由度; Medin形成更多的β结构与更少的helix结构, 但Aβ42却形成更多的helix与更少的β; 而Medin中高β倾向性区域向肽链中部和C端迁移, 表明Medin可能通过C端形成β结构作为核心从而驱动其与Aβ42的协同聚集. 本工作在原子水平上详尽地阐明了共聚集对Aβ42与Medin相互作用与结构特征的影响, 为理解Aβ42-Medin共聚集分子机制以及不同疾病之间交叉关联的病理机制提供了有益见解.
编辑推荐
2025, 74 (15): 158703.
doi: 10.7498/aps.74.20250484
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同源重组是维持基因组稳定和生物多样性的核心机制. RecA作为最早被发现的同源重组酶, 在同源重组链交换过程中起着关键作用. 关于同源重组机制的研究已持续数十年, 近年来使用单分子技术使得该领域研究取得了不少重大突破. 其中单分子FRET (fluorescence resonance energy transfer)技术的应用最为广泛, 然而FRET实验所必需的荧光标记可能会对RecA介导的链交换过程产生影响, 且往往会被研究人员所忽视. 本文通过对不同标记位置和标记方式进行梳理, 将荧光标记对同源重组链交换的影响总结为链特异性和构象敏感性, 并给出了影响最小的标记方案. 该结果加深了对荧光标记影响的理解, 研究人员可以快速优化荧光标记位置和方式, 降低其对链交换过程带来的负面影响, 也对其他荧光标记实验有一定的启发意义.
