综述
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2025, 74 (4): 047801.
doi: 10.7498/aps.74.20241292
摘要 +
在光伏技术快速发展的背景下, 晶硅太阳电池作为主流的光伏器件, 其性能的提升成为研究的热点. 晶硅太阳电池包括硅异质结(SHJ)太阳电池、隧穿氧化物钝化接触(TOPCon)太阳电池及钝化发射极和背面接触(PERC)太阳电池. 晶硅太阳电池的表面钝化层作为提升电池性能的关键之一, 其发展历程与晶硅太阳电池的发展紧密相连. 然而, 由于钝化层的复杂机制和实验研究的高要求, 实现高质量的表面钝化面临挑战. 本文综述了SHJ太阳电池、TOPCon和PERC太阳电池界面钝化技术的关键问题和研究进展, 首先系统地回顾了SHJ太阳电池关键技术突破的研究进展, 并讨论了生长条件对SHJ太阳电池钝化性能的影响以及掺杂层对本征层和钝化性能的影响作用; 其次阐述了近5年来提升TOPCon和PERC太阳电池钝化性能的重要策略和研究成果; 最后给出钝化层技术的发展趋势展望. 将为晶硅太阳电池未来技术改进和性能提升提供参考.
总论
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2025, 74 (4): 040301.
doi: 10.7498/aps.74.20241615
摘要 +
本文研究了具有Stark势的一维相互作用任意子模型. 通过数值计算能谱统计、半链纠缠熵和粒子非平衡态占据数等来观测有限尺寸下的多体局域化现象. 随着线性势强度的增强, 系统的能谱统计分布从高斯系综向泊松系综过渡, 过渡区域的平均能级差比率表现为强烈依赖于统计角的非单调行为. 平均半链纠缠熵服从体积律到面积律转变且转变点对统计角有非单调依赖关系, 遍历相的半链纠缠熵随时间线性增长, 而在局域相中随时间呈对数增长, 其演化行为也与统计角有关. 最后随着线性势增大, 长时极限下粒子非平衡态占据数由零变为有限值, 有限值的大小与任意子统计角的取值有关, 这种演化行为进一步验证了任意子模型中统计角的重要性. 该研究结果为任意子系统中多体局域化的研究提供了新的视角.
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2025, 74 (4): 040302.
doi: 10.7498/aps.74.20241375
摘要 +
优势提纯提供了一种从弱关联性比特对中提取强关联性比特对的有效方法, 已被广泛应用于多种量子密钥分发协议. 然而, 该方法的增益效果主要体现在远距离密钥传输中, 目前在实验系统中尚未得到充分验证. 本文将优势提纯方法应用于三强度诱骗态BB84协议, 并基于SiO2的非对称马赫-曾德尔干涉仪构建实验平台进行验证. SiO2光波导芯片具有低耦合损耗和低波导传输损耗的优点. 实验结果表明, 在105 km的传输距离下, 系统安全密钥率达到了59 bits/s, 充分证明了优势提纯方法在提升量子密钥分发系统性能方面的重要作用.
2025, 74 (4): 040303.
doi: 10.7498/aps.74.20241514
摘要 +
在环境噪声影响下, 考虑了一对分别被限制在双势阱中通过引力相互作用耦合的有质量粒子系统的量子态动力学行为. 采用几何量子失协的方法, 研究了稳定经典场与衰减场噪声对该有质量粒子系统量子态关联动力学的影响; 用量子速率极限时间来描述量子态演化加速的潜力, 结果发现: 改变系统与环境各项参数可以调控量子速率极限时间, 实现有质量粒子系统量子态动力学演化的加速. 增强两粒子间的引力耦合强度能加速量子态演化; 衰减场的衰减率在一定程度上也能调节系统量子速率极限时间, 从而达到加速量子态演化的目的. 引力耦合强度会影响两粒子系统量子失协振荡的频率. 值得注意的是, 在衰减场噪声影响下, 有质量粒子系统量子失协与量子速率极限时间相对应地表现出随时间的振荡行为, 量子失协的增加对应着量子速率极限时间的减小, 即系统量子失协的增加有利于量子态演化的加速.
2025, 74 (4): 040304.
doi: 10.7498/aps.74.20241552
摘要 +
在集成光学模块的一体化离子阱中, 极易出现光学焦点与囚禁离子鞍点错位的问题, 严重阻碍了该实验方法的实用性. 为解决该问题, 可利用多射频场方法对离子鞍点位置进行补偿和移动. 然而, 在实际实验过程中, 多射频方法的应用, 需要知道鞍点实际空间位置对应的应加载射频电压幅值. 这就需要建立一套数学模型, 对二者关系进行描述. 模型的精确程度决定了鞍点空间位置的控制精度、模型的简易程度决定了求解过程的速度. 因此, 本文提出一种基于数值仿真电场分布结果和多项式拟合方法而建立的多射频电场电压和鞍点位置关系的数学模型, 可以在无需考虑物理机制和模型基础上, 快速、准确地给出二者之间的数学描述. 本文利用数值方法对该模型的正确性和适用范围进行了验证和讨论, 可以在实验中快速准确地给出应加载射频电压幅值, 使鞍点移动并与光学焦点重合, 该方法极大地降低了由于求解引起的时间延迟、提高了鞍点位置移动过程中反馈环路带宽.
2025, 74 (4): 040501.
doi: 10.7498/aps.74.20241512
摘要 +
复杂系统的非线性动力学研究一直是物理学领域的重点, 因为其有助于提高系统建模的精度, 从而实现更准确的系统分析与预测. 非线性特征参数, 如熵和李雅普诺夫指数, 能够有效揭示复杂系统中隐含的动力学特性. 与传统的一维时间序列数据相比, 多通道阵列数据包含更多关于非线性系统动力学的信息, 相空间重构后的数据矩阵在结构上也与多通道阵列数据展现出相似的特性. 然而, 现有的非线性特征参数计算方法仅适用于一维时间序列. 仅选取多通道数据中的一个通道来计算非线性特征参数, 会导致大量系统信息的浪费, 从而降低了非线性特征参数的性能与精度. 本文针对含有相空间重构的多尺度样本熵与多尺度排列熵两种经典非线性特征参数, 利用阵列多通道数据代替算法中的相空间重构以提升算法性能. 通过分析相空间重构参数与实际阵列结构参数之间的关系, 给出嵌入维数、时间延迟与阵元个数、阵元间距之间的关系. 通过构造多组仿真阵列数据, 分别计算其多尺度样本熵和多尺度排列熵. 结果表明, 使用阵列数据代替相空间重构可以有效地提升两种熵算法的性能. 其中, 使用阵列数据的多尺度样本熵算法可以在低信噪比下对含噪目标信号与背景噪声进行有效地区分, 而使用阵列数据的多尺度排列熵算法可以更准确地揭示信号在不同时间尺度上的复杂度. 进一步地, 实测阵列数据分析也与仿真结果一致, 证明了阵列数据含有更丰富的系统信息. 而其隐含的更多信息可以有效地提升非线性特征参数的性能, 实现对不同类型系统的准确区分.
2025, 74 (4): 040502.
doi: 10.7498/aps.74.20241271
摘要 +
排列时间不可逆性是量化复杂系统非平衡特征的重要方法, 但排列类型无法表征序列的精确结构特征. 本文提出了一种模糊排列时间不可逆(fuzzy permutation time irreversibility, fpTIR)方法, 利用负指数函数转化向量元素差值, 计算向量幅度排列的隶属度, 进而比较正反序列模糊排列的概率分布差异. 作为对照, 通过香农熵计算模糊排列概率分布的平均信息量, 即模糊排列熵(fuzzy permutation entropy, fPEn), 用以衡量系统的复杂度. 本文首先利用logistic和Henon混沌系统以及一阶自回归模型构建测试序列, 通过代替数据理论验证fpTIR和fPEn的有效性, 然后分析PhysioNet数据库中的心衰、健康老年及健康年轻心率的复杂特征. 结果表明, fpTIR可有效表征系统的非平衡性特征, 并且提高了心率信号分析的准确度. 由于fpTIR和fPEn采用不同的概率分布分析方法, 两者在混沌序列验证中存在差异, 甚至在心率信号的分析中出现相反的结果, 其中fpTIR的分析结果与心率复杂度丢失理论一致. 总之, 本文研究不仅精准表征了序列的排列空间结构, 优化了复杂系统非平衡性分析的效果, 而且为从非平衡动力学和熵值复杂度两个角度探索复杂系统特征提供了新的视角和理论依据.
封面文章
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2025, 74 (4): 043101.
doi: 10.7498/aps.74.20241589
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高电荷态重离子的双电子复合精密谱实验不仅能够为天体物理、聚变等离子体物理等研究提供诊断和建模的关键原子物理数据, 还可以用于检验强电磁场条件下的量子电动力学(QED)效应、相对论效应以及电子关联效应等基本物理模型. 我国正在建设的“十二五”大科学装置强流重离子加速器(HIAF), 其中高精度环形谱仪(SRing)装备有450 kV电子冷却器和80 kV超冷电子靶装置, 能够在宽质心能量范围(从meV到几十keV)内对高电荷重离子开展双电子复合谱精密测量. 本文首先采用分子动力学方法模拟了SRing上超冷电子靶的电子束温度分布, 结果表明, 热阴极产生的电子束经过磁场的绝热膨胀和电场加速后, 电子束的横向温度从100 meV降至5 meV以下, 而纵向温度则能从100 meV降至0.1 meV以下, 这为开展高分辨和高精度的双电子复合实验提供了独一无二的实验条件. 接着分析了SRing上超冷电子靶的电子束温度对双电子复合实验中共振峰能量分辨的影响, 以类锂$ {}_{~\,54}^{129}{{\mathrm{X}}{\mathrm{e}}}^{51+} $和$ {}_{~\,92}^{238}{{\mathrm{U}}}^{89+} $重离子为例, 模拟了SRing上的双电子复合共振谱, 并与兰州重离子储存环CSRe上的模拟结果进行了比较. 结果表明, 基于SRing超冷电子靶的双电子复合精密谱学实验在质心系能量较低的时候具有极高的能量分辨, 能够测量更为精细的双电子复合共振结构. 本研究为SRing上开展高电荷态重离子双电子复合谱精密测量检验强场QED效应和提取原子核结构信息等前沿实验奠定了坚实的基础.
原子和分子物理学
2025, 74 (4): 043201.
doi: 10.7498/aps.74.20241362
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电场与里德伯态能级互相作用产生Stark效应可以通过EIT光谱的频移量进行量子探测, 利用频移量与电场之间的函数关系, 能够实现电场的测量. 但是当探测光与耦合光偏振方向失配时会导致频移量的测量结果出现误差, 进而影响电场的准确测量. 本文首先求解密度矩阵方程进而推导EIT-Stark数学模型, 分析探测光和耦合光偏振方向对模型的影响. 其次, 本文采用内置极板的方法避免了由于碱金属原子附着在原子蒸气室表面对加载电场所造成的屏蔽作用. 最后, 通过调控激光偏振方向, 验证了偏振失配对EIT光谱以及电场测量结果的影响. 实验数据显示, 探测光和耦合光偏振方向互为平行时, 为激光最匹配的偏振方向, EIT光谱峰值最大, 电场测量最大相对误差为1.67%. 探测光和耦合光偏振方向夹角为45°时, 激光偏振失配程度最严重, EIT光谱峰值最小, 电场测量最大相对误差为10.24%.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (4): 044201.
doi: 10.7498/aps.74.20241582
摘要 +
偏振成像技术在去除后向散射光方面是有效的. 针对该技术依赖免靶区域以计算后向散射光信息限制其适用范围和实时成像能力的问题, 本文提出了无免靶区域的偏振成像方法. 该方法结合主动偏振成像和透射率去散射模型, 将相机接收到的图像分解为具有偏振信息和无偏振信息的部分, 具有偏振信息的部分采用主动成像模型计算, 而无偏振信息的部分基于Stokes矢量计算. 同时, 结合透射率校正原理实现去散射. 实验和真实世界水下成像结果表明, 本文方法能够有效去除大部分后向散射光, 且具有速率优势, 能够助力实时复杂条件下的水下成像技术, 在海底资源探测与研究等领域具有广阔的应用前景.
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2025, 74 (4): 044202.
doi: 10.7498/aps.74.20241535
摘要 +
非视域成像技术是对视域外隐藏目标进行光学成像的新兴技术. 由于历经多次漫反射, 信号回波微弱, 门控单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode, SPAD)在低信噪比环境中探测信号发挥了重要作用. 然而, 实际使用门控SPAD进行目标信号探测时, 现有方法多需要借助先验信息进行门宽位置预设, 无法完全避免非目标信号干扰和信号丢失, 并且存在数据采集量大、耗时长等问题. 针对上述问题, 本文利用三角定位原理和少量特征点信息, 提出一种自适应门控算法, 该算法可自动识别回波信号并计算其宽度, 无需额外先验信息或人工干预, 降低数据采集量, 提高处理效率等功能. 同时, 搭建了基于门控SPAD的共焦非视域成像系统, 对提出的算法进行验证. 此外, 本文就门控SPAD对目标信号提升效果和目标成像质量进行了定量评估, 并对比了主流的非视域图像重构算法成像质量. 实验结果表明, 自适应门控算法可以有效识别回波信号, 实现门控参数的自动调节, 并在减少数据采集量、提升处理效率的同时, 提高目标成像质量.
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2025, 74 (4): 044203.
doi: 10.7498/aps.74.20241565
摘要 +
无磁光学非互易在量子通信、量子网络和光信息处理等方面具有重要的应用. 本文通过简并二能级热原子系统, 在单向泵浦场作用下, 考虑热原子的多普勒效应, 实现双路简并四波混频信号的非互易放大. 在此基础上, 再引入一束对向共线传播的泵浦场, 形成了空间复用的多重四波混频过程, 从而实现了双通道四波混频信号的互易放大. 进一步, 利用多组涡旋相位片分别对信号光和泵浦光加载螺旋相位, 产生携带光学轨道角动量的高阶拉盖尔-高斯涡旋光束, 并参与到四波混频过程中, 实现了泵浦光的轨道角动量向增益光场的转移; 同时利用马赫-曾德尔干涉仪, 进一步分析了各路四波混频信号场在非互易-互易放大转换下, 光学轨道角动量的守恒特性. 该结论为实现基于复杂结构光的光学非互易器件的应用研究提供了重要的参考.
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2025, 74 (4): 044204.
doi: 10.7498/aps.74.20241440
摘要 +
通过以大晶粒水热ZnO薄膜作为发光层并加以恰当图案化处理的策略, 显著抑制了基于ZnO薄膜的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构发光器件的电抽运随机激射的随机性. 采用激光直写光刻工艺, 先将硅衬底上的晶粒大小超过500 nm的水热ZnO薄膜图案化为大量的小方块(Block)和“街道(Street)”, 然后制备基于上述图案化ZnO薄膜的MIS结构(Au/SiO2/ZnO)发光器件(light-emitting device, LED). 研究表明: 在相同的注入电流下, 基于图案化ZnO薄膜的发光器件比基于未图案化ZnO薄膜的发光器件具有更少的随机激射模式; 且前者随Block边长的减小而具更少的激射模式, 同时其最强激射模式的波长在更窄的范围内波动. 值得指出的是: 在适当的条件(小注入电流和小Block边长)下, 基于图案化水热ZnO薄膜的发光器件还可产生单模随机激射. 此外, 对比研究还表明: 基于大晶粒水热ZnO薄膜的LED比基于小晶粒溅射ZnO薄膜的LED具有更小的激射阈值电流, 且在同样的注入电流下具有更少的激射模式和更高的激射光功率. 关于上述结果背后的物理机制, 分析指出: 对基于图案化ZnO薄膜的发光器件而言, 一方面由于单个Block内ZnO薄膜中的晶粒和晶界数量有限, 光多重散射被严重削弱, 那些能够通过光多重散射获得净光增益而产生随机激射的路径与ZnO薄膜未经图案化处理的情形相比要少得多. 另一方面, 由于单个Block空间有限, 不同激射模式之间的增益竞争使得空间上重叠较大的激射模式不能同时存在. 由于上述两方面的原因, 随着Block边长的减小, 发光器件随机激射的模式会变得更少. 此外, Block之间的光学耦合效应会加剧单个Block内部激射模式之间的增益竞争, 从而进一步减少发光器件的随机激射模式.
2025, 74 (4): 044205.
doi: 10.7498/aps.74.20241490
摘要 +
超表面透镜是一种通过调制表面微单元结构参数来实现对光波相位、振幅和偏振的精确调控的微型平面透镜. 相较于普通透镜, 具有尺寸小、重量轻、集成度高等优点, 是光子芯片的核心器件. 为突破衍射极限, 进一步提升超表面透镜的聚焦性能和成像分辨率, 需结合现有的光场调控技术, 对入射光场进行多维信息调控. 参考光瞳滤波器的超分辨成像原理, 设计了一种融合型超表面透镜, 可同时实现透镜聚焦和光瞳滤波器的功能, 从而获得超越衍射极限的聚焦光斑. 通过参数优化, 最终实现了半高全宽为323.4 nm (~0.51λ)的焦斑, 较未加光瞳滤波器的超表面透镜(半高全宽为376 nm)性能提升了近15%. 本文设计的融合型超表面透镜展示了全面光场调控对其光学性能的提升, 在未来有望代替传统透镜, 并在纳米显微成像、纳米光刻、虚拟现实以及3D显示等领域发挥重要作用.
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2025, 74 (4): 044206.
doi: 10.7498/aps.74.20241505
摘要 +
呼吸子作为一种独特的非线性脉冲现象, 在激光器性能优化、非线性光学过程研究以及复杂信号传输中发挥着关键作用. 与稳定孤子不同, 呼吸子脉冲的能量随着时间发生周期性波动, 表现为脉冲频率和振幅的周期性变化. 通过适当的非线性效应, 激光器能够产生稳定的呼吸子脉冲, 实现呼吸锁模状态, 展现出类似“呼吸”的周期性模式. 基于此, 本文设计并搭建了一台基于可饱和吸收体作为锁模元件的光纤激光器, 并在较低泵浦功率下成功观察到稳定的呼吸态. 通过利用高速探测技术和时间拉伸色散傅里叶变换(TS-DFT)技术, 对快速脉冲进行了时间放大和频谱分析, 并实时监测呼吸子脉冲在时域和频域上的演化过程. 实验结果表明, 泵浦功率的变化显著地影响附加振荡引发的周期性调制, 从而调控呼吸比, 直至形成稳定的孤子. 当泵浦功率达到470—480 mW时, 实验首次观察到呼吸子的形成, 其呼吸比高达4.5. 随着泵浦功率的增加, 呼吸效应逐渐减弱, 并在510 mW时完全消失, 呼吸比降至1. 这一结果验证了泵浦功率对呼吸子状态及其转变过程的关键控制作用, 为超快激光技术和非线性光学领域提供新视角.
2025, 74 (4): 044207.
doi: 10.7498/aps.74.20241228
摘要 +
片上集成型光隔离器的定向光传输特性在光通信、光信号处理等领域有广泛的应用价值. 本文通过改进遗传算法, 引入分段的适应度函数(阶段1设定隔离度; 阶段2设定插入损耗), 并建立基因库; 在仅为$4.2\text{ μm}\times 3\text{ μm}$的区域内获得了一种超紧凑的光隔离器方案. 在标准的绝缘体上硅(silicon on insulator, SOI)基片上, 通过设置5种直径(60 nm, 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm)的刻蚀圆孔排布, 在1550 nm TE偏振模式下, 取得了隔离度约为31 dB、插入损耗约为2 dB的结果; 在1550 nm TM偏振模式下, 取得了隔离度约为38 dB、插入损耗为2 dB的结果. 还进一步分析了不同尺寸组对隔离器性能的影响. 这些结果对于发展超小尺寸、高集成度的片上光信号定向传输方案有促进作用.
2025, 74 (4): 044301.
doi: 10.7498/aps.74.20241523
摘要 +
液态涡流场不仅可以传质传热影响声场分布, 还可以影响流场中气泡的行为特性, 进一步影响声空化效果. 以三维漏斗形涡流场中气泡的动力学方程并结合气泡破碎理论为基础, 研究了涡流场(搅拌产生的流场)对气泡破碎概率及其气泡空化效果的影响. 结果表明, 随着转速的增大, 气泡的破碎概率显著提高, 同时气泡破碎临界半径逐渐减小, 从600 rad/min时的200 μm降至2000 rad/min时的55.5 μm, 这意味着在高速旋转的涡流场中, 气泡在尚未膨胀到应达到的最大空化半径时就提前发生破碎, 导致其失去空化效应, 从而降低超声降解效果. 实验结果进一步验证了声空化效果在适中转速(600—1000 rad/min)下最佳, 而过高转速则会抑制降解效果. 这些发现为声空化技术的优化提供了理论基础和实验支持.
2025, 74 (4): 044302.
doi: 10.7498/aps.74.20241448
摘要 +
在使用高强度聚焦超声进行肋下病灶治疗的过程中, 肋骨的遮挡显著影响了治疗的效果, 在先前的研究中, 肋骨通常被视作完美吸声体, 这一模型虽然能够在一定程度上体现肋骨造成的影响, 但也同样可能导致对肋后能量的低估. 为弥补现有工作的不足, 本文提出了一种将肋骨视作强吸声体、而非完美吸声体的数值计算方法, 并使用ABS塑料构建的仿肋模型进行了相关实验以比较两类方法的优劣, 此外本文还在多层介质模型中研究了肋骨对非线性声场造成的影响. 由于肋骨在新模型中具有较大的声衰减系数, 现有算法在计算过程中容易出现数值振荡问题, 为此本研究使用了算子分离法以提高数值计算的稳定性, 并进一步通过矩阵向量化方法在后向隐式差分格式下实现了声场的稳定求解. 这些改进不仅提高了数值计算的准确性, 还揭示了完美吸声体模型造成的肋后能量低估问题, 对于优化临床治疗策略具有重要意义.
2025, 74 (4): 044303.
doi: 10.7498/aps.74.20241326
摘要 +
基于声黑洞结构独特的声波捕获与能量聚集效应, 提出了一种新型声黑洞楔形结构振动模式转换超声换能器. 该换能器由一个纵向夹心式换能器和一个声黑洞楔形结构辐射板组成. 基于铁木辛柯梁理论, 利用传输矩阵法建立了辐射板弯曲振动的理论模型, 计算得到的振动频率与有限元仿真频率吻合较好. 对换能器的电阻抗频率响应特性、振动模态以及空气中近场辐射声压分布进行了仿真模拟, 结果显示, 声黑洞楔形结构辐射板的振幅逐级增大, 近场辐射声压呈现出梯度分布的特点. 加工了换能器样机, 并对其进行实验测试, 测试结果验证了设计方法的可行性. 最后进行了超声悬浮实验, 结果表明声黑洞设计可以赋能于超声悬浮技术, 构造出声压梯度分布的声场, 实现粒子筛选.
2025, 74 (4): 044701.
doi: 10.7498/aps.74.20241453
摘要 +
颗粒-流体界面处的耦合传热以及颗粒间的碰撞在颗粒沉降过程中起着至关重要的作用. 本文基于热颗粒流体积格子Boltzmann方法对流固耦合传热作用下封闭通道中两颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动开展了数值模拟研究, 探究了颗粒与流体比热容比${R_{{c_{\text{v}}}}}$、Grashof数$Gr$、颗粒初始温度对拖曳-接触-翻滚运动的影响. 结果表明, 随着比热容比${R_{{c_{\text{v}}}}}$的增加, 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动的拖曳时长和翻滚时长均减小, 而接触时长则相应增加. 随着Grashof数$Gr$的增加, 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动的拖曳时长显著减小, 但接触时长和翻滚时长则近似保持不变. 两冷颗粒沉降过程拖曳-接触-翻滚运动发生的时刻最早, 一冷一热颗粒次之, 两热颗粒最晚; 颗粒初始温度低于流体温度对拖曳-接触-翻滚运动的促进作用主要体现在拖曳阶段和接触阶段, 颗粒初始温度对翻滚时长则近似无影响.
2025, 74 (4): 044702.
doi: 10.7498/aps.74.20241334
摘要 +
为考察壁面温度变化对受限空间内稀薄气体流动与传热特性的影响, 采用离散统一气体动理学格式(DUGKS)模拟研究了方腔内的热蠕流动. 腔体四周为静止漫反射恒温壁面, 上、下壁温度则随时间周期性变化. 模拟的参数范围如下: 变温频率0.5 ≤ St ≤ 5.0、变温振幅0.1 ≤ Ah ≤ 0.8和克努森数0.01 ≤ Kn ≤ 10. 数值结果表明: 方腔内气体流动与传热特性呈现周期性变化, 且不会出现反傅里叶热传递. 变温频率、振幅和克努森数的提高均可增强腔内热蠕流动强度, 且变温壁面附近速度滑移和温度跳跃增大. St和Kn的增大导致出现传热滞后现象, 壁面换热能力减弱. 特别地, 当St = 0.5较小时腔内观察到复杂涡流结构; St = 5.0时气体由变温壁面向腔体水平中心线均匀流动, 涡流消失的同时左、右壁面中点附近由吸热区转变为放热区. Ah增大时腔内温度场和速度场结构变化不大, 而壁面传热强度减小.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (4): 045101.
doi: 10.7498/aps.74.20241550
摘要 +
流注放电被应用于消毒杀菌、臭氧生产等领域, 其中二次流注放电过程对臭氧有效生产持续时间和效率影响明显, 然而氧浓度对二次流注放电过程及目标产物产量的影响还不清楚. 为此, 开发不同氧浓度下针-板电极二次流注发展过程的流体分析模型, 解决高氧浓度下流注放电模拟的非物理分支(branch)问题, 分析氧浓度对二次正流注光发射特性的影响, 研究不同氧浓度下的阴极转移电荷量和激发态氧原子$ \rm O(^3P) $产量, 并与实验数据进行对比. 结果表明, 氧浓度由20%增加至90%后, 二次流注放电通道电子密度平均降低90%, 电场强度变化小于10%, 单次放电持续时间缩短77%, 激发态氧原子$ \rm O(^3P) $单位能量产率上升64%, 同时放电时间缩短会使产量降低50%, 但激发态氧原子$ \rm O(^3P) $单位能量产率的提高优于单次降产量. 氧浓度增大引发氧分子二、三体吸附效应增强和电子密度下降是单次放电产量下降的原因, 电子与氧分子碰撞概率提升是单位能量产率上升的原因.
2025, 74 (4): 045201.
doi: 10.7498/aps.74.20241364
摘要 +
锯齿振荡引起热脉冲和湍流脉冲可以传播到边缘等离子体中增强边缘剪切流并诱发低约束模到高约束模的转换. 在J-TEXT托卡马克上观测了锯齿振荡期间湍流传播和对称性破缺对边缘剪切流的影响. 采用快速往复静电探针阵列测量了边缘等离子体湍流和剪切流等, 观测到锯齿崩塌后, 芯部的热脉冲和湍流传播至边缘等离子体, 且湍流脉冲快于热脉冲. 本文发现了锯齿崩塌后在边缘等离子体中引起湍流对称性破缺, 湍流传播和对称性破缺可以增强湍流雷诺协强, 从而驱动剪切流. 这些结果阐明了锯齿崩塌对边缘湍流和剪切流的增强作用过程.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (4): 047101.
doi: 10.7498/aps.74.20241485
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Heusler合金中的马氏体相变因其具有的诸多物性成为金属功能材料领域的研究热点. 本文对一类新的Ni2CuZ (Z = Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Sb) Heusler合金的原子占位、电子结构、弹性参数和马氏体相变进行了第一性原理研究. 结果表明该系列材料中Cu均择优占据Heusler合金晶格B位从而形成L21结构, 其基态为顺磁态. Ni2CuZ发生四方晶格畸变后马氏体基态能量低于立方奥氏体, 相变能够发生, 这与材料电子结构的Jahn-Teller效应和奥氏体晶格的力学不稳定性有关, 也使其成为一种潜在的Heusler型形状记忆合金. 计算发现Ni2CuZ奥氏体与马氏体相能量差ΔEM与主族元素Z关系密切, Z属同一主族时, ΔEM随Z原子序数增加单调增大, Z属同一周期时, 变化趋势恰好相反. 这与Heusler型形状记忆合金中通常的价电子浓度e/a或电子密度n判据并不一致, 但可以通过材料剪切模量$ C' $以及弹性常数C44随Z元素的周期性变化解释. 该结果揭示了Heusler合金中马氏体相变与弹性参数之间的紧密联系, 可以将其作为预测新型形状记忆合金和分析材料物性的一个重要指标.
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2025, 74 (4): 047301.
doi: 10.7498/aps.74.20241031
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石墨烯是具有蜂窝结构的特殊二维材料, 在电子器件应用方面具有潜力. 拓扑安德森绝缘体现象是一种在无序诱导下系统从金属转变为拓扑绝缘体即拓扑安德森绝缘体的新奇现象. 本文基于Haldane模型, 利用非平衡格林函数理论, 分别计算了不同状态下ZigZag边界准一维石墨烯条带的输运性质随无序的变化. 研究发现拓扑平庸和拓扑非平庸状态下的系统都具有鲁棒的边缘态. 当费米能处于导带中, 两种状态的系统在较弱和较强无序作用下电导快速下降, 而在中等无序强度下, 前者电导下降减缓, 后者出现电导为一的平台, 表明系统出现拓扑安德森绝缘体相. 对边缘态与体态的传输系数的分析表明Haldane模型中上述现象的形成基础是体态与鲁棒边缘态的共存, 随着无序的增强体态被局域化, 拓扑平庸的边缘态能一定程度下抵抗中等强度的无序, 有拓扑保护的边缘态鲁棒性更强几乎不受影响, 使得系统输运稳定性增强并产生电导平台.
