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氢能是最具发展前景的清洁可再生能源之一, 绿色制氢技术备受关注. 电解水制氢因反应过程环保、产物纯度高且操作简便, 被视为实现规模化绿氢生产的重要途径. 然而, 电解水催化剂普遍存在成本高昂、合成工艺复杂等问题, 严重制约了该技术在新能源领域的产业化应用. 低温等离子体技术凭借其低温高效、高反应活性及独特的电磁场效应, 在功能材料表面改性领域展现出显著优势. 本文系统综述了低温等离子体技术在电解水催化材料制备与改性中的应用, 重点探讨等离子体改性的作用机制, 对电催化反应效率的提升效果. 首先阐述了典型非平衡低温等离子体的物理特性与作用原理; 继而分类评述了近年来该技术在催化材料改性中的研究进展, 包括表面微结构调控、表面物性调控及界面优化等策略; 最后, 基于当前改性机理与应用研究的局限性, 对低温等离子体技术在催化剂设计中的未来发展方向提出了展望.
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原子分子中的光电离时间延迟是阿秒物理学中的基本现象, 它编码了原子分子中的电子结构和动力学信息. 本文主要研究了一氧化碳(CO)分子最高占据轨道$ 5\sigma \to k\sigma$通道光电离时间延迟的核间距依赖性. 采用基于李普曼-施温格方程的量子散射理论, 计算了不同核间距下的微分光电离截面和时间延迟. 结果表明, 在截面峰值和极小值能量附近, 光电离时间延迟出现明显极值, 且随核间距显著变化. 分波分析表明, $ l=3$分波的形状共振是光电离截面与时间延迟出现峰值的原因, 其有效势场的核间距依赖性决定了光电离时间延迟的峰值能量位置和大小的变化. 在截面极小值附近, 利用双中心干涉模型解释了沿O端和C端出射时的光电离时间延迟分别出现正、负峰值的现象, 并阐明了其随核间距变化的物理机制. 本文的工作揭示了CO分子光电离时间延迟的核间距依赖规律, 有助于推动光电离时间延迟在分子结构及电子动力学探测中的应用.
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拓扑材料近年来得到了飞速的发展，利用铁磁材料对其进行磁近邻作为通向拓扑量子计算道路中的重要一环，持续吸引着凝聚态物理学界的关注. 本实验利用电子束蒸镀的手段在二维拓扑绝缘体InAs/GaInSb双量子阱表面生长铁磁绝缘体硫化铕（EuS），形成铁磁绝缘体/二维拓扑绝缘体（EuS/InAs/GaInSb）异质结构并制作霍尔器件，在低温下进行了系统的输运测量. 实验中发现，随着InAs中电子波函数的空间分布趋近EuS，EuS对其的磁近邻效应逐渐增强. 表现为霍尔器件在垂直磁场下的奇宇称磁阻的斜率逐渐增大，零场附近的正磁阻会向负磁阻转变，同时，平行磁场下的负磁阻效应亦会随之变强．结合电阻-温度曲线在低温段（低于20K）符合近藤效应的电阻上升行为，本文分析并得出InAs中电子气在磁场下的负磁阻可以解释为由近藤效应而引起的结论. 综合实验数据和分析，本工作给出了InAs/GaInSb中电子被EuS磁近邻的输运证据．
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本文利用时域太赫兹光谱技术研究了a-cut YbFeO3单晶在温度(1.6-300 K)与磁场(0-7 T)调控下的自旋重取向(spin-reorientation transition，SRT)行为与稀土离子的电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance，EPR)跃迁。实验观察到在约7 K附近发生温度诱导的SRT，表现为磁共振模式的突变。在20 K下，沿a轴施加磁场时，样品经历由Γ4相向Γ2相的不完全相变，在Γ24中间相中同时激发准反铁磁模(quasi-AntiFerroMagnetic，q-AFM)与准铁磁模(quasi-FerroMagnetic，q-FM)，并在低频区(<0.8 THz)识别出Yb3+的Zeeman子能级间的EPR跃迁。基于自旋动力学模型与晶体场理论，所有观测模式均获得和实验一致的定量拟合。该模型揭示了Fe3+宏观磁化强度在磁场中的连续转动行为，阐明了SRT的微观机制，SRT过程源于外磁场与Fe3+-Yb3+各向异性交换相互作用之间的竞争与协同，它们共同调制了系统的内部有效场，决定了中间相的稳定性和SRT行为。本研究证实了温度与磁场对YbFeO3自旋构型的有效调控，深化了对Fe3+-Yb3+交换作用机制的理解，为稀土正铁氧体太赫兹磁光器件的开发提供了重要依据。
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双层石墨烯（BLG）的层自由度为调控其性质提供了新的维度，对其层间进行掺杂修饰，是调控其层间耦合作用及电子结构的有效手段。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统探究了官能团-OH、-CO、-CHO及-COOH插入BLG层间后，对BLG结构稳定性与电子特性的调控规律及作用机制。计算分析表明，-OH和-CHO在层间插入BLG更稳定，界面结合能更低，-CO和-COOH插入后则使BLG的稳定性变差。BLG的费米能级因官能团插入发生不同程度偏移，当-OH或-COOH插入后，费米能级向低能级移动，电子占据的最高能级降低；当-CO或-CHO插入后，费米能级向高能级移动，更多电子被激发至较高能级，使电子填充到更高能级。官能团使BLG的能带结构显著变化，原有的抛物线型能带形态受干扰，能带分布更趋复杂，线条的走向与交叉特征改变。分态密度（PDOS）和电荷密度差分计算结果显示，官能团与BLG之间存在轨道杂化及电荷转移，四种官能团均与BLG的碳原子形成共价键，表现为化学吸附特征，且不同官能团的电荷转移程度和对电荷密度的扰动存在显著差异。研究成果将为BLG基电子器件的设计与开发提供一定的理论支撑。
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偶极磁场约束等离子体特性及其与带电粒子束的相互作用研究是近地空间磁层等离子体研究领域关心的一类重要问题. 本研究采用PIC(particle in cell)方法, 通过开源的Smilei程序, 研究了电子束注入偶极磁场约束等离子体的三维动力学演化行为. 模拟了不同注入角度电子束对等离子体的影响, 给出了电子束及等离子体的时空演化过程和行为解释. 结果显示, 偶极磁场中的等离子体沿磁场线形成“新月形”壳结构分布, 壳中形成内外相反方向的环形电流. 当电子束的注入角度与磁场方向的夹角过大(超过20°), 且漂移速度未对准偶极场中心时. 大多数电子束粒子将在偶极磁场中漂移, 散射并弹出模拟区域, 无法与偶极磁场约束的等离子体发生相互作用. 未来我国的偶极磁场约束等离子体研究装置在开展电子束与等离子体相互作用的实验时, 有必要选择适当的电子束入射方向, 以确保电子束能够进入偶极磁场的核心区域并与原来约束的等离子体进行相互作用. 同时模拟结果显示电子束注入会使得等离子体环形电流在环向上变得不均匀. 本研究有助于深入了解偶极磁场中的等离子体动力学行为特性, 对于保障我国空间等离子体研究装置完成预期科学目标具有实际价值.
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重子非轻子衰变研究中一个悬而未决的问题是描述该类衰变的s波振幅与p波振幅的理论值不能同时与实验值很好的符合. 与以往的文献相比, 本文将采用协变的手征有效理论框架, 在扩展极小减除方案下计算该类衰变的s波、p波振幅的一圈图修正. 为与实验数据相比, 分别采用s波拟合和p波拟合两种途径获得协变理论预言值. 采用s波拟合得到s波协变振幅理论预言值略逊于重重子框架下的理论预言值, 但是由此得到p波协变振幅理论预言值较重重子框架下的理论预言值有较多改善; 采用p波拟合得到p波协变振幅理论预言值贴近实验值, 重重子框架下的理论预言值与实验值相差较大, 由此得到s波协变振幅理论预言值与实验值有明显差距, 但重重子框架下的理论预言值与实验值差距更大. 由此可见, 协变框架下一圈图完整计算中, s波振幅与p波振幅间的理论矛盾依然存在, 但是两者之间矛盾程度与重重子相比得到部分缓解.
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Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）是一种源于自旋轨道耦合与结构反演对称破缺的非对称交换作用，是诱导非共线磁序与手性磁结构的关键机制之一。稀土-过渡金属亚铁磁材料兼具稀土元素的强自旋轨道耦合与过渡金属的强磁交换作用，表现出超快磁化动力学、高度可调的磁结构以及丰富的自旋输运行为，为研究与调控DMI提供了理想的材料平台，在未来高密度磁存储与自旋电子学器件中展现出重要应用潜力。本文系统阐述了DMI的微观物理起源，概述了稀土-过渡金属亚铁磁材料的基本特性，并深入探讨了DMI与亚铁磁序之间的耦合机制，介绍了基于稀土-过渡金属亚铁磁材料DMI的斯格明子磁性隧道结和类脑神经计算等自旋电子学器件，为发展面向未来的先进自旋电子技术提供了理论依据与技术指引。
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原子干涉仪可以实现反冲频率的高精度测量，对于确定精细结构常数至关重要。本文在6Li冷原子团中基于布洛赫振荡发展了一种大动量转移技术，通过将原子装载至高阱深的光晶格中并对布洛赫激光频率进行绝热啁啾，在远高于反冲温度的条件下实现了40倍反冲动量的大动量转移，在该动量下转移原子数目可达5 × 106。研究还发现，在高温条件下初速度与光晶格加速方向一致的原子更容易被加速。该大动量转移技术有望大幅度提高6Li原子反冲频率的测量精度，为后续在6Li原子干涉仪中实现精细结构常数的高精度标定提供重要参考。
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高压偏振拉曼光谱（High-pressure Polarized Raman Spectroscopy,HPRS）是一种能够定量提取拉曼张量元随压力变化的光谱表征方法．通过调整金刚石对顶砧（DAC）的入射光与散射光的偏振方向，测量角度依赖的高压拉曼光谱强度．本文构建了一种基于DAC的原位偏振拉曼装置，在背散射配置中引入半波片，选取常用于单晶Si（100）和二维薄片Te（001）为研究对象，实现样品静止条件下的偏振角连续扫描． HPRS分析显示，Si（100）的F2g拉曼活性模的拉曼张量元在低于12 GPa压力下呈反比例函数式减小，反映了Si在无相变前提下的非线性压力响应； Te（001）的面内各向异性随压力的增加而增强且部分模偏离理想形式，其中A1拉曼活性模的张量元比值b/c/在~1.5 GPa附近出现由降转升的拐点，与基于输运实验测量的电子结构相变点相近（~2GPa）．本研究构建了HPRS原位测量与分析框架，实现了从基准体系验证到物质的应用，表明HPRS对微弱对称性扰动与电子结构重排的灵敏响应，为判断物质在高压下的电极化性、键合特性等提供直接、可量化的证据补充．
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量子弱测量基于弱值放大与后选择效应，在微小物理量表征和高灵敏传感计等方面具有重要作用，但目前受限于单重弱相互作用与单一测量通道，存在测量精度不足和多参数并行化受限的问题．本文从理论和实验上研究了基于可调谐光谱和迭代弱相互作用的双参量量子弱测量，实现了M参量和I参量的高精度相位差测量．理论分析表明，通过调控光谱宽度和多重弱相互作用可增强弱值放大效应；在满足弱测量条件$k / 2 \ll \rho \ll 1$时，N重迭代弱相互作用使动量M和强度I参量的测量精度较单重弱相互作用提升N倍．实验采用三重弱相互作用：当光谱谱宽为750 GHz时，动量M参量实现了4.06× 10-8 rad的相位差测量精度，测量精度提升至原来的2.78倍；当谱宽降至500 kHz时，I参量实现5.99× 10-7rad测量精度，测量精度提升了2.97倍，并保持了17.4 dB的信噪比；双参量测量精度的提升均与理论3倍符合良好．当谱宽为125 GHz时，M和I参量均实现了10-6-10-7rad量级测量，测量精度较传统单重弱测量提升约3倍．该方案利用双参量在百kHz至亚太赫兹(sub-terahertz)可调光谱范围内实现了高精度且高信噪比相位差测量，光子利用率较传统单重弱测量提升3倍，为相位非经典精密传感提供了兼具多参量并行和宽光谱适配性的可行方案．
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非晶三氧化钨（a-WO3）材料因其高浓度氧空位、适中的带隙以及与CMOS技术的兼容性，成为非易失性电阻开关（RS）忆阻器的理想候选材料。然而，a-WO3忆阻器在模拟开关行为上的低效表现，阻碍了其在高效神经计算领域的应用，而神经计算方式能够满足人工智能等数据密集型应用日益增长的需求。本研究通过在介质层中设计氧空位（Vo）梯度分布结构，成功实现了a-WO3忆阻器的模拟开关功能。采用Vo梯度分布结构的器件展现出高度可靠的模拟开关特性，其特点包括：低周期间波动性、较高的线性增强/抑制过程、超长数据保持时间（>104秒）以及自限流特性。基于该结构忆阻器的人工神经网络实现了97.64%的手写数字识别准确率。此外，我们提出了一种导电细丝（CFs）演化方案，通过形成非锥形导电细丝防止其突然形成和断裂，实现了可控的渐进式多级电导调制。这些研究成果确定了Vo梯度分布的a-WO3忆阻器作为高密度神经计算平台的潜力，为设计优化实验方案提供了宝贵思路和实用策略。
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浅海波导中的非线性声传播问题是声波在复杂海洋环境中传播的基本问题，在水下非线性声场控制与目标探测等领域具有重要意义。针对波导中的非线性声传播问题建立了理论分析模型与数值计算方法，研究了非线性互作用过程中差频波束在波导界面发生反射的物理特性。首先，基于非线性波动方程的准线性理论，通过引入高精度的非近轴近似方法，利用镜像源方法对波导中的非线性声场进行分析，提出了可以精确计算大掠射角情况下非线性声场广角信息的理论模型。研究了波导中多种因素对非线性声传播特性的影响。研究结果表明：频率的提升会增强非线性波束的定向性能，从而进一步提升其在波导中的抗干涉能力；当声源靠近波导界面时，非线性波束在靠近该边界的一侧区域内出现旁瓣，原本集中于声轴附近且均匀变化的波束能量出现明显的间断现象；声源掠射角会直接影响波束发生界面反射的先后次序，并对声场的能量分布产生影响；波导界面通过影响非线性虚源的空间幅值和相位分布来决定最终的声场结构。
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为更全面地探究个体识别或接受外界信息能力的差异性对意识传播，进而对疾病传播的影响，本文在构建了具有高阶交互作用的意识-疾病双层网络后，创新性地引入个体异质性因子，提出UAU-SIS（Unaware-Aware-Unaware-Susceptible-Infected-Susceptible）意识-疾病传播模型。该模型中的异质性主要通过个体的一阶度、二阶度以及协调因子、响应因子体现。基于微观马尔可夫链方法（Microscopic Markov Chain Approach，MMCA），本文对提出的UAU-SIS模型进行意识和疾病协同传播的理论分析，从理论上推导出疾病传播阈值的数学表达式。蒙特卡洛（Monte Carlo，MC）数值模拟验证了MMCA理论分析的可行性与有效性，同时，大量的数值模拟探究了个体异质性对意识传播、疾病传播及传播阈值的影响。结果表明：合理调控意识层的一阶平均度和二阶平均度，可有效促进意识传播，提升整体疾病防控效果；此外，减小协调因子或增强响应因子，能够有效推动意识传播，提高疾病传播阈值，从而抑制疾病传播。
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