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密度泛函理论在当代电子结构计算中占据主导地位, 然而其计算复杂度随体系规模呈立方增长, 制约了其在复杂体系或高精度计算中的应用. 近年来, 机器学习与第一性原理计算的结合, 为这一问题提供了新的解决方案. 本文对机器学习加速电子结构计算的方法进行了综述, 重点讨论现有研究在加速材料电子结构计算中所取得的重要进展. 此外, 对未来研究中基于机器学习技术进一步克服电子结构计算的精度和效率瓶颈、扩展适用范围、实现在大尺度材料体系中计算模拟与实验测量的深度融合做了展望.
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随着三维异构集成技术的兴起与大规模应用, 电感型集成电压调节器在移动终端及高算力设备中的重要性日益凸显, 同时也为高频软磁薄膜材料带来了重要的发展机遇. 本文基于片上薄膜功率电感的应用需求, 首先梳理了坡莫合金、Co基非晶金属薄膜以及FeCo基纳米复合颗粒膜3类磁芯膜材料的优势与局限性, 重点探讨了微米级厚度叠层磁芯膜所面临的技术要求与挑战. 其次, 几乎所有的片上电感都工作在难轴激发模式, 即电感激发磁场的方向与磁芯膜的难磁化方向平行. 本文对比了两种制备大面积均匀单轴各向异性磁芯膜的工艺方法、各自特点及对静态和高频软磁性能的影响, 并且分析了图形化对于磁芯膜磁畴结构、高频磁损耗的作用机制以及相应的优化策略. 随后, 从工艺兼容与长期服役两个维度, 探讨了磁芯膜磁导率与各向异性的温度稳定性问题. 尽管3类磁芯膜的居里温度和晶化温度较高, 但是实际制程温度的上限会受到热对于磁性原子对取向、微观结构缺陷和晶粒尺寸的影响. 最后, 针对当前高频、大信号条件下磁芯膜磁损耗测试中存在的瓶颈问题进行了总结, 并展望了为满足片上功率电感对更高饱和电流和更低磁损耗需求, 未来磁芯膜发展的技术路径.
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多平面光转换共孔径相干合成技术作为一种新兴的光场调控手段,能够突破传统分孔径相干合成方法中能量利用率低与光束质量不佳的瓶颈.本文建立了多平面光转换相干合成理论模型,并引入了转换效率、旁瓣抑制比与相位匹配度等多维指标,以全面评估光束质量.提出了分区相位编码、涡旋相位编码等模式映射设计方法,以提升输入输出模式间的匹配度.该方法将5个多焦点光束的平均效率从92%提升至97%,并显著改善光束质量.通过数值仿真,系统探索了多平面光转换在高效、灵活生成复杂结构光场方面的潜力.结果表明,多平面光转换相干合成可以生成多种复杂结构光场,5个拉盖尔-高斯光束、5个几何图形和5个字母图案的平均效率分别为97.4%、99.2%和96.5%,旁瓣抑制比优于14 dB,相位匹配度高于96%.此外,探讨了基于模式分解的任意光束整形方法的可行性及其对振幅调制的需求,并分析了相位板数量与模式数量之间的制约关系.本文研究证明了MPLC相干合成实现高能量利用率与高光束质量的光场操控的可行性,有望为高功率结构光场在激光加工、量子信息等领域的应用提供理论依据和技术参考.
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中红外量子光源在气体传感和红外热成像等领域具有广阔的应用前景.然而，目前常用的中红外量子纠缠光源主要依赖块状周期极化铌酸锂（periodically poled lithium niobate，PPLN）晶体，其亮度和集成度均存在不足.本文提出了一种基于铌酸锂薄膜波导的理论方案，利用1556.9 nm泵浦产生中心波长为3113.8 nm的纠缠光子对.通过合理的波导结构设计与周期极化设计，实现了II型相位匹配与群速度匹配，使得横电（transverse electric，TE）偏振泵浦入射时能够下转换产生TE偏振与横磁（transverse magnetic，TM）偏振的光子对.进一步地，结合域排列算法对PPLN波导的极化方向进行定制化设计，可实现精确的相位匹配，从而获得纯度高达0.999的量子光源，亮度可以达到6.18×106 cps/mW，相比块状PPLN晶体光源亮度提升三个数量级.本研究有望为中红外波段实现高亮度、高纯度的片上量子光源提供解决方案.
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近年来，关于表面等离激元轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态的研究主要聚焦于单一OAM态的生成及不同拓扑荷数OAM态的演化。而如何通过微纳结构的精确设计，实现具有特定相位关系的两个OAM态的相干叠加，仍面临诸多挑战。本文提出了一种新型等离激元微纳结构，以矩形缝对为结构单元，按照圆环或分段螺旋线轮廓排列。不仅能够在表面等离激元场中有效产生具有不同拓扑荷的OAM纯态，还可通过调控入射光的偏振态，实现两种OAM态以不同振幅比和相位差的灵活叠加，从而实现OAM叠加态在布洛赫球面上的演化。结合理论分析与数值模拟，本文验证了该结构在圆偏振光照射下可产生不同拓扑荷的OAM纯态；而入射光为线偏振时，则可实现两OAM态等振幅叠加，形成具有结构化分布的OAM叠加态。此外，通过调节线偏振光的偏振角，可有效控制两本征OAM态之间的相位差，从而实现叠加态场分布的规律性旋转。本研究为等离激元OAM态的相干控制提供了新的设计思路，也为多功能光场调控器件的集成设计提供了理论基础和技术路径。
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光量子存储器在量子计算、量子传感、量子通信等领域有非常重要的地位。冷原子系统因其优异的量子相干特性、可控性和极佳的弱光场处理能力，成为实现高质量光量子态存储的重要平台之一。其中雪茄型结构的冷原子系综由于其光学深度可达 100 以上而具备高效的存储性能。然而外界不均匀的剩余磁场，使其存储寿命在实用过程中受到了极大地限制。本文研究了由囚禁线圈关断残余及环境涡旋电流产生的非均匀磁场引发的原子自旋退相干问题。理论和实验表明，直流磁场能提供量子化轴而且可抑制非均匀磁场的影响，并调控自旋退相干与重相干周期。进一步地，本文演示了在磁子能级的光学泵浦过程中泵浦光功率可有效控制原子布居占比，从而精准控制退相干和重相干发生的强度。基于以上磁场调控结果，本文提出了一种双时间点的光子纠缠态的产生、存储和测量方案。基于冷原子系综制备的光子对是窄线宽的，其在时间点上编码的光子纠缠态在长距离传输中更稳定。利用外加磁场的方式调控原子自旋波退相干重相干的周期时间，可以选择性地将双时间点的原子自旋波转化为对应时间的读光子，从而构建正交的时间点测量基矢。
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作为新一代的纤锌矿铁电材料, Al1–xScxN具有高的剩余极化强度、理想的矩形电滞回线、与CMOS后道工艺兼容、稳定的铁电相等优点. 作为近几年铁电领域的热点材料, 国内外科研人员进行了深入研究. 本文对Al1–xScxN铁电薄膜的研究进展进行了全面的综述. 在Al1–xScxN铁电性的影响因素方面, 讨论了Sc含量、衬底类型、沉积条件、薄膜厚度、测试频率及温度等因素对薄膜的作用. 在极化翻转机制方面, 详细阐述Al1–xScxN电畴特性、翻转动力学、形核位置等微观物理机制. 在应用前景上, Al1–xScxN薄膜在铁电随机存储器、铁电场效应管和铁电隧道结等铁电存储器中表现出巨大潜力, 为新一代高密度、低功耗铁电存储器及纳米电子器件的发展提供有力支持.
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本文基于磁热效应的绿色磁制冷技术, 并以Ni-Mn-Ga Heusler合金为对象, 系统地探索其作为磁制冷工质的潜力. 为阐明富Mn成分对合金磁性与磁热性能的调控机制, 采用第一性原理计算与蒙特卡罗模拟相结合的多尺度方法, 重点分析Mn原子分别占据Ni与Ga位时, 对合金微观结构、原子磁矩、交换作用及宏观磁热行为的影响. 结果表明, Mn占位方式对磁性能具有关键调控作用: Mn占据Ni位会降低总磁矩与居里温度, 并减小磁熵变; 而Mn占据Ga位则显著提升总磁矩与磁熵变, 其中Ni8Mn7Ga1合金在2 T磁场下的最大磁熵变高达2.32 J·kg–1·K–1, 远高于化学计量比Ni8Mn4Ga4合金. 态密度与交换作用分析进一步表明, Mn含量变化可调控其在费米能级附近的电子结构, 优化轨道杂化与铁磁交换作用, 影响磁相变行为. 临界指数分析显示合金中磁相互作用具有长程特性, 并随成分变化趋近于平均场行为. 本工作从微观层面建立了“成分-结构-磁性-磁热性能”之间的构效关系, 为设计高性能、低滞后磁制冷材料提供了理论依据.
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晶格模式是周期性结构的固有特性, 通过改变阵列结构的周期可以对其进行有效调控. 本文提出了一种基于金纳米条与以VO2为衬底的金S型开口环的杂化太赫兹超表面结构, 该结构能够同时激发宽带的局域表面等离子体共振(明模式)和受晶格模式影响的窄带表面晶格共振(暗模式). 通过干涉相消效应, 在阵列结构单元中实现了明-明模式与明-暗模式的双诱导透明现象, 两个透明窗口的透射率分别达到66.03%和59.4%. 进一步研究表明, 通过调节阵列结构周期, 不仅可以有效调控透明窗口的形成, 还可以利用VO2电导率的动态变化, 实现透明窗 “ON/OFF” 的动态开关特性. 值得注意的是, 在受晶格模式影响的高频透明窗频点处, 观测到了8.1 ps的群延时. 此外, 周期调节还能显著优化共振性能, 可使低频点杂化共振的品质因子实现一个数量级的提升. 该研究为慢光器件、超灵敏传感器以及多频带窄带滤波器的设计提供了新的思路.
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基于量子存储辅助的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议原理上能有效提升量子密钥分发系统的传输距离和密钥率, 但现有三强度诱骗态方案受有限长效应影响严重, 仍存在密钥率低、安全传输距离受限等问题. 针对以上问题, 本文提出了一种基于双参数扫描的量子存储辅助MDI-QKD协议, 一方面, 通过使用四强度诱骗态方法降低有限长效应的影响; 另一方面, 结合集体约束模型与双参数扫描算法来优化有限样本下的单光子计数率和相位误码率的估算精度, 从而有效提升系统的整体性能. 同时, 本文开展了相关数值仿真计算, 仿真结果显示, 本方案与现有其他同类MDI-QKD方案, 比如基于存储辅助的三强度诱骗态方案以及不使用存储的四强度诱骗态方案相比, 在相同的实验条件下, 分别提升了超过30 km和100 km的安全传输距离. 因此, 本文工作将为未来发展远距离量子通信网络提供重要的参考价值.
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La3Ni2O7在高压条件下表现出近80 K的超导电性, 是继铜氧化物高温超导体之后第二类超导转变温度进入液氮温区的层状非常规超导体, 其发现引起了国际上的广泛关注. 利用最近发展的金刚石对顶砧(DAC)准静水压技术, 本课题组在La3Ni2O7高压电输运测量方面的取得了一些重要进展, 率先发现了其高温超导零电阻现象, 并揭示了超导与奇异金属态之间的内在联系. 本文简单概述我们在该方面取得的一些研究进展, 包括DAC准静水压技术的发展、La3Ni2O7超导零电阻的发现过程、超导转变温度Tc与线性电阻系数之间的联系、以及修正后的压力–温度相图等. 结合后续发现的其他类型的镍基高温超导材料的压力-温度相图, 本文还系统分析了镍基高温超导与密度波转变和结构相变之间的可能联系, 为后续镍基高温超导的研究提供借鉴.
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低温感应耦合射频等离子体作为半导体制造中的关键等离子体源, 其中性气体温度通过调控化学反应动力学、活性自由基分布以及等离子体-表面相互作用, 对高质量芯片制造工艺具有重要影响. 本文通过光谱法、布拉格光栅和光纤传感测温等3种测温手段, 系统研究了氮气以及氮氩混合等离子体在不同射频功率、气体压力和气体组分条件下的中性气体温度(Tg)的变化规律. 另外, 还结合Langmuir探针测量的电子密度、电子温度、电子能量概率函数以及整体模型模拟, 分析了中性气体加热的物理机制. 结果表明, 当射频功率增大时, 耦合到等离子体的能量增大, 电离反应增强, 电子-中性粒子之间的碰撞过程和能量传递增大, 使Tg呈单调递增趋势. 而当气压升高初期, 电子密度和背景气体密度增大共同提升了加热效率, Tg快速上升, 但在气压超过3 Pa后, 电子平均自由程缩短, 电子密度下降, 而背景气体密度持续增大, 因而导致Tg 增大变缓. 在氮/氩混合体系放电中, 氩气比例增大显著提高了Tg的上升速率, 这是由于随着氩气比例增大, 高能电子比例和电子密度上升, 增强了电离和中性气体加热, 同时氩亚稳态原子通过 Penning过程提高了氮激发态粒子密度, 并促使氮分子向高能级激发, 进一步加热气体. 此外, 研究发现纯氮等离子体的径向温度分布在轴向高度增大时呈现由抛物线形向马鞍形的转变, 这是因为离线圈越近, 受到电磁场的影响电子碰撞激发反应越强. 研究还发现了径向边缘处的Tg随气压的升高几乎不发生变化, 这是由于当气压不断升高时, 线圈下方的电子很难运动到径向边缘处与中性粒子发生碰撞, 从而限制了边缘中性粒子的加热.
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磁共振无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术是近年来近场调控的研究重点之一, 其在移动电话、植入式医疗设备以及电动汽车等诸多方面都具有重要的应用价值. 对于复杂传能通道需求(例如机械臂等), 通常需要引入中继线圈构造多米诺耦合阵列. 然而, 传统的多米诺耦合阵列存在明显的局限性: 近场耦合导致的多重频率劈裂, 使得系统无法保持固定的工作频率; 耦合阵列易受到构造误差及参数扰动影响; 目前研究多数集中在单负载传输, 多负载传输系统仍然亟待开发; 能量传输方向难以灵活控制. 近年来, 光子人工微结构为拓扑物理提供了良好的研究平台, 使得拓扑特性得到了广泛的研究. 拓扑结构的最显著特征是具有非零的拓扑不变量以及由体边对应确定的鲁棒性边界态, 这一天然特性能够免疫制造缺陷和无序扰动. 不仅如此, 通过调整拓扑态的波函数分布能够使能量精准局域, 从而实现定向的WPT. 因此, 将拓扑模式用于耦合阵列WPT具有重要的科学意义. 本文主要阐明了基于宇称-时间(parity-time, PT)对称的通用型双线圈和三线圈WPT的基本原理, 并且介绍了不同拓扑构型下的多米诺线圈阵列能够实现鲁棒的WPT, 包括一维周期性模型(SSH链组成的有效二阶PT对称和有效三阶PT对称系统)、一维非周期性模型(拓扑缺陷态、类SSH链、准周期Harper链)以及高阶拓扑模型, 最后对拓扑模式在WPT的应用方向进行了展望.
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本文成功研制了一种基于稀土掺杂铯铅氯(CsPbCl3)无机闪烁晶体的新型高性能探测器。该晶体具备亚纳秒量级的荧光上升时间、纳秒级衰减时间及及通过掺杂优化的高荧光产额。通过将其与具有亚纳秒级渡越时间的微通道板光电倍增管（MCP-PMT）及自研的2.5 吉赫兹(GHz)高速采集系统集成，构建了一套完整的超快探测系统。基于光学分频的等效GHz激光脉冲测试表明，该系统能够清晰分辨平均峰值间隔仅0.79 ns的连续荧光脉冲，成功实现了1.26 GHz量级的高重频探测能力，在高速辐射探测领域展现出显著优势。在上海光源软X射线自由电子激光（SXFEL）装置中的实地应用表明，其X射线脉冲响应宽度窄至4 ns以下，远优于LYSO对比晶体，为超快时间分辨探测提供了可靠的技术方案。
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晶界特征及受载行为是影响多晶陶瓷强度与塑性的关键因素。本文基于第一性原理计算研究了(HfNbTaTiZr)C高熵碳化物陶瓷（High-entropy carbide ceramic，HECC）及其组分二元过渡金属碳化物（Transition metal carbides, TMCs）中Σ5 {310}[001]晶界的稳定性及其在外载下的力学响应。结果显示：各体系均存在Open与Compact型两类晶界，Open型晶界能较低，结构更稳定。剪切变形下，除IVB族TMCs的Open型晶界因形成C–C键而发生TM–C键断裂失效外，其余体系均表现为晶界迁移。HECC中Open型晶界的首次迁移应力高于TMCs，体现出多主元晶界的强化作用。拉伸作用下，含Compact型晶界的TMCs主要以石墨化方式失效，而HECC同时出现石墨化与沿晶断裂。对于Open型晶界，IVB族TMCs因晶界过剩体积增大而屈服，VB族TMCs则发生沿晶断裂，两类机制在HECC中均可观察到。值得注意的是，含Compact型晶界HECC的屈服强度接近TMCs的峰值，应力水平突破了理想状态下“短板效应”的限制。本研究揭示了晶界结构与多主元效应在力学响应中的协同作用，研究结果可为HECC的晶界调控与力学性能优化提供理论依据。
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