以石墨烯为代表的二维材料具有新颖的物理特性和潜在的应用前景. 但石墨烯的零带隙限制了它在半导体器件中的应用, 寻找新的半导体型替代材料成为当前的一个研究热点. 作为黑磷的单层, 磷烯具有褶皱状蜂窝结构. 它具有可调直接带隙、高载流子迁移率和面内各向异性等独特的性质, 引起了人们的广泛关注. 磷烯的发现开辟了Ⅴ族二维单层材料的研究领域. 本文首先着重介绍具有黑磷结构的五种单元素二维材料(氮、磷、砷、锑和铋)的结构、合成和物理性质. 其次, 讨论了一些类黑磷结构的二元二维材料, 包括Ⅳ-VI族化合物、V-V族化合物. 这些材料具有独特的晶体对称性, 通过改变结构以及维度可以实现对性质的调控. 最后指出了一些当前需要解决的问题, 并对这些二维半导体材料未来可能的应用前景进行了展望.

量子人工智能是一个探究人工智能与量子物理交叉的领域: 一方面人工智能的方法和技术可以用来解决量子科学中的问题; 另一方面, 量子计算的发展也可能为人工智能, 尤其是机器学习, 提供新的范式, 极大促进人工智能的发展. 然而, 量子机器学习和经典学习系统对于对抗样本同样具有脆弱性: 在原始数据样本上添加精心制作的微小扰动将很可能导致系统做出错误的预测. 本文介绍经典与量子对抗机器学习的基本概念、原理、以及最新进展. 首先从经典和量子两个方面介绍对抗学习, 通过二维经典伊辛模型和三维手征拓扑绝缘体的对抗样本揭示出经典机器学习在识别物质相时的脆弱性, 同时利用手写字体的对抗样本直观展示出量子分类器的脆弱性. 随后从理论层面上分别阐述经典与量子的“没有免费午餐”定理, 并探讨了量子分类器的普适对抗样本. 最后, 分析并讨论了相应的防御策略. 量子人工智能中对抗学习的研究揭示了量子智能系统潜在的风险以及可能的防御策略, 将对未来量子技术与人工智能的交叉产生深刻影响.

近年来, 很多基于生成模型的机器学习算法, 如生成对抗网络、玻尔兹曼机、自编码器等, 在数据生成、概率模拟等方面有广泛的应用. 另一方面, 融合量子计算和经典机器学习的量子机器学习算法也不断被提出. 特别地, 量子生成模型作为量子机器学习的分支, 目前已有很多进展. 量子生成算法是一类量子-经典混合算法, 算法中引入参数量子线路, 通过执行参数线路得到损失函数及其梯度, 然后通过经典的优化算法来优化求解, 从而完成对应的生成任务. 与经典生成模型相比, 量子生成模型通过参数线路将数据流映射到高维希尔伯特空间, 在高维空间中学习数据的特征, 从而在一些特定问题上超越经典生成模型. 在中等规模含噪声的量子体系下, 量子生成模型是一类有潜力实现量子优势的量子机器学习算法.

机器学习因其在模式识别等问题上的优势已经被广泛应用到各个研究领域, 然而其运算能力在一定程度上受到经典计算机算力的制约. 近年来, 随着量子技术的高速发展, 量子计算加速的机器学习在诸多量子体系中进行了初步实验验证, 并在某些特定问题上展示出了超越经典算法的优势. 本文主要介绍两类典型的自旋体系—核磁共振体系和金刚石氮空位色心体系, 并回顾近年来量子机器学习在这两类体系上的一些代表性实验工作.

量子计算在近十年取得了长足的进展. 随着量子调控技术达到前所未有的高度, 包括超导量子比特、光量子器件、原子系综等在内的量子实验平台都进入到了崭新的时代. 目前在特定计算任务上超越经典的量子计算优势也已经被报道. 其中一种可以有效运用可控量子器件的计算方案是采用绝热量子计算. 绝热量子计算中算法的选择与研究至关重要, 其将直接决定量子计算优势是否能够最大限度地被挖掘. 本综述主要介绍近期机器学习在绝热量子算法设计方面的应用, 并讲述该计算架构在3-SAT和Grover搜索等问题上的应用. 通过与未经机器学习优化设计的绝热量子算法对比, 研究表明机器学习方法的应用可以极大提高绝热量子算法的计算效率.

经典计算机的运算能力依赖于芯片单位面积上晶体管的数量, 其发展符合摩尔定律. 未来随着晶体管的间距接近工艺制造的物理极限, 经典计算机的运算能力将面临发展瓶颈. 另一方面, 机器学习的发展对计算机的运算能力的需求却快速增长, 计算机的运算能力和需求之间的矛盾日益突出. 量子计算作为一种新的计算模式, 比起经典计算, 在一些特定算法上有着指数加速的能力, 有望给机器学习提供足够的计算能力. 用量子计算来处理机器学习任务时, 首要的一个基本问题就是如何将经典数据有效地在量子体系中表示出来. 这个问题称为态制备问题. 本文回顾态制备的相关工作, 介绍目前提出的多种态制备方案, 描述这些方案的实现过程, 总结并分析了这些方案的复杂度. 最后对态制备这个方向的研究工作做了一些展望.

物理学在机器学习中的应用以及两者的交叉融合正引起广泛关注, 尤其是在波动系统和扩散系统中. 本文重点关注波动与扩散物理系统和机器学习之间的内在联系以及对机器学习算法和物理实现的推进作用, 综述了波动系统和扩散系统中的机器学习研究, 介绍了部分最新研究成果. 文中首先讨论了监督学习的波动系统实现, 包括神经网络的波动光学实现、量子搜索的波动实现、基于波动系统的递归神经网络以及神经形态的非线性波动计算. 接着, 文中继续讨论了受扩散系统启发的机器学习算法, 如基于扩散动力学的分类算法, 基于热扩散的数据挖掘和信息过滤, 以及基于群体扩散的搜索优化等. 波动系统以其天然的并行性、高效、低能耗等优势, 通过丰富的波动力学和波动物理现象进行计算或算法模拟, 正成为机器学习的新型物理载体. 扩散系统中的物理机制可以启发构建高效的机器学习算法, 用于复杂系统和物理学研究中的分类、优化等问题. 期望通过对波动、扩散物理系统与机器学习内在联系的讨论, 能够为开发物理启发的新算法和硬件实现甚至软硬一体化带来抛砖引玉的启示.

自动微分是利用计算机自动化求导的技术, 最近几十年因为它在机器学习研究中的应用而被很多人了解. 如今越来越多的科学工作者意识到, 高效、自动化的求导可以为很多科学问题的求解提供新的思路, 其中自动微分在物理模拟中的应用尤为重要, 而且具有挑战性. 物理系统的可微分模拟可以帮助解决混沌理论、电磁学、地震学、海洋学等领域中的很多重要问题, 但又因为其对计算时间和空间的苛刻要求而对自动微分技术本身提出了挑战. 本文回顾了将自动微分技术运用到物理模拟中的几种方法, 并横向对比它们在计算时间、空间和精度方面的优势和劣势. 这些自动微分技术包括伴随状态法, 前向自动微分, 后向自动微分, 以及可逆计算自动微分.

虽然水分子结构简单, 但是关于水冰的基本理论仍有很多问题没有科学答案. 对于冰的原子分子振动, 人们对其分子内的伸缩和弯曲振动以及分子的空间转动已经研究得很清楚. 然而30年前, 高亮度的非弹中子散射实验发现, 很多冰相的远红外分子平移区中存在两个明显的特征振动峰, 对其来源一直没有定论. 本文基于第一性原理密度泛函理论的CASTEP代码, 系统研究了不同冰相的振动谱和振动模式. 在对最简单的氢有序冰Ic模型的研究中, 首次发现了两类本征的氢键振动模式. 以此为线索, 继续模拟其他的冰相, 发现无论是氢有序还是氢无序结构都存在这个规律. 利用冰晶格局域正四面体理想模型, 理论上证明了两类振动模式可分为围绕一个水分子的氢键的四键振动和双键振动. 高压下, 因为结构变形, 存在介于二者之间的耦合振动. 此外, 还有能量更低的一些光学支振动模式, 比如团簇的振动、面间振动. 冰VII/VIII, XV/VI等结构, 是由两个子晶格嵌套而成的, 两个子晶格之间还有非氢键的相对振动. 综上, 这些分子平移振动可解释所有冰相的远红外振动谱, 为冰的分子振动理论补足了最后一块拼图. 由于液态水不存在这两类氢键振动, 因此其远红外吸收带在两个氢键位置恰好是个波谷. 结合太赫兹激光技术的发展, 此理论有望在工业除冰、食品解冻、可燃冰开采和生物分子冷冻塑型等领域产生系列原创成果.

硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy, BNCT)是一种结合含硼-10靶向药物和重离子肿瘤治疗的二元精确放射治疗方法, 但经过近70年的发展, BNCT仍然未能真正进入临床应用. 含硼-10药物在体内的浓度分布测量方法不能满足临床需求, 影响治疗的效果和安全性, 是目前BNCT亟待解决的核心问题之一. 本文对目前含硼-10药物浓度分布测量方法进行综述, 包括已经用于临床的有创估算方法及在研的单光子发射断层成像方法、正电子发射断层扫描方法及核磁共振方法等, 分析各种方案的优势与局限性. 并根据硼-10元素旋磁比低及磁共振横向弛豫时间极短的特点, 从理论上简要分析了基于超短回波时间磁共振成像的硼-10体内分布定量测量方法的可行性.

层流气体雾化制备的金属粉末具有粒径较小且粒度分布窄的优点, 目前对层流气体雾化的研究主要集中在工艺参数对雾化效果和粉末特性的影响, 其雾化机理仍不完全清楚. 本文通过数值模拟和实验分析, 系统地研究了层流气体雾化过程中的雾化气体流场、一次雾化和二次雾化机理以及最终的粉末颗粒形态. 采用标准k-ε湍流模型, 研究了基于De Laval喷嘴的层流雾化单相气体流场, 流场呈“项链”状结构, 并伴有斜激波的膨胀波团. 采用耦合水平集-体积分数法研究了一次雾化和二次雾化机理, 并通过雾化实验得到了凝固碎片和粉末, 验证了该模型的有效性, 数值模拟结果也为层流气雾化制粉技术的实际应用和具体工艺提供了重要参考. 研究表明, 液柱周围的熔体主要以细丝或韧带的形式剥离, 这显示出了增压低维度雾化的特点. 二次雾化过程中球形液滴主要基于Rayleigh-Taylor不稳定变形和Sheet-Thinning破碎模式分解破碎, 丝状熔体则主要以曲张波表面发生扰动从而引起波谷处破裂的方式进行破碎.

本文探究了单腔和双腔光机械装置的动力学相变和选择性能量交换. 发现系统会经历类似于Dicke-Hepp-Lieb超辐射型的动力学相变, 且两光场间的正交动量耦合出现一个新的动力学临界点. 两光场间的正交动量耦合等价于单(双)模光机械系统的外场驱动. 通过耦合参数的调控, 系统可以实现任意两模间的选择性能量交换, 且临界耦合点与选择性能量交换对应. 模压缩是能量转换的标志, 且任何两模的正交压缩由特定玻色模间的能量交换决定.

量子卫星通信是通信领域的研究热点和前沿, 具有理想的信息安全性和覆盖面广的优势, 对于构建全球范围的量子卫星广域网具有重要意义, 而远距离传输信息时网络的可靠性、安全性和路由中继等问题仍需改进. 为了构建性能良好的量子卫星广域网, 本文提出利用蜘蛛网作为一种独特的自然通信拓扑结构, 将自然界蛛网演进为人工蛛网拓扑, 量子信息的传输采用N阶量子隐形传态路由方案, 其传输时延基本不变, 在此基础上构建蛛网网络拓扑量子广域网传输模型, 并对构建的网络模型的误码率、吞吐率、安全密钥生成率进行仿真分析. 用抗毁度作为衡量网络拓扑结构可靠性的指标, 以9节点环型网和9节点蛛网为例进行定量和定性分析, 得出蛛网拓扑具有更高的可靠性. 当噪声的平均功率谱密度给定且不存在中继时, 量子态的传输距离越大误码率越大, 这时要考虑引入中继; 当传输距离和噪声功率谱密度一定的情况下, 误码率随着中继节点个数的增多而减小, 因此在蛛网拓扑下要选择合适的路由过程. 随着量子卫星分发纠缠光子对成功概率的增大, 吞吐率逐渐增加; 随着网络中传输时延的增大, 吞吐率逐渐减小, 但在该路由方案下传输时延基本不变, 且蛛网结构的传输时延很小, 因此本文中提出的基于N阶量子隐形传态的蛛网网络拓扑量子广域网的吞吐率不会有明显的降低. 当量子信息的传输距离不断增大时, 网络密钥生成率逐渐减小; 随着网络中继节点个数的增多, 密钥生成率逐渐增加. 由此可见, 利用蛛网拓扑以及N阶量子隐形传态路由方案构建量子卫星广域网具有很好的优势.

针对大口径干涉型红外光谱辐射计, 分析了不平行于主光轴的入射光, 对理想仪器线型函数的影响. 本文系统介绍了对仪器线型函数产生影响的截断效应、有限视场效应、离轴效应和离焦效应, 并通过HITRAN数据库对理想的水汽吸收光谱进行仿真, 建立了仪器线型函数误差与光谱畸变的定量关系. 根据仿真结果, 提出了因子权重校正算法. 利用水汽吸收的仿真数据对因子权重校正算法进行验证, 光谱漂移从0.51 cm–1降低到0.01 cm–1以下. 通过自研干涉型红外光谱辐射计对标准黑体的观测实验, 验证因子权重校正算法的准确性, 实测数据的光谱漂移从0.226 cm–1降低到0.012 cm–1, 校正后的光谱数据更为准确.

顶层透光、底层不透光的金属-介质-金属多层结构可以产生窄带完美吸收共振, 用于测量介质层待测液体的折射率变化. 本文通过构建Fabry-Perot共振解析模型, 准确复现了该结构的响应光谱, 给出了其共振波长、品质因子、半高全宽和灵敏度的解析表达式, 并分析了介质层厚度对光谱的谐振波长和线宽的调谐机制, 明确了其物理机理. 基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构, 用于折射率传感时的品质因子及优值分别达到2162.8和1648.1 RIU–1. 针对极小的折射率扰动, 通过在奇异点状态叠加Fabry-Perot共振的调谐机制, 提出了通过测量奇异点波长处反射系数的增加量或散射矩阵本征值的分裂量, 实现对待测液体折射率的可调谐式传感的方案. Fabry-Perot模型解析结果显示, 当待测液体的折射率变化为10–4 RIU时, 基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构的前向反射系数增加量和本征值分裂量分别达到0.319和1.1279.

噪声是影响弱信号检测器件性能指标的主要因素之一, 而最优滤波算法是白噪声背景中自适应提取弱有用信号的一种常见处理方法. 本文针对极低温环境下微波动态电感探测器(microwave kinetic inductance detector, MKID)光子弱信号响应的噪声特性, 在改进噪声模型的基础上利用最优滤波算法改进了探测信号的噪声处理. 结果表明, 经过改进噪声模型的算法处理, MKID的能量分辨(单光子探测器的主要性能指标之一)得到了15%左右的提升, 实现了0.26 eV的红外单光子能量分辨.

应用从头算分子动力学方法, 模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程, 研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响. 干燥环境下, 压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移, 而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移. 潮湿环境下, 界面结构影响水分子的整体分布和运动状态, 而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为. 由于二氧化硅表面羟基取向角较大, 使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大, 从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱, 二者之间出现相对滑移. 石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变. 通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析, 发现其与摩擦系数之间存在正相关性.

水下光学成像是海底探索和目标识别的一个重要方式. 由于海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因, 存在着大量的气泡. 气泡群的光散射作用往往会使水下目标成像效果受限、难以识别, 并且一般的光学技术难以消除气泡对成像的影响. 针对上述问题, 本文先从理论上推导和仿真了入射光线在水下单气泡、气泡群中以及目标表面的光强和偏振信息的变化; 然后在构建了水下气泡实验平台的基础上探究了光源入射角度的改变以及成像波段的变化对气泡环境中目标偏振成像的影响; 研究了不同金属材质目标物的强度和偏振信息的变化趋势; 分析了水下目标在不同气泡群厚度条件下强度和偏振信息的变化趋势; 最后利用偏振特征提取与视觉信息保留的图像融合方法抑制气泡对水下目标成像的影响. 实验结果显示气泡群中目标成像会受到多种因素的影响, 利用偏振图像融合方法会使气泡群受到较好的抑制, 并提高了水下目标的清晰度.

大多数光学加密系统都是对称加密系统, 在光学图像加密中明文和密文之间具有线性关系, 其系统的安全性有待加强. 而基于相位截断傅里叶变换(phase-truncated Fourier transform, PTFT)的非对称加密系统, 其非线性的相位截断操作使加密系统的安全性得到了极大提升. 本文提出使用深度学习方法攻击PTFT加密系统, 通过PTFT加密系统构造出明密文对图像数据集, 然后将其输入残差网络(residual network, ResNet)中进行训练, ResNet自动学习该加密系统的解密特性. 最后应用测试集对训练好的模型进行解密性能测试, 数据表明该模型能够较好地恢复图像并且该模型具有一定的抗噪声能力. 与两步迭代振幅恢复算法相比, 本文所提出方法恢复的图像质量更好.

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)进行多种组分混合气体测量时, 经常会遇到吸收谱线之间存在相互干扰的现象, 这也是使用该技术测量过程中的主要“瓶颈”. 比如在前期的应用中: 微量一氧化碳(CO)和甲烷气体(CH4)在同时检测时两者的吸收谱线存在严重的重叠干扰现象, 特别是在高浓度CH4存在的环境下, 微量CO气体吸收信号会被干扰甚至湮没, 无法实现有效解调, 这是通过谱线选取所不能解决的问题. 因此, 针对此问题本文提出了基于支持向量回归模型, 以CO和CH4吸收谱线的严重重叠干扰问题为例, 通过选择线性核函数建立CO支持向量回归模型和CH4支持向量回归模型, 可对CO和CH4的混合气体吸收谱线进行解调, 最终获得两种气体浓度的准确测量结果. 通过实验分别实现了四种不同浓度CH4环境下微量CO气体的检测, 得到的CO和CH4浓度(气体的体积分数)测量的绝对误差分别小于2 × 10–6和0.2 × 10–2; 通过不同浓度的固定配比实验分析, CO和CH4气体的测量值与实际值之间的相关系数分别达到了0.998和0.9995, 且CO和CH4气体测量结果的绝对误差分别不超过2 × 10–6和0.1 × 10–2, 完全满足了混合气体的精确测量, 为实现多场合混合气体目标的实时监测提出了解决方案.

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构, 采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场. 结果表明: 与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比, 研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙, 且随着复合柱半径增大, 镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模, 相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承; 此外, 温度场的引入可以实现带隙的主动调控, 带隙频率范围随着温度升高向低频移动; 通过增加复合柱体的层数, 多振子结构与行波发生多极共振耦合, 可在高阶能带间打开完全带隙. 本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.

为了研究疏水表面垂直振动液滴的运动规律, 本文建立了振动液滴的三维模型, 考虑了振动液滴的动态接触角变化过程, 通过流体体积函数和连续表面张力(volume of fluid-continue surface force, VOF-CSF)方法实现了液滴受迫振动的数值模拟, 得到了液滴的四种模态(2, 4, 6和8)动态演化过程、内部流场结构以及动态接触角的变化规律. 随着振动加速度的改变, 液滴可表现出丰富的模态, 而具体模态依赖于振动加速度的频率变化. 以此为基础, 本文对液滴的内部流场结构做了进一步的分析. 在模态2和模态4时, 液滴内部流动从底部向上产生“Y”型流动, 而在模态6和模态8时呈现对称的涡流动. 且共振模态阶数越高, 液滴内部速度平均值越大. 液滴振动时的动态接触角明显偏离静态接触角, 表明液滴振动模型有必要考虑动态接触角. 模拟结果与文献中的实验结果做了对比, 结果符合良好.

自八面腔静高压装置问世以来, 一定尺寸的二级压砧上可获得的最大腔体体积一直是一个被忽略的问题. 本工作通过八面体压腔的密封简化模型, 计算出加载后密封边可流动空间的最大体积, 进而确定出一定尺寸的二级压砧上可运行的最大腔体组装, 并以边长为25.4 mm的二级压砧为例, 计算了不同八面体边长与立方块截角边长的组合(八面体传压介质边长/二级压砧截角边长为18/11和25/17组装), 不同八面体初始形状(八面体倒棱与否)加载后的密封边可流动空间的最大体积, 并根据计算结果选定预密封条尺寸. 在边长为25.4 mm的碳化钨立方块上, 以叶腊石八面体为传压介质, 对18/11和25/17组装进行压力标定实验. 实验结果表明本工作中关于密封边体积的计算结果成立, 同时在25.4 mm的碳化钨二级压砧上实现了25/17组装的稳定运行, 获得接近厘米级的样品腔尺寸.

在Nambu−Jona-Lasinio模型框架下, 研究温度和重子化学势对同位旋非对称量子色动力学物质状态方程和热力学性质的影响. 通过将零温和零重子化学势下的pion超流物质状态方程以及有限温下同位旋密度、压强与格点数据做比较, 发现两种方法给出的结果符合得较好. 进一步计算表明, 零温和零重子化学势下的平均同位旋能量随同位旋密度单调增加, 而非零重子化学势和有限温下却呈现具有极小值的非对称抛物线行为. 最后, 利用得到的状态方程探讨声速随同位旋化学势的变化行为, 结果显示有限温和(或)重子化学势下的声速在相变点不连续, 且超流相中的声速饱和值明显大于普通核物质及夸克物质中的值. 另外, 在超流相中重子化学势和温度具有软化状态方程以及降低声速的作用.

离子引出是激光法分离同位素技术中的关键环节之一, 对产品丰度和产率有重要的影响, 而离子引出中离子和原子间的共振电荷转移过程则会对产品丰度造成污染, 因此在研究离子引出过程时应考虑共振电荷转移的影响. 本文利用粒子模拟(PIC)法以及基于PIC法和杂化PIC法的混合算法研究了考虑共振电荷转移的电场法离子引出过程, 通过对一维平行板法的引出方式进行数值计算, 获得了离子引出过程中共振电荷转移的基本性质和关键影响因素—共振电荷转移截面、引出时间、背景原子密度和蒸气宽度, 并据此得到了离子发生共振电荷转移比例的经验公式; 二维工况下的平行板法、交替偏压法、Π型电场法和M型电场法四种引出方式的计算结果则表明, 在其他条件相同的情况下, M型电场法具有最小的离子引出时间和共振电荷转移损失比例. 本文的研究结论对于指导激光法分离同位素技术中离子引出装置设计和实验工艺设计具有比较重要的参考意义.

获得粒子能级布居是研究非平衡等离子体辐射性质的一个重要方面. 对于复杂三维等离子体, 采用细致碰撞辐射模型虽然精确, 但计算耗费大. 本文提出了一种束缚态特征温度法, 能够快速计算得到非平衡等离子体中的粒子能级布居. 对非平衡氖等离子体算例的研究表明, 本文方法是有效的, 在等离子体非平衡程度不太高时与碰撞辐射模型符合较好. 在计算效率上, 本文方法比碰撞辐射模型至少提高了3000倍, 可极大节约计算资源和成本, 在工程计算中有重要实际意义.

铁电随机存储器(ferroelectric random access memory, FeRAM)因其卓越的数据存储性能与非易失性存储特性等优势而备受关注, 但其自身固有的铁电疲劳失效问题制约了FeRAM进一步的发展和商业化应用. FeRAM的疲劳失效与铁电薄膜的畴壁运动密切相关, 但其内在疲劳机理仍有待深入研究. 本文采用基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)的第一性原理计算方法, 研究了锆钛酸铅 (Pb(Zr0.52Ti0.48)O3, PZT) 的疲劳失效机理并提出了增强其耐疲劳性能的方法. 计算结果表明: PZT中氧空位与180°畴壁运动的耦合是其铁电疲劳的内在原因, PZT铁电薄膜中越靠近畴壁的地方越容易形成氧空位, 畴壁处大量氧空位对畴壁运动的“钉扎”作用使畴壁迁移困难, 抑制了其极化反转最终导致了铁电疲劳; Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 (BMN) 缓冲层的存在可吸收PZT中的氧空位, 降低畴壁处的氧空位浓度, 提升其耐疲劳性能. 实验结果表明, 经过1010次极化反转后, PZT 铁电薄膜的剩余极化值降低了51%, 而PZT/BMN薄膜的剩余极化值仅降低了18%; 经过1012次极化反转后, PZT/BMN 薄膜的剩余极化值仍保持有82%并持续稳定. 以上结果表明, BMN缓冲层引入确实能提高PZT铁电薄膜的耐疲劳性, 有望满足FeRAM商业化应用的需求.

非晶合金具有独特物理和力学性能, 如何建立非晶合金微观结构非均匀性与物理/力学性能之间的关联是非晶固体的重要研究课题之一. 微合金化是调控非晶合金微观结构有效手段之一. 本研究以玻璃形成能力优异的Zr50–xCu34Ag8Al8Pdx (x = 0, 2)非晶合金为模型合金, 借助差示扫描量热仪和电磁声转换设备, 研究非晶合金铸态、弛豫态和结晶态热流和剪切模量随温度的演化规律, 以及物理时效(低于玻璃转变温度)过程剪切模量的变化随时间演化规律. 基于自间隙原子理论, 利用热流曲线表征非晶合金在相同热历史剪切模量热效应. 通过分析铸态和弛豫态自间隙缺陷浓度和激活能谱, 发现结构弛豫导致自间隙缺陷浓度减小, 诱导剪切模量随温度演化偏离软化过程, 并伴随体系放热. 与此同时, 研究发现添加微量Pd元素可抑制模型合金体系原子迁移, 增加特征弛豫时间. 本研究从非晶合金模量热效应角度进一步理解非晶合金微观结构非均匀性.

利用非平衡格林函数方法理论研究了光场和电场对锡烯纳米带自旋相关热电效应的影响. 研究表明, 热电电流的性质和强度可以通过圆偏振光场的强度和偏振化方向进行有效调控. 在较强的左旋圆偏振光场和电场的共同作用下, 锡烯自旋向下的边缘态发生相变形成带隙, 通过温度梯度的驱动可以获得100%极化的自旋向下的自旋流. 当施加右旋偏振光时, 自旋向上的边缘态被破坏, 可以产生完全极化的自旋向上的热自旋流. 在较弱的外场作用下, 边缘态的性质不发生改变, 系统不对外输出热电电流. 此外, 研究表明热自旋流的大小与带隙的宽度有关, 适度地增加温度可以显著增大热自旋流的峰值, 但是较高的平衡温度和温度梯度将抑制自旋热电效应.

采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基III-V化合物的热导率性质, 与IV族和III-V族半导体进行对比, 发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基III-V化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙, 导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量, 无法满足三声子散射的能量守恒要求, 严重遏制了三声子散射几率. 金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度. 磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度, 但是其频率带隙比较小, 无法有效遏制三声子散射, 所以磷化硼的热导率小于砷化硼; 尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当, 但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元, 导致锑化硼的热导率低于砷化硼. 该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识.

高灵敏色心量子自旋磁检测是弱磁、极弱磁检测及成像应用的关键. 本文通过搭建结合磁力线集聚结构(MFC)的系综金刚石氮空位(NV)色心的宽视场磁分布成像系统, 对系综金刚石NV色心磁检测增强进行了系统研究. 首先基于磁力线集聚效应仿真设计并制造了成对的T型薄片状MFC结构, 利用连续波光探测磁共振(ODMR)宽视场磁成像技术对MFC的磁增强效果进行验证. 实验测试的MFC间距的最小值为1.0 mm,此时磁增强倍数约为10.35, 通过进一步对比不同磁场强度以及不同间距条件下的MFC磁增强效果, 验证了MFC磁增强效果的有效性, 系统磁检测灵敏度由1.10 nT/Hz1/2提升至0.30 nT/Hz1/2. 通过进一步对比仿真与测量获得的磁增强倍数与间隙宽度的关系, 可对实验系统的磁增强及灵敏度进行有效估计. 在MFC间距为0.5 mm时, 对应的磁增强倍数可提升至约18.21, 磁灵敏度则可达0.25 nT/Hz1/2. 以上结果表明基于磁集聚效应可以实现系综金刚石氮空位色心磁检测灵敏度的有效提升, 为精密量子测量技术在弱磁、极弱磁检测应用方面提供了参考.

介观尺度下颗粒布朗运动的摩擦系数符合黏性流体力学边界条件, 当颗粒尺度减小至纳米级别时, 边界条件向滑移过渡; 另一方面, 随着颗粒尺度的减小, 颗粒表面溶剂分子的吸附效应对颗粒水动力学半径的影响不可忽略. 分子动力学模拟可以捕获纳米流体中颗粒与溶剂分子相互作用的微观细节且计算精度高. 以刚性TIP4P/2005水分子模型为溶剂, 建立不同大小的Cu纳米颗粒在水中扩散的全原子模型. 采用单颗粒追踪方法对颗粒的平动和转动扩散系数进行拟合, 将摩擦因子与黏性边界条件和滑移边界条件下的结果进行比较, 并研究了溶剂在颗粒表面的吸附特性. 研究发现纳米颗粒的平转动摩擦因子均在两种边界条件所预测的理论值之间, 颗粒尺寸越小, 溶剂分子的吸附越明显, 颗粒表面的水分子层会增大颗粒的水动力学半径使得摩擦因子的计算结果偏向黏性边界, 纳米颗粒尺寸约小于5倍溶剂分子尺寸时, 需要考虑颗粒表面的溶剂层对颗粒水动力半径的影响.

针对有机半导体领域的发展要求, 报道了一种能够应用于有机半导体领域衬底浮空的新型SOI LDMOS (silicon on insulator lateral double-diffused metal oxide semiconductor)功率器件, 不同于传统无机半导体中SOI LDMOS功率器件, 该新型器件可以与绝缘的柔性衬底结合应用于有机半导体领域, 这给有机半导体领域的研究方向提供了新的可能. 本文通过仿真和流片实验共同验证了当常规SOI LDMOS缺失衬底电极后, 比导通电阻和阈值电压均无明显变化, 但击穿电压会因为缺失衬底电极和纵向电场而下降15%左右. 针对该现象提出了一个具有表面衬底电极和漂移区氧化槽的新型SOI LDMOS功率器件, 该新型器件能够重新给衬底提供电极、优化横纵向电场、不明显改变比导通电阻与阈值电压, 同时将常规SOI LDMOS的击穿电压提高57.54%, 缓解了应用于有机半导体领域带来的不良影响. 为传统功率半导体应用于有机半导体领域的研究提供了可能, 对于有机半导体研究领域的拓展具有创新意义.

电解水制氢可以将太阳能、风能等可持续能源中的能量转移到氢气这种高能量密度的清洁能源载体中. NiP2作为一种具有较高析氢反应(HER)催化活性的廉价催化剂而备受关注. 本文计算了NiP2(100)表面上氢的吸附能、吉布斯自由能、交换电流密度等属性, 得出其表面上P的top位点是催化活性位点的结论. 并着重分析了掺杂和应变对NiP2催化活性的影响: 1)基于常见的实验手段能产生的应变范围, 计算了1%和3%的拉伸和压缩应变的影响, 发现在NiP2上施加1%的压缩应变可以提高其HER催化性能; 2)计算了过渡金属元素及非金属元素(N, C, S)掺杂对NiP2催化性能的影响, 发现掺杂S可以显著提高P的top位点的HER催化性能, 而过渡金属元素(催化活性: Mn > Mo > W > Co > Cr > Fe > Ni)中Mn的掺杂, 可以将NiP2非活性位点的催化性能提升到跟活性位点同一个数量级, 从而间接提升NiP2的催化性能. 本工作揭示了掺杂和应变对HER催化剂性能影响的微观机理, 为设计高性能HER催化剂提供了指导.

以L型步行通道内的单向行人流为研究对象, 基于可控实验与微观仿真研究行人转弯行为. 首先, 构建转弯区无障碍物、障碍物沿转弯区对角线布局、以及障碍物垂直转弯区对角线布局三种实验场景, 通过行人可控实验分析行人移动轨迹、速度分布等行为特征; 然后, 基于L型通道内的行人微观行为, 改进基于Voronoi图的速度修正仿真模型, 制定并嵌入行人通过L型通道的转弯规则; 最后, 分别对有/无障碍物以及非对称L型通道场景进行仿真研究, 模拟再现行人的转弯行为, 分析研究不同阶段行人速度与个体密度的分布情况. 研究发现: 基于行人的移动行为, L型通道可分为垂直直行区域、过渡区域、转弯区域和水平直行区域; 行人在通过转弯区域时会形成“隐形瓶颈”和“弯道三角形闲置区域”, 产生一定的流线压缩; 改进的仿真模型, 可以模拟再现行人通过弯道区域时呈现光滑弧线的移动轨迹, 并能观察到“隐形瓶颈”和“弯道三角形闲置区域”现象; 同时, 行人流依次通过L型通道的四个区域时, 其速度分布情况与行人实验数据相吻合, 呈现先增后减再增“波浪式”变化的特点. 该仿真模型也模拟再现了由于转弯行为导致行人局部密度变化的情况, 彼此印证了行人速度与局部密度变化的统一性. 对“隐形瓶颈”的认知, 有助于合理利用和设计L型通道转弯区域.

应用复杂网络描述大规模复杂系统间的相互作用已被广泛接受, 网络中某些边遭受攻击或破坏会使网络不能控. 然而哪些边失效后会对网络能控性造成影响? 针对这一问题, 本文首先提出了类关键边集的概念, 并给出了类关键边集的判定定理. 然后通过建立类关键边集失效模型, 来研究类关键边集失效对网络能控性的影响. 最后将类关键边集失效、随机失效、按度失效和按介数失效进行对比, 验证了无论是在模型网络(ER随机网络、BA无标度网络、随机三角形网络和随机矩形网络), 还是26种不同领域的实际网络中, 类关键边集失效对网络能控性的破坏力最大, 同时该结果为网络边攻击提供了一种新方法.

采用格子Boltzmann方法对方腔内介电相变材料的熔化过程进行数值模拟与分析, 系统研究了电场力和浮升力耦合作用下固液相变传热过程的流体流动、电荷输运以及传热等基本特征, 重点分析了电瑞利数T、斯蒂芬数$Ste$、离子迁移率M和普朗特数$Pr$等多个无量纲参数对固液相变传热过程的影响. 研究表明, 与浮升力驱动下的固液相变情况相比, 外加电场不仅会改变方腔内流体流动结构以及相界面的演化规律, 而且还会提高介电相变材料的熔化效率, 强化固液相变传热过程. 特别地, 上述现象会随着电瑞利数T的增大愈加明显. 此外, 引入了无量纲参数$\varPhi$, 用以表征电场强化固液相变的实际效果. 结果显示, 随着斯蒂芬数$Ste$的增加, 电场强化固液相变的实际效果会有所减弱, 但对于较大的电瑞利数而言, 改变斯蒂芬数$Ste$的实际大小并不会对电场强化固液相变的实际效果有太大影响. 最后, 发现电场强化固液相变的实际效果与离子迁移率M一般具有负相关的关系, 即随着离子迁移率M的增加, 电场强化固液相变的效果反而下降; 而受电场力和浮升力的协同影响, 普朗特数$Pr$对电场强化固液相变效果的影响则依赖于离子迁移率M.

实际介质普遍具有黏弹性, 波在传播过程中常伴有能量的耗散、相位畸变和频带变窄等, 对于含有液体和气体的介质, 衰减现象尤为突出. 由于经典的波动理论未考虑介质的黏弹性效应, 基于完全弹性假设的模拟波场和实际传播特征之间的差异明显, 波动理论在工程技术中的应用效果还有提升的空间. 在岩石物理中, 品质因子Q是量化地震衰减强度的参数, 为了研究波在地下介质中的传播规律, 本文从常Q理论出发, 在黏弹性介质频散关系中, 利用多项式拟合和Taylor展开法将频率的分数阶转化为整数阶, 进而推导了时间域复数形式的地下黏弹性介质波动方程. 该近似处理避免了频散关系经域转换后出现分数阶时间微分项, 能有效地降低计算成本. 最后, 采用有限差分法联合伪谱法对均质模型实现了波场的数值模拟, 验证了方程的有效性.

人工地面甚低频台站发射的10—30 kHz信号主要在地球—低电离层波导传播, 部分能量会泄露进入内磁层, 进而会影响近地空间中高能电子的动态变化过程. 本文详细研究了NWC, NAA和DHO38三个人工甚低频台站信号对内辐射带和槽区高能电子的散射作用. 基于准线性理论, 分别计算了三个甚低频台站信号单独和共同作用时对高能电子的弹跳平均投掷角扩散系数, 并进一步利用Fokker-Planck扩散方程模拟内辐射带及槽区的高能电子在200 d内的动态演化过程. 结果表明, 在低L-shell (L ≤ 1.8), NWC台站信号对电子的损失占主导作用, 可以使能量在100 keV附近、投掷角小于60°的电子出现明显损失; 在较高的L-shell (2.2 ≤ L ≤ 2.7), 主要是NAA和DHO38台站信号占主导作用, 可以使能量小于20 keV、投掷角小于70°的电子通量显著下降; 三个甚低频台站信号对高投掷角(> 80°)的电子均无显著影响.