线性响应理论是现代物理实验尤其是量子物态测量实验的理论基础, 其核心是将物理系统的探测信号作为微扰, 利用系统在未受扰动时的关联函数来刻画物理可观测量的响应. 半个多世纪以来, 基于封闭量子系统的线性响应理论在量子物态测量实验上取得了巨大的成功. 随着超冷原子实验在光场与系统相互作用精确操控方面的快速进展, 近年来高精度的冷原子实验已经具备研究耗散量子多体系统的条件, 新奇的物理现象在实验中层出不穷, 这使得国内外研究者对量子开放系统及其非厄米物理的研究与日俱增. 基于此, 我们发展了一个量子开放系统的线性响应理论—非厄米线性响应理论. 该理论将耗散带来的非厄米效应与量子噪声作为外部探测输入来探测量子系统的性质, 并将实验可观测量的含时演化与系统未受扰动状态时的关联函数及其谱函数联系了起来, 提供了区分正常物态和奇异物态的一种新手段, 所得到的结果与最近冷原子系统实验的结果高度吻合. 本文介绍了非厄米线性响应理论, 并讨论该理论在量子多体系统以及具有时间反演对称性的量子系统中的应用.

非厄米趋肤效应是近几年非厄米物理研究领域中的热点问题, 它揭示了非厄米系统中体态波函数和能谱计算会敏感依赖于边界条件的新奇现象. 人们提出广义布里渊区的概念用以刻画非厄米系统中的体态波函数和能带性质. 基于广义布里渊区计算的非布洛赫拓扑数可以重新构建非厄米拓扑体边对应关系. 然而, 过去关于非厄米趋肤效应的讨论主要针对开放边界条件, 如果采用畴壁边界条件, 广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算都需要重新考虑. 本文综述了近几年关于畴壁边界条件下非厄米趋肤效应的若干研究工作, 首先从一般的一维非厄米单带模型出发, 推导广义布里渊区方程的一般形式; 然后回顾了非厄米SSH (Su-Schieffer-Heeger)模型中广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算; 最后在一维光量子行走的系统中, 介绍了实验上非厄米趋肤效应的实现和非厄米拓扑边缘态的探测.

在标准量子力学中, 描述物理系统的哈密顿量一般是厄米的,以保证系统具有实能谱及系统演化的幺正性. 近些年来, 研究发现具有宇称-时间(parity-time, ${\cal {PT}} $)对称特性的非厄米哈密顿量也具有实能谱, 并且在${\cal {PT}} $对称相和${\cal {PT}} $对称破缺相之间存在一个新奇的非厄米奇异点, 这是厄米系统所不具有的. 最近, 人们在各种各样的物理系统中实现了${\cal {PT}} $对称和${\cal {PT}} $反对称的非厄米哈密顿量, 并演示了新奇的量子现象, 这不仅加深了对基本量子物理规律的理解, 也促进了应用技术的突破. 本综述将介绍${\cal {PT}} $对称和${\cal {PT}} $反对称的基本物理原理, 总结在光学系统和原子系统中实现${\cal {PT}} $对称和${\cal {PT}} $反对称的方案, 并回顾利用${\cal {PT}} $对称系统非厄米奇异点进行精密传感的研究.

近些年来, 非厄米与强关联两种元素开始融合并形成物理学中的一个重要研究领域, 相关理论与实验的进展重塑了人们对于物质的理解. 在该领域中, 研究对象并不局限于非厄米元素对多体系统能谱以及本征态性质的影响, 研究者们更加关注对量子态的操纵. 例外点作为非厄米量子力学区别于厄米量子力学中最显著的特征得到了大家广泛的关注. 除了围绕能谱例外点的非厄米拓扑能带理论以及量子探测等最新进展外, 本文重点阐述以能谱例外点为基础的临界动力学现象及其在量子多体系统中的应用. 当系统处于能谱例外点上时, 属于例外点合并子空间中的任意初始态都将投影到体系的合并态上. 基于量子态演化的方向性, 本文回顾了近年来本课题组在量子自旋系统所发现的外场诱导的动力学磁化、横场Ising模型中的有限温相变、中心-环境系统中的量子铸模以及非厄米强关联系统中的超导态制备等几个代表性工作, 着重讨论了与例外点相关的新的非平衡量子态制备方法以及探测方案.

能带理论在光学领域的应用为控制光传输提供了有效手段, 非厄米趋肤效应的发现扩展了传统能带理论的范畴, 能够实现新型光局域和单向传输现象. 然而在光学体系, 如何有效地产生并调控非厄米趋肤效应仍然是重要的研究主题. 本文研究了具有规范势的准一维菱形光晶格中的非厄米趋肤效应, 通过计算本征能谱、环绕数和模式演化特性, 发现规范势能够对趋肤效应强弱进行有效调节. 当规范势大小为π时, 趋肤效应被完全抑制, 而由Aharonov-Bohm笼效应引起的平带局域占主导. 利用间接耦合微环谐振腔阵列, 可同时产生合成光子规范势和非对称耦合, 为研究Aharonov-Bohm笼和趋肤效应的竞争机制提供了可能的实现方案. 本研究结果为利用规范势调控趋肤效应提供理论基础, 在发展片上非磁性单向传播器件也具有潜在的应用前景.

理论上分析了受自旋指标调控并施以增益和损耗复势能的一维非厄米自旋轨道耦合Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型的拓扑性质和能谱特性. 发现虚势能导致体系的拓扑非平庸区出现能谱虚化, 而在拓扑平庸区发生${\cal {PT}}$相变. 此外, 虚势能和自旋轨道耦合共同作用使得拓扑平庸区中发生拓扑相变, 并且拓扑非平庸区变宽. 能谱结果显示, 虚势能和自旋轨道耦合对于体系的零能态有明显的调控作用, 主要在于出现了4种局域性、数目均不同的零能态. 这说明虚势能和自旋轨道耦合对体系的能带结构的特殊调节效果. 本文有助于理解${\cal {PT}}$对称非厄米系统的拓扑相变行为.

太赫兹波(terahertz, THz)是位于微波和红外之间介观尺度波长的电磁波, 因其低电离性和指纹性的特点, 在生物医学领域有着巨大的应用潜力, 尤其是在肿瘤的术中定位定性诊断方面. 而对于定位定性诊断需求最迫切的肿瘤为胶质瘤, 因其侵袭性和异质性, 切除后极易复发且对临近脑区神经功能有显著影响, 快速确定瘤体边界以及肿瘤病理学特征, 是开展胶质瘤精准诊疗和临床研究的重要前提. 本文总结了胶质瘤诊断的生物物理技术, 梳理了太赫兹波这一新兴技术在胶质瘤诊断方面所取得的研究成果. 进一步, 基于胶质瘤组织病理和分子病理整合诊断研究进展, 提出不同分子分型肿瘤组织在太赫兹波段可能具有不同 “特异性蛋白组成”的太赫兹肿瘤亚型识别机制假说, 结合脑组织生物学特点与体液中胶质瘤标志物检测潜力, 全面设想了未来太赫兹波在胶质瘤临床诊疗中的应用模式和发展前景.

本文主要介绍标记单光子源的制备、特性, 及其在3种主流量子密钥分发(BB84, 测量设备无关, 双场)协议中的应用与发展, 同时通过对比标记单光子源和基于弱相干态光源在同类协议中的性能, 分析讨论不同光源的优缺点. 此外, 针对双场量子密钥分发协议中对单光子干涉特性的要求, 分析了标记单光子源在双场协议应用中的局限性, 并讨论了可能的解决方案, 对今后发展实用化量子保密通信系统将起到有价值的指导和推进作用.

随着集成电路技术的快速发展, 芯片结构更加复杂, 尺寸越来越小, 对薄膜沉积的性能提出了更高的要求. 等离子增强化学气相沉积(PECVD)与CVD等传统工艺相比, 可以在低温下实现镀膜, 提供高密度、高性能的薄膜. 本工作采用二维流体蒙特卡罗模型耦合沉积剖面演化模块研究了容性耦合SiH4/N2O/Ar混合气体放电中的极板径向位置、气体比例和气压对PECVD氧化硅薄膜沉积的影响. 结果表明, 离子通量和中性基团通量在极板位置的差异化分布使得所沉积薄膜沿着径向存在较大的不均匀性. 进一步研究发现通过增大笑气、减小Ar含量或增大气压, 薄膜的沉积效率会得到提升. 但是, 过快的沉积速率会导致槽结构中出现 “钥匙孔结构”、空位和杂质过多等一系列不良现象. 这些问题在实际工艺中很棘手, 在后续的研究中将通过调控放电参数等来改善薄膜质量, 以期指导实际工艺.

贵金属纳米颗粒的配体修饰在生化传感、催化、纳米科学等领域有着广泛的应用需求, 深入了解其配体作用过程机制有着深刻的意义. 二次谐波散射技术(SHS)由于具有较高的表面敏感性和无标记检测的优势特征, 成为研究金属纳米颗粒配体修饰过程的重要手段. 本文通过实验方法, 测量了在两种配体修饰分子(十六烷基三甲基氯化铵和L-半胱氨酸)吸附同样尺寸金纳米球前后的二次谐波(SH)散射图样, 观察了散射图样的强度和形状的变化并进行了分析. 基于Dadap的多极子理论, 本文推导了较大尺寸纳米球的SH散射场的多极子展开式, 以及多极子(到八极子)贡献和纳米球半径的关系, 并由此提出等效尺寸效应来描述不同配体吸附情况对散射图样的影响, 较好地解释了图样的变化趋势. 本文提供了一种分析不同配体修饰的二次谐波散射过程的方法, 同时也为纳米粒子表面配体的界面物理化学分析提供了一种可能的定量方法.

量子非局域关联现象是量子理论区别于经典理论的重要特征之一. “X”态作为一种典型的量子混合态, 基于其进行的量子非局域关联的检验研究, 不论对验证量子理论的正确性, 还是在量子信息论的应用领域研究, 都具有重要的意义. 本文在基于传统Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式进行量子非局域关联检验的基础上, 提出了一种基于“X”态几何解释的量子非局域关联检验策略. 利用“X”态的几何解释策略, 可使物理图像更为直观地研究检验时最优化测量基选取, 以及可获得的最大CHSH不等式检验值等. 最后给出了基于CHSH不等式几何解释策略, “X”态成功进行量子非局域关联检验的参数范围.

随着互联网的发展, 人们对于信息安全的需求日益增加, 而经典的加密技术存在着密钥空间小、易破解的缺陷, 图像加密技术在保护图像信息安全和隐私内容等方面的问题亟待解决. 量子随机行走作为一种新型量子密钥生成器, 其密钥空间大, 与经典随机行走相比计算速度与安全性有着明显的提高. 本文提出一种基于量子随机行走并涉及Lorenz和Rossler 多维混沌的三维图像加密算法. 首先应用高斯金字塔对图像进行处理然后按照一定比例将处理后的图像切割成4份; 其次使用量子随机行走生成的随机序列与多维混沌中的Lorenz 混沌系统生成的随机序列对分成的若干块子图像进行汉明距离计算然后进行合成, 并且对图像RGB 三通道之间进行欧氏距离计算; 最后将汉明距离与欧式距离取余得到的序列值作为初始值输入多维混沌中的Rossler系统, 生成随机序列作为密钥对图像的RGB 通道进行异或操作得到加密后的图像, 对应解密方案为加密过程逆过程. 此外, 本文采用基于离散余弦变换和奇异值分解的盲水印嵌入算法将水印信息嵌入到加密后的图像中, 实现接收方可以通过提取水印, 根据水印信息的完整性来判断传输过程中图像是否遭受到攻击破坏, 如无遭受恶意攻击, 则对图像进行解密操作. 这一操作完善了对图像信息安全的保护. 实验结果表明加密后图像的峰值信噪比稳定在7—9之间加密效果较好, 灰度差评分接近1, 加密图像的相关性均匀分布, 其相关性系数接近0, 密钥空间2128且加密后的直方图分布均匀, 具有较高的抵御统计分析攻击的能力.

气候系统是一个非平稳复杂系统的事实已经得到了广泛认同, 产生这种非平稳性质的根本原因在于气候系统存在的层次结构, 处于高层系统中的外强迫信号随时间发生变化, 造成了大气运动的非平稳现象. 慢特征分析法可以从快变的非平稳信号中提取慢变的外强迫信号, 并已应用于气候系统的归因分析中. 本文利用慢特征分析法提取改进的Henon 映射模型构造的非平稳时间序列以及北京月平均气温的外强迫信号, 并且使用小波变换方法对外强迫信号的尺度特征及物理背景机理进行分析. 结果表明, 气候系统受到长周期的外强迫信号与短周期外强迫信号的共同作用. 同时, 长周期的外强迫信号影响短周期外强迫信号.该工作有助于理解气候系统的层次结构特征.

工业园区有毒有害气体排放具有种类繁多、成分复杂、分布广泛等特点, 建立多组分、高精度气体监测技术体系是污染防控的基础. 黑体光谱辐射范围广, 可有效地降低吸收谱线相互干扰可能性, 是多组分气体同时检测的首选光源. 但其单波长能量低且稳定性欠佳导致难以实现高精度气体探测. 鉴于此, 本文提出光学增程和声学谐振双重增强模式联用, 设计了一种可用于多组分气体同时高精度检测光声光谱传感器. 应用两个相同T型增强光声池, 构建了双光路增强型差分光学/光声检测模式, 实验证明了差分光声模式具有更强的噪声抑制能力, 可于同波段强吸收背景下提取出微弱痕量目标气体吸收信息, 且双光路增强型信号较单光路模式提高了1.91倍. 进行多组分气体同时检测性能研究, 常温常压下CO2, C2H2和NH3检测精度的体积分数分别为7.25 × 10–7, 1.84 × 10–6和1.43 × 10–6, 比单光路光声模式提高了1个数量级. 对体积分数为0—3 × 10–3 的三种气体样品进行测试, 光声信号线性度高于0.995. 广谱双光路T型增强差分光声光谱技术补偿了黑体广谱检测方法灵敏度低的缺陷, 具有灵敏度高、选择性好、背景噪声抑制能力强的优势, 可为建立工业园区多组分毒害气体的高精度监测技术提供支持, 助力于我国“碳中和碳达峰”宏伟任务.

基于里德伯原子的量子微波测量技术快速发展并受到广泛关注, 该技术已展现出探头尺寸与波长无关、宽频谱测量等显著优势, 光纤耦合原子气室探头是便携式量子微波测量系统的关键技术之一. 现有双端口光纤耦合原子气室探头的探测光输出与耦合光输入共用渐变折射率(graded index, GRIN)透镜及光纤的方式, 使得探测光传输效率仅为17%. 在此条件下, 需通过增大探测光输入功率以获得足够的透射光输出功率, 这使得电磁诱导透明(electromagnetically-induced transparency, EIT)光谱展宽至11 MHz, 测量灵敏度降低. 本文提出集成二向色镜的三端口光纤耦合原子气室探头, 在保证原子气室中探测光、耦合光重叠相向传输的条件下, 出射的探测光被分离至独立的GRIN透镜及输出光纤, 探测光传输效率为40.4%, EIT光谱半高宽被降低至6 MHz. 该探头被用于开展EIT光谱测量、基于空间混频技术的数字通信实验研究, 实验结果验证了该探头对数字通信信号的接收能力.

温度是燃烧过程中影响反应路径和速率的重要参数, 决定着燃烧和能量交换效率, OH, NH, NO等组分参与燃烧中的关键基元反应, 并影响NOx污染物的生成. 因此, 温度和OH, NH, NO浓度的同步测量对于判断燃烧状态、研究反应机理和排放特性具有重要意义. 本文搭建了高空间分辨率的宽带紫外吸收光谱测量系统, 实现了火焰温度和OH, NH, NO浓度的同步测量, 并对3种组分宽带吸收光谱的温度灵敏度和浓度检出限进行了定量分析. 随后, 利用所建立的测量方法对NH3/CH4/air常压平面预混火焰的温度和OH, NH, NO浓度的高度分布进行了高精度测量: NH的1σ检出限达到1.8×10–9 m (1560 K), 在常压火焰实现了10–9量级的NH吸收光谱测量; OH和NO的1σ检出限分别达到60×10–9 m (1590 K) 和1×10–6 m (1380 K), 也明显优于现有的红外激光吸收光谱测量结果. 实验所得温度和OH, NO, NH浓度分布曲线与基于Okafor等机理的计算流体动力学预测结果非常符合, 验证了基于宽带紫外吸收光谱方法的温度和组分浓度同步测量效果.

精密测量囚禁在光晶格里面中性原子间相互作用导致的密度频移在研究多体相互作用和实现高性能光晶格钟等方面有着重要应用. 本文利用基于原位成像的同步频率比对技术对光晶格钟的密度频移系数进行了准确的测量. 光晶格里面的原子被一束钟激光同时激发, 并通过原位成像技术同时且独立地探测光晶格里11个不相关区域的钟跃迁概率. 由于不相关区域里的原子被同时激发, 即共模抑制了钟激光的噪声, 因此它们间的频率比对稳定度超越了Dick噪声的限制, 并与原子探测噪声极限相符合. 得益于光晶格里非均匀的原子数分布和可以忽略的外场梯度, 不相关区域间的频率比对结果即为密度频移. 通过测量密度频移和格点平均原子数差的关系, 获得密度频移系数为–0.101(3) Hz/(atom·site), 经过103 s的测量时间, 系统平均密度频移的相对测量不确定度达到了1.5 × 10–17.

使用5—27 keV能量范围内的单能电子束轰击薄碳衬底上的薄Al (Z = 13), Ti (Z = 22), Cu (Z = 29), Ag (Z = 47), Au(Z = 79)靶, 使用硅漂移型探测器(SDD)收集产生的特征X射线, 测量了Al, Ti, Cu的K壳层电离截面以及Cu, Ag和Au的L壳层特征X射线的产生截面, 并且使用蒙特卡罗PENELOPE程序对实验结果进行了修正. 本文给出了Cu的L壳层特征X射线产生截面. 与半相对论扭曲波玻恩近似(semi-relativistic distorted-wave Born approximation, DWBA)理论值相比, 本文的大多数实验值在7%的范围内与理论值符合. 研究表明, 中重元素的L壳电离截面的理论计算以及相应的原子参数有待更精确的确定.

构建了纯水作为可饱和吸收体的被动调Q和锁模掺铥光纤激光器. 通过陶瓷套管将纯水固定在两个光纤跳线头之间, 调整水层厚度可以分别实现调Q和锁模操作. 调Q状态下的最大输出功率为0.531 mW, 此时的重复频率为53.45 kHz, 脉冲宽度为3.01 μs. 锁模状态下的最大输出功率为2.28 mW, 重复频率为17.69 MHz, 脉冲宽度为1.42 ps. 本文使用纯水作为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器, 其具有皮秒级的响应时间、低廉的价格和极高的损伤阈值, 可为掺铥全光纤脉冲激光器提供一种新方案.

针对软物质的激光微纳加工技术, 通过激光辅助机械注射和可控自组装来实现装配软物质微滴球体结构的目的, 相较于传统的液滴微流控技术具有显著的优势. 本文研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光参数对激光辅助机械注射的影响, 得到了最佳的激光参数条件范围, 发现过高的激光强度(如0.365 mW)可诱发液晶材料的对流而不注入子液滴. 研究了表面活性剂浓度、液晶种类和相态等材料因素对注射机械力, 以及注入子液滴尺寸的影响. 证实表面活性剂浓度影响的实质是不同的离子浓度会改变相同升温条件下所形成的界面张力梯度值(注射机械力提高3.1倍); 发现液晶的相态对激光注射没有影响, 而液晶的种类会改变注入难度(弹性常数K值越高越难注入). 此外, 引入液晶微滴的拓扑相错线作为子液滴的自组装模板, 分析了注入子液滴在拓扑相错线上的自组装动力学过程. 软物质激光微纳加工技术可应用于光电子、生物医药等领域的三维球体结构的极端加工与应用开发.

在大型超快超强激光系统中, 随着光谱带宽及光束口径的增加, 时空耦合畸变会变得越来越显著, 该效应不仅会使光束质量恶化、影响激光的聚焦功率密度, 而且会使常规的激光远场性能的评估手段失效. 本文以激光器中常用的扩束透镜组为例分析了时空耦合畸变给激光参数测量及激光性能评估带来的影响. 结果表明, 在一个超短脉冲激光系统中, 一对普通的扩束透镜组引入的时空耦合畸变不仅会使远场峰值功率密度急剧下降, 还会导致单次自相关仪在近场处测得的脉宽与远场处的实际脉宽相差超过10倍, 而这种情况下利用近场脉宽测试值估算远场处的聚焦功率密度会比真实值高出一个量级. 研究结果可以为激光器的优化设计、激光脉冲参数的精确表征以及相关的物理实验提供参考.

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织, 因此, 亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段, 方能确保临床安全和有效. 相对于传统的商用超声灰度值信号, 超声射频(RF)信号可以更好地保留声波散射信号更多的细节信息. 而信息熵作为非基于数学函数模型的统计参数, 可以表征由声空化效应引发的组织内部散射体无序度演变状态. 因此, 本文提出了一种基于超声RF信号熵分析的声空化实时监测成像系统, 在此基础上实时评估HIFU引发的超声空化区域时空演化行为. 首先, 通过改制后的B超系统获取凝胶生物仿体内部由HIFU引发的空化泡群产生的散射回波原始RF信号, 利用二维均值滤波方法抑制HIFU强声束对声空化监测成像回波信号的干扰后, 通过数据标准化处理扩展RF信号的动态变化范围, 再基于滑动窗信息熵分析重建熵值图像, 经过二值化处理后即可实现对HIFU作用下组织内部声空化区域的时空监测. 实验结果表明, 相比于传统B超灰度成像法, 基于RF信号熵分析的声空化监测成像算法可以更灵敏且精确地确定空化发生的起始时间和空间位置, 有助于更好地保障HIFU临床治疗的安全性和有效性. 本文的工作为HIFU治疗过程中组织内部声空化区域的时空监测提供一种具有极大应用前景的技术手段, 为声空化生物效应量-效评估体系的建立奠定了良好的理论和实验基础.

脊髓功能对神经传导通路至关重要, 脊髓血管受损及伴随的继发性损伤与脊髓功能状态密切相关. 因而, 脊髓内微血管网络结构和血流状态在脊髓功能在体、精准与实时评价中具有重要前景. 临床常用的血管造影手段存在分辨率低、放射性、设备笨重和使用不便等问题, 无法全面满足脊髓血流术中检查与预后跟踪的需求. 本文以基于多角度复合平面波的超快超声技术为基础, 应用超分辨率定位显微技术(ULM), 实现了大鼠脊髓内微血管成像. 基本原理为应用基于鲁棒主成分分析(RPCA)的滤波方法, 分离脊髓组织信号和运动的造影微泡信号, 通过微泡定位、轨迹追踪, 实现亚波长分辨率的超分辨率超声成像. 随后, 引入基于傅里叶环相关系数方法, 对成像分辨率进行量化分析; 进而对微泡数量、有效轨迹、血管饱和度、血流速度和半高全宽范围等进行了定量评价. 在体成像实验结果表明, ULM可获得清晰的大鼠脊髓内微血流图像. 定量分析表明, 发射频率为15.625 MHz的超声探头可实现13—16 μm范围的分辨率, 远小于100 μm成像波长. 综上, ULM可被应用于脊髓内微血管精准成像, 相关结果可为超分辨率脊髓功能监测与动态评价的进一步研究提供借鉴, 对于脊髓损伤诊断、应急治疗与预后恢复等临床研究亦有一定的借鉴意义.

内孤立波在海洋中广泛存在, 其在生成、传播演化以及耗散过程中对海洋环境、地形地貌和海洋结构物等有着深远的影响. 针对内孤立波理论模型研究, 已有理论模型包括单向传播Korteweg-de Vries (KdV) 类方程和双向传播Miyata-Choi-Camassa (MCC) 类方程, 然而, 两类方程均未能有效地模拟大振幅内孤立波的传播演化过程. 本文采用渐近匹配方法, 对原始单向传播内孤立波方程的系数进行修正, 建立了改进的单向传播内孤立波理论模型. 在此基础上, 通过比较分析改进了前后内孤立波的理论模型, 结果表明, 改进后的理论模型稳态内孤立波的理论极限振幅能达到MCC 方程稳态内孤立波的理论极限振幅. 结合系列实验结果, 通过定量分析稳态内孤立波有效波长、波速和波形与MCC 方程稳态内孤立波理论解的吻合度, 进一步分析了改进后的内孤立波理论模型在表征定态内孤立波特性方面的适用性. 此外, 针对平坦地形条件下大振幅内孤立波非定态传播演化过程, 探究各类单向传播孤立波理论模型的稳定性. 研究表明改进后高阶单向传播内孤立波理论模型可用于表征大振幅内孤立波传播演化特性, 为海洋结构物水动力学研究提供理论依据.

本文在研究SO宏观气体摩尔热容的工作中, 进一步考虑了分子内部的转动贡献, 通过联立能获得分子某电子态完全振动能级的变分代数法 (variational algebraic method, VAM) 和RKR (Rydberg-Klein-Rees) 方法构建了SO电子基态的势能函数, 解析求解获得了该体系的振转能级, 进而采用量子统计系综理论计算得到了300—6000 K温度范围内SO宏观气体的摩尔热容. 将本文的计算结果与其他几种理论模型的计算结果进行比较分析, 结果表明: 当采用基于全程势能曲线求解的完全振转能级来计算热力学性质时, 得到的摩尔热容与实验结果更为吻合. 本文利用分子完全振转能级计算摩尔热容的思路, 弥补了前一阶段工作中仅采用近似模型表征分子转动行为来计算热容的不足, 为基于微观统计过程求解宏观热力学量提供了新的研究范式.

应用约化摄动法推导得到用来描述含有Kappa分布电子的多组分复杂等离子体中非线性离子声孤波的Zakharov-Kuznetsov (ZK)方程. 进而获得了非线性离子声孤波的非线性强度随系统参数的变化规律. 同时, 利用Sagdeev势方法求得Sagdeev势函数, 明确了系统参数对含有Kappa分布电子的多组分复杂等离子体相图、Sagdeev势函数及非线性离子声孤波的振幅与宽度等传播特征的重要影响.

基于高能Ta离子辐照研究了SiC肖特基势垒二极管的失效模式和机理, 实验表明辐照过程中的反向偏置电压是影响SiC肖特基势垒二极管器件失效的关键因素. 当器件反向偏置在400 V时, 重离子会导致器件的单粒子烧毁, 辐照后的器件出现了因SiC材料熔融形成的“孔洞”; 当器件反向偏置在250—300 V时, 器件失效表现为关态漏电流随着离子注量增加而增加, 且器件的偏压越高, 重离子导致的漏电增加率也越高. 对于发生漏电增加的器件, 基于显微分析技术发现了分布在整个有源区内重离子导致的漏电通道. TCAD仿真结果表明, 重离子入射会导致器件内部的晶格温度上升, 且最大晶格温度随着偏置电压的增加而增加. 当偏置电压足够大时, 器件内部的局部晶格温度达到了SiC材料的熔点, 最终导致单粒子烧毁; 当偏置电压较低时, 重离子入射导致的晶格温度增加低于SiC材料的熔点, 因此不会造成烧毁. 但由于器件内部最大的晶格温度集中在肖特基结附近, 且肖特基金属的熔点要远低于SiC材料, 因此这可能导致肖特基结的局部损伤, 最终产生漏电通路.

二维WTe2由于特殊的晶格对称性而衍生出量子自旋霍尔效应、非线性霍尔效应等奇异性质. 确定其晶体结构的细节, 是理解这些性质的重要出发点. 本文利用温度、偏振依赖的拉曼光谱与光学二次谐波产生, 详细研究了一至三层WTe2的晶格对称性. 实验发现, 单层样品具有可观的二次谐波产生信号, 表明其晶格中心对称性破缺, 且偏振依赖符合$ {C}_{s} $点群, 与此前普遍认为的中心对称的$ 1{T}' $结构不同. 双层样品具有更为显著的二次谐波产生信号, 且信号强度的温度依赖与铁电相变一致, 表明层间堆叠产生了更强的中心对称性破缺, 提供了该体系中存在层间滑移铁电的证据. 三层样品的二次谐波产生信号约为单层样品的五倍, 但比双层样品弱一个数量级, 表明层间堆叠导致其具有较弱的中心对称性破缺. 仅单层与双层样品中出现了多个显著的二阶拉曼散射峰, 其温度依赖反映出电子结构对层间耦合高度敏感. 这些结果将有助于完善对原子级厚度WTe2物理性质的理解.

如何用定量分析的方法识别复杂网络中哪些节点最重要, 或评价某个节点相对于其他一个或多个节点的重要程度, 是复杂网络研究的热点问题. 目前已有多种有效模型被提出用于识别网络重要节点. 其中, 引力模型将节点的核数(网络进行k-核分解时的ks值)看作物体的质量, 将节点间的最短距离看作物体间距离, 综合考虑了节点局部信息和路径信息用于识别网络重要节点. 然而, 仅将节点核数表示为物体的质量考虑的因素较为单一, 同时已有研究表明网络在进行k-核分解时容易将具有局部高聚簇特征的类核团节点识别为核心节点, 导致算法不够精确. 基于引力方法, 综合考虑节点H指数、节点核数以及节点的结构洞位置, 本文提出了基于结构洞引力模型的改进算法 (improved gravity method based on structure hole method, ISM)及其扩展算法ISM+. 在多个经典的实际网络和人工网络上利用SIR (susceptible-infected-recovered)模型对传播过程进行仿真, 结果表明所提算法与其他中心性指标相比能够更好地识别复杂网络中的重要节点.

模拟计算已经成为材料科学的重要手段, 从模拟计算输出的原子坐标得到体系的结构特征是研究材料结构与性能相关性的前提. 对于晶胞只含2—6个原子的简单(BCC, HCP和FCC)晶体, 数值分析方法只需要确定每个原子的局域特征, 拓扑结构相同的原子相互连接即构成晶体区域. 但要确定含有几十上百个原子的晶胞, 数值方法的计算量极大. 数值分析与可视化相结合是解决此类问题的方法之一. 本文采用分子动力学方法快凝得到Ni70Ag30纳米颗粒, 发现纳米颗粒含有FCC晶体和大量结构复杂的拓扑密堆(TCP)结构. 利用基于最大标准团簇的分析软件提供的多种可视分析功能, 结合晶体学相关知识, 采用拓扑构型分析思路, 确定了纳米颗粒中的TCP原子构成C15相. 本文使用的分析思路为将来开发复杂晶体结构数值识别软件提供了算法逻辑.

本文提出了一种由电介质微球和金属平面纳米层组成的复合结构, 用于增强荧光远场定向发射强度和提高荧光收集效率. 通过时域有限差分法研究了位于电介质微球和金层之间量子点的激发和发射过程. 量子点作为荧光材料涂敷于聚甲基丙烯酸甲酯中, 用于控制和金层的距离从而调控荧光增强. 该结构基于等离激元耦合、回音壁模式以及光子纳米射流之间的协同效应, 使远场荧光强度增强230倍, 荧光收集效率高达70%. 与电介质微球和金球二聚体复合结构增强荧光相比, 金球二聚体之间的间距不易控制, 此外量子点要放在金球之间特定的位置. 而本文提出的三维平面复合纳米结构相对更方便实现. 以上结果在提高荧光生物检测灵敏度、成像质量以及发光器件效率等领域具有非常重要的应用意义.

A2BB'O6型双钙钛矿氧化物材料, 相比于ABO3型单钙钛矿氧化物材料, 具有更好的稳定性和更宽泛的能带选择范围, 在光催化全解水领域具有良好的应用前景. 然而, 由于晶体结构和组成元素的多样性, 实验和理论上快速、准确搜寻高催化活性的A2BB'O6型双钙钛矿氧化物材料具有相当大的挑战性. 本文由材料数据库的带隙值数据出发, 采用机器学习与第一性原理相结合的方法, 从50000多种A2BB'O6型双钙钛矿氧化物材料中筛选出近8000种可能适用于光催化全解水的材料. 对筛选结果的统计分析表明, B/B'位均为d10金属离子的双钙钛矿氧化物, 更有可能成为全解水光催化剂. 随后通过进一步的第一性原理计算挑选出Sr2GaSbO6, Sr2InSbO6和K2NbTaO6这3种带边位置合适且不含铅、汞离子的A2BB'O6型双钙钛矿氧化物材料作为候选的全解水光催化剂.

二维过渡金属硫化物构成的范德瓦耳斯异质结由于存在晶格失配或层间相对旋转角度会产生周期性的莫尔条纹结构, 由此引入的纳米尺度莫尔周期势可以影响激子的空间传输过程. 目前有关双层过渡金属硫化物转角同质结中激子莫尔势调控的研究比较有限, 本工作利用第一性原理计算研究了外加垂直电场对不同旋转角度的双层WSe2同质结激子莫尔势的影响, 发现层间激子莫尔势的大小和势垒/势阱的位置与层间相对旋转角度及电场强度有关, 不同旋转角度的双层WSe2同质结激子莫尔势大小及势垒/势阱的位置随电场强度($\leqslant $1 V/nm)的变化不同. 这些结果为调控层间激子的局域与非局域转变提供了理论依据和数据预测, 在推动人工激子晶体及纳米阵列激光器等半导体器件的发展方面具有重要指导意义.

硅烯是硅原子蜂窝状排列构成的二维材料, 由于其层内硅原子不在同一平面上而易受到电场等调控, 近年来成为理论和实验研究的一个热点. 借助于第一性原理计算方法, 详细研究了硅烯和二维铁电材料${\rm{In}}_{2}{\rm{S}}_3$单层材料异质结的堆垛形式和电子结构. 计算结果表明, 硅烯和${\rm{In}}_{2}{\rm{S}}_3$可以形成稳定的异质结, ${\rm{In}}_{2}{\rm{S}}_3$衬底的自发铁电极化对硅烯能带有显著调控作用. 铁电极化方向向上时, 自发极化电场和衬底的共同作用在狄拉克点打开能隙, K和K'点贝利曲率符号相反, 对应能谷霍尔效应态. 铁电极化方向向下时, 硅烯和${\rm{In}}_{2}{\rm{S}}_3$之间间距变小, 费米能级有能带穿过, 对应金属态. 研究结果对铁电调控硅烯二维异质结提供参考, 为硅烯异质结在信息存储领域的应用指明方向.

两种或两种以上的单层材料堆垛成范德瓦耳斯异质结是实现理想电子及光电子器件的有效策略. 本文选用As单层及HfS2单层, 采用6种堆垛方式构建As/HfS2异质结, 并选取最稳结构, 利用杂化泛函HSE06系统地研究了其电子和光学性质以及量子调控效应. 计算发现, As/HfS2本征异质结为Ⅱ型能带对齐半导体, 且相对两单层带隙(>2.0 eV)能明显减小(约0.84 eV), 特别是价带偏移(VBO)和导带偏移(CBO)可分别高达1.48 eV和1.31 eV, 非常有利于研发高性能光电器件和太阳能电池. 垂直应变能有效调节异质结的能带结构, 拉伸时带隙增大, 并出现间接带隙到直接带隙的转变现象, 而压缩时, 带隙迅速减少直到金属相发生. 外加电场可以灵活地调控异质结的带隙及能带对齐方式, 使异质结实现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型之间的转变. 此外, As/HfS2异质结在可见光区域有较强的光吸收能力, 且可通过外加电场和垂直应变获得进一步提高. 这些结果表明As/HfS2异质结构在电子器件、光电子器件和光伏电池领域具有潜在的应用前景.

为了解决传统金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导结构传感器不可动态调控的问题, 本文将石墨烯纳米管引入MIM波导耦合圆环谐振腔结构, 设计了一种动态可调的MIM-石墨烯纳米管混合结构折射率传感器. 采用有限元法对系统的传输特性、电场分布和磁场分布进行数值研究, 并通过多模干涉耦合模理论进行分析验证. 结果表明, Fano共振源自于TM10腔共振模式和石墨烯等离子体电共振模式之间的相干耦合. 通过改变石墨烯的化学势可以在较大波长范围内动态调谐Fano共振的谐振波长和线宽, 从而实现折射率传感器的动态调控. 在最佳结构参数下, 传感器灵敏度可达1250 nm/RIU. 与传统的MIM波导结构相比, 该器件具有结构简单、动态可调、易于加工且工作波段范围大等诸多优点, 对设计可动态调控的高性能纳米光子集成器件具有一定的指导意义.

有机无机杂化钙钛矿材料因具有可调节的带隙宽度、优异的载流子传输性能、可低温溶液法制备等优点, 近年来在光电器件的应用研究上受到了广泛的关注. 对于平面光电导型探测器, 电荷在两电极之间需横穿钙钛矿层, 由于钙钛矿晶体的形成能较低, 在晶界和薄膜表面易产生缺陷, 光生载流子被缺陷阻挡而加剧激子的非辐射复合, 造成器件光电性能下降. 本文通过在钙钛矿界面层下方引入微量的氧化石墨烯纳米片作为钙钛矿晶体的有效成核点, 使得钙钛矿晶体可依附于氧化石墨烯形核, 降低钙钛矿晶体成核势垒的同时与钙钛矿形成铅-氧键, 最终获得晶体颗粒增大、晶界数量减少、薄膜致密的钙钛矿层. 由于氧化石墨烯在玻璃基底上的含量极低, 大片玻璃基底裸露并与钙钛矿直接接触, 因此钙钛矿层应视为制备在玻璃基底上. 在氧化石墨烯纳米片的影响下钙钛矿与玻璃基底的接触更为紧密, 有效降低界面间的激子非辐射复合概率, 提高了界面间电荷传输性能. 最终, 在氧化石墨烯纳米片最优制备参数的影响下, 钙钛矿光电探测器光电流相比空白对照器件提高了1个数量级, 在3 V偏压下的开关电流比为5.22 × 103, 并且最优的光电探测器的光响应速度明显提高, 上升时间为9.6 ms, 下降时间为6.6 ms.

在4d过渡族金属氧化物AMoO3 (A = Ca, Sr, Ba)中, BaMoO3是唯一没有外延薄膜相关研究报导的材料. 本文以BaMoO3多晶陶瓷为靶材, 利用脉冲激光沉积技术得到了高质量的BaMoO3和BaMoO4外延薄膜; 分析了氧分压在薄膜生长中的作用, 发现BaMoO3的外延生长对氧分压极为敏感. 通过氧分压调制实验, 在SrTiO3 (111)衬底上发现了一种BaMoO3参与的自组装超晶格结构, 对其进行了结构表征和初步分析, 并从脉冲激光沉积制备钙钛矿薄膜的动力学角度对该结构的形成进行了讨论; 最后对本系列外延膜进行了电输运性质的表征, 结果显示在SrTiO3 (001)衬底上的外延BaMoO3薄膜有着更好的导电性.

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似(GGA + U), 系统研究了Ge-S/F共掺杂对Li2MSiO4 (M = Mn, Fe)晶体结构稳定性和电化学性能的影响. 计算结果表明Ge-S/F共掺杂Li2MSiO4 (M = Mn, Fe) 体系在脱锂过程中均会发生Li和M的位置交换, 与Li2MSiO4(M = Mn, Fe) 相比, 掺杂体系具有更好的韧性, 且锂离子在掺杂体系中更容易迁移. 同时发生了位置交换的掺杂体系结构在脱锂过程中大多更为稳定, 尤其是Li2Mn0.5Ge0.5SiO3.5S0.5在整个脱锂过程中体积变化均很小, 说明其具有良好的结构循环稳定性. 此外, Ge-S/F共掺杂均降低了Li2MSiO4 (M = Mn, Fe) 的理论平均脱嵌电压. 结合态密度图和磁矩结果分析表明, Ge-S/F共掺杂可以提高Li2MnSiO4的导电性和延缓Li2MnSiO4体系中Jahn-Teller效应的出现, 有利于提高Li2MnSiO4的结构循环稳定性. 同时, 共掺杂不仅提高了Li2FeSiO4的导电性, 也有利于Li2FeSiO4体系脱出更多的Li+, 特别是Ge-F共掺杂体系有望实现完全脱锂.

基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了锂离子电池富锂锰基三元正极材料Li1.167Ni0.167Co0.167Mn0.5O2中的氧空位形成, 讨论了环境温度、压强以及点缺陷的存在对氧空位形成能的影响, 还讨论了氧空位对材料容量的影响. 结果表明, 氧空位的形成能随温度的升高而下降, 随氧分压的降低而降低. 对于带电氧空位($ {\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}^{+1} $, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}^{+2} $), 空位形成能随着费米能级的升高而增加. 研究还表明, 氧空位的形成对Li1.167Ni0.167Co0.167Mn0.5O2材料中电荷密度分布的影响是相当局域的, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{O}}^{0} $氧空位形成后仅在氧空位附近的Mn离子周围出现明显的电荷密度的重新分布. 此外, 计算了氧空位附近存在阳离子空位以及替位点缺陷对氧空位形成能的影响. 结果显示, Mn空位的存在能够明显地促进氧空位的产生. 另外, 当Mn被Mo或Fe原子替位时, 氧空位的产生会受到抑制.

为制备产生高品质电子源的高量子效率半导体Cs-Te光阴极, 基于INFN-LASA的Cs-Te光阴极制备方法, 发展一套Te断续、Cs持续沉积制备Cs-Te光阴极的方法. 在SINAP和SARI的光阴极制装置上制备的Cs-Te光阴极, 波长265 nm紫外光照射下, 量子效率大于5%, 并且制备成功率达到100%. 只要制备腔室真空好于10–8 Pa, 这套制备方法就能制备高量子效率的Cs-Te光阴极, 且不因制备装置和操作人员的改变而改变.

为了解决现存太赫兹移相器的损耗较大且不可控、相移量较小的问题, 本文设计了一种简易超材料复合结构实现的太赫兹移相器. 该器件由4层结构组成, 自上而下依次为L型金属谐振层、液晶层、弓型金属层、石英基底层. 通过在上、下金属层施加偏置电压, 改变液晶盒内液晶分子指向矢的偏转角α, 从而改变液晶的有效折射率, 器件的相位也随之发生变化, 进而实现动态调控相位的目的. 仿真结果表明: 设计的太赫兹液晶移相器在1.68—1.78 THz间透射率可达0.968, 插入损耗低至0.3 dB; 当频率为1.7396 THz时, 其最大相移为352.625°, 在1.7315—1.7396 THz (带宽为8.1 GHz) 频率内相移量超过352°. 这种简易超材料多层结构为调控太赫兹波提供了一种新方法, 在太赫兹成像、传感等领域有广泛的应用前景.

采用改进的连续小波变换对一组人工触发闪电的回击过程光学辐射信号进行了色散特性分析, 并与经典R-L-C传输线模型的计算结果进行了对比. 结果表明, 回击过程光学辐射信号不同频率分量的到达时间随频率的增加具有非线性变化; 在不同频率分量的到达时间曲线上, 低频段均出现了一个转折频率, 并且转折频率的大小通常在10—25 kHz之间. 该转折频率的存在为评估回击通道特性和电导率提供了一类新的参数化依据, 据此估算了此次触发闪电六次回击过程的通道电导率, 平均变化范围为(0.59—0.96) × 104 S/m, 总体平均值约为0.77 × 104 S/m, 与经典评估结果相似.