费米子是标准模型中物质构成的基本单元, 这些基本的粒子通过相互作用构建了物质世界. 同时, 费米子也是凝聚态物理领域和量子化学计算中需要处理的核心的微观自由度, 对理解高温超导电性、刻画量子磁性、描述分子结构和功能均起决定性作用. 但是在经典计算机上模拟多费米子模型比较普遍地会遇到负符号问题, 需要的计算复杂度往往随着粒子数的增长呈指数增长. 而超冷原子系统提供了一种直接对相互作用费米子进行量子模拟的有效手段和实验平台, 即通过微观可控的方式在物理实验中实现一个费米子模型, 通过对体系进行测量获取模型的微观和宏观特性, 从而加深对相关物理机制的认知和对关键参数的测定. 近年来, 实验对多费米子系统的基态、热平衡态、量子多体动力学进行了丰富的研究, 在BEC-BCS渡越、费米子哈伯德模型、量子多体局域化的研究中取得多项研究进展. 在量子模拟中对经典计算不能有效模拟的物理进行研究, 包括宏观的量子现象和微观的物理机制等, 体现了可控量子系统中的量子优越性. 本文将简单介绍相互作用费米子的模型以及其在描述量子多体物质状态中的重要性, 并阐述相互作用导致的各种超流和密度波关联物态, 而这些物态对理解高温超导和量子磁性有重要科学意义. 同时, 关联物态的模拟在经典计算机上往往具有指数复杂度, 而量子模拟的相关研究在标定相变参数、表征物态性质上体现了量子优越性.

超临界流体技术发展日益成熟, 开展超临界流体在纳米多孔材料内的吸附行为研究, 对超临界流体技术的开发与应用推广具有理论意义和使用价值. 本文利用巨正则蒙特卡罗法, 主要模拟了超临界状态下氮气在单壁碳纳米管内的吸附行为. 结果表明超临界条件下, 氮气在单壁碳纳米管内的吸附等温线不严格遵循层状吸附机制; 氮气吸附等温线出现峰值, 且峰值随温度的升高而逐渐减小. 与亚临界条件不同, 超临界条件下流体局部密度分布曲线的吸附峰并不能代表过剩吸附量的增加, 且本体气相密度对吸附过程产生的影响不可忽略. 通过对超临界条件下的吸附积分摩尔焓进行研究, 发现过剩积分摩尔焓随孔径增大而减小; 吸附积分摩尔焓在较低压力下随孔径增大而减小, 但在较高压力下随孔径的增大而增加.

在未来量子通信网络的大规模应用中, 如何根据当前用户实际情况实现资源优化配置, 比如选择最优量子密钥分发协议(quantum key distribution, QKD)和最优系统参数等, 是实现网络应用的一个重要考察指标. 传统的QKD最优协议选择以及参数优化配置方法, 大多是通过局部搜索算法来实现. 该方法需要花费大量的计算资源和时间. 为此, 本文提出了将机器学习算法应用到QKD资源优化配置之中, 通过回归机器学习的方式来同时进行不同情境下的最优协议选择以及最优协议的参数优化配置. 此外, 将包括随机森林(random forest, RF)、最近邻(k-nearest neighbor, KNN)、逻辑回归(logistic regression)等在内的多种回归机器学习模型进行对比分析. 数据仿真结果显示, 基于机器学习的新方案与基于局部搜索算法的传统方案相比, 在资源损耗方面实现了质的跨越, 而且RF在多个回归评估指标上都取得了最佳的效果. 此外, 通过残差分析, 发现以RF回归模型为代表的机器学习方案在最优协议选择以及参数优化配置方面具有很好的环境鲁棒性. 因此, 本工作将对未来量子通信网络实际应用起到重要的推进作用.

量子通信是当前国内外研究的前沿热点领域, 具有理想的信息安全性. 为了使干旱和沙漠化地区的量子系统能够几乎全天候的工作, 必须开展沙尘湍流大气对自由空间量子信号传输衰减及对通信性能影响的研究. 应用米氏散射理论、多重散射模拟方法和大气湍流理论, 研究了不同能见度的沙尘湍流大气信道中光波传输的衰减, 及多重散射和湍流对衰减的影响, 表明随能见度的降低多重散射影响增大, 随着距离的增加湍流效应逐渐加强. 基于量子幅值阻尼信道模型, 分析了不同能见度沙尘湍流大气中的多重散射和湍流对量子信道容量、保真度、误码率的影响. 结果表明, 随着能见度降低, 多重散射效应增强, 使衰减和误码率有所减小, 而信道容量、保真度和安全密钥率的边界有所增加. 沙尘大气中湍流的存在, 又会使衰减和误码率增大, 而信道容量、保真度和安全密钥率会减小. 由此可见, 沙尘大气能见度较低时的多重散射和湍流对通信性能的影响不可忽略, 在实际应用中应根据能见度和湍流强度自适应地调节量子通信相关参数, 以提高量子通信的概率和可靠性.

退相干抑制是量子系统控制中一项重要的控制任务. 受到经典控制理论中的前馈控制的启发, 本文借助弱测量和环境辅助测量提出一种新的退相干抑制方案, 并将其推广到一般的N量子比特情形. 所提方案的核心思想是: 在退相干通道前, 借助弱测量算符和前馈控制算符将量子比特转移到一个对环境噪声更鲁棒的状态上; 在退相干通道中, 对与被保护的量子比特耦合的环境进行测量; 在退相干通道后, 再借助相应的反转算符恢复初始状态. 所提方案适用于具有至少一个可逆的Kraus算符的任意退相干通道下的量子状态保护. 假设所考虑的振幅阻尼或相位阻尼退相干通道的特性是完全已知的, 那么所提方案即便是在重阻尼情况下也能取得100%的保真度, 这是所提方案的最大优势. 以2量子比特纠缠态的并发度增强和噪声环境下量子隐形传态的保真度提高为例设计了两组数值仿真实验, 推导了性能指标的解析表达式, 并通过与无保护方案对比凸显出所提方案的优越性.

利用数值计算方法, 研究了由简谐势与光晶格势构成的复合势阱中旋转二维玻色-爱因斯坦凝聚体中涡旋的产生、涡旋链的形成, 以及涡旋链的特性. 首先利用多重网格预条件共轭梯度法, 研究了二维凝聚体中涡旋的产生、涡旋链的形成及分布情况和不同物理参量对涡旋链的影响; 其次利用时间分裂谱方法研究了涡旋链随时间的演化情况. 结果表明, 囚禁于复合势阱的凝聚体中涡旋的产生, 对应于势阱的极小值, 当光晶格深度增大到一定值时, 凝聚体中形成了涡旋链, 而随着光晶格深度的进一步增大, 凝聚体中涡旋链中的涡旋深度不断减小, 最终涡旋链完全消失. 当原子间相互作用强度增大, 凝聚体的分布范围扩大, 凝聚体中的涡旋和涡旋链的数量也增加, 但当原子间相互作用强度增大一定值后, 涡旋链的对称性被破坏. 随着凝聚体旋转角速度的增大, 凝聚体的分布范围随之扩展, 凝聚体中涡旋和涡旋链的数量也随之增加. 当凝聚体旋转角速度接近外部势阱的谐振频率时, 涡旋链的直线排列被破坏. 还发现凝聚体中涡旋链随时间演化存在3个阶段: 第1阶段涡旋链与凝聚体一同旋转且保持原有的链状分布不变; 第2阶段出现了涡旋空间挤压现象, 涡旋链被破坏; 第3阶段出现了涡旋空间扩张现象, 最终涡旋链消失.

核磁共振陀螺具有高精度、小体积、低功耗等优点, 是目前陀螺仪研究领域的热点之一. 陀螺中的碱金属原子自旋弛豫时间通常在10–5 s量级, 远小于在通常原子磁力仪中的弛豫时间. 研究了短弛豫时间原子自旋对不同方向的振荡磁场EPR响应的差异, 分析了基于EPR信号测量中心频率方法的偏差与弛豫时间的关系, 并从理论上给出了修正. 提出了一种基于XY轴信号相位差测量横向弛豫时间的方法, 可以实现对弛豫时间的准确快速测量. 在实验上以87Rb原子为例比较了几种测量方式的准确性和适用性, 其中半高宽拟合法受到系统延迟时间的影响较大并有其测量极限, 相位测量法受到探测光角度影响较大, 但测量范围更广, 且抗干扰能力更强. 研究对于准确测量核磁共振陀螺参数, 提高陀螺性能的研究具有重要意义.

研究了奇异夸克物质在零温、有限温度、强磁场下基于准粒子模型的热力学性质. 结果说明夸克物质的对称能会随着准粒子模型的耦合常数增加而增加, 对称能越大夸克物质的物态方程就越硬; 结果还表明温度场与磁场对奇异夸克物质的每核子能量、每核子自由能、各向异性压强都有较大影响. 通过对原生磁星的计算, 发现原生磁星的最大质量和核心温度不仅受到原生星演化过程中的加热过程影响, 还与磁星内部磁场强度与磁场方向的分布密切相关. 随后考虑了磁星内部径向、横向磁场混合的情况, 发现磁星最大质量会随着磁场方向与径向的夹角变化. 本文所做工作对于理解有限温度、强磁场下奇异夸克物质的同位旋效应和热力学性质以及致密星体物理中的原生磁星的性质具有一定的推进作用, 为接下来寻找磁星内部的真实磁场分布提供了前期理论基础.

目前广泛使用的基于微通道板的光电倍增管, 其时间分辨率受到光电子信号在各部分渡越时间限制, 为光电子信号的时间信息测量带来一定程度的影响. 对影响光电倍增管时间分辨率的参数进行分析, 针对信号在阳极上的时间测量误差进行具体研究, 确定由光电子信号在阳极位置上的差异是造成信号时间测量误差的重要因素, 提出了一种简单且行之有效的误差补偿方法. 采用延迟线阳极获取光电子信号的位置信息, 将位置信息转化为该位置传输至电极端口的时间信息, 通过这一时间信息对光电子信号的时间测量误差进行弥补. 实验结果表明, 该误差补偿方法能有效提升光电子信号的时间测量精度, 为提高基于微通道板的光电倍增管时间分辨率提供解决思路和理论依据.

采用内收缩多参考组态相互作用(ic-MRCI)方法和相对论有效芯赝势基(aug-cc-pV5Z-PP), 优化计算一溴化锶(88Sr79Br)分子14个低激发电子态的电子结构和单点能. 为了获得更加精确的光谱参数, 引入Davidson、核价电子相关和相对论效应修正单点能, 根据优化修正得到的单点能分析获得了最低5个束缚态的势能曲线和偶极矩. 利用LEVEL8.0程序拟合修正的势能曲线, 得到各束缚态的光谱常数、分子常数和振动能级等光谱性质参数. 对比发现本文计算的结果与实验值吻合较好, 最后给出了跃迁性质参数Franck-Condon因子和辐射寿命. 这些光谱特性参数为进一步实验测量和构建分子激光冷却方案提供理论支持.

本文针对一种波导谐振腔集成馈电型惠更斯超表面重点进行了波束调控方法研究. 通过合理地调节单元中电偶极子和磁偶极子的尺寸参数, 对惠更斯超表面单元的相位调控范围实现了接近360°的相位覆盖, 并且保持了较高的传输效率. 研究中通过分析开口波导谐振腔馈电模式的谐振机理, 构建了具备集成馈电功能的开口波导谐振腔结构, 并表征了其电场极化特性, 掌握了口面电场分布规律. 在此基础上, 根据广义菲涅尔定律构建出具有不同相位梯度的惠更斯超表面单元阵列, 将其嵌入开口谐振腔, 从而保障波导内的电磁波定向辐射是采用一维惠更斯超表面机制工作. 仿真和实验结果均证明了所提出的波导谐振腔集成馈电超表面能有效地实现对辐射波方向的高效调控. 这种波导谐振腔加载超表面的方式不但能够实现对电磁波辐射角度的灵活调控, 提高电磁波调控的效率, 而且所设计的超表面具有结构紧凑的优点, 有利于系统的集成和小型化设计.

设计任意调控极化的电磁器件是一个研究热点, 其中多功能可重构电磁器件在雷达、卫星通信等领域有着广泛的应用. 本文设计了一种基于正本征负极(PIN)二极管可调谐的多功能可重构极化转换超表面, 可以实现不同频段内的线极化波转换、线极化波-圆极化波转换和全反射功能的切换, 在斜入射角小于30°时, 多功能转换器能保持高效的宽带极化转换特性. 这种转换和重构特性主要是由于结构本身的各向异性和PIN管不同状态时耦合模式的改变. 此外, 利用表面电流解释了偏振转换的物理机理, 电谐振和磁谐振的共同作用导致了偏振转换. 最后, 对该结构样品进行实验验证, 其结果与仿真吻合较好. 该器件在极化调控、频率控制、智能反射面设计和天线设计等方面具有潜在的应用价值.

在Λ-型电磁感应透明系统中, 随着弱探测光场逐渐增强, 多普勒展宽线性吸收背景之上呈现的单个窄线宽窗口演化成了相互间隔出现的3个窗口与2个吸收增强峰. 本文利用缀饰态模型对探测光强度的作用机制进行了详细的研究. 提出当探测光场不再足够弱时, 通过光强可以调控原子Raman相干; 对于多普勒增宽系统, 将使得缀饰态能量变化不连续以及因缀饰态双共振产生极大Raman损耗, 这是透明窗口演化的关键因素.

提出一种基于耦合光力系统的一维晶格理论方案，其中由多个腔场模和机械模式组成，通过调控系统的参数，使其获得集体动力学演化规律，来研究其中的拓扑相变和拓扑量子通道. 首先，通过分析该晶格系统的能谱和边缘态，研究其拓扑特性和拓扑量子通道. 其次，基于拓扑绝缘体的散射理论和输入输出关系，研究平均光子数和反射系数相的环绕数，探测系统的拓扑边缘态和拓扑不变量. 另外，考虑无序缺陷对拓扑特性的影响，发现系统受拓扑的保护，使边缘态对其具有鲁棒性；但无序和微扰大于能隙时，边态模和不变量会发生改变. 该理论研究结果可以应用于量子通信和量子信息处理中.

本文提出并实验证明了一种利用具有单滤波器光反馈的半导体激光器产生带宽增强混沌信号的方案. 为了获得高品质的混沌信号, 方案中讨论了滤波器失谐频率和反馈功率等关键参数对混沌信号带宽和平坦度的影响. 结果表明, 通过选择合适的参数, 可以获得带宽为24.4 GHz、平坦度为5.7 dB的混沌信号. 将这种混沌信号作为熵源, 采用8位模数转换采样量化和多位最低有效位异或提取处理实现了320 Gbit/s的随机比特生成并采用国际公认的随机数行业测试标准(NIST SP 800-22)来检验产生的序列, 结果表明, 通过单滤波器光反馈半导体激光器后处理的混沌熵源所获取的随机数序列具有均匀的分布特性, 可以成功通过NIST SP 800-22的全部测试.

超表面由亚波长尺度排列的人工原子阵列组成, 在调控光场相位、振幅、偏振等方面具有巨大优势. 受离散采样原理和周期性假设的限制, 传统正向设计方法不可避免地存在设计误差, 容易导致器件性能下降. 本文采用基于伴随的多目标拓扑优化方法, 逆向设计了一种具有大偏折角度、偏振不敏感特性的自由形状波分复用超光栅. 仿真结果表明, 相比于离散规则结构, 拓扑优化的波分复用超光栅具有更优越的偏振不敏感性能. 此外, 该结构对510 nm入射光的偏折角度可达70.8°, 其绝对偏折效率高达48%; 对于852 nm入射光, 其透射效率为98%. 在此基础上, 通过使用随机初始结构可将绝对偏折效率优化至70%以上. 本文设计的自由形状波分复用超光栅具有偏折角度大、效率高和空间串扰低等优点, 在光通信、微纳光场调控、基于里德堡原子的微波测量等领域具有潜在应用前景.

超快超声定位显微成像(uULM), 突破了传统超声衍射极限, 可实现分辨率远小于发射波长的在体深层微血管精准成像. 通过对微血管中数以万计的运动微泡进行中心点定位和轨迹追踪, uULM技术可重建微血管图像. 通常一张uULM图像需要数十秒甚至数百秒的连续长程图像采集, 这在一定程度上限制了其更广泛的临床应用. 针对这一挑战, 本研究在阐明了超声衍射极限、超分辨率定位理论方法的基础上, 给出了基于傅里叶环相关的分辨率测定原理和实现方法, 并结合传统uULM重建技术, 发展了一种基于生成对抗网络的深度学习超分辨超声成像方法, 以缩减uULM对图像采集时长的依赖, 提高成像速度和成像分辨率. 针对大鼠脑的在体数据分析结果表明, 基于生成对抗网络的超声定位显微技术微血管分辨达到10 μm, 在保持较高超声成像空间分辨率和图像饱和度的同时, 数据采集时间缩减一半, 从而显著降低了uULM对图像数据采集时长的依赖. 相关深度学习模型连接轨迹的计算复杂度较小, 且避免了人工调参以及轨迹筛选, 为加速超分辨率uULM微血流成像和提升uULM成像分辨率提供了一种有效的工具. 相关思路与方法对促进超分辨率uULM成像技术发展具有一定的借鉴意义.

流场的特征分析与表征研究对流动机理的明确具有重要意义. 然而湍流流场具有复杂的非定常时空演化特征, 对其流场数据的低维表征有一定困难. 针对此问题, 本文提出了基于流场时程数据深度学习方法的湍流低维表征模型, 实现了复杂流动数据的降维表征. 分别建立了基于一维线性卷积、非线性全连接和非线性卷积的自动编码方法, 对非定常时程数据进行降维并得到了低维空间到时域的解码映射关系, 实现了特征提取与压缩. 通过Re = 2.2×104的方柱绕流场进行了研究与验证, 结果表明: 时程深度学习方法可以有效地实现流场的低维表征, 适用于复杂湍流问题; 非线性一维卷积自编码器对复杂流场的表征准确性优于全连接和线性卷积方法. 本文方法是无监督训练方法, 可应用于基于一点的传感器数据处理中, 是研究复杂流场特征的新方法.

圆柱绕流是典型的振荡器流动, 扰动在空间固定位置随时间增长, 诱导尾迹转捩, 从而增大柱体振动与流场噪声. 本文通过在圆柱迎流面、背流面以及全圆柱表面放置电磁激活板产生流向电磁力, 调控二维基态流, 降低尾迹中扰动增长率, 实现转捩模态改变. Floquet稳定性分析发现, 迎流面控制中转捩模态A和B的增长率变化较小, 而背流面和全圆柱控制中两种模态的增长率均随电磁力控制参数的增大而减小. 分析椭圆不稳定和双曲不稳定诱导的无黏增长率发现, 迎流面控制中尾迹高无黏增长率与无控制时相似, 而背流面和全圆柱控制中均随电磁力作用参数的增大而减小. 三维直接数值模拟发现圆柱尾迹三维形态在背流面控制和全圆柱控制中由模态B转变为模态A, 与Floquet稳定性分析结果吻合. 此外, 当圆柱尾迹形态发生变化后, 背流面控制和全圆柱控制下圆柱所受的阻力分别降低了15.2%和14.4%.

基于HL-2A实验参数, 利用TOQ程序构建了具有不同台基结构的平衡, 在BOUT++三场模块下对台基磁流体力学(magnetohydrodynamics, MHD)稳定性进行数值模拟研究. 线性模拟表明, 减小台基高度、增大台基宽度、减小台基电流能够提高台基MHD稳定性, 利用色散关系理论, 对上述现象进行解释. 在MHD稳定性的前提下, 预测了不同台基宽度对应的最高台基高度, 对数据进行拟合, 得到可以预测临界台基高度的公式, 并在此基础上结合动理学气球模(kinetic ballooning mode, KBM)理论, 同时预测了台基高度和宽度. 本文也研究了台基结构对MHD不稳定模式的影响, 线性模拟表明, 台基高度能够微弱影响不稳定模式的径向模展宽; 非线性模拟表明, 不稳定模式的前期增长主要受单一主导模的影响, 模式增长到一定大小会发生台基坍塌, 爆发边缘局域模(edge localized mode, ELM), ELM尺寸的演化与主导模幅值的演化同步, 总体来说具有较大线性增长率的平衡在非线性模拟中具有更大的ELM尺寸和更广范围的台基坍塌.

等离子体喷流对撞是天体物理和激光等离子体物理中常见的流体力学现象. 构建对撞等离子体状态和喷流初始条件的流体定标关系, 对于相关实验的物理设计和数据分析具有重要意义. 本文采用最新升级的二维自由拉格朗日辐射流体模拟程序MULTI-2D, 研究了高速(≥100 km/s)、高密度(≥10 g/cm3)条件下的喷流对撞过程. 基于不同条件下等离子体喷流高速对撞过程的模拟数据, 通过机器学习中的贝叶斯推断方法构建了描述等离子体喷流对撞过程的流体定标规律. 研究结果表明: 锥形等离子体喷流对撞易于形成等容分布的高密度等离子体; 提高喷流的初始密度和速度, 有利于提高对撞等离子体的密度和温度; 提高喷流的初始温度, 有利于提高对撞后的温度, 但会降低对撞后的等离子体密度. 当等离子体喷流的初始密度、温度和速度分别设定为15 g/cm3, 30 eV和300 km/s时, 对撞后的等离子体密度可以达到300 g/cm3以上, 这对于双锥对撞点火方案中的快电子加热过程非常重要.

杆箍缩二极管的模拟工作是指导杆箍缩二极管性能改进的重要工具,为提升模拟的准确性, 本文对阳极等离子体产生机制开展研究. 采用particle in cell和蒙特卡洛的模拟计算方法, 在杆箍缩二极管阳极离子发射模型的基础上, 根据空间电荷双极性流特性, 着重研究等离子体电子的作用, 提出阳极等离子体模型. 本文以目前的实验结果为基础, 以数值计算为主要手段对新模型进行了详细的分析, 并在杆箍缩二极管电流、杆箍缩二极管阴阳极间隙电场分布、电子能谱、电子入射阳极杆的运动状态、X射线剂量及成像焦斑计算等方面与阳极离子发射模型进行详细对比. 研究表明, 新模型计算结果更接近实验测量结果, 描述杆箍缩二极管物理过程不能忽视阳极等离子体电子的作用.

晶界是限制CdZnTe核辐射成像探测器大面积应用的主要缺陷之一. 为了探究改善晶界附近电场分布特性的方式, 本文采用Silvaco TCAD从理论上研究了亚禁带光照对于含晶界CdZnTe探测器内电场分布的影响. 仿真结果表明, 在无偏压下, 亚禁带光照能使得晶界势垒降低, 从而减小对载流子传输的阻碍作用. 在外加偏压下, 亚禁带光照使得晶界引起的电场死区消失, 使其电场分布趋向于线性分布. 同时研究了不同波长和不同强度的亚禁带光照对于晶界电场分布的影响, 结果表明光强低于1×10–9 W/cm2时, 亚禁带光照对于CdZnTe晶体的电场无调节作用. 而在波长850 nm, 光强1×10–7 W/cm2的亚禁带光照下, 实现了更平坦地电场分布, 因此可有效地提高器件的载流子收集效率. 仿真结果为调节晶界电场分布提供了理论指导.

碲锌镉探测器长期暴露于辐射环境下时, 会形成不同程度的辐照损伤, 影响器件性能甚至失效, 极大缩短探测器在辐射场中的服役时限. 本文首先利用Geant4程序包对能量为1.00—14.00 MeV的中子在碲锌镉中的输运过程进行模拟, 获取初级离位原子的信息, 进而结合级联碰撞模型, 对不同能量的中子在碲锌镉材料中造成的辐照损伤进行模拟计算. 计算结果表明初级离位原子能量大部分位于低能端, 并随着入射中子能量升高, 初级离位原子的种类更加丰富, 能量也逐渐增大; 中子辐照碲锌镉材料时非电离能损沿着深度方向均匀分布, 且非电离能损随着入射中子能量的增加呈现先增大后减小的趋势; 辐照损伤量—原子离位次数(dpa)的计算结果表明, dpa也随入射中子能量升高呈先增大后减小的趋势, 进一步分析可知随着入射中子能量增大, 非弹性散射成为造成材料内部离位损伤的主要因素.

铀及铀合金贮存环境中的水分子与铀反应会产生氢气 (H2) , 进而对铀表面产生腐蚀作用. 基于密度泛函理论, 本文开展了H2在钼 (Mo) 涂层γ-U(100) 表面(U(100)/Mo) 吸附行为的第一性原理研究, 建立了γ-U(100)及U(100)/Mo表面模型, 计算了H2在不同吸附位点下的结构参数、吸附能、Bader电荷、表面功函数、电子态密度. 研究结果表明, H2在γ-U(100) 和U(100)/Mo表面的吸附主要为物理吸附, 在空位平行吸附构型下, H2完全解离成两个H原子, 化学吸附于基底表面. Bader电荷分布结果表明, 此时净电荷的变化量大于物理吸附时对应的净电荷变化量. H2在U(100)/Mo表面最稳定吸附构型下 (HMo-Hor) 的吸附能小于γ-U(100) 表面最稳定吸附构型 (HU-Hor) 的吸附能, 相比于H2在γ-U(100) 表面的吸附, H2在U(100)/Mo表面的吸附更稳定. 本文为铀合金及其Mo涂层表面氢化腐蚀研究提供了理论依据, 为未来开展铀合金表面抗腐蚀研究提供理论基础和实验技术支持.

液体表面张力系数测量技术中, 非接触法测量具有快速、无损和简单实用等优点. 本文设计了一种非接触式测量透明液体表面张力系数的新方法, 发现了一种特殊的“自干涉”现象, 并提出“相位驻波”理论解释了该现象产生的原因. 通过一个频率可调的振动源激发液体表面波, 利用普通光源或激光光源斜入射至液面, 经过液面下方的漫反射面反射后, 光波携带第一次表面波相位信息与表面波再次相遇, 使两次相位余弦波产生了驻波形式的相位分布, 从而在远场观察到明暗相间且非常稳定的“自干涉”条纹. 通过对图像分析处理, 实现条纹间距的自动测量, 根据表面波的色散关系, 自动准确地获得液体的表面张力系数, 该方法可广泛应用于液体表面张力系数的精确测量.

ZnGeP2晶体是3—5 μm中红外激光输出的最好频率转换材料, 可实现激光器的全固态化和大功率输出. 但在8—12 μm处由于本证缺陷导致的吸收带与光参量振荡器的抽运波长交叠, 限制了光参量振荡器的应用性能, 使其无法实现远红外激光输出. 本论文采用密度泛函理论讨论了ZnGeP2晶体6种缺陷结构的形成能与缺陷迁移机制. 结果表明$ {{\text{V}}_{\text{P}}} $和VGe两种缺陷结构较难形成, $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $, $ {\text{Z}}{{\text{n}}_{{\text{Ge}}}} $, $ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $和$ {\text{G}}{{\text{e}}_{{\text{Zn}}}}{\text{ + }}{{\text{V}}_{{\text{Zn}}}} $四种缺陷容易形成. 当Ge原子微富余Zn原子, 温度为10 K, 500 K和600 K时, $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $形成能小于$ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $, 当温度为273 K和400 K时, $ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $形成能小于$ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $. 晶体的体积膨胀率与缺陷形成能的关系为负相关, 即晶体体积膨胀率越大, 缺陷形成能越低. 差分电荷密度分析显示GeZn和VZn + GeZn两种缺陷结构中原子间电子云密度增强, 空位缺陷(VZn和VGe)与反位缺陷(GeZn和ZnGe)结合形成联合缺陷后, 空位缺陷格点处电子云密度增强. 当温度为10 K时, ZnGeP2晶体的吸收光谱显示VGe, VZn, ZnGe和GeZn四种缺陷结构在0.6—2.5 µm有较明显吸收. VZn的迁移能最低, VGe迁移能最高. VP在迁移过程中迁移能与空间位阻有关, 而VGe和VZn的迁移能与原子间距离有关.

2011年福岛核事故之后, U3Si2作为可代替UO2的核燃料被预测为重要的耐事故燃料. 近年来的研究结果表明, U3Si2作为耐事故燃料的候选材料, 其在微观尺度上进行的模拟还不够深入. 在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U3Si2的一些性能. 因此, 采用第一性原理计算U3Si2核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注. 在之前的工作中, 我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验 (FPCTT/FPCST) 的方法预测了U3Si2在几个低指数晶面/晶向上的理想强度. 然而, 并未对U3Si2的断裂行为进行过多的解释. 因此, 本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响, 分析了U3Si2在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为. 结果表明: U3Si2在理想拉伸应变的作用下, 晶体的破坏主要受化学键变化的影响, 而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降, 可能与U3Si2的应变诱导结构相变有关.

因具有反向系间窜越过程(reverse intersystem crossing, RISC)在低成本就可实现高效率发光, 激基复合物(exciplex)型有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLEDs)是目前的一个研究热点. 其微观过程通常表现为极化子对的系间窜越(ISC)过程占主导, 引起的磁电致发光(magneto-electroluminescence, MEL)效应和磁电导(magneto-conductance, MC)效应都是正值, 且MEL幅值大于MC幅值; 由于在一般电流(I)范围内存在线形关系EL $ \propto \eta \cdot I $, 对应的磁效率(magneto-efficiency, Mη)也是正值. 本工作却在激基复合物与电致激基复合物(electroplex)共存的器件中发现: 虽然在小电流下MEL值也大于MC值, 但是电流增大后MEL值逐渐小于MC值, 即Mη值由正变成负. 通过对比该型器件与纯激基复合物型器件中不同的物理微观过程发现: 激基复合物与电致激基复合物共存器件中存在从激基复合物到电致激基复合物的Dexter能量转移(Dexter energy transfer, DET)过程, 此过程会增强电致激基复合物的RISC过程, 且DET过程会随电流的增大而增强, 导致器件在大电流下表现为RISC过程主导的负Mη. 本工作有助于认识激基复合物型OLEDs中激发态间的相互作用规律, 也为制作高效率发光器件提供了理论参考.

硼烯是继石墨烯以来很有潜力的新型二维材料, 本文采用格林函数方法结合Landauer-Büttiker公式, 着重研究了电极-中心区连接方式、层间跃迁和在位能无序对双层硼烯纳米带电荷输运的影响, 计算了双层硼烯纳米带的色散关系、透射谱以及电流-电压曲线. 计算结果表明: 双层硼烯纳米带均呈现金属行为, 该现象与电极-中心区连接方式、层间跃迁以及无序均无关, 定性解释了双层硼烯为金属的实验结果. 当左右电极为单层硼烯时, 体系透射谱不存在量子化电导平台, 相应的电流小于左右电极均为双层硼烯纳米带的情况. 电流与层间跃迁的关系依赖电极-中心区连接方式. 当左右电极为双层硼烯时, 随层间跃迁的增大, 电流先增大后减小; 当左右电极不相同时, 随层间跃迁的增大, 电流先迅速增大而后达到饱和; 当左右电极为上(下)层硼烯时, 随层间跃迁的增大, 电流振荡下降(上升). 最后发现双层硼烯纳米带的输运性能随无序强度的增大而减弱.

三元过渡金属硫属化物是一类兼具低维结构和强关联电子的系列化合物, 依其不同构成呈现出丰富多彩的电子基态. 在硫属元素(S, Se, Te)中, Te具有比S和Se更小的电负性和更大的原子质量, 因而过渡金属碲化物呈现出与硫化物和硒化物不同的晶体结构、电子结构和物理性质. 三元过渡金属碲化物中陆续被发现新超导体Ta4Pd3Te16和Ta3Pd3Te14, 拓扑狄拉克半金属TaTMTe5 (TM=Pd, Pt, Ni)等, 进一步拓展了碲化物家族的物性研究, 为该材料体系的潜在应用探究奠定了基础. 本文首先介绍了利用自助熔剂法和化学气相输运法生长4种三元钯基碲化物(Ta4Pd3Te16, Ta3Pd3Te14, TaPdTe5和Ta2Pd3Te5)单晶的详细方案, 并给出了化学气相输运法生长Ta2Pd3Te5的化学反应方程式. 生长出的Ta4Pd3Te16和Ta3Pd3Te14晶体的超导转变宽度仅分别为0.57 K和0.13 K, 通过电阻数据拟合, 得到了拓扑绝缘体Ta2Pd3Te5晶体的能隙值为23.37 meV. 最后, 本文对利用自助熔剂法生长上述4种三元钯基碲化物晶体的生长条件和规律进行了对比分析和讨论, 可以为采用类似方法生长其他过渡金属碲化物晶体提供启发和借鉴.

近年来, 非厄米系统涌现出了大量新颖现象, 比如传统体边对应的失效、非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)等等. 本文通过逆参与率和平均逆参与率,研究非厄米Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型的本征态的局域性以及非厄米趋肤效应, 并且研究了系统的体边对应率. 在此基础上, 进一步研究了同位无序对系统非厄米趋肤效应的影响. 发现, 由于受到拓扑保护, 无序不会破坏拓扑零能的波函数局域性, 但是会极大地影响体态的非厄米趋肤效应. 引入无序以后, 系统的体态将会迅速扩展到体内. 非厄米趋肤效应对同位无序表现了脆弱性. 当无序增强, 非厄米趋肤效应会受到很大的压制. 无序会减小系统的能隙和虚部能量. 我们的研究加深了人们对非厄米趋肤效应的认识.

厚度低至原子层的金属薄膜具有优越的光吸收能力和导电特性, 尤其是在金属薄膜和介质界面激发的表面等离激元, 可以很好地捕获光子并产生热载流子, 使其在提高太阳能电池的光电转换效率、设计近红外波段的光电探测器和基于表面等离激元的传感器等方面表现出优异的性质. 然而, 目前还缺少对金属薄膜的表面等离激元和热载流子性质的系统理论研究. 本文基于多体第一性原理计算方法, 系统地研究了1—5个原子层厚Au(111)薄膜的表面等离激元特性, 以及由表面等离激元产生的热载流子的能量分布和输运性质. 研究结果表明, Au(111)薄膜具有低损耗的表面等离激元特性. 同时, 在Au(111)薄膜和介质界面激发的表面等离激元约束程度较强, 可以增强局部电场, 这在纳米光子学应用中至关重要. 此外, Au(111)薄膜具有高热载流子产生效率, 且产生的热电子及热空穴能量较高, 具有优异的平均自由程和平均自由时间. 意外的是, Au(111)薄膜的直流电导率显著优于块体Au. 这些结果为Au(111)薄膜在光电子器件和能量转换设备等的设计和制造提供了新的思路和理论基础.

基于h-BN钝化的氢终端金刚石表面导电沟道表现出高的空穴迁移率, 但是当前h-BN钝化金刚石主要采用机械剥离的方法, 无法实现大尺寸导电沟道, 难以满足实际的应用要求. 本文系统地开展了经典转移h-BN对氢终端金刚石表面导电沟道的载流子输运影响研究. 通过微波化学气相沉积外延生长高质量单晶金刚石, 并通过表面氢化处理得到氢终端金刚石. 通过湿法转移不同层数h-BN制备出h-BN/H-diamond异质结, 系统地研究了沟道载流子输运特征. 研究结果表明, h-BN转移后沟道导电性能明显增强, 且随着h-BN厚度的增加, 沟道导电性增强效果趋于稳定. 多层h-BN的转移可使氢终端金刚石表面载流子密度提升近2倍, 方阻降低到之前的50%. 当前的结果显示h-BN/H-diamond异质结可能存在转移掺杂效果, 使得载流子密度显著提升. 伴随载流子密度的增加, h-BN钝化的金刚石表面沟道迁移率保持稳定, h-BN在金刚石表面吸附, 使得原本在氢终端表面的负电荷向h-BN表面移动, 作用距离加大, 减弱了氢终端金刚石导电沟道中空穴和介质层负电荷的耦合作用, 使其迁移率保持稳定.

本文采用第一性原理分子动力学(ab initio molecular dynamics, AIMD)方法模拟了Co72Y3B15M10 (M = B, C, Si, P) 合金形成非晶的过程, 探究添加类金属元素C, Si, P对Co基Co-Y-B合金非晶形成能力(glass-formingability, GFA)和磁性能的影响, 着重从原子层面分析了局域原子结构与性能的关联. 计算的局域原子结构表征参数有对分布函数、配位数、化学短程序、Voronoi多面体指数、局域五次对称性和均方位移. 结果表明, 4种合金不同的局域原子结构特征造成其GFA的差异. Co72Y3B15C10和Co72Y3B15P10合金中棱柱结构的含量较高, B/C-C和B/P-P原子间的溶质分离性较弱, 过冷态时(1100 K)原子扩散能力较强, 不利于提高合金的GFA. Co72Y3B15Si10合金中畸变二十面体结构的含量较高, Co-Si原子间吸引力较强, B/Si-Si原子间具有较好的分离性, 过冷态时原子的扩散能力较低, 有利于提高合金的GFA. 因此, 添加Si元素有助于提高合金的GFA, 而C和P元素的添加会降低GFA, 且C元素对GFA的削弱作用更为明显. 4种合金的GFA按Co72Y3B15Si10 > Co72Y3B25 > Co72Y3B15P10 > Co72Y3B15C10的顺序依次降低. 添加C, Si, P元素使体系的总磁矩均有所下降, 按照Co72Y3B25 > Co72Y3B15Si10 > Co72Y3B15C10 > Co72Y3B15P10的顺序依次递减. Co-Si原子间较强的p-d轨道杂化作用增强了磁交换耦合作用, 导致添加Si元素对总磁矩的削弱作用较小.

本文基于最新构建的${{\rm{SiH}}_2^+}({\tilde{\rm{X}}}{}^{3}{\rm{A}}'')$势能面, 运用切比雪夫波包方法, 对初始态为$ \nu = 0, j = 0 $的${\text{D}} + {\text{Si}}{{\text{D}}^ + } $反应体系在$ 1.0 \times {10^{ - 3}} $—1.0 eV的碰撞能量范围内进行动力学研究. 通过对角动量量子数$ J \leqslant 110 $的所有分波进行计算, 运用耦合态近似和考虑科里奥利耦合效应的精确量子力学两种方法, 得到该反应的反应概率、积分散射截面和速率常数. 文章详细分析了碰撞能量和科里奥利耦合效应对该反应的动力学性质的影响, 并与H+SiH+反应做了对比. 结果表明, 忽略科里奥利耦合效应会使D +SiD+反应积分散射截面和速率常数增大. 与H+SiH+反应动力学相比较, D +SiD+反应的积分反应截面的值较小且随着能量的衰减非常缓慢, 在低能区没有H+SiH+随能量增大而剧烈衰减的情况. 计算发现, 相同温度下, D +SiD+反应速率常数小于H +SiH+反应速率常数, 随着温度的升高, 二者的差距减小. 这表明, 同位素替代对反应的动力学性质有明显的影响.

因为钠在地球中的储备更加充足, 而且生产成本也更低廉, 因此钠离子电池也成了继锂离子电池以后, 研究中最热门的储能系统. 然而, 缺少合适的阳极材料是钠离子电池商业化的主要瓶颈. 本文基于密度泛函理论, 通过第一性原理计算对锗醚作为钠离子电池阳极材料的电化学性能进行了充分研究. 计算结果表明钠离子能够均匀稳定地吸附在锗醚两侧, 吸附能达到了–1.32 eV. 即使在较低的钠吸附浓度下, 吸附之后的锗醚也呈现出金属性, 这表明锗醚的电子导电性良好. 钠在锗醚单层结构上有两条可能的扩散路径, 分别沿着之字形和扶手椅方向, 计算表明沿之字形方向的扩散势垒更低, 为0.73 eV. 同时锗醚具有合适的开路电压(1.12 V), 理论容量为167.1 mAh·g–1, 体积变化率仅为10.8%, 以上结果表明单层锗醚具有作为钠离子电池阳极材料的潜力.

针对非线性问题, 本文将核方法和双曲正弦函数的逆相结合, 提出了鲁棒的核最小逆双曲正弦算法. 然后利用向量量化对输入空间数据进行量化, 构建出能够抑制网络规模增长的量化核最小逆双曲正弦算法, 降低了原有算法的计算复杂度, 给出了量化核最小逆双曲正弦算法的能量守恒关系和收敛条件. Mackey-Glass短时混沌时间序列预测和非线性信道均衡环境的仿真结果表明, 本文所提出的核最小逆双曲正弦算法和量化核最小逆双曲正弦算法在收敛速度、鲁棒性和计算复杂度上具有优势.

等离子体层嘶声波(plasmaspheric hiss)是地球辐射带中一种常见的电磁波动. 嘶声波可以通过波粒相互作用将辐射带电子散射进入损失锥进而沉降到中性大气, 因此是导致辐射带电子损失的重要波动源. 作为电子能量和投掷角的变化函数, 嘶声波对辐射带电子的散射系数受到太阳风和地磁活动水平的显著影响, 还强烈依赖于空间位置、背景磁场和等离子体密度分布. 为了快速获取嘶声波对辐射带电子的投掷角散射系数以用于辐射带全球动态变化过程建模, 本文利用FDC(full diffusion code)系统计算了嘶声波对辐射带电子的散射系数, 建立了空间区域L = 1.5—6、冷等离子体参数α* = 3—30、电子能量1 keV—10 MeV、电子投掷角0°—90°范围内的四维散射系数矩阵数据库. 基于该数据库, 可通过线性插值快速得到不同L和α*参数下的嘶声波对辐射带电子的散射系数. 通过对比FDC计算的散射系数与线性插值的结果, 验证了基于数据库线性插值得到散射系数的准确性, 大部分误差位于10%以内. 本文建立的嘶声波对辐射带电子的投掷角散射系数四维数据库和验证的线性插值方法, 可以大幅降低获取嘶声波散射系数全球信息的时间, 从而快速提升开展长时间辐射带时空变化模拟的计算效率, 进而有望为开发地球辐射带动态预报模型提供有利条件.

液氦时间投影室(ALETHEIA)是一个原创的低质量(100 MeV/c2—10 GeV/c2)暗物质探测装置. 入射粒子在液氦时间投影室中与液氦发生相互作用会产生80 nm长的闪烁光. 目前尚无商用光电读出器件可以直接高效读取该闪烁光. 为此, 需要波长迁移剂(wavelength shifter)先将其转换为可见光, 然后再用商用光电读出器件探测之. 在参考国际相关类似涂敷试验装置的基础上, 利用改进的气相沉积法成功地在直径和高度均为10 cm的圆柱形聚四氟乙烯(PTFE)容器内壁涂敷1.50—3.02 μm. 厚的TPB(tetraphenyl butadiene, 1,1,4,4-四苯基-1,3-丁二烯)涂层. 此工艺方法对其他需要在圆柱形探测器内壁涂敷TPB或者其他类似材料的试验具有参考价值. 本文对TPB涂层的涂敷原理、盛放TPB粉末的源的设计、涂敷工艺、涂层厚度监测等方面进行阐述.

航天器处X 射线脉冲星观测信号模拟对脉冲星信号处理方法及导航方案的验证具有重要意义. 通过建立航天器处光子到达时间与相位之间的关系, 可显著提高脉冲星信号模拟算法的效率. 目前建立的航天器处光子到达时间与相位之间关系模型并未考虑接收信号频率变化, 模拟精度较低. 针对这一问题, 本文建立了考虑频率一、二阶导数时的光子到达时间与相位关系模型, 并基于该模型给出航天器处观测信号模拟方法, 提高了脉冲星观测信号模拟算法精度. 仿真实验证明, 相比于迭代法或实时计算航天器处光子到达速率函数的方法, 利用推导的光子到达时间与相位关系模型, 仿真速度最高可提高3个数量级, 保证了信号模拟算法的高效率; 且相比于未考虑频率变化的情况, 由包含频率一、二阶导数的模型得到的Pearson相关系数最高可提高350.0%, 显著提高了计算精度.