功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题, 功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式. 准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布, 明晰功能基元之间耦合效应. 具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具, 为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径. 本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元, 论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布, 及其与宏观物性之间的关联, 突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展, 为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

相对论重离子对撞机RHIC上超子整体极化和矢量介子自旋排列的实验发现证实了近 20 年前提出的理论. 该理论预言和实验测量开辟了一种从自旋这个新的自由度来研究高能重离子碰撞中产生的高温高密核物质特性的新途径. 本文简略回顾了整体极化理论提出和实验发现, 总结了现有大科学装置上的相关测量进展, 以及国际上现有的多种理论解释. 同时, 简要介绍了 STAR 探测器近期升级所带来的物理机遇.

介绍了相对论重离子碰撞实验中自旋相关观测量的最新研究进展, 重点是流体力学梯度引发的费米子自旋与其运动的量子关联, 比如最新发现的剪切力引发的自旋效应(shear-induced polarization, SIP), 以及场论线性响应理论在自旋研究中的应用. 本文讨论了SIP效应以及其他自旋运动关联效应在重离子碰撞实验中的可能信号, 并对未来发展做了展望.

在重离子碰撞中, 自旋轨道耦合可以导致整体极化现象. 自从2017年, STAR工作中发现超子$\Lambda$在Au+Au碰撞中的整体极化, 整体极化效应引起了学术界的广泛关注. 整体极化效应的微观产生机制可以利用粒子之间非定域的散射过程来描述：在重离子碰撞中产生了热密物质, 热密物质中的粒子之间通过非定域的碰撞过程实现了轨道角动量向自旋角动量的转换, 从而导致散射后的粒子自旋极化. 为了描述这一微观过程, 在相空间描述自旋轨道耦合更加方便, 而自旋轨道耦合又是一种量子效应, 所以基于协变维格纳函数的量子动理学理论将是描述整体极化现象的有力工具. 本文介绍了基于维格纳函数的量子动理学理论以及自旋输运理论. 近期自旋输运理论的发展为以后数值模拟自旋极化现象的时空演化提供了理论基础.

重离子碰撞可以产生极强的电磁场和高温高密量子色动力学(QCD)物质, 诱导很多重要手征反常现象, 例如手征磁效应和手征磁波. 本文围绕手征反常现象中的诸多物理要素, 详细介绍包括相对论重离子碰撞中不同碰撞系统和能量下的电磁场特性、同质异位素碰撞中寻找手征磁效应、手征磁波特性、中低能重离子碰撞中磁场效应等一系列与电磁场和手征反常现象相关的理论研究成果. 相关研究有助于实验中寻找强相互作用中的电荷宇称($\cal{CP}$)破缺的证据, 加深对QCD真空涨落和宇宙中正反物质不对称问题的理解.

量子色动力学中夸克和拓扑胶子场的相互作用可以产生局域宇称和电荷共轭宇称不守恒, 这为解释宇宙中物质-反物质的不对称性提供了一种可能. 在强磁场下, 宇称不守恒会导致粒子按正负电荷分离, 此现象称为手征磁效应(CME). 相对论重离子对撞中与CME类似的手征反常效应还有手征涡旋效应(CVE), 以及手征磁波效应(CMW)等. 本文简要综述了当前相对论重离子碰撞实验中CME, CVE, CMW的研究进展.

非阿贝尔规范场是构成标准模型的基本单元, 非阿贝尔手征动理学理论是描述标准模型在非平衡体系下手征费米子输运的重要理论工具. 在前期工作中, 我们将非阿贝尔手征动理学方程分解为色空间中的色单态和色多重态等不可约表示形式, 这种分解方式可以让手征动理学方程在色空间的规范变换下具有更简单的变换性质. 然而, 这种分解方式在微观描述色自由度的输运方面可能并不直观和方便. 为了描述色自由度具体输运和演化过程, 本文把前期得到的非阿贝尔手征动理学方程在嘉当韦尔基下进行展开. 本文中通过协变梯度展开的方法将非阿贝尔手征动理学方程展开到1阶, 在嘉当韦尔基下将规范场进行展开, 分布函数分解为对角元素部分和非对角元素部分. 结果显示0阶非对角元素分布函数可以诱导出1阶对角元素分布函数贡献, 0阶对角元素分布函数也可以诱导出1阶非对角元素分布函数的贡献. 非对角元素分布函数之间以及非对角元素与对角元素之间一般都是耦合在一起, 但当规范场只存在对角元素时, 非对角元素与对角元素解耦.

微纳光学材料与器件是光通信、光传感、生物光子学、激光、量子光学等诸多光学领域的关键. 目前微纳光学设计主要依赖传统数值方法, 存在依赖计算资源、创新效率低、得到全局最优设计困难的难题, 是当前微纳光学设计的瓶颈. 人工智能(artificial intelligence, AI)目前已经在多个学科开展应用, 带来了科学研究的新范式. 本文从微纳光学设计对象、数据集构建、学习任务与算法以及性能度量四个方面对AI在微纳光学设计领域的应用进行综述. 对AI在微纳光学研究中的难点及未来的发展趋势进行了分析与展望.

开发高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的全固态锂电池是发展下一代锂离子电池的重要方向之一. 富锂层状氧化物正极材料由于阴阳离子协同参与氧化还原反应, 可以提供更高的放电比容量(>250 mAh/g)和能量密度(>900 Wh/kg), 将其应用于全固态锂电池中有望推动锂离子电池能量密度突破500 Wh/kg的中长期目标. 然而, 富锂正极材料的电子导电性差、阴离子氧的不可逆氧化还原反应以及循环中的结构相变, 导致该材料在电化学循环过程中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和电压衰退等问题. 此外, 富锂正极材料的工作电压较高(> 4.5 V vs. Li/Li+), 使正极/电解质之间不仅面临常规的界面化学反应, 释放的氧还会加剧界面的电化学反应, 对正极/电解质的界面稳定性提出了更高的要求. 因此, 富锂正极材料的本征特性和富锂正极/电解质间严重的界面反应极大限制了富锂正极材料在全固态锂电池中的应用. 本文首先详细阐述了富锂正极材料在全固态锂电池中的失效机制, 其次综述了近年来富锂正极材料在不同固态电解质体系下的研究进展, 最后总结和展望了富锂全固态锂电池未来的研究重点和发展方向.

量子信息与人工智能是近年来的两个前沿研究领域, 取得了诸多改变传统科学的进展, 实现这两个领域的交叉融合成为科学家关注的热点问题. 尽管学者们在这方面已进行了许多探索, 借助它们模拟开放多体量子系统的稳态和动力学性质, 但是量子混合态的神经网络的精确表示问题仍待研究. 本文致力于量子混合态的神经网络表示问题. 借助两种神经网络架构, 构建了具有一般输入可观测量的神经网络量子混合拟态(NNQMVS) 与神经网络量子混合态(NNQMS), 分别探讨了它们的性质, 得到了张量积运算、局部酉运算下NNQMVS与NNQMS的相关结论. 为了量化给定混合态分别由规范化的NNQMVS与NNQMS逼近的能力, 分别定义了它由规范化NNQMVS 与NNQMS逼近的最佳逼近度, 给出了一般混合态能被规范化的NNQMVS与NNQMS表示的充要条件, 并探究了能用这两种神经网络架构表示的混合态的类型, 给出了相应的神经网络表示.

基于包含Lee-Huang-Yang修正的物态方程, 研究了具有排斥相互作用的双组分玻色-爱因斯坦凝聚体在平均场弱失稳区间的基态相图. 根据相平衡条件, 确定了等质量混合体系中不混溶态、部分混溶态以及均匀混溶态之间的相边界. 在原子密度足够稀薄的情形下, 给出了相边界和量子临界点的解析表达式. 讨论了密度响应的静态极化率在量子临界点附近的发散行为. 对于不等质量的双组分凝聚体, 利用低浓度展开的物态方程, 得到了部分混溶态出现的阈值密度, 并提出了判断部分混溶构型的解析方法, 为钠、钾、铷等冷原子混合体系的实验观测提供了明确的理论指引.

不确定性是量子系统的一个基本特征. 长期以来量子力学中一直采用可观测量的标准偏差来刻画这种不确定性. 但近年来, 研究者们通过分析一些具体例子发现, 用可观测量的测量结果的Shannon熵来描述这种不确定性更为合适. 形式上, Shannon熵也是一种更为一般的Rényi熵的极限形式. 本文从对未知态的测量结果的可重复概率的角度, 讨论了如何利用已有的测量结果预测新的测量结果, 以及可观测量的不确定度的定量表示的问题. 利用可观测量出现多次相同结果的概率定义了一种推广的Rényi熵, 并用这种推广的Rényi熵给出了Maassen-Uffink型熵不确定关系的一种简单证明.

量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)结合一次一密的加密方式, 可以实现无条件安全的量子通信. 双场(twin-field, TF) QKD和测量设备无关(measurement-device-independent, MDI) QKD具有较高的安全性, 同时适合构建以测量端为中心的网络, 具有广阔的应用前景. 但在实际应用过程中, 参数配置对QKD性能有着极大影响, 而实际场景中存在着用户数量大、位置距离中心站点非对称、并且用户大部分处在实时移动中的特点. 面对上述实时的参数配置需求, 传统的参数优化方式将无法满足. 本文提出将监督机器学习算法应用于QKD参数优化配置中, 通过机器学习模型预测不同场景下TF和MDI两种常用协议的最优参数. 将神经网络、最近邻、随机森林、梯度提升决策树和分类回归决策树(classification and regression tree, CART)等监督学习模型进行对比, 结果显示CART模型在$ {R^2} $等回归评估指标上均有最优表现. 在随机划分训练组、验证组情况下, 预测参数的密钥率与最优密钥率比值的均值在0.995以上; 在“超精度”和“超范围”两种极限情况下, 该均值仍能维持在0.988左右, 且在残差分析中具有较好的环境鲁棒性, 展现出较好的性能. 此外, 基于CART的新方案相较于传统方案在计算实时性表现上有很大提升, 将单次预测时间缩短至微秒量级, 很好地满足了通信方在移动状态下的实时通信需求.

量子Fisher信息在量子度量与量子信息领域的研究中至关重要, 然而在实验中的提取却十分棘手, 尤其是对于大尺度的量子系统. 这里我们发展了利用测量量子态间重叠的方式来高效提取量子Fisher信息的方法, 对于纯态而言, 这种方法只需要在量子系统中引入一个额外的辅助比特并施加单次测量即可实现. 相对于以往的量子Fisher信息提取方法, 需要更少由测量带来的时间资源消耗, 因此高效且具有扩展性. 我们将这种方法应用于经历量子相变的三体相互作用系统中多体纠缠的刻画, 并使用核磁共振量子模拟器实验展示了该方案的可行性.

原子尺度表面吸附Au原子的物理化学性质对研究纳米器件的制备以及表面催化等起着非常重要的作用. 利用调频开尔文探针力显微镜研究了室温下Au在Si(111)-(7×7)表面吸附的电荷分布的特性. 首先, 利用自制超高真空开尔文探针力显微镜成功得到了原子尺度Au在Si(111)-(7×7) 不同吸附位的表面形貌与局域接触电势差(LCPD); 其次, 通过原子间力谱与电势差分析了Au/Si(111)-(7×7) 特定原子位置的原子特性, 实现了原子识别; 并通过结合差分电荷密度计算解释了Au/Si(111)-(7×7)表面间电荷转移与Au的吸附特性. 结果显示, Au原子吸附有单原子和团簇形式. 其中, Au团簇以6个原子为一组呈六边形结构吸附于Si(111)-(7×7) 的层错半单胞内的3个中心原子位; 单个Au原子吸附于非层错半单胞的中心顶戴原子位; 同时通过电势差测量得知单个Au原子和Au团簇失去电子呈正电特性. 表面差分电荷密度结果显示金在吸附过程中发生电荷转移, 失去部分电荷, 使得吸附原子位置上的功函数局部减少. 在短程力、局域接触势能差和差分电荷密度发生变化的距离范围内, 获得了理论和实验之间的合理一致性.

从核质量出发系统地研究核电荷半径, 进而得到核电荷半径的计算值和预言值. 运用AME2020数据库结合CR2013数据库得到已知质量且已知半径的原子核 (Z, N ≥ 8) 884个, 计算得到884个原子核密度. 研究原子核密度得到常参数经验公式, 利用此经验公式结合AME2020数据库得到核电荷半径的计算值与实验值之间的均方根误差σ = 0.093 fm. 考虑到中子数对原子核密度的影响, 添加了中子因子1/N进行修正, 均方根误差减少为0.047 fm. 再添加中子壳层效应进行修正, 均方根误差减小至0.034 fm. 基于修正后的经验公式结合AME2020数据库得到Z, N ≥ 8的1573个核电荷半径预言值, 其中一些预言值与近些年测得实验值的对比结果说明利用此关系得到的预言值具有一定的意义. 此外, 剔除一些特殊的壳层后, 剩余791个核电荷半径常参数经验公式计算值的均方根误差为 σ = 0.063 fm, 修正后降至 σ = 0.032 fm. 研究结果表明本文提出的核电荷半径关系具有一定的简便性和可靠性, 可以与$ A^{1/3} $律和$ Z^{1/3} $律修正后的全局核电荷半径关系相媲美. 最后, 本文又引入Levenberg-Marquardt (L-M)算法训练前馈神经网络分别对884和791个原子核密度进行建模计算, 均方根误差分别为 0.018 fm 和 0.014 fm, 比修正后经验公式的误差减小约50%, 得到的预言值与近几年测得的实验值也较接近.

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法, 基于连续介质模型, 对HBT-OMe分子及其与HClO反应的产物基态和激发态结构及电荷分布等性质进行研究, 优化构型结果表明, HBT-OMe分子不能发生质子转移过程而其产物分子则能发生. 红外振动光谱与分子共价作用分析进一步证实产物分子能发生质子转移过程. 计算的前线分子轨道结果表明: HBT-OMe分子存在扭曲电荷转移(TICT)过程, 最高已占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)电荷密度重叠小导致HBT-OMe分子荧光强度弱, 结合产物分子势能曲线发现, 产物分子质子转移过程能抑制分子的TICT过程, 从而使其荧光强度增强.

调节界面热导(ITC)是纳米电子器件热管理的关键任务. 本文采用非平衡态分子动力学方法研究了在界面处嵌入锡(Sn)纳米点对硅锗(Si/Ge) ITC的影响. 研究发现, 在声子弹性和非弹性两种竞争机制下ITC随Sn纳米点的数量的增加先升后降, 在嵌入4个Sn纳米点时达到顶峰, ITC是完美界面(无纳米点嵌入)时的1.92倍. 通过计算声子透射函数和态密度可以知道, ITC增加的原因是声子的非弹性散射得到加强, 增强的非弹性声子散射为界面声子输运打开了新的通道. 随着纳米点数量增加到一定值时, 声子的弹性散射逐渐占据主导地位, ITC开始降低.

SBA-15由于具有高比表面积、孔容大、孔径可调、热稳定性好和成本相对低廉等优点, 在吸附、分离、催化和纳米材料等领域具有广泛的应用前景, 而利用有机官能团改性SBA-15已经成为当前材料的热点之一, 但有机官能团的引入势必会影响材料的孔结构, 进而影响其性能. 因此, 如何更全面地表征材料的孔结构也成为人们关注的焦点. 采用小角X射线散射(SAXS)技术对PEI/SBA-15介孔分子筛的孔结构进行表征, 利用相关函数和弦长分布理论得到了聚乙烯亚胺改性介孔二氧化硅(PEI/SBA-15)的孔结构和周期性信息, 结合正电子湮没寿命谱(PALS)技术进行比较. 结果表明: 随着PEI质量分数的增加, PEI/SBA-15介孔分子筛的周期性结构没有发生明显变化, 通过弦长分布 (CLD)函数得到的孔径尺寸也仅从8.3 nm降至7.6 nm. 利用PALS获得了2种长寿命组分τ3和τ4, 其中τ3反映了SBA-15基体内部的无规微孔结构, 而τ4反映SBA-15六方孔道的尺寸, 与SAXS结果相比, 介孔孔径具有相同的变化趋势. 通过结合SAXS和PALS技术, 可以更加深入地揭示材料中微观结构的演变, 从而为未来功能纳米复合材料的结构表征提供一种独特的方法.

全息透镜是一种通过全息波前记录制作的成像元件. 由于其形状因子小、波长和角度选择性等优势, 在增强现实(augmented reality, AR)领域有着很好的应用前景. 全色全息透镜的制作与成像过程分析是当前的难点. 通过标量衍射理论推导了离轴全息透镜的共轭成像方程, 分析了现有成像系统中的畸变和像散问题. 此外, 通过 k 矢量圆和光线追迹相结合的几何光学方法模拟了一个视场角为18°, 眼盒为10 mm的AR系统, 通过干涉曝光实验制作了全色全息透镜, 其平均峰值衍射效率为56.7%, 达到国际较高水平. 将激光微投与全息透镜相结合, 搭建了AR系统原型, 得到了系统的畸变和像散效果实验效果, 与模拟的情况相一致. 并测量了系统的MTF参数, 其清晰度基本满足人眼的分辨率需求. 对于单色成像, 提出了添加柱面透镜的方式, 保证子午面和弧矢面的光焦度一致以消除像散; 提出了设计自由形式的波前记录方式以消除畸变. 对于全色成像, 提出了记录过程中预先补偿的方法, 以解决3个颜色通道之间图像不重合的问题.

通过在长度为336 µm的光学法布里-珀罗腔内构建单个微尺度光学偶极阱, 实现了腔内单个原子的俘获, 俘获寿命为(2.60 ± 0.18) s, 从而实现了稳定的单原子与光学腔强耦合的腔量子电动力学系统. 通过腔的透射光场能够实现光学阱中单原子俘获事件的检测, 准确率为98.5%. 实验通过精确控制俘获的单原子位置实现了单原子与腔模耦合强度在三维方向的精确调控, 测量了不同耦合强度下的单原子真空拉比分裂谱.

计算了InGaAs/AlGaAs量子阱的激射波长与阱垒厚度的关系, 并通过Rsoft软件计算了不同温度下的材料增益特性. 计算并分析了渐变层厚度对分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflectors, DBRs)势垒尖峰及反射谱的影响, 通过传输矩阵理论得到P-DBR和N-DBR的反射谱和相位谱. 模拟了垂直腔面发射激光器(vertical surface emitting lasers, VCSEL)结构整体的光场分布, 驻波波峰与量子阱位置符合, 基于有限元分析模拟了氧化层对电流限制的影响. 通过计算光子晶体垂直腔面发射激光器(photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers, PC-VCSEL)中不同的模式分布及其品质因子Q, 证明该结构可以有效地实现基横模输出. 通过光刻、刻蚀、沉积、剥离等半导体工艺成功制备出氧化孔径为22 μm的VCSEL和PC-VCSEL, VCSEL的阈值电流为5.2 mA, 斜率效率0.67 mW/mA, 在不同电流光谱测试中均是明显的多横模输出; PC-VCSEL的阈值电流为6.5 mA, 基横模输出功率超过2.5 mW, 不同电流下的边模抑制比超过25 dB, 光谱宽度小于0.2 nm.

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义, 然而现有实验方法不能对其准确测量. 本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程, 在此基础上, 建立模型计算了液滴的表面张力, 进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制. 结果表明, 随着温度从260 K升高到320 K, 液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小, 且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大, 究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异; 随着粒径的增大, 液滴表面张力先增大后趋于定值, 且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短; 研究还发现, 丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小, 且减小趋势符合对数函数形式, 尤其是在粒径小于6.12 nm时, 同时, 基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合. 本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.

大气压kHz频率交流等离子体射流具有广泛的应用前景, 而目前研究电源参数影响时只能探究单一驱动参数变化时的射流放电规律, 这无疑也会耦合进功率对射流放电的影响, 不能体现驱动参数本身对放电的影响. 本研究利用自研的可调脉冲调制占空比的交流电源驱动大气压氩气等离子体射流, 结合发射光谱与吸收光谱诊断, 研究了固定放电功率下不同电压、频率和脉冲调制占空比参数对等离子体射流的气体温度Tg、电子激发温度Texc、电子密度ne, OH粒子数密度等性能的影响. 结果表明, 固定功率下, 电子密度不会随着驱动参数的改变而变化, 而气体温度、电子激发温度、OH粒子数密度变化受脉冲调制占空比影响最大; 其次是电压影响, 频率影响最小. 降低频率提高电压时气体温度和电子激发温度会升高, ·OH粒子数密度会增大; 而降低脉冲调制占空比提高电压时气体温度和电子激发温度会降低, ·OH粒子数密度会减少. 此外, 降低脉冲调制占空比能够使得大气压等离子体射流在更低的气体温度下产生更多的·OH活性粒子.

本文通过一维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与近临界密度等离子体相互作用中的弱冲击波和强冲击波产生, 并讨论了非相对论和相对论光强以及等离子体密度分布区间对无碰撞冲击波形成的影响. 非相对论的弱驱动光与等离子体相互作用产生的是弱冲击波. 由于电子加热不充分, 电子能谱呈现出双温分布. 较低温度的电子对弱冲击波的形成以及质子反射加速有重要作用. 弱冲击波加速质子的能谱呈连续分布. 在等离子体密度上升沿区间较大时, 可观察到后孤子结构向离子声波结构演化并进一步演化为弱冲击波结构的过程. 在相对论的强驱动光强下, 电子加热比较充分可达到相对论温度, 且呈现出单温分布. 进一步分析密度分布区间大小对冲击波形成的影响时发现: 1) 当等离子体密度上升沿区间较大时, 离子声波的势垒易被热电子屏蔽且离子声波结构在传输的过程中容易被后续的激光破坏而无法演化为无碰撞冲击波; 2) 当等离子密度分布区间较小时, 离子声波中加速电场的有效距离(即德拜长度)和持续时间更长, 这导致其结构在传输过程中更加稳定. 当离子声波中加速的质子与靶后鞘层场加速的质子之间的速度差满足无碰撞冲击波的离子反射条件时, 离子声波进一步演化为强的无碰撞冲击波, 同时产生了准单能的质子.

零维系统模型已广泛应用于下一代托卡马克装置设计以及聚变反应堆等离子体性能的预测和分析, 但普遍采用物理近似和经验公式会导致较大的系统性误差. 本文通过引入等离子体平衡程序使主要等离子体分布参数及其计算基于磁面信息, 引入Sauter模型的自举电流系数与碰撞率变化关系改进自举电流计算, 利用EAST上的实验结果对改进后的模型进行验证, 零维系统模型计算结果与动理学平衡分析结果基本符合. 利用改进模型从已有实验结果出发, 对EAST上实现500 kA等离子体电流的稳态、长脉冲运行区所需要的加热/电流驱动功率及其能够达到的归一化比压进行了分析和预测. 计算结果表明, EAST在7.0—9.5 MW加热/驱动功率, 约束改善因子$ {H}_{98} $为1.25—1.35, 归一化密度$ {f}_{{\rm{n}}{\rm{G}}} $约为0.9的参数范围内可以实现500 kA等离子体电流且自举电流份额在50%以上的稳态运行; 9.5 MW加热/驱动功率, $ {H}_{98} $为1.0—1.4, $ {f}_{{\rm{n}}{\rm{G}}} $为0.8—1.0的参数范围可以实现较高性能的长脉冲或稳态运行. 综合来说, 提升等离子体约束性能, 可在较低的加热/驱动功率下实现同样等离子体参数的完全非感应运行, 扩展等离子体运行区, 是实现高参数等离子体稳态运行最为有效的途径.

特定脉冲放电参数条件下, 原来沿直线传播的低温等离子体射流放电通道会在脉冲电磁驱动下发生放电模式转换, 形成螺旋形态的流注通道. 与传统的螺旋波放电不同, 实验中并没有外加恒定磁场等破坏介质管极向对称性的因素, 而且螺旋的手性方向会随放电参数变化. 为深入了解等离子体射流中螺旋结构的电磁作用机理, 探索其导致螺旋形态和决定手征性的极向电场来源及影响因素, 本文通过建立完备自洽的等离子体理论模型, 对螺旋流注的手性方向、螺距变化、分叉等复杂放电特性和电磁机理进行分析. 研究发现击穿时极向电场波模的初始相位对螺旋流注的手性选择存在影响, 电子密度对螺旋流注的螺距参数存在影响, 放电的脉冲重复频率对螺旋流注分叉的分叉点位置存在影响. 以上放电特性及其影响因素对探明电磁波与等离子体的相互作用机制具有重要科学意义, 同时也为低温等离子体的手性应用提供实验和理论支撑.

单层C3B是典型的类石墨烯二维材料, 已在实验上成功制备. 采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C3B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应, 计算结果表明: 对于裸边纳米带, 如果带边缘全由C原子组成(AA型), 则电子相为半导体; 两个带边缘均由C与B原子混合组成时(BB型), 则纳米带的电子相为金属; 而纳米带的一边由C原子组成、另一边由B与C原子混合构成(AB型), 则纳米带的电子相为金属. 这说明纳米带边缘的B原子对于纳米带成为金属或半导体起决定作用. 而对于H端接的纳米带, 它们全部为直接或间接带隙半导体. H端接的纳米带载流子迁移率一般比裸边纳米带低, 这与它们较大的有效质量及较高的形变势有密切关系. 同时发现半导体性质的纳米带对物理调控非常敏感, 特别是在压应变和外电场作用下, 纳米带的带隙明显变小, 这有利于对光能的吸收和研发光学器件.

Mg3(Sb, Bi)2基热电材料由于其优异的热电性能和较低的成本近来受到广泛的关注. 本研究通过将纳米SiO2复合进成分为Mg3.275Mn0.025Sb1.49Bi0.5Te0.01的基体相中, 考察其热电输运性能的变化及机制. 结果表明, 当SiO2复合进Mg3Sb2基材料中时, 由于引进大量的微小晶界, 能有效地散射声子, 促使晶格热导率降低, 优化热输运性能, 如SiO2体积含量为0.54%时, 室温时热导率由复合前的1.24 W/(m·K)降至1.04 W/(m·K), 降幅达到15%; 同时其对电子也产生强烈的散射作用, 导致迁移率和电导率大幅下滑, 结果表现为近室温区功率因子剧烈衰减, 恶化了电输运性能. 电性能相对于热性能较大降低幅度使得材料在整个测试温区的热电优值没有得到改善. 纳米SiO2作为Mg3Sb2基热电材料复合物来调控热电性能是有效的备选物质, 可结合其他手段改善输运特性, 如在晶界处适当修饰, 降低载流子传输的晶界势垒, 能够提升该体系的综合热电性能.

基于非线性磁致伸缩材料的本构方程, 建立了一种“磁-力-电”多场耦合的层合磁电换能器的有限元模型, 研究了不同偏置磁场下的谐振磁电效应. 基于等效电路模型和二端口网络理论, 实现了对谐振状态下磁电系数和等效源阻抗的完整求解. 在磁电换能器与负载电阻之间引入优化的L节匹配网络, 在提升负载功率的同时拓展了工作带宽. 仿真结果与相关文献数据吻合, 证实了该模型的准确性和有效性. 仿真结果表明, 所研究的层合磁电换能器, 其磁电系数在450 Oe的偏置磁场下达到51.79 V/(cm·Oe) @ 51.4 kHz, 在350 Oe的偏置磁场下达到极限输出功率–3.01 dBm@ 50.4 kHz. 以保证负载功率为前提, 通过优化匹配网络, 可实现2.30 dB的功率提升和2.27倍的带宽拓展. 本文所建立的非线性有限元模型充分考虑了偏置磁场对谐振磁电效应的影响, 该研究结果对小型化磁耦合无线功率传输系统的设计和性能提升具有重要的指导意义.

过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料具有优异的电学和光电性能, 在下一代光电子器件中具有广阔的应用前景. 然而, 大面积均匀生长单层的TMDCs仍然具有相当大的挑战. 本工作提出了一种简单而有效的利用化学气相沉积(CVD)制备大面积单层二硫化钼(MoS2)的方法, 并通过调整氧化物前驱体的比例, 调整MoS2单晶/薄膜生长. 随后, 利用叉指电极掩膜板制备出单层MoS2薄膜光电探测器. 最后, 在405 nm激光激发下, 不同电压和不同激光功率条件下均表现出高稳定和可重复的光电响应, 响应时间可达毫秒(ms)量级. 此外, 该光电探测器实现了405—830 nm的可见光到近红外的宽光谱检测范围, 光响应度(R)高达291.7 mA/W, 光探测率(D* )最高达1.629 × 109 Jones. 基于该CVD制备的单层MoS2薄膜光电探测器具有成本低、能大规模制备, 且在可见光到近红外的宽光谱范围内具有良好的稳定性和重复性的优点, 为未来电子和光电子器件的应用提供了更多的可能性.

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)优异的时间特性(时间抖动和响应速度)是其最具吸引力的优势之一, 并且已在量子通信、量子计算等领域中得到广泛应用. 然而, 由于SNSPD的各技术参数之间相互牵制, 使得进一步提升SNSPD综合性能存在技术挑战. 小光敏面SNSPD在时间特性上具有明显优势, 但同时存在探测效率低的突出问题. 本文为面向量子信息应用的光纤耦合探测器, 从开发实用化、产品化SNSPD出发, 采用批量对准、高效耦合的自对准封装结构, 围绕小光敏面自对准SNSPD综合性能的提升展开研究. 采用发散小、易刻蚀的Au/SiO2光学腔, 在提高纳米线光吸收效率的同时通过优化自对准芯片外轮廓加工精度的方式来提高自对准SNSPD的光耦合效率, 并完成了配套的工艺研发. 并通过小芯径光纤从器件封装角度提升耦合效率. 除此之外, 探测器的双层纳米线结构使其拥有更低的动态电感和更高的超导转变电流, 进一步优化了器件的时间特性. 实验制备的探测器在2.2 K温度下于1310 nm处达到最大效率82%, 并且在1200—1600 nm波长范围内均有65%以上的系统探测效率, 同时表现出40 MHz@3 dB的计数率以及38 ps的时间抖动. 进一步, 利用低温放大器读出系统可得到最小22 ps的时间抖动. 本文研制的高综合性能超导单光子探测器, 为实用化、产品化SNSPD提供了重要的技术参考.

X射线能谱在计算机层析成像(computed tomography, CT)图像硬化校正、双能谱CT成像、辐射剂量计算等方面具有重要作用. 常用的估计X射线能谱分布的方法, 利用X射线穿过不同厚度模体的衰减数据, 来间接估计X射线能谱分布. 由于该问题具有严重的病态性, 因此如何鲁棒和准确地求解是能谱估计问题的关键. 本文提出了一种利用CT扫描数据来估计X射线能谱分布的方法. 该方法中考虑了谱估计和图像重建之间的相互印证关系, 即谱估计正确时重建的CT图像无硬化伪影, 而重建图像无硬化伪影时, 则说明估计的谱准确. 该方法利用这种相互印证关系构造优化模型, 通过交替迭代求解, 估计能谱分布和重建无硬化伪影的CT图像. 数值实验和实际实验结果表明, 该方法可以准确、鲁棒地估计出 X 射线能谱.