近年来, 随着物联网、云计算、大数据以及人工智能等新兴技术的快速发展, 人们对计算能力的要求越来越高. 传统半导体器件在小型化、节能和散热等方面面临着巨大的挑战, 因此亟需寻找一种全新的信息载体代替电子进行信息传输与处理. 自旋波是磁矩进动的集体激发, 其量子化的准粒子称为磁子. 磁子的传播不依赖于传导电子的运动, 因此不会产生焦耳热, 能够克服日益显著的器件发热问题, 因此磁子器件在低功耗信息存储与计算领域具有重要的应用前景. 本文介绍磁子学近年来的一些重要研究进展, 主要包括自旋波的手性传播, 自旋波与磁孤子非线性散射导致的磁子频率梳, 磁孤子的拓扑边界态和高阶角态, 以及磁子量子态、基于磁子的混合量子体系和腔磁子学. 最后, 对磁子学的未来发展趋势及其前景进行分析与展望.

在过去20年里, 激光技术的发展使阿秒科学成为一个新的研究领域, 可为量子少体超快演化过程的研究提供新视角. 当前实验室中制备的阿秒脉冲以孤立脉冲或脉冲串的形式被广泛应用于实验研究中, 其超快变化的光场允许人们操控和跟踪电子在原子尺度的运动, 实现对亚飞秒时间尺度电子动力学的实时追踪. 本综述聚焦于阿秒科学的重要组成部分, 即原子分子超快动力学研究的进展. 首先介绍阿秒脉冲的产生和发展, 主要包括高次谐波原理和孤立阿秒脉冲分离方法; 然后系统地介绍阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用, 包括光电离时间延迟、阿秒电荷迁移和非绝热分子动力学等方面; 最后对阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用进行总结和展望.

强激光与固体密度等离子体作用产生的阿秒脉冲具有强度高、脉宽短等优势, 因此吸引了很多研究者的注意. 由于超快过程的泵浦探测技术需要的是一个孤立的阿秒脉冲, 因此本文重点讨论了相对论强激光与固体密度等离子体作用产生孤立阿秒脉冲的几种物理机理. 最近的几个代表性工作表明, 强激光与固体密度等离子体作用还可以产生脉宽更短、强度更高的半周期阿秒脉冲. 半周期孤立阿秒脉冲在对原子、固体中的电子进行超快的非对称操纵或探测等方面具有重要的应用, 因此本文对半周期阿秒脉冲产生的理论机制、实验可行性、标定测量、及应用前景进行了深入的讨论.

阿秒科学是驱动超强超快激光往高平均功率和短脉冲宽度方向快速发展的动力之一. 本文针对高重复频率阿秒光源的实际需求, 开展了基于国产Yb:CaYAlO4晶体的再生放大理论和实验研究. 在理论研究中, 根据Yb:CaYAlO4晶体的热透镜计算结果, 设计了热稳定性良好的模式可调再生腔; 并对晶体π和σ偏振的放大输出能量和光谱进行计算. 在此基础上, 开展了Yb:CaYAlO4晶体不同偏振性质的再生放大实验研究. 在晶体π偏振的实验中, 获得了平均功率16.1 W、单脉冲能量1.61 mJ、光谱中心波长1030 nm、光谱半高全宽16 nm的放大输出, 压缩后的激光脉冲宽度为149 fs, 压缩效率为92.1%, 峰值功率大于9.5 GW. 在σ偏振获得了平均功率28.7 W、单脉冲能量2.87 mJ、光谱中心波长1037 nm、光谱半高全宽11 nm的放大输出, 压缩后的激光脉冲宽度为178 fs, 压缩效率为91.5%, 峰值功率大于14.2 GW, 光束质量因子M 2 < 1.2. 以上研究结果实现了目前Yb:CaYAlO4晶体最高平均功率和最大单脉冲能量的输出. 针对高重复频率阿秒光源、太赫兹和光参量放大领域的应用, 后续计划增加两级行波放大实现平均功率200 W、脉冲能量20 mJ、脉冲宽度小于200 fs的激光输出.

稀有事例探测是近几年热门的粒子物理前沿课题, 如暗物质、无中微子双贝塔衰变、中微子-核子相干弹性散射等实验都在逐渐被规划和实施. 进行稀有事例探测要求探测器有极佳的性能, 同时对环境本底有很高的要求, 因此探测器和相关材料的选择是稀有事例探测的一个重要课题. 液氩因为成本低、闪烁性能好、体积限制较小等优势成为稀有事例探测器的一种重要介质. 经过几十年的发展, 单相液氩闪烁体探测器和两相氩时间投影室成为两种常见的液氩探测器类型, 并开始被国内外各实验组应用于稀有事例探测实验中. 本文首先对两种常见的液氩探测器的原理和特性进行介绍, 然后详细介绍国内外相关稀有事例探测实验组对液氩探测器的研究和应用现状以及未来规划, 最后讨论未来液氩探测器在稀有事例探测中的应用前景和优化方向.

随着同步辐射技术的发展和光源相干性的提升, 叠层相干衍射成像(ptychography)得到快速发展. 叠层相干衍射成像算法解决了传统相干衍射成像算法收敛速度较慢、容易陷入局部最优解和算法停滞等问题, 具有成像视场大、算法鲁棒性强、对误差容忍性高、应用范围广等优点, 正成为相干衍射成像领域的热点研究方向. 本文首先介绍了叠层相干衍射成像算法提出的背景; 然后详细总结了叠层相干衍射成像算法的发展脉络、主要的算法流程以及应用场景, 并且介绍了叠层相干衍射成像与人工智能结合的新算法及应用潜力; 最后介绍了叠层相干衍射成像算法具体的并行化实现及常用软件包. 本文有助于建立叠层相干衍射成像领域算法本身、人工智能以及计算方法全局研究视角, 对于促进叠层相干衍射成像方法学的系统发展具有重要的参考意义.

当今世界能源浪费巨大, 其中绝大多数以废热的形式被浪费掉. 热电效应可以将热能转换为电能并且没有危险物质的释放, 因此热电效应的应用吸引了越来越多人的兴趣. 自从石墨烯被发现以来, 越来越多的二维层状材料被报道, 它们通常比体块材料有着更加优越的电学、光学等物理性质, 而新的理论和实验技术的发展, 也促进了人们对于它们的研究. 在本文中, 首先介绍了基于二维材料热电性质的测量方法和测试技术, 并对其测试中具有挑战性的问题进行讨论. 随后对石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等材料的热电应用进行了介绍. 最后, 讨论了提升热电性能的各种策略与亟待解决的问题, 并对此做出展望.

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成, 通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光, 降低光子热化损失, 已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势. 获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势, 钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点. 本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展, 重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发, 总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则. 本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施, 这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的. 最后, 对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望. 我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高, 基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.

量子非局域关联是量子理论最基础的特征之一. “X”态作为实验中常见的一种量子态, 因其在演化过程中仍保持“X”形的稳定性, 而被广泛应用于开放量子系统的研究中. 利用Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)不等式, 在Markov环境这种典型的开放量子系统下, 研究了两种通过局部变换操作所关联的“X”态在振幅阻尼环境和相位阻尼环境中量子非局域检验结果随时间的演化情况. 研究结果表明, 在相位阻尼环境中, 随着演化时间的增加, 两种“X”态具有相同的CHSH不等式检验结果. 在振幅阻尼环境中, 利用局部变换操作得到的“X”态, 可获得较长的成功进行量子非局域关联检验的演化时间. 最后, 详细给出了两种类型“X”态在相位阻尼环境和振幅阻尼环境中成功进行量子非局域关联检验的保真度范围.

高斯玻色采样是实现量子计算优势的主要途径之一, 同时也有望应用于加速稠密子图、量子化学等问题. 然而, 实验中必不可少的噪声却可能阻碍高斯玻色采样的量子优势. 此前的研究主要关注于光子损失和光子非全同噪声. 本文通过数值模拟研究了另一种噪声—光源相位噪声对高斯玻色采样的影响. 采用蒙特卡罗方法近似计算相位噪声下高斯玻色采样的输出概率分布, 发现随着探测光子数的增加, 相位噪声带来的误差逐渐加大. 同时, 相位噪声会导致采样出大概率样本的能力, 即HOG (heavy output generation)值显著降低. 最后发现, 在输入平均光子数相同时, 有光子损失的高斯玻色采样相比无损失情形对于相位噪声有更大的容忍性. 本文的研究有助于大规模高斯玻色采样中更好地抑制相位噪声.

往返式离散调制连续变量量子密钥分发, 无需使用两台独立的激光器也能本地生成本振光, 并且信号光与本振光均来自于同一台激光器, 在有效保证系统实际安全性的同时, 具有较好的同频特性. 此外, 该方案与高效纠错码具有良好的兼容性, 即使在低信噪比情况下也能获得较高的协商效率. 然而, 基于非可信信源模型的往返式光路结构存在较大的过噪声, 严重限制离散调制方案的最大传输距离. 针对这个问题, 本文提出基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案, 即在探测端部署非高斯态区分探测器, 采用自适应测量方法并结合贝叶斯推论, 可以在满足低于标准量子极限错误概率的情况下无条件区分出基于四态离散调制的四种非正交相干态. 本文详细分析了所提出的基于非高斯态区分探测的往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案的安全性, 包括渐近情况与有限长效应情况. 仿真结果表明所提出的方案相比于原始方案, 即使在有信源噪声的情况下, 其密钥率与最大传输距离仍然有明显的提升. 这些结果表明本方案能够有效降低往返式离散调制连续变量量子密钥分发方案中非可信信源噪声对方案性能的负面影响, 在保证系统实际安全性的同时, 实现更高效、更远传输距离的量子密钥分发.

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关. 本文在Biot理论基础上, 考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性, 采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论, 研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性, 分析了慢横波对快纵波转换散射的影响, 进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解, 研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征. 研究结果表明, 含黏性流体孔隙介质中存在慢横波, 慢横波的频散很强, 其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响. 在非均匀孔隙介质中, 与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减, 还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征. 本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制, 为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.

Rb同位素分析在地质探索和环境监测中具有重要应用价值. 本文基于可调谐激光吸收光谱技术, 通过热分解的样品处理方式, 搭建了一套Rb同位素吸收光谱测量装置, 实现了Rb同位素比稳定测量. 并通过新型多微管阵列结构设计原子发生器, 增强了其原子束准直能力, 有效抑制了光谱的多普勒效应, 提高Rb同位素光谱分辨率. 装置选用钽金属制作6 mm口径的高温原子发生器, 内部堆叠1 mm口径微管阵列, 发生器经电阻加热最高可达3000 ℃. 实验通过高温(600 ℃)催化Rb2CO3样品释放气态Rb原子, 同步利用探测激光通过Rb原子进行测量, 获得高分辨率Rb原子吸收光谱, 结合谱线参数反演获得自然丰度Rb2CO3样品中Rb同位素比(85Rb∶87Rb)为2.441±0.02, 探测误差为5.9%, 87Rb检测极限达1.76‰ (3σ). 实验结果表明, 相较于传统的单管结构, 采用多微管阵列结构进行测量时, Rb原子谱线展宽降低了约450 MHz (半高全宽), 可有效区分Rb同位素的吸收光谱特征. 多微管阵列结构的原子化装置与可调谐吸收光谱技术结合, 在固体金属检测领域具有探测精度高、光谱分辨能力强的优势, 为同位素丰度测量分析提供了可能, 具有广阔的应用前景.

提出一种在连续金属膜两侧放置对称介质光栅来实现完美吸收的方案. 在银膜厚度为20 nm, 晶格常数为400 nm, 介质折射率为1.46的情况下, 得到最大吸收系数为99.47%. 此时, 吸收谱的线宽为2.53 nm, 品质因子Q为296.06. 研究发现, 在完美吸收时, 入射光的反射和透射受到有效抑制, 吸收系数的相位梯度达到最大. 完美吸收由长程表面等离子激元(LRSPP)决定, 它的电场主要分布在银膜的外侧并形成驻波状, 传输损失很小. 当银膜厚度减小时, 吸收谱线的线宽逐渐减少, 而Q值增大. 当厚度降到12 nm左右时, 得到最小线宽0.98 nm和最大Q值760.0左右. 完美吸收时的锐利吸收曲线和较高的品质因子可用于高灵敏度的微纳米传感器的设计与应用.

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控, 限制了太赫兹波调控灵活性. 本文提出了一种反射超表面单元, 通过相位编码构造超表面, 在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能, 实现对圆极化波束的灵活调控; 同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下, 实现空间成像功能. 通过相位编码和幅度编码结合构造超表面, 提高了对太赫兹波操控的灵活性, 该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.

低噪声单频激光器是空间引力波探测系统中的核心器件, 其噪声性能直接影响空间引力波探测器的灵敏度. 本文报道了一种面向空间引力波探测的低噪声单频激光器, 利用全保偏光纤结构的功率放大器对低功率、窄线宽、低噪声的非平面环形振荡器输出激光进行放大. 为降低激光的强度噪声, 比较了不同泵浦源的输出特性, 为光纤放大器选用波长锁定的泵浦源, 降低泵浦光波长随温度漂移对输出功率的影响, 利用光电负反馈控制技术抑制输出激光的强度噪声, 结合主动精确控温技术抑制关键器件的热噪声, 实现了毫赫兹频段强度噪声的抑制. 利用自主搭建的4通道相对强度噪声测量系统, 测得反馈控制后的激光器相对强度噪声在1 mHz—1 Hz频段内低于–60 dBc/Hz, 在1 mHz和1 Hz处分别为–63.4 dBc/Hz和–105.8 dBc/Hz. 研究结果表明, 通过放大器泵浦电流的反馈控制和关键器件的温度控制可以有效地抑制激光器在毫赫兹频段的强度噪声, 为进一步提高低频段强度噪声性能奠定基础.

传统的免标定波长调制光谱方法一般需要结合光谱数据库和激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟, 对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求, 同时不合适的初值会增加计算时间, 甚至会导致陷入局部最优解. 为提高计算效率, 本文引入一种快速免标定波长调制光谱技术获取积分吸光度. 该方法对光谱数据库的依赖性低, 计算效率高, 同时解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题. 进一步将该方法应用于非均匀复杂燃烧场层析成像, 并结合所提成像系统实现了快速在线重建温度、浓度分布. 通过数值模拟和丁烷喷灯燃烧火焰的实验验证该方法获得积分吸光度的准确性和计算效率. 结果表明, 与传统的波长调制方法相比重建分布基本一致, 最大测量相对偏差仅为0.94%, 与热电偶测量值相比最大相对偏差为3.5%, 验证了该方法的准确性. 在重建精度相当的前提下, 分析两种方法获得积分吸光度的计算效率. 所引方法和传统方法平均每路计算时间分别为0.15 s和21.10 s. 所引方法的计算效率比传统方法至少提高了2个数量级, 为实现在线重建燃烧场的温度、浓度分布提供了快速可靠的研究方法和技术手段.

本文对环形激光阵列的Talbot效应进行了研究, 利用Gyrator正则变换推导了极坐标下环形激光阵列的Talbot效应和自成像条件, 并进一步分析了其在分数Talbot距离处的成像规律. 通过FDTD Solutions软件对环形激光阵列在分数Talbot距离处的空间分布、相位分布进行模拟, 得到与理论计算相一致的结果. 通过与一维激光阵列分数Talbot效应的空间分布、相位分布情况进行对比分析, 环形激光阵列可有效消除一维激光阵列的Talbot边缘效应, 获得等光强分布的Talbot自再现像, 扩展了Talbot效应在环形激光相干阵列锁相的应用.

为了解决发动机低频噪声问题, 基于双端口非对称吸声器原理, 设计了一种尺寸渐变的吸声超表面, 用于发动机声衬降噪设计. 首先, 建立了非对称共振吸声器的理论分析模型和仿真分析模型, 揭示了降噪机理, 并分析了其降噪效果的影响因素. 然后基于非对称共振吸声器设计了一种声学超表面声衬, 用全模型理论计算、等效阻抗理论计算和COMSOL有限元仿真三种方法深入分析了声衬的降噪效果, 并用全模型理论计算和等效阻抗理论计算方法考虑了流速对降噪效果的影响, 然后对此结构进行了参数优化. 研究结果表明, 所设计的基于非对称吸声器的声学超表面声衬在厚度仅为2.5 cm (仅为252 Hz对应波长的1/54)的情况下, 可实现252—692 Hz的频带范围内3 dB以上的降噪效果, 为发动机降噪设计提供了一种新的设计思路.

基于声波在细胞操控中的应用, 建立了一个三层内置偏心液滴的弹性球壳模型模拟具有细胞核、细胞质和细胞膜的有核细胞, 并分析细胞在声场中受到的声辐射力. 从薄球壳理论出发, 结合球函数加法定理推导了平面波声场中内置偏心液滴的充液球壳所受声辐射力的函数表达式. 数值分析了偏心液滴偏心距、半径以及液体腔内外介质特性阻抗对于充液球壳所受声辐射力的影响. 结果表明, 充液球壳受到的声辐射力对偏心液滴的位置及大小非常敏感, 偏心液滴偏心程度越大, 充液球壳所受的声辐射力越大. 声辐射力随着偏心液滴半径的变化在无量纲粒子半径ka < 3范围内出现共振峰值点增多的现象, 在ka > 3范围内曲线腹点位置发生偏移. 当液体腔内液滴位置及半径同时变化时, 位置变化对充液球壳所受声辐射力的影响更加显著, 且二者产生的影响会相互叠加. 对照细胞核相对特性阻抗分别为0.8, 0.9, 1, 1.1和1.2 时的辐射力函数随ka变化曲线发现特性阻抗的变化主要影响辐射力的大小且随着细胞核阻抗的增大, 在ka = 5附近的起伏幅度逐步增加, 且腹点位置有右移的趋势. 因此, 细胞核阻抗的增大在一定的频率或者细胞尺寸范围内可增强其辐射力响应. 本文的研究结果对有核细胞的操作、分选及靶向治疗具有潜在的价值.

大多数基于浅海简正波模态频散数据的地声参数反演方法无法对深层底质声学参数进行可靠估计, 究其原因是仅利用了简正波水波频散特征, 忽略了与深层底质声学参数密切相关的底波频散特征, 因此, 本文在分析了包含水波和底波的浅海宽带数据的基础上, 结合底波频散特征对深层底质声学参数变化更加敏感的物理特性, 实现了基于完整简正波频散特性的贝叶斯地声参数反演, 并针对简正波宽带声场模型计算复杂度较高的现实问题, 利用变分贝叶斯蒙特卡罗方法的推断优势, 完成了未知参数的可靠估计和快速后验分析. 仿真和海上实验结果表明: 联合简正波水波和底波频散特征数据的贝叶斯地声参数反演, 不仅可以有效估计深层底质声学参数, 而且降低了其他相关环境参数的估计不确定性.

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中, 具有辐射面积大、全指向性等优点, 在功率超声、水声等领域被广泛应用. 由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难, 本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向振动转化为$ N $个等厚度金属圆环径向振动的叠加, 得到了任意变厚度金属薄圆环径向振动的等效电路图、共振频率方程和位移放大系数表达式, 分析了锥型、幂函数型、指数型、悬链线型金属圆环的位移放大系数与几何尺寸的关系. 在此基础上, 推导了由任意变厚度金属圆环和等厚度压电圆环复合而成的压电超声换能器径向振动的等效电路和共振频率方程. 为了验证理论结果的正确性, 使用有限元软件进行仿真, 所得一阶、二阶的共振频率和位移放大系数的数值解与理论解符合较好. 本研究给出了任意变厚度金属圆环径向振动的普适解, 为设计和优化径向压电超声换能器提供了理论指导.

热油面液滴蒸发是自然现象, 已有研究侧重于单滴蒸发, 对于热油面上多滴蒸发的认识较少. 本文研究了热硅油面两个等直径FC-72液滴的Leidenfrost蒸发, 油温为74.0—130.0 ℃, 液滴初始直径为1.5 mm, 采用红外热成像及高速摄影测量, 发现热油面液滴蒸发存在非聚合、弹跳、分离3个阶段. 本文理论分析了液滴在水平方向的受力, 包括非均匀液滴温度产生的Marangoni力、重力水平分量、润滑推动力、黏性力. 尺度分析表明Marangoni力和重力水平分量起关键作用, Marangoni力趋向于液滴分离, 重力水平分量趋向于液滴聚合. 在非聚合蒸发阶段, 重力水平分量克服Marangoni力, 但两液滴间存在气膜夹层, 解释了两个液滴看似接触但不聚合的现象. 随液滴尺寸减小, 重力水平分量减小, 不足以克服Marangoni力, 这是导致蒸发后期两滴分离的主要原因. 最后通过将模型得到的不同阶段间的转换时间同测量值进行对比, 证实了上述解释. 本文研究有助于理解复杂的Leidenfrost液滴动力学现象和机理.

波-波共振机制, 无论在微观物质还是在宏观物质的能量传播、分布进程中都起着一种根本、突显的作用. 对于地球上最为广阔、直观的海洋表面波运动, 势必更加如此而可观可知. 那么, 可否从中提炼出一般的波-波共振规律? 尤其是最为特殊、简要的单波列共振法则. 为此, 依据Phillips开创现代水波动力学而提出特定4-波共振条件的经典一整套方式方法, 从基本的海洋深水表面张力波-重力波控制方程组出发, 运用Fourier-Stieltjes变换和摄动方法依次给出自由表面位移的Fourier分量的第一阶微分方程和愈来愈复杂却趋于完整的第二、三、四阶积分微分方程, 在一套自创、自明而又简洁的符号体系下依次求解这些方程而求得其单波列第一阶自由表面位移和第二、三、四阶非共振与共振自由表面位移的Fourier系数以及第二、三、四阶共振条件, 从而顺势推断出一般的单波列第$n$阶自共振定律. 这就完整揭示了海洋表面张力波-重力波之单波列共振动力学的丰富内涵, 有效扩展了海洋表面重力波之经典Phillips共振单波列解的适用范围, 为刻画海洋表面波之双波列、更多波列的单重、多重共振相互作用机制奠定了基石, 因而在全部波动领域的单波列共振规律的探寻上提供了一种典型范例.

为了深入了解大气压空气等离子体气态产物的变化的物理-化学机理, 本文以沿面介质阻挡放电为研究对象, 采用傅里叶红外光谱和紫外吸收光谱法原位测量了不同电压和频率下特征产物(一氧化氮(NO)和臭氧(O3))浓度的动态变化过程, 并基于李萨如图和放电图像计算了等离子体的真实能量密度, 通过拟合氮分子第二正带的发射光谱得到了气体温度. 结果表明, 在更高的电压和频率下, O3的吸光度更低而NO的吸光度更高, 还会加速产物从包含O3的状态转化为无O3的状态, 此时真实能量密度和气体温度也更高. 通过分析真实能量密度和气体温度对特征产物的生成和猝灭化学反应的影响, 揭示了产物变化的微观机理. 分析表明, O3消失主要是由于O和O与O2的激发态粒子以及NO对O3的猝灭导致, 其消失速度随着能量密度和气体温度的升高而加快. 反观NO, 气体温度的升高能显著提高其生成反应的速率, 并抑制其解离速率. 这有助于更快地生成大量NO, 加速其对O3的猝灭进程, 这也是O3消失越来越快的外因.

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型, 借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系, 在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下, 理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响. 研究结果表明: 对于给定的纵向静磁场B0 (或波频率ω), 存在一个临界波频率ωcr (或纵向静磁场B0,cr), 当ω > ωcr (或B0 < B0,cr)时, 电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大; 相比粒子温度各向同性情形, 粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性, 即相位常数和衰减常数均出现峰值现象; 在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下, Trivelpiece-Gould (TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位, 电子纵向温度Te,// 存在某一临界值, 在此临界值处TG波功率沉积出现峰值Pabs,TG, 且随着Te,⊥/Te,// 的减小, 此功率沉积峰值 Pabs,TG 逐渐增强.

具有非晶状热导率的固体材料在热能转换和热管理应用中备受青睐. 因此, 揭示晶体材料的非晶状热传导机理对于开发和设计低热导率材料至关重要. 本文运用原子模拟方法揭示了萤石结构二元简单晶体Yb3TaO7的非晶状低热导率的物理机理. 研究发现, 萤石Yb3TaO7的低热导率主要是由O-Yb和O-Ta之间的原子间结合力相差较大引起的. 这种相差较大的原子键可以极大地软化声子模式, 从而抑制声子输运. 振动模式分解显示, 萤石Yb3TaO7中的大多数声子模式位于Ioffe-Regel极限以下, 表现出强烈的扩散特征. 萤石Yb3TaO7中绝大部分(> 90%)的热流是通过扩散模式而不是传播模式传输. 因此, 萤石Yb3TaO7中的热传导表现出独特的类非晶特性. 同时发现, 萤石Yb3TaO7中的光学声子模式在热传导中发挥着重要的作用. 本文对于原子间结合力与低热导率之间关系的认识, 以及开发和设计低热导率材料提供了新思路.

对纯钨透射电镜薄膜样品在400 ℃ 进行了58 keV、 1×1017 cm–2 (约0.1 dpa) 的氘离子辐照, 辐照后进行了900 ℃/1 h的退火处理. 离子辐照产生了平均尺寸为(11.10±5.41) nm, 体密度约为2.40×1022 m–3 的细小位错环组织, 未观察到明显的空洞组织. 辐照后退火造成了位错环尺寸的长大和体密度的下降, 分别为(18.25±16.92) nm和1.19×1022 m–3. 通过透射电镜的衍射衬度分析, 判断辐照后退火样品中的位错环主要为 a /2$\left\langle {111} \right\rangle $类型位错环. 通过“一步法” inside-outside衬度分析判断位错环为间隙型位错环. 辐照后退火还造成了较大位错环之间接触融合, 形成不规则形状的大型位错环. 此外, 退火后样品中还观察到了尺寸为1—2 nm的细小空洞组织.

具有巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的材料在自旋电子器件应用中具有重要意义. 基于第一性原理, 提出一种可以将巨型Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应实现完美共存的二维(two dimension, 2D)六角晶格材料H-Pb-Cl. 由于系统空间反转对称性的破坏和本征电场的存在, H-Pb-Cl的电子能带中出现了巨型Rashba自旋劈裂现象(αR = 3.78 eV·Å). 此外, H-Pb-Cl的Rashba自旋劈裂是可以随双轴应力(–16%—16%)调控的. 通过分析H-Pb-Cl的电子性质, 发现在H-Pb-Cl费米面附近有一个巨大的带隙(1.31 eV), 并且体系由于Pb原子的s-p轨道翻转使得拓扑不变量Z2 = 1, 这就表明H-Pb-Cl是一个具有巨大拓扑带隙的2D拓扑绝缘体. 我们的研究为探索和实现Rashba自旋劈裂和量子自旋霍尔效应的共存提供了一种优良的潜在候选材料.

传统硫族化合物中阳离子相同时, 随着阴离子原子序数的增加, 价带顶逐渐升高, 带隙呈减小趋势. 在A2BX4基(A = V, Nb, Ta; B = Si, Ge, Sn; X = S, Se, Te)化合物中, 观察到随着阴离子原子序数增加, 其带隙呈现反常增大的现象. 为了探究其带隙异常变化的原因, 基于第一性原理计算, 对A2BX4基化合物的电子结构展开系统地研究, 包括能带结构、带边相对位置、轨道间耦合作用以及能带宽度等影响. 研究发现, Nb2SiX4基化合物中Nb原子4d轨道能量明显高于阴离子p轨道, 其价带顶和导带底主要由Nb原子4d轨道相互作用组成, 其带宽主要影响带隙大小. Nb2SiX4基化合物的带隙大小通过Nb—Nb和Nb—X键共同作用于Nb原子4d轨道的宽度来控制. 当阴离子序数增加时, Nb—Nb键长增加, 其相互作用减弱, 由Nb原子4d轨道主导的能带变宽, 带隙减小; 另一方面, Nb—X键长增加又使Nb原子4d带宽变窄, 带隙增加, 并且Nb—X键长增长占主导, 所以带隙最终呈现异常增加的趋势.

针对金属陶瓷基光热转换涂层高温热稳定性不足的核心问题, 提出构筑吸光纳米颗粒分层化结构来替代传统金属陶瓷涂层中纳米颗粒随机分布的结构, 这不仅可以抑制高温下涂层中纳米颗粒的团聚和长大, 而且能够增强涂层与太阳光的交互作用, 达到热稳定性和选择吸收性能的同步提升. 基于此思想, 本文设计并制备了Cr/AlCrN/AlCrON/AlCrO多层金属陶瓷光热转换涂层, 对其微结构、光学性能和热稳定性进行了详细的研究. 研究结果表明, 沉积态涂层的吸收率达到了0.903, 发射率为0.183, 而且在500 ℃、大气环境下退火1000 h后, 涂层的吸收率竟提高至0.913, 发射率也仅有0.199, 表现出良好的光谱选择吸收性和优异的高温热稳定性. 微观组织分析发现, 在AlCrON吸收层内形成了AlN, Cr2N纳米颗粒嵌于非晶陶瓷电介质基体的稳定双相复合结构, 并且AlN, Cr2N纳米颗粒呈分层化规则排列. 时域有限差分(FDTD)模拟表明, 纳米粒子的分层化分布可以将光子囚禁在AlCrON层内, 从而增强太阳光和涂层的作用时间和强度, 有助于提升涂层对太阳光的吸收, 而且退火过程中纳米颗粒的长大会减小颗粒之间的间距, 使得涂层消光光谱红移, 能够更好地匹配太阳辐射谱, 同时这种特殊的结构能够有效地避免纳米颗粒之间的团聚, 从而实现对涂层选择吸收性能和热稳定性的双重调控.

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣. 然而, 在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时, 会造成显著的效率下降, 限制了叠层电池的性能. 为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导, 减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合, 本工作采用砂轮划片这一冷加工方法, 对异质结硅电池进行切割. 与采用激光切割法得到的器件相比, 冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小, 非辐射复合得到显著抑制, 器件的开路电压和填充因子均得到提高, 平均光电转换效率提高了1%. 将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠, 获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.

相比于电荷流的高功耗, 自旋流可以高效地传输能量与信息的同时避免焦耳热的产生, 因此基于自旋流的电子器件成为未来电子信息器件研发的重要方向之一. 自旋流及其输运现象的相关研究是自旋电子学器件的开发基础. 本文着眼于铁磁金属镍(Ni)与非磁重金属(Pt)构建的异质结结构, 研究了异质结界面的自旋输运特性, 发现其对扩散自旋流的全阻塞效应. 本工作以基于钇铁石榴石(yttrium iron garnet, YIG)的YIG/Ni/Pt三层器件开展, 采用自旋泵浦技术激发扩散自旋流注入到镍中, 同时检测与分析器件中的逆自旋霍尔电压, 并与YIG/Ni双层器件中的信号进行对比分析. 结果证明YIG/Ni/Pt三层器件中的铂金属层仅起分流作用而对逆自旋霍尔电流无贡献, 即镍层中的扩散自旋流被阻塞于Ni/Pt异质结界面. 本工作加深了对界面处自旋流输运的认识, 铁磁性金属/非磁重金属自旋流阻塞界面的发现也为自旋电子器件的设计及新功能开发提供了新的思路与手段.

铁电材料在室温下具有可以在外加电场作用下改变方向的自发极化, 不同方向的极化在材料内部形成畴结构, 会对其物理特性和实际应用具有显著影响. 本文将最初用于微磁模拟的布朗方程引入铁电材料的大尺度模拟中, 研究其中可能出现的重要畴结构. 在以有效哈密顿量方法为基础推导出铁电材料中关于电偶极子的布朗方程后, 以${\rm{BaTiO_3}}$, ${\rm{PbTiO_3}}$块体和${\rm{SrTiO_3}}$/${\rm{PbTiO_3}}$/${\rm{SrTiO_3}}$夹心结构等钙钛矿铁电材料为研究对象, 验证了布朗方程的有效性并讨论了其中的多种畴结构, 如周期性条带状畴、涡旋型拓扑畴结构等, 并与相关实验结果进行了对比分析.

亚临界沸腾包括界面蒸发和气泡动力学诱导的传热, 但超临界传热是否存在类界面蒸发和类气泡传热以及两者间的转换缺少直接的实验证据. 本文进行了超临界CO2液池传热的实验研究, 压力和液池温度分别为8—10 MPa和15 ℃. 作为加热元件和感温元件, 22 mm长和70 μm直径的镍铬丝水平放置在液池中, 光纤探针垂直放置, 其顶端高于镍铬丝200 μm. 发现随热流密度或壁面过热度的持续增大, 依次发生自然对流、类界面蒸发、类蒸发-沸腾转换、类沸腾4种传热模式. 本文重点关注类界面蒸发和类沸腾传热以及两者间的转换. 在类界面蒸发模式下, 传热系数随壁面过热度增大略有下降, 光纤输出小幅/高频信号, 不存在主频, 多尺度熵大, 表征随机信号波动. 在类蒸发-沸腾转换模式下, 光纤输出大幅/低频周期信号, 存在明显主频, 多尺度熵小, 代表有序的周期性脉动传热. 在以类气泡为特征的类沸腾模式下, 光纤信号波动幅度介于类蒸发和转换模式之间, 主频不明显, 多尺度熵也介于类蒸发和转换模式之间. 研究获得了超临界类沸腾直接的实验证据, 加深了对超临界传热机理的理解, 为后续理论研究和工程应用提供了基础.

利用VO2嵌入超表面设计了一种实现不同频率, 且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面. 当VO2为绝缘态时, 设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收, 在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%, 对右旋圆极化波不吸收, 圆二色性为0.85. 当VO2为金属态时, 在1.95 THz处, 该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%. 结果表明, 在线极化和圆极化波入射下, 所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能. 由于它具有形态简单、易于加工等特点, 在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.

利用全电磁粒子模拟方法对等离子体相对论微波噪声放大器(plasma relativistic microwave noise amplifier, PRNA)进行了物理分析和数值模拟. 首先对无耦合时的波束色散关系进行了模拟分析, 接着计算了微波线性增长率与带宽的变化规律, 为后续整体模拟时参数的选择提供了理论依据. 最后对PRNA进行了整体模拟, 验证了PRNA在带宽和可调谐性方面的输出优势. 当等离子体束密度为1.4×1019/m3, 电子束电压和电流分别为500 kV和2 kA, 外加磁场为2.0 T时, 模拟获得了功率约200 MW, 效率为20%的微波输出, 辐射场频谱范围约为7.0—9.0 GHz, 带宽达到了2 GHz, 输出模式为同轴TEM模. 模拟结果还表明: 等离子体束的密度np和厚度$ \Delta {r_{\text{p}}} $对束波色散关系影响较大, 随着np和$ \Delta {r_{\text{p}}} $的增加, 输出微波频率呈明显上升趋势, 电子束电流和电压的变化对输出频率的影响相对较小, 等离子体束和电子束径向间距的变化则对输出频率基本没有影响. 研究结果可为器件的进一步的优化设计提供参考依据.

本文在第一性原理计算基础上结合非平衡格林函数方法, 研究了量子干涉效应对连接镍电极的二噻吩硼烷(dithienoborepin, DTB)分子结自旋输运性质的影响, 并通过氨基和硝基钝化实现了对二噻吩硼烷分子异构体(DTB-A和DTB-B)的区分. 结果表明, 原始的DTB-A和DTB-B分子结在费米能级两侧都有一个自旋向上透射峰和一个自旋向下透射峰, 且两个透射峰的能量位置和高度基本相同. 因此, 原始DTB-A和DTB-B分子结的自旋向上和自旋向下电流曲线基本重合, 不能被明显区分. 然而, 研究发现量子干涉效应能不同程度地增强氨基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力, 并减弱氨基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力. 此外, 研究还发现量子干涉效应可以显著提高硝基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力, 同时减弱硝基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力. 由于量子干涉效应对氨基和硝基钝化的DTB异构体分子结自旋输运能力有不同的调制作用, 因此可以通过测量氨基和硝基钝化分子结的自旋电流值来区分DTB分子的两种异构体.

钠离子电池层状氧化物正极材料具有高容量、易合成等优势, 表现出巨大的应用潜力. 为了开发出高容量、长循环的正极材料, 本文提出对NaNi0.4Cu0.1Mn0.4Ti0.1O2 (NCMT)用Mg2+部分取代Ni2+的改性策略, 设计并合成了高容量、长循环的NaNi0.35Mg0.05Cu0.1Mn0.4Ti0.1O2 (NCMT-Mg)正极材料. 该材料在2.4—4.3 V电压范围内, 显示165 mAh·g–1的高可逆比容量. 在0.1 C的倍率下循环350周后, 仍有111 mAh·g–1的可逆比容量, 容量保持率为67.3%, 相较于未掺杂的原始样品提升了约13%. 本文对其进行了系统表征并揭示了其高电压循环稳定的机理, 为开发出高性能钠离子正极材料提供了重要参考.

长短期记忆(long-short term memory, LSTM)神经网络通过引入记忆单元来解决长期依赖、梯度消失和梯度爆炸问题, 广泛应用于时间序列分析与预测. 将量子计算与LSTM神经网络结合将有助于提高其计算效率并降低模型参数个数, 从而显著改善传统LSTM神经网络的性能. 本文提出一种可用于图像分类的混合量子LSTM (hybrid quantum LSTM, HQLSTM)网络模型, 利用变分量子电路代替经典LSTM网络中的神经细胞, 以实现量子网络记忆功能, 同时引入Choquet离散积分算子来增强数据之间的聚合程度. HQLSTM网络中的记忆细胞由多个可实现不同功能的变分量子电路(variation quantum circuit, VQC)构成, 每个VQC由三部分组成: 编码层利用角度编码降低网络模型设计的复杂度; 变分层采用量子自然梯度优化算法进行设计, 使得梯度下降方向不以特定参数为目标, 从而优化参数更新过程, 提升网络模型的泛化性和收敛速度; 测量层利用泡利 Z 门进行测量, 并将测量结果的期望值输入到下一层实现对量子电路中有用信息的提取. 在MNIST, FASHION-MNIST和CIFAR数据集上的图像分类实验结果表明, 与经典LSTM、量子LSTM相比, HQLSTM模型获得了较高的图片分类精度和较低的损失值. 同时, HQLSTM、量子LSTM网络空间复杂度相较于经典的LSTM网络实现了明显的降低.