拓扑光子学的提出与发展为从根本物理原理上解决传统光学器件易受干扰的问题提供了新思路, 基于拓扑保护的新型鲁棒光场调控极大地提高了光学器件的传输效率和稳健性. 其中, 基于时间反演对称性破缺的非互易拓扑光子学及其手性拓扑态是拓扑光子学的重要分支, 其拓扑特性由非零陈数或陈矢量表征, 表现出超越互易拓扑光子学的严格拓扑保护鲁棒性. 本综述将重点介绍非互易拓扑光子学在探索新奇物理现象(手性/反手性边界态、反常非互易拓扑边界态、三维光学陈绝缘体、磁性外尔光子晶体等)和构建非互易鲁棒拓扑光学器件(单向光波导、宽带慢光延迟线、任意形状拓扑激光器、大轨道角动量相干光源等)等方面取得的显著成果. 最后对非互易拓扑光子学的发展现状、潜在挑战以及可能取得的突破进行了展望.

基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性, 特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升, 使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一. 然而, 近年来转换效率的增长步入缓慢阶段, 同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战, 这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关. 为进一步提高电池效率和结构稳定性, 必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性. 本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响, 包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响, 论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性, 并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望.

Kagome材料为研究电子关联效应、拓扑物态、非常规超导电性和几何阻挫等新奇物理现象提供了良好的平台. 最近, Kagome超导体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)在凝聚态物理领域引起了广泛关注和研究, 国内外多个课题组通过化学掺杂对其物性进行有效调控, 为进一步理解和认识该体系材料提供了巨大帮助. 本文综述了AV3Sb5掺杂研究的最新进展, 对这一快速发展材料体系的掺杂效应进行了总结, 以促进Kagome超导体AV3Sb5的进一步探索和研究. 具体地说, 回顾了CsV3Sb5中Nb, Ta, Ti和Sn的原子掺杂, 以及Cs, O等元素表面掺杂对材料量子效应和电子能带结构的影响, 讨论了掺杂对物性调控的物理机制. 为进一步理解和研究该材料体系的电荷密度波、时间反演对称性破缺、超导电性等丰富量子效应提供相关基础.

半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提. 基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导. 本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展. 首先, 介绍半导体缺陷计算的基本理论方法, 讨论带电缺陷计算中由周期性边界条件引入的有限超胞尺寸误差, 并展示相应的修正方法发展. 其次, 聚焦于低维半导体中的带电缺陷计算, 阐述凝胶模型下带电缺陷形成能随真空层厚度发散的问题, 并介绍为解决这一问题所引入的相关理论模型. 最后, 简单介绍了缺陷计算中的带隙修正方法及光照非平衡条件下掺杂与缺陷调控理论模型. 这些工作可以为半导体, 特别是低维半导体, 在平衡或非平衡条件下的缺陷计算提供指导, 有助于后续半导体中的掺杂和缺陷调控工作的进一步发展.

高压气态储氢是当前氢能储运的重要方式, 而高强钢材料则是储氢容器主要采用的材料之一. 然而, 其内部杂质元素和固有缺陷常导致其力学性能下降, 从而降低了容器的承压能力和存储寿命. 目前元素掺杂对于高强度钢力学性能的影响机制尚不完全明确, 基于此, 本文应用第一性原理计算模拟方法研究了Fe-M及Fe-C-M (M = Cr, Mn, Mo, As, Sb, Bi, Sn, Pb)体系中元素掺杂对其机械性能的影响. 结果表明, Mn掺杂使得高强钢的弹性模量、体模量和剪切模量等增强, 而其余元素的引入均使得高强钢的3种模量减弱, 其中非过渡金属元素对3种模量的影响大于过渡金属元素. 电子结构分析表明, 过渡金属元素与Fe晶格有着更好的相容性. 分子动力学模拟结果进一步显示H原子的注入显著地破坏了Fe多晶掺杂C, Cr, Mn元素体系的晶格有序性, 而Cr元素的掺入则可以显著提升体系的位错密度. 综上, 本文探究了掺杂元素对单晶和多晶Fe力学性能的影响, 对Fe基材料掺杂及缺陷对强度影响的机理研究具有较强的指导意义.

磁性 Fe3O4 纳米粒子在纳米医学领域展现出巨大的应用前景. 饱和磁化强度和磁各向异性对于 Fe3O4 纳米粒子在药物输送和磁热疗中的应用至关重要. 在此, 通过密度泛函理论计算, 仔细研究了 3d 和 4d 过渡金属元素的掺杂对 Fe3O4 磁矩及磁各向异性的影响. 结果表明, Fe3O4中Zn和Cd的掺杂会增大总磁矩, 而其他3d和4d过渡金属元素的掺杂会降低总磁矩. 有趣的是, Cd 的掺杂也会大大增大磁各向异性. 本文结果表明, 掺杂 Cd 是提高 Fe3O4 作为药物输送和磁热疗材料性能的可行方法.

蛋白质计算一直以来都是科学领域中的重要课题, 而近年来其与机器学习的结合, 更是极大地推进了相关学科的发展. 本综述主要讨论了机器学习在四个重要的蛋白质计算领域内的研究进展, 这四个领域包括：分子动力学模拟、结构预测、性质预测和分子设计. 分子动力学模拟依赖于力场参数, 准确的力场参数是分子动力学模拟的必需品, 而机器学习可以帮助研究者得到更加准确的力场参数. 在分子动力学模拟中, 机器学习也可以从复杂的体系中以较小的代价计算出所需求解的自由能. 结构预测一般是给定蛋白质序列预测其结构. 结构预测复杂度高、数据量大, 而这恰恰是机器学习所擅长的. 在机器学习的协助下, 近年来科研人员已经在单个蛋白质三维结构预测上取得了不错的成果. 性质预测则是指通过给定的已知蛋白质信息, 推断其可能拥有的性质, 这对于蛋白质的研究也是至关重要的. 更具挑战性的是分子设计, 虽然近年来机器学习在蛋白质设计上取得突破, 但这一领域还有很大空间值得探索. 本综述将针对以上四点分别展开论述, 并对蛋白质计算中的机器学习研究进行展望.

精确描述复杂分子体系的自由能地貌图是理解和操控其行为, 并进一步实现分子设计制造工业化的重要基础. 刻画高维空间自由能地貌图的主要挑战是其往往在不同时空间尺度上具有多个层次, 每个层次都可能有不止一个亚稳态被相应的自由能垒分开, 且跨越路径有可能不止一条. 另外很多体系涉及非线性行为, 这使得理论解析和直接使用分子模拟都有很大困难. 针对这些挑战, 多年来研究者们发展了多种多样的增强采样方法, 但往往需要很多经验选择和操作, 从而一方面使得研究进程较为缓慢, 另一方面也让误差控制成为困难. 变分虽然在物理、统计和工程中已经被广泛应用并取得巨大成功, 但在复杂分子体系中的应用却随着神经网络的发展刚刚开始. 本文将对这些探索性工作的主要方向、进展和局限进行简要总结, 也对将来的可能发展给出展望, 希望能够激发更多对基于变分的分子体系自由能地貌图人工智能算法的关注和努力, 促进大分子药物、分子生物机器等实践应用的发展.

原子钟频率控制是时间保持工作中的关键技术. 当前守时工作中的频率控制主要针对国外微波钟采用开环控制算法, 但由于国产光抽运小铯钟(下称国产钟)的工作原理和性能不同于国外同类型原子钟, 因此该算法不能很好适应国产钟. 为了提升我国标准时间的自主性和安全性, 本文基于国产钟的噪声特性, 在最优控制理论的框架下研究了线性二次高斯控制算法, 该算法属于闭环控制算法, 从同步时间、频率控制准确度和频率控制稳定度方面研究国产钟性能, 最后分析了不同控制间隔对国产钟性能的影响. 结果表明随着二次损失函数中约束矩阵$ {{{W}}_{\text{R}}} $的增大, 同步时间延长, 控制准确度降低, 控制短期稳定度提高. $ {{{W}}_{\text{R}}} $相同情况下, 随着控制间隔的增大, 同步时间延长, 控制准确度降低, 控制短期稳定度提高, 对于$ {{{W}}_{\text{R}}} =1$时, 控制间隔为1 h的同步时间为5小时, 控制准确度为1.83 ns, 1 h的Allan偏差为1.81×10–13; 控制间隔为8 h的同步时间为28 h, 控制准确度为4.48 ns, 1 h的Allan偏差为1.48×10–13. 控制国产光抽运小铯钟的中长期稳定度都得到提高.

连续变量量子密钥分发系统中, 本地光场和信号光场采用时分复用, 偏振复用方式通过长距离单模光纤传输. 外界复杂环境会使单模光纤产生双折射效应, 导致本地光场和信号光场的偏振态漂移, 严重影响接收端平衡零拍探测结果. 因此, 高效动态偏振控制单元是推动系统外场实用化进程的关键技术. 本文理论上证明了系统接收端仅考虑任意偏振消光比输出时, 偏振控制单元只需两个控制自由度即可. 在此基础上将贝叶斯参数估计方法有效融入混沌-猴群算法, 同时在现场可编程逻辑门阵列硬件上实现控制算法, 结合积分型光场探测器建立动态偏振控制单元, 仿真和实验结果表明单次偏振控制静态消光比达到30 dB以上的平均周期为400 µs. 为了应对偏振态连续变化情况, 将动态偏振控制单元集成到连续变量量子密钥分发系统, 实验测试了偏振态扰动速率在0—2 krad/s范围内系统仍然能够正常运转.

在连续变量量子密钥分发系统中, 同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术. 本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序, 采用时域差拍探测方式和峰值采集技术, 实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发. 通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐, 无需借助软件算法实现数据的对齐. 本文采用了加拿大滑铁卢大学 Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法. 该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩, 以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率. 计算过程中无需假设信道为线性信道, 无需额外噪声的估算. 密钥分发系统重复频率为10 MHz, 传输距离为25 km, 平均安全密钥比特率为24 kbit/s. 本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步, 减小了系统的复杂度和计算量, 在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积, 有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

随着太赫兹波研究的深入, 研究者们对可调控太赫兹源的需求不断增加. 如何获取可调控的太赫兹波一直是太赫兹科学领域的研究热点和关键问题之一. 本文通过建立双色激光诱导气体电离光丝产生太赫兹波及其后续传播过程的三维理论模型, 详细研究了双色泵浦激光的啁啾参数对飞秒激光场辐射产生太赫兹波的影响. 研究结果表明, 在激光脉宽为飞秒量级时, 以40 fs的情况为例, 当啁啾参数在与激光脉宽处于相同的飞秒量级尺度上时, 其对太赫兹波的振幅与频谱都产生显著影响. 在双色飞秒激光场中, 基频波和倍频波的啁啾各自起到不同的作用: 基频波的啁啾主要影响太赫兹波的时域波形, 而倍频波的啁啾则决定了太赫兹辐射的振幅大小、中心频率与频谱宽度. 研究表明, 激光啁啾作为一种可控的参数, 对所辐射的太赫兹波属性具有多重调制效果, 且相关啁啾的作用规律随双色激光的初始相位也呈现规律性变化. 这些结果为研究太赫兹辐射的产生与调控提供了新的思路与依据.

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求, 本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中. 建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型, 从设定器件的目标功能和约束条件出发, 利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构, 迭代寻优至最优结构图案. 本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器. 与传统的人工正向设计相比, 逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.

为了探究强激光对原子核α衰变的影响, 根据Gamow模型、双折叠模型、团簇模型理论, 给出了一套求解原子核α衰变寿命的方法. 计算了部分原子核α衰变的半衰期, 与实验测量值符合较好, 并进一步获取强激光作用下原子核α衰变半衰期的改变量. 结果表明, 当强激光的功率密度达到1026 W/cm2时, 超强激光可以减少部分原子核的半衰期约0.1%, 有效地影响原子核的α衰变过程. 同时, 还理论计算了α衰变半衰期随着原子核自身参数与激光功率密度的变化关系, 讨论相关参数对于原子核α衰变的影响.

利用坐标空间的实稳定方法, 在相对论 Hartree-Fock (RHF)理论框架下发展了原子核单粒子共振态结构模型. 具体以120Sn的低激发中子共振态为例, 探讨了交换项在影响共振能量、宽度以及自旋-轨道劈裂等性质中的作用. 相较于一般的相对论平均场(RMF)理论, RHF中交换项的引入改变了核介质中有效核力的动力学平衡机制, 进而影响共振态单粒子势的描述. 对于一般的宽共振态, 这可能导致相对更低的共振能量和更小的共振宽度. 此外, 对120Sn共振态中$\nu {\mathrm{i}}_{13/2}$与$\nu {\mathrm{i}}_{11/2}$自旋伙伴态, 还分析了交换项对其自旋-轨道劈裂的相关效应. 与束缚态情形相比, 共振态中自旋伙伴态的波函数可能存在显著区别, 单粒子有效势与能量也相应发生改变. 结果表明, 不仅自旋-轨道相互作用, 单粒子有效势中其他成分也是影响共振态自旋-轨道劈裂的重要因素.

基于β衰变的费米理论, 提出一个计算原子核β衰变寿命且不含自由参数的经验公式. 通过引入奇偶效应、壳效应以及同位旋依赖, 新提出的经验公式显著改进了对原子核β 衰变寿命的预言精度. 对于寿命小于1 s的原子核, 新经验公式的预言结果与实验寿命常用对数的均方根偏差降至0.220, 这比不含自由参数的经验公式提高约54%, 甚至优于目前已有的其他经验公式和微观的准粒子无规相位近似方法. 在未知核区, 新经验公式预言的轻核区原子核的β衰变寿命一般短于各微观模型的预言结果, 而其预言的重核区原子核的β衰变寿命与各微观模型预言结果基本一致. 进一步采用新经验公式预言了核素图上丰中子原子核的β衰变寿命, 为r - 过程的模拟提供了寿命输入.

溶液法是新型光电器件制备的重要手段, 然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成, 传统的实验表征大多在空气环境下进行, 这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联, 因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究. 为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测, 本文结合上海同步辐射光源线站布局, 报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置, 可实现标准手套箱环境(c(H2O, O2) < 1×10–6)下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理, 并实时可视化监测微结构和形貌演变. 基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS (grazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力: 钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”, 同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性. 基于各层均采用卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性三维钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23% (单个器件面积约15 cm2), 为迄今报道的这一体系该尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率之一. 因而, 基于该同步辐射原位GIWAXS/S/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺, 指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.

热漫散射分析在凝聚态物理和材料科学研究中具有巨大潜力与实用性. 氧化钪(Sc2O3)独特的物理化学性质, 使其具有较高的研究和应用价值. 在室温26 ℃下对Sc2O3进行了X射线衍射实验. 其热漫散射强度呈明显的振动形状, 将Sc2O3的全衍射背底强度方程展开, 并计算热漫散射强度的理论值, 直至计算到第14近邻原子(r为0.3816 nm)全衍射背底强度图谱. 将理论值与实验值拟合, 得到了最近邻原子至第7近邻原子所对应的原子间热振动相关效应值μ, 最近邻原子到第7近邻原子距离r的值分别为0.2067, 0.2148, 0.2161, 0.2671, 0.2945, 0.3229和0.3265 nm, 所对应的原子间热振动相关效应值μ分别为0.64, 0.63, 0.62, 0.61, 0.60, 0.58和0.57. 研究发现Sc2O3热漫散射强度大小与原子的热振动密切相关, 对热漫散射强度振动形状影响最大的是第7近邻原子Sc1-Sc2间的热振动相关效应μ, 原子间热振动相关效应值μ对研究材料的力热性质提供很重要的参数, 为下一步计算比热和原子间力常数打下基础, 其对于材料的力热方面的用途与发展有着至关重要的作用.

金属纳米颗粒低聚体不仅具有等离激元共振效应实现光场亚波长范围内的局域化和增强, 还可以通过泄漏光场相互干涉实现法诺共振和连续态中的束缚态, 从而使得电磁场更强的局域和增强. 本文采用金纳米低聚体超构表面作为石墨烯/硅近红外探测器的天线, 实现了光响应度2倍的增强; 通过调节纳米金属低聚体间夹角, 发现当该夹角为40°时, 光电流达到最大值, 对应法诺共振最大的透射率, 此时天线不仅汇聚光场能量还定向发射给探测器; 当该夹角为20°时, 光电流出现一个低谷, 此时能量局域于低聚体内, 金属损耗减弱了等离激元增强效果. 该工作通过时域有限差分法仿真和实验相结合研究了低聚体超构表面光电耦合效率的动态过程, 为提高光电探测效率提供了一种重要的途径.

受物理孔径大小和光线散射等影响, 合成孔径光学系统成像因通光面积不足和相位失真而出现降质模糊. 传统合成孔径光学系统成像复原算法对噪声敏感, 过于依赖退化模型, 自适应性差. 对此提出一种基于生成对抗网络的光学图像复原方法, 采用U-Net结构获取图像多级尺度特征, 利用基于自注意力的混合域注意力提高网络在空间、通道上的特征提取能力, 构造多尺度特征融合模块和特征增强模块, 融合不同尺度特征间的信息, 优化了编解码层的信息交互方式, 增强了整体网络对原始图像真实结构的关注力, 避免在复原过程中被振铃现象产生的伪影干扰. 实验结果表明, 与其他现有方法相比, 该方法在峰值信噪比、结构相似性和感知相似度评估指标上分别提高了1.51%, 4.42%和5.22%, 有效解决合成孔径光学系统成像结果模糊退化的问题.

利用局部相位补偿调制的方式设计了一种超薄的弧形声学超表面地毯隐身斗篷. 该斗篷由52个亥姆霍兹空腔共振结构单元组成, 且结构单元厚度小于波长的0.2倍. 数值模拟结果显示: 文中所设计的隐身斗篷在深亚波长范围内隐身效果良好, 其工作频宽为5850—7550 Hz. 进一步探究声波斜入射时地毯斗篷的工作效果, 发现在30°的入射角范围内都具有良好的隐身效果. 此外, 利用余弦相似度(cosine similarity, CSI)函数精确量化分析了该隐身斗篷的工作性能, 计算结果展示, 在斗篷工作的带宽范围内, 覆盖斗篷后的CSI值趋近于无斗篷覆盖地面的CSI值, 展示了其在的良好隐身性. 本文所设计的斗篷均以超薄的亥姆霍兹共振结构为组成单元, 结构简单, 易于实现, 有利于未来的实际应用.

在高壁面Zeta势下, 研究滑移边界条件下满足牛顿流体模型的一类生物流体的电渗流动及传热特性, 流体在外加电场、磁场和焦耳加热共同作用下流动. 首先, 在不使用Debye-Hückel线性近似条件时, 利用切比雪夫谱方法给出非线性Poisson-Boltzmann方程和流函数满足的四阶微分方程及热能方程的数值解, 将所得结果与利用Debye-Hückel线性近似所得结果进行比较, 证明本文数值方法的有效性. 其次, 讨论电磁环境下壁面Zeta势、哈特曼数$H$、电渗参数$m$、滑移参数$\beta $对流动特性、泵送特性和捕获现象的影响, 并探究焦耳加热参数$\gamma $和布林克曼数$Br$等参数对传热特性的影响. 结果表明, 壁面Zeta势、电渗参数$m$、滑移参数$\beta $的增大对流体速度有促进作用, 而哈特曼数$H$的增大会抵抗流体流动. 研究进一步表明, 焦耳加热参数$\gamma $和布林克曼数$Br$的增大会导致温度升高.

对于航空瞬变电磁的低频探地问题, 除了精度和效率需要考虑, 深地探测问题的复杂度也不容忽视, 特别是对于低频复杂问题存在异常体与背景间的多尺度效应. 为了模拟开域问题, 有限厚度区域的完全匹配层被用于截断计算域, 然而这也无形中增大了整个模型, 造成计算复杂度增加. 鉴于此, 提出了一种新的基于极限梯度提升(extreme gradient boosting, XGB)的完美匹配单层模型, 并将该模型集成到时域有限差分求解器中, 以进一步提高时域有限差分仿真的性能. 所提出的基于XGB的完美匹配单层模型通过特征注意力集成学习方法可以获得更高的精度, 同时占用更少的内存、消耗更少的时间. 此外, 由于该模型依托于传统机器学习模型, 因此它在模型训练的稳定性和轻量级方面具有显著的优势. 最后, 通过对航空瞬变电磁应用进行三维数值模拟, 验证了该方法的有效性和稳定性. 该模型不仅在精度、效率和问题复杂性方面具有优势, 而且还可以成功地集成到时域有限差分求解器中, 解决低频航空瞬变电磁问题.

HL-2A托卡马克装置在中性束加热条件下获得了稳定的归一化环向比压($\beta_{\rm{N}}$)大于2.5的等离子体, 并且实现了瞬态$\beta_{\rm{N}}$ = 3.05、归一化密度($n_{\rm{e,l}}/n_{\rm{e,G}}$)$\sim$0.6、储能($W_{\rm{E}}$)$\sim$46 kJ和高约束因子($H_{98}$)$\sim 1.65$的高约束性能. 本文使用集成模拟平台OMFIT对$\beta_{\rm{N}}$ = 2.83和$\beta_{\rm{N}}$ = 3.05时刻的等离子体进行了集成模拟, 计算得到的$W_{\rm{E}}$, $n_{\rm{e,l}}/n_{\rm{e,G}}$, $H_{98}$和$\beta_{\rm{N}}$等与实验参数基本一致, 并通过计算发现两种情况下自举电流份额($f_{\rm{BS}}$)分别约达到$ 45{\text{%}}$和$ 46{\text{%}}$. 此外, 还进一步分析了HL-2A装置形成离子温度内部输运垒(ITB)的原因: 快离子和${\boldsymbol E}\times{\boldsymbol B}$剪切流使得芯部湍流输运被抑制, 改善了约束, 从而形成了离子温度ITB. 离子温度的ITB与H模边缘输运垒相互协同形成了高$\beta_{\rm{N}}$的等离子体.

EAST限制器探针安装在低场侧限制器, 在环向上共有两个阵列, 可以同时工作在悬浮电位测量、离子饱和流测量和扫描单探针模式. 当朗缪尔静电探针运行在离子饱和流测量模式时, 需要为其提供稳定的偏压. 本文采用大容量电容器为探针提供偏压, 相比于其他磁约束聚变装置上使用的9 V干电池组, 大容量电容器具有电压设置灵活、易于维护和环保等优点. 为此, 研发和测试了整套超级电容器的充放电控制电路. 本文还基于Python语言开发了超级电容器充放电控制电路的控制软件, 通过该软件可以实现对电路的远程控制和自动控制. 经实验测试, 电容器充放电控制电路可以在长脉冲放电条件下为探针输出稳定的偏压, 适用于磁约束聚变的复杂电磁环境. 通过将超级电容器充放电控制电路应用于EAST限制器探针诊断, 测量了2.45 GHz和4.6 GHz两种低杂波加热条件下刮削层等离子体离子饱和流、悬浮电位、电子温度和密度等特征参数的三维分布, 发现2.45 GHz低杂波加热时刮削层电子密度较高, 而双波协同加热时刮削层电子密度最高. 这一系列测试与物理实验充分验证了超级电容器充放电控制电路的可靠性和稳定性.

用于光学、微波通信调谐等器件的向列相液晶材料需要具备高响应速度来实现应用需求. 液晶器件响应速度与液晶的旋转黏度、液晶的双折射率等因素相关. 微波器件用向列相液晶, 常采用大π-电子共轭体系、大极性基团来提高液晶分子的双折射率和介电各向异性, 实现宽相位调制量, 也因此增大了液晶材料黏度, 影响了微波器件的响应速度. 本文以液晶黏度因素为主线, 对本课题组设计合成的42种向列相液晶在25 ℃时的黏度用旋转流变仪进行测试, 从液晶化合物的结构角度分析影响液晶黏度的因素. 首次建立向列相液晶分子结构与黏度的BPNN-QSAR定量构效模型, 模型测试组预测值跟真实值之间的相关系数q2 = 0.607 > 0.5, 说明模型可用于液晶化合物的黏度性能预测, 并对影响黏度性能的分子结构描述符进行了探讨. 从实际应用出发结合本课题研究, 设计了两个系列7个大双折射率液晶分子, BPNN模型测试黏度量度小于同类型分子, 实验测试值与模型测试值相近.

为预测大晶粒UO2燃料中裂变气体的释放行为, 从而为事故容错燃料的发展提供支持, 本文采用相场模型, 对裂变气体在UO2多晶微观结构中的释放行为进行了模拟. 该模型采用一组耦合的Cahn-Hilliard方程与Allen-Cahn方程, 用守恒场变量表示裂变气体与空位的分布, 以及用序参量区分气泡相与基质相. 该模型重点考察了不同晶粒尺寸、不同温度条件与扩散系数对裂变气体释放行为产生的影响, 展现了气泡的形核、生长、融合等行为, 得到了一定程度燃耗深度下燃料的孔隙度、晶界处气泡覆盖率、气泡平均半径等模拟结果. 结果表明, 温度与扩散系数对孔隙度、晶界处气泡覆盖率的影响较为显著, 在扩散系数较大时, 晶粒尺寸也会对裂变气体释放行为产生较大影响, 扩散系数较小时, 晶粒尺寸的影响则不明显. 此外, 通过该模型得出的高燃耗深度下裂变气体气泡分布状况与实验结果也较为符合, 该模型能较好地预测大晶粒UO2裂变气体释放行为.

单粒子翻转(single event upset, SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题, 本文以55 nm加固锁存单元为研究载体, 通过三维数值模拟方法, 获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer, LET)阈值和电压脉冲变化曲线, 研究了双互锁存储单元(dual interlockded storage cell, DICE)的抗辐照性能和其在不同入射条件下的SEU效应. 研究表明, 低LET值的粒子以小倾斜角入射器件时, 降低了器件间的总电荷收集量, 使得主器件节点的电压峰值和电压脉宽最小, 器件SEU敏感性最低; 由于空穴与电子迁移率的差异, 导致DICE锁存器中Nhit的入射角敏感性远大于Phit; 合理调节晶体管间距可以削弱电荷共享效应, 使得从器件总电荷收集量减小, 仿真计算得到此工艺下晶体管间距不能小于1.2 μm. 相关仿真结果可为DICE锁存单元单粒子效应的物理机制研究和加固技术提供理论依据和数据支持, 有助于加快存储器件在宇航领域的应用步伐.

基于黏弹力学中的Maxwell弛豫理论, 提出一种新颖的、可用于计算非均匀体积黏度的理论方法. 该方法通过体相流体的黏性和弹性特征来计算体系的局域弛豫时间, 进而结合体系的局域弛豫模量来计算体积黏度的非均匀分布. 作为应用, 计算了受限于平行狭缝中的Lennard-Jones流体的非均匀体积黏度, 系统地研究了体密度、温度、缝宽和吸附强度等因素对体积黏度的影响. 结果表明, 上述因素的变化均可显著地调制狭缝中流体的体积黏度. 其中, 体密度和吸附强度的增大均有益于体积黏度的增强, 而温度的升高将则会削弱其体积黏度. 此外, 毛细凝聚的发生也对受限流体的体积黏度具有显著的调制作用.

对真空腔内的冷原子进行高分辨成像通常需要原子与像平面之间保持较大的距离, 这不利于成像系统在光学元件密集的冷原子实验中实现. 设计了一套显著降低原子与像平面距离的高分辨成像系统, 实现了1 μm的分辨率与50倍的放大率. 仿真结果表明, 通过改变透镜间距, 可以适应0—15 mm厚度范围的真空窗口. 该成像系统由数值孔径为0.47的显微物镜和有效焦距为1826 mm的远摄物镜组合而成. 结合成像波长为470—1064 nm的仿真结果, 该系统可以对钠、锂、铯等不同种类的原子进行高分辨成像.

紫外探测器作为智能光电系统的重要组成部分, 近年来在诸多领域应用广泛, 其中自供电异质结光电二极管的研究显得尤为重要. 本文制备并讨论了一种双模式运行的GaN/(BA)2PbI4异质结紫外光电二极管. 通过金属有机化学气相沉积法在蓝宝石上沉积GaN薄膜, 再在GaN薄膜表面旋涂(BA)2PbI4薄膜, 用于构建平面异质结探测器. 当在+5 V偏压驱动、光强为421 μW/cm2的365 nm紫外光照射下, 响应度(R)和外量子效率(EQE)分别为60 mA/W和20%. 在自供电模式下, 上升时间(τr)和衰减时间(τd)分别为0.12 s和0.13 s. 这些结果共同证明了基于GaN/(BA)2PbI4异质结的自供电紫外光电二极管拥有旷阔的发展前景, 为智能光电系统的发展提供了新的思路.

六角笼目(Kagome)相拓扑反铁磁材料近年来引起了人们极大的研究兴趣, 这主要是因为它们拥有众多独特的性能, 例如虽然净磁矩跟反铁磁材料一样接近零, 但确有与铁磁性材料强度相当的磁电、磁光和磁热效应, 极具应用价值. 以上的这些特性绝大多数都与其磁结构紧密相关, 然而人们却发现其磁结构对于生长条件和材料成分非常敏感. 因此, 开发一种简单、普适的Kagome相拓扑反铁磁材料磁结构相变测量方法, 对于大多数难以获得高能中子衍射等先进实验手段的实验室来说, 无论是材料的生长优化还是物理现象机理的理解都具有重要的意义. 本文采用脉冲激光沉积方法在($1 \bar{1}02 $)取向的Al2O3单晶衬底上成功外延制备了高质量($ 11\bar{2}0 $)取向的六角Kagome相Mn3Sn薄膜, 并系统地测量了不同温度下该Mn3Sn薄膜的磁性和磁输运特性. 结果发现, 该Mn3Sn薄膜的磁化曲线、霍尔电阻率曲线和磁电阻曲线在其三类磁相变温度中的某些或全部均表现出一定的异常特征. 这些特征可以作为该六角Kagome相Mn3Sn薄膜中磁相变的证据, 甚至用于测量这些磁相变的温度. 本工作有助于进一步推动六角Kagome相拓扑反铁磁材料在自旋电子器件中的应用.

高分辨率宽频谱测量技术在天文学、无线通信、医学成像等领域具有重要应用价值. 金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy, NV)色心因其高稳定性、高灵敏度、实时监测、单点探测以及适用于长时间测量等特性已成为频谱分析仪备受关注的选择. 目前, 基于NV色心作为探测器的宽频谱分析仪能够在几十GHz频带内进行实时频谱分析, 然而其频率分辨率仅达到MHz水平. 本文通过搭建结合连续外差技术的量子金刚石微波频谱成像系统, 利用磁场梯度对NV色心谐振频率进行空间编码, 成功获取了900 MHz—6.0 GHz范围内完整的频谱数据. 在可测频谱范围内, 系统进一步采用连续外差的方法, 同时施加谐振微波和轻微失谐的辅助微波对NV色心进行有效激发, 增强了NV磁强计对微弱微波信号的响应. 该方法使系统在可测频谱范围内实现了1 Hz的频率分辨率, 并能够对间隔为1 MHz扫频步进的多个频点的频率分辨率进行单独测量. 以上研究结果表明基于NV色心的宽频谱测量可实现Hz级频率分辨, 为未来的频谱分析和应用提供了有力的技术支持.

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型, 搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型, 利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真. 在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真, 并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结. 仿真结果表明, 当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时, 第二级PIN二极管的温度变化幅度较小. 限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系, 发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小; 发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低, 随幅值的变化存在极大值点; 限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力, 但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比, 从而降低探测灵敏度与探测距离. 本文基于红外超导纳米线单光子探测器, 设计了一个工作在中红外波段的光学系统, 构建了红外光学系统自发辐射计算模型, 理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性. 首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号, 为优化设计红外系统提供了依据. 并且基于超导单光子探测器的光子计数能力, 研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响, 并优化了光学系统的性能. 实验结果表明, 超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度, 最小可分辨移动距离为2.74 × 10–2 mm, 在黑体温度为100 ℃时, 光子计数率提高了6.4 × 104 cps (1 cps = 1 cycle per second), 光学系统的耦合效率提升了97%; 在黑体温度为102 ℃时, 光子计数率提高了9.1 × 104 cps, 光学系统的耦合效率提升了114%, 降低了杂散辐射对探测系统的影响, 同等条件下系统信噪比提升2.7倍, 对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

随着3D NAND闪存向更高层数堆叠, 后栅工艺下, 金属钨(W)栅字线(WL)层填充工艺面临的挑战进一步增大. 由于填充路径增长, 钨栅在沉积过程中易产生空洞, 造成含氟(F)副产物的聚集, 引起氟攻击问题. 具体表现为, 在后续高温制程的激发下, 含氟副产物向周围结构扩散, 侵蚀其周边氧化物层, 导致字线漏电, 影响器件的良率及可靠性. 本文首先分析了在3D NAND闪存中氟攻击的微观原理, 并提出了通过低压退火改善氟攻击问题的方法. 接下来对平面薄膜叠层与三维填充结构进行常压与低压下的退火实验, 并使用多种方法对残留氟元素的浓度与分布进行表征. 实验结果表明, 适当条件下的低压退火, 使得钨栅中的残余氟有效地被排出, 可以有效降低字线的漏电指数, 提高3D NAND闪存的质量.

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制, 在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用. 多通道单分子定位采用多个成像通道, 可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像, 也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度. 但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析, 因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节; 且由于单分子定位精度高, 其对多通道图像配准精度的要求也很高. 现有技术一般采用基于控制点的配准方法, 且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对, 以实现高精度图像配准, 对样品或实验设备要求高, 难以直接推广. 为此, 本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除, 发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法, 通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选, 以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对, 从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响, 同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计, 以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形. 结果表明, 采用该方法只需要3次迭代, 就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除, 从而实现更准确的变换模型参数估计, 将配准精度提高一个数量级, 在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度.

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究, 但CH(NH2)2PbI3(FAPbI3)固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展. 特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性, 表界面的缺陷与薄膜稳定性具有强相关性, 缺陷的处理结果是提高长期稳定性的关键因素之一. 除了界面工程, 还有在表面叠加二维钙钛矿层的策略用于界面钝化. 然而二维钙钛矿层的制备方法多数具有局限性. 本文采用全溶液法的制备工艺, 通过在FAPbI3钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式, 驱动了表面二维(2D)钙钛矿的形成, 以减少薄膜表界面缺陷, 成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池. 与此同时, 2D钙钛矿中长链分子的疏水性本质上提高了钙钛矿层对水分的容忍度. 结果表明, 含2D钙钛矿层的未封装器件在相对湿度(RH)为60%的室温环境空气中连续工作近1000 h后仍保持初始效率的80%以上. 这种方法构建的2D钙钛矿层在不影响载流子传输性能的同时显著提高了薄膜与器件的长期稳定性, 符合高质量钙钛矿太阳能电池的要求与发展趋势, 是一种极具发展潜力的策略.