Vol. 74, No. 18 (2025)
2025年09月20日
总论
2025, 74 (18): 180201.
doi: 10.7498/aps.74.20250673
摘要 +
基于散斑技术的同步辐射X射线光子关联谱(XPCS)是研究材料介观尺度动态过程的重要方法, 但实验中的光源特性、光束传输及探测器响应等因素对散斑动力学信号的影响机制复杂, 难以对其中的影响因素进行单独且直接的观测. 为此, 本文旨在通过蒙特卡罗模拟开展全光路数值建模, 系统解析各因素的影响, 为实验设计与优化提供理论支撑. 研究构建了包含布朗粒子动力学、光束相干性及探测器响应的三维仿真框架, 模拟从光子发射到信号采集的全流程. 基于夫琅禾费衍射理论, 开发散斑光场生成算法, 通过原子位置动态演化与相位调制, 复现实验散斑涨落特性, 并通过Siegert关系拟合、散射矢量区域选择及粒子运动步长与温度关系验证了模拟程序的可行性. 关键参数灵敏度分析表明: 光阑孔径与光束束腰存在最优匹配条件$r/\sigma=1$, 此时相干性与光子通量达到平衡; 机械振动振幅达到运动步长1500倍时, 关联函数出现周期性振荡, 导致动力学参数提取失真; 低光强条件下泊松噪声与光强波动显著降低信噪比. 研究建立的全光路模拟框架, 揭示了光源特性、光学元件参数及噪声因素对实验结果的影响机制, 为XPCS实验参数优化提供了理论依据, 明确了噪声抑制与动力学解析的协同机制, 为该技术在更多实验场景的应用奠定了模拟基础.
2025, 74 (18): 180303.
doi: 10.7498/aps.74.20250692
摘要 +
采用虚时演化法求解拉曼光晶格的平均场Gross-Pitaevskii方程, 基于其基态波函数, 研究该模型中超冷原子的拓扑性质. 研究发现光晶格深度和原子间相互作用强度的竞争导致了丰富的基态结构相图. 当只有标量光晶格存在时, 超冷原子在实空间没有涡旋产生, 在动量空间表现为拓扑平庸的密度峰; 当只有拉曼光晶格存在时, 超冷原子在实空间出现大小相同的涡旋; 当标量光晶格和拉曼光晶格共同作用时, 超冷原子在实空间出现大涡旋和小涡旋, 正反涡旋交错排列, 在动量空间出现具有拓扑非平庸相位的衍射峰, 在自旋表象中产生半量子化的斯格明子晶格.
2025, 74 (18): 180401.
doi: 10.7498/aps.74.20250644
摘要 +
庞加莱规范引力理论近年来在引力与天体物理领域受到广泛关注和应用. 因此, 如何从实验观测上区分广义相对论和庞加莱规范引力理论已经成为一个重要的课题. 中子星作为引力极强的天体, 为检验引力理论提供了理想试验场, 目前, 庞加莱规范引力理论对中子星性质的研究十分稀少, 鉴于庞加莱规范引力理论的重要性, 有必要在庞加莱规范引力理论的框架下研究中子星的性质, 进而考察能否通过对中子星的观测来区分和检验庞加莱规范引力理论和广义相对论. 本文在庞加莱规范引力理论框架下, 由特定的引力场方程推导出了修改的球对称静态中子星的Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程, 并进一步研究了挠率对静态中子星质量半径关系的影响. 分析表明, 在一定的条件下, 该理论模型中静态中子星的质量半径关系与广义相对论中的结果一致. 本文为在庞加莱规范引力框架下进一步研究自转中子星的质量半径关系提供了理论基础和参考方法.
核物理学
2025, 74 (18): 182901.
doi: 10.7498/aps.74.20250655
摘要 +
核素β–衰变释放的β粒子与γ射线平均能量是计算反应堆衰变热的核心参数, 对核设施安全与工程应用至关重要. 然而, 许多核素的实验数据匮乏, 现有理论模型精度难以满足需求. 本文基于ENSDF数据库中543个实验数据准确的β–衰变核素(选自1136个β–衰变核素), 采用神经网络方法对核素衰变发射的β粒子、γ射线及中微子的平均能量进行预测, 对比了三种特征组(分别含特殊特征值$T_{1/2}$, $({1}/{T_{1/2}})^{1/5}$, $Q/3$)的模型性能. 结果表明: 相比特征组含$T_{1/2}$以及$({1}/{T_{1/2}} )^{1/5}$的模型, 特征组含$Q/3$的模型综合表现最佳, 其β粒子与中微子预测误差分别为28.11%/56.9%和35.33%/37.76%, 并且利用该特征组训练的机器学习模型成功补充了裂变产物区(质量数66—172) 291个核素的缺失数据. 核素图对比显示, 神经网络对规律性较强的β粒子及中微子能量预测与实验符合较好, 但对γ射线(训练误差76.9%)以及奇奇核、幻数附近核素的预测偏差显著. 本文证实经验特征值$Q/3$可有效提升模型性能, 同时揭示了数据规律性与模型泛化能力的关联, 为后续融合物理机理优化机器学习模型提供了依据.
原子和分子物理学
2025, 74 (18): 183103.
doi: 10.7498/aps.74.20250812
摘要 +
量子态选择的低温原子分子反应动力学研究是从原子分子层面探究分子间及分子内的微观反应机理, 理解散射量子效应的关键研究手段之一. 合并束低温碰撞实验方法通过将一反应物偏转后与沿直线飞行的另一反应物发生共线碰撞, 获得毫开尔文量级的冷碰撞实验条件, 并开展毫开尔文至百开尔文碰撞能的反应动力学研究. 本文采用自主发展的永磁体“磁导”引导特定量子态的中性原子偏转后与分子束共线, 通过对氦原子穿过磁导的通量测量, 实验实现了三重态亚稳态23S1氦原子约10°角度偏转, 并制备了$ {M_J} = + 1 $ 磁子能级激发态氦原子. 本工作为发展亚稳态氦原子与分子低于开尔文量级的量子态选择激发态冷碰撞研究提供实验基础, 可以促进对激发态反应在星际介质演化中重要贡献的理解以及化学反应调控的研究. 本研究中发展的“磁导”也在原子速度滤波和冷原子输运等领域具有重要的应用前景.
封面文章
2025, 74 (18): 183201.
doi: 10.7498/aps.74.20250659
摘要 +
随着X射线光源的进步和量子光学的发展, 形成了X射线量子光学这一前沿分支学科. 原子内壳层跃迁是重要的X射线量子光学体系, 它具有跃迁种类丰富和表征手段多样、覆盖波段范围宽等优势. 但内壳层空穴的自然线宽较宽且受局域电子结构影响, 使得实验上缺乏纯粹的二能级跃迁, 成了制约X射线量子光学发展的瓶颈之一. 本文利用共振非弹性X射线散射技术, 在实验上分离了WSi2 中W-L3边的白线, 从而为基于原子内壳层跃迁的X射线量子光学体系提供了二能级方案, 也为这一领域的发展提供了强有力的实验技术支持.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2025, 74 (18): 184101.
doi: 10.7498/aps.74.20250636
摘要 +
提出了一种频率和相位复合可重构的超表面设计方法. 该方法在超表面单元引入N个PIN二极管, 借由其通断改变单元的谐振特性, 形成2N个可调控的反射相位, 选择适当的结构参数, 可以使2N个反射相位在不同频带内呈现出180°相位差, 综合利用频率和相位调控特性, 即可有效扩展可重构相移超表面的工作带宽. 采用该方法, 设计了一款超宽带1比特相移超表面单元, 其1比特相位的调控频段覆盖5.4—13.0 GHz, 相对带宽为82.6%, 通过引入集总电容和优化其位置, 精准改变电流分布, 实现了单元的低损耗性能. 该单元的厚度仅为0.09λ, 其具有低剖面、低成本、低损耗特点. 进一步利用该单元构造了16 × 16单元的超表面, 通过不同的阵列编码, 超表面能够产生散射可控波束和轨道角动量涡旋波, 并在超宽带范围内实现了10 dB以上的雷达散射截面减缩效果, 展现出动态灵活的波束调控和低散射性能.
2025, 74 (18): 184202.
doi: 10.7498/aps.74.20250658
摘要 +
适用于2.79 μm波段的可饱和吸收材料一直是该波段被动调Q激光技术研究关注的重点. 乙醇作为一种流动性好、化学性质稳定、恢复性好、损伤阈值高的材料有成为良好可饱和吸收体的潜力. 本研究通过设计的微米级液体厚度调控装置控制乙醇溶液的厚度, 实现了2.79 μm Er, Cr:YSGG激光器被动调Q脉冲输出. 在液层厚度为45 μm, 重复频率为20 Hz时, 获得的多脉冲最大能量为11.64 mJ, 最窄单脉冲宽度为287.6 ns. 结果表明, 乙醇作为液相饱和吸收体在2.79 μm波段吸收暗区也具有良好的可饱和吸收特性, 为乙醇作为饱和吸收体的应用和其他羟基可饱和吸收体材料的研究提供了参考.
2025, 74 (18): 184203.
doi: 10.7498/aps.74.20250879
摘要 +
在强场激发的一般情况下, 斯塔克效应对于瞬态双光子跃迁具有重要影响, 且该过程的解析描述具有很大挑战. 本文采用解析求解与数值模拟相结合的方法, 系统研究了弱场和强场啁啾脉冲激发的瞬态双光子跃迁过程, 揭示了光场强度、啁啾因子、失谐量等参数对双光子跃迁概率时域演化的重要影响. 首先, 本文利用二阶微扰理论得到了双光子时域跃迁概率振幅的近似解析解表达式. 该解析解表明, 弱场激发的瞬态双光子跃迁过程类似于菲涅耳直边衍射效应. 随着光场强度的增强, 斯塔克效应对双光子跃迁的影响随之增强. 其次, 本文通过一系列近似处理得到了强场作用下薛定谔方程的近似解析解. 此解析解表明, 强场斯塔克效应引起能级分裂使得双光子跃迁概率时域的对称性遭到了破坏, 其频域过程类似于“双缝干涉”效应. 研究结果表明, 强场激发时布居转移效率与光场强度具有重要关系, 而啁啾因子不仅可以调节布居转移效率和时间位置, 还可以改变布居概率在时域的振荡频率. 这对于强场激发的布居概率时域演化描述提供了新思路, 并对双光子显微成像研究提供了科学依据.
2025, 74 (18): 184302.
doi: 10.7498/aps.74.20250767
摘要 +
基于声黑洞结构在对弯曲波调控中的能量聚焦与位移放大方面的优势, 提出了一种新型声黑洞夹心式弯曲振动换能器, 该换能器由夹心式弯曲振动换能器与声黑洞探头组成. 基于Timoshenko梁理论, 采用传输矩阵法建立了换能器整体弯曲振动的理论模型, 理论运算得出的解析解与仿真得出的数值解相吻合. 通过有限元方法对该换能器的电阻抗频率响应特性、振动模态、辐射声场和振动位移进行模拟仿真研究, 并与悬链线型换能器进行对比分析. 结果显示, 在相同振动模态下, 声黑洞型换能器的最大声压和振动位移均优于悬链线型换能器, 表明声黑洞结构能够有效提升弯曲振动位移和换能器的侧向辐射性能. 最后加工出了该换能器样机并对其电阻抗特性以及振动模态进行实验测量, 实验结果与仿真结果吻合良好.
气体、等离子体和放电物理
2025, 74 (18): 185201.
doi: 10.7498/aps.74.20250680
摘要 +
本文利用正弦交流电压激励液体电极放电系统, 通过增大液体电导率(σ), 发现放电从均匀模式过渡为斑图模式, 且斑图模式中依次在液面观察到了齿轮、锯盘、离散点、单臂螺旋和同心圆环等结构. 放电的电压电流波形表明放电仅发生在电压的负半周期(液体作瞬时阳极), 气体击穿后放电电流迅速增大并很快达到峰值然后缓慢减小. 对于均匀模式, 放电电流的减小是单调的; 但对于斑图模式, 放电电流在减小过程中存在一段几乎不随时间变化的平台阶段. 此外, 随σ升高, 峰值电流和平台电流均增大, 且放电击穿时刻提前. 利用增强型电荷耦合设备拍摄了均匀模式和斑图模式在液面附近的时间演化行为, 发现不论何种放电模式最初液面上均产生的是均匀圆盘, 而各种非均匀的斑图是产生在平台阶段. 基于反应-扩散模型, 通过改变离子强度与电流强度(对应变量m和l )对均匀模式和斑图模式进行了数值仿真, 获得了实验对应的放电模式. 此外, 采集了液面附近放电的发射光谱, 计算了与电子温度和电子密度相关的谱线强度比. 通过对光谱进行拟合, 获得了液面附近放电的气体温度和分子振动温度. 研究发现这些等离子体参数随σ的增大(对应着放电模式的变化)而升高.
2025, 74 (18): 185202.
doi: 10.7498/aps.74.20250737
摘要 +
本工作在氩气/空气混合气体介质阻挡放电系统中, 利用不同半径的圆形边界叠加形成薄厚组合放电气隙, 通过改变外加电压, 获得同心环斑图、环-点阵-同心环斑图、靶波斑图、蜂窝斑图, 并分析研究了几种斑图的电学特性和光学特性. 利用增强型电耦合设备(intensified charge-coupled device, ICCD)重点研究了环-点阵-同心环斑图的时空演化行为, 对该斑图的形成机理进行了理论分析. 结果表明, 该放电斑图在径向上具有从外向内逐渐点亮的发展过程, 这与薄气隙对放电的预电离作用有关. 对该斑图径向上不同放电细丝的发射光谱进行了采集分析, 并对其等离子体参数进行了空间分辨诊断. 实验发现, 薄气隙中分子振动温度、电子密度及电子温度比厚气隙中大得多. 在厚气隙中沿径向从内到外其分子振动温度、电子密度、电子温度逐渐增加, 但数值变化较小; 薄气隙离圆心更远处的分子振动温度、电子密度、电子温度反而变小, 这与气隙中电场的微变化相关.
凝聚物质: 结构、力学和热学性质
2025, 74 (18): 186301.
doi: 10.7498/aps.74.20250831
摘要 +
本文基于第一性原理方法研究了非晶态二氧化硅中性氧空位缺陷及其与氢原子的反应机理. 结果显示, 非晶态二氧化硅中存在5种稳定中性氧空位缺陷构型, 相应的缺陷形成能与缺陷硅原子间距呈现显著正相关关系. 其中, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{D}} $构型因形成能最低可能是辐照或制备过程中的主要缺陷, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{F}} $和$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{B}} $构型的费米接触与$ {\mathrm{E}}_{\gamma }'$中心相近, 而$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{D}} $, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{B}\mathrm{P}4} $和$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{S}\mathrm{i}} $构型因电子成对存在导致费米接触为零. 氢原子与中性氧空位缺陷通过形成Si—H键或硅羟基两种钝化方式可产生两类共7种中性氢化氧空位缺陷. 电子定域化函数与EPR模拟分析发现, $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{B}\mathrm{B}}^{\mathrm{H}}\mathrm{和}{\mathrm{V}}_{\mathrm{B}\mathrm{M}}^{\mathrm{H}}$构型与$ {\mathrm{E}}_{\gamma }' $中心的EPR参数高度接近, 表明氢钝化过程可能干扰$ {E}' $中心的识别. $ {\mathrm{V}}_{\mathrm{B}\mathrm{B}}^{\mathrm{O}\mathrm{H}} $构型中硅羟基的生成可为氧化层和界面处水分子的形成提供理论依据. 研究获得了氢诱导缺陷跨网格迁移以及生成硅羟基的路径, 并揭示了氢原子具有钝化原始缺陷和诱发次生缺陷的双重作用. 这些发现可为双极型器件低剂量率辐射损伤增强效应提供微观机理解释.
2025, 74 (18): 186401.
doi: 10.7498/aps.74.20250621
摘要 +
在复杂网络中高效识别一组关键传播节点对信息扩散与谣言控制至关重要. 对于多传播源节点选取问题, 一种有效的方法不仅要考虑种子节点自身的影响力, 还要考虑其分散性. 传统投票模型算法VoteRank假设一个节点对其每个邻居的投票都是一样的, 忽视了拓扑相似性对投票倾向的影响; 其次, 采用邻域均质化投票衰减策略, 难以有效地抑制种子节点的传播范围重叠. 本文提出一种改进的基于VoteRank的复杂网络多影响力节点识别算法IMVoteRank, 通过双重创新提高算法效果: 首先, 设计基于结构相似性的投票贡献机制, 模拟真实世界中选民更倾向于投票给自己关系相近的人, 算法认为节点之间拓扑结构越相似邻居节点越有可能将票投给对方, 因此将邻居节点的投票贡献拆分为直接连接贡献与拓扑相似性贡献, 通过动态权重平衡二者的贡献从而优化投票精准度; 其次, 引入动态群组隔离策略, 在迭代过程中以种子节点为核心检测紧密连接群组, 通过抑制群组内节点投票能力并断开其连接, 保证种子节点的空间分散性从而有效克服了传播范围重叠问题. 在多个真实数据集上基于易感-感染-恢复模型的传播实验证明, 所提方法能更有效识别网络中多影响力节点.
2025, 74 (18): 186402.
doi: 10.7498/aps.74.20250797
摘要 +
聚合物接枝纳米粒子的自组装在功能材料领域的应用越来越广泛. 然而, 目前对于不同自组装形貌结构的动态转变路径的分析仍存在不足, 这将导致在实验和工业生产中无法实现进一步的精确调节和定向设计. 本文通过构建聚合物接枝斑块化三分纳米颗粒的粗粒度模型, 采用耗散粒子动力学模拟方法, 研究了斑块性质、接枝链的长度、比例以及接枝密度等因素对聚合物接枝柔性斑块化纳米粒子自组装行为和结构的影响. 本文系统地探讨了这些因素对柔性斑块化纳米粒子自组装结构转变的影响和调控机制, 得到了枝状结构、柱状结构、双层膜结构等多种结构. 研究中所获得的柔性斑块化纳米粒子的自组装结构(例如双层膜结构)为新型药物载体的设计提供了潜在的应用基础. 通过精确调控体系的特定结构特征, 能够实现药物的高效包载以及靶向递送功能, 从而显著提升药物的生物利用度和治疗效果.
2025, 74 (18): 186403.
doi: 10.7498/aps.74.20250776
摘要 +
随着电子通信等行业的快速发展, 对高导热铸造铝合金材料性能要求日益增加. 本文以在电子通信等行业广泛使用的Al-7Si(质量分数, 下同)铸造铝合金为对象, 系统分析了热处理工艺制度以及少量的Mg元素添加对Al-7Si系合金微观组织及性能的影响. 结果表明: 固溶后在300 ℃下进行保温热处理有利于共晶Si的球化, 并减小溶质原子在铝基体中的固溶度, 从而导致Al-7Si合金导热性能的提升及硬度的降低; 在Al-7Si合金中添加微量Mg(0.4%)后进行三级热处理(固溶处理+300 ℃热处理+180 ℃热处理)不仅有助于共晶Si的球化, 而且能促使纳米尺度(Mg, Si)强化相的析出以及基体中固溶的Mg, Si元素含量的降低, 从而同时提高合金的力学性能和导热性能. 经历三级热处理的Al-7Si-0.4Mg合金热导率和显微硬度可达189 W/(m·K)和73.5 HV, 相较于铸态Al-Si合金分别提升了11.2%和62.6%.
2025, 74 (18): 186801.
doi: 10.7498/aps.74.20250661
摘要 +
二维层状材料的能带漏斗效应为调控电荷转移提供了重要手段. 然而, 关于能带漏斗的实现及其对电荷转移速率的影响仍缺乏理解. 本文通过解析推导和第一性原理计算方法, 提出通过构建具有厚度梯度的MoS2实现能带漏斗效应, 并分析能带漏斗效应对电荷转移速率的影响. 结果表明, MoS2的带隙随层数减少呈单调递增趋势, 使得双厚度梯度和三厚度梯度MoS2均可实现能带漏斗效应, 电荷会从薄层区域往厚层区域定向传输. 此外, 不同层数MoS2界面处能级差诱导的驱动力是调控载流子聚集能力的重要因素, 在双厚度梯度单层/块体MoS2的电荷转移速率可达$ 4.97 \times {10^{13}}{{\text{ s}}^{ - 1}} $. 这些结果为设计能带漏斗以及理解能带漏斗效应调控电荷转移行为提供物理基础.
凝聚物质: 电子结构、电学、磁学和光学性质
2025, 74 (18): 187501.
doi: 10.7498/aps.74.20250506
摘要 +
近年来, 极性磁体M2Mo3O8 (M: 3d过渡金属)因其独特的晶体结构、多重连续的磁电耦合态转变及潜在应用价值, 成为凝聚态物理和材料科学领域的研究热点. 特别是Co2Mo3O8基态下展现出显著的二阶非线性磁电耦合效应, 对应独特的磁电耦合微观机制和实际应用价值. 本文基于分子场唯象模型, 构建了Co2Mo3O8体系的两套不同的反铁磁子格子, 给出体系的自发磁矩、自旋诱导的铁电极化、一阶线性磁电耦合系数以及二阶非线性磁电耦合系数随温度的变化关系. 结果显示Co2Mo3O8的二阶磁电耦合系数要明显比同构的Fe2Mo3O8以及Mn2Mo3O8大, 这主要是因为Co2Mo3O8的两个不同子格子间的反铁磁交换作用能量更低, 体系所处的状态更加稳定. 这也表明, Co2Mo3O8体系拥有更加稳定的不可逆性, 展现了非常明显的磁电二极管效应, 为磁电二极管的发展提供了坚实的理论和实验基础.
2025, 74 (18): 187701.
doi: 10.7498/aps.74.20250835
摘要 +
织构(Ba, Ca)(Zr, Ti)O3 (BCZT)陶瓷兼具高压电、高声速和低介电, 十分契合超声换能器高灵敏度和大带宽的发展需求. 然而织构陶瓷普遍缺乏器件设计所需的介电εij、压电dij及弹性常数sij等全矩阵机电参数, 而且现有机电耦合系数k的计算公式仅适用于极端长径比的理想情况, 难以精确描述k随有限长径比的演变规律, 这制约了陶瓷的实际应用. 本工作通过模板籽晶生长法成功制备出沿[00l]C高度取向(织构度f00l ~ 98%)的织构BCZT陶瓷, 通过谐振-反谐振法结合脉冲回波超声测量技术首次建立了完整的全矩阵参数数据库. 织构BCZT陶瓷呈现强各向异性泊松比, 压电系数d33 (605 pC/N)、机电耦合系数k33 (0.73)接近于PZT-5H陶瓷, 压电电压常数g33 (23.6×10–3 V·m–1·Pa–1)较PZT-5H提升20%. 基于压电本构方程构建出k关于任意长径比的理论模型, 据此设计制备的1-3型BCZT复合材料换能器具有高灵敏度和宽频带, 其插入损耗为–33.0 dB, 在~3.0 MHz中心频率处–6 dB带宽高达107.1%, 优于文献报道的PZT-5H超声换能器. 本研究不仅为无铅压电材料的器件化应用提供了完整的机电参数, 且为高性能绿色超声诊断设备的发展奠定了理论与技术基础.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2025, 74 (18): 188401.
doi: 10.7498/aps.74.20250765
摘要 +
为了提高行波管的稳定性和可靠性, 电子注的优化与设计成为真空电子器件中的关键部分, 层流性是评价电子注质量的关键参数. 提出使用K均值聚类算法将电子枪注腰处粒子简化为宏粒子的方法. 将该宏粒子作为行波管互作用区的粒子源进行注波互作用仿真, 使得仿真时间由5.53 h减少为0.65 h, 提高了仿真效率. 通过对某型号行波管的电子枪进行阴极发散角度和阴阳极间距离的调整. 仿真结果表明: 发散角度在0°—1°范围调节时, 发散角度越大, 径向均方根发射度数值也越大, 电子注层流性就越差, 行波管输出功率下降; 阴阳极间距离在0.8—1.6 mm范围内调节时, 径向均方根发射度由2.51 mm·mrad下降为2.22 mm·mrad时, 电子注的层流性得到改善, 空间行波管输出功率由328.34 W上升为414.10 W. 因此, 采用K均值聚类算法的粒子简化模型, 提升了注波互作用仿真效率, 依据电子注层流性对行波管性能的影响可以对电子枪结构参数优化.
