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物理信息神经网络(PINNs)作为人工智能助力科学研究(AI for Science)求解偏微分方程(PDEs)的一种无网格化求解框架, 近年来受到广泛关注. 然而, 传统PINNs存在局限性: 一方面, PINNs网络结构使用单向信息传递的多层感知机(MLPs), 难以有效聚焦序列数据中蕴含的关键特征, 信息表征能力弱; 另一方面, PINNs的损失函数为嵌入物理约束的二次罚函数, 其未受约束而无限膨胀的惩罚因子影响模型训练寻优效率. 为应对上述挑战, 本文提出一种基于信息表征-损失优化改进的PINNs—allaPINNs, 旨在增强模型关键特征提取和训练寻优能力, 提升其求解PDEs数值解的准确性和泛化能力. 在信息表征方面, allaPINNs引入高效线性注意力(LA)增强模型关键特征识别能力, 同时降低权重动态加权的计算复杂度. 在损失优化方面, allaPINNs通过引入增广拉格朗日(AL)函数重构目标损失函数, 利用可学习的拉格朗日乘子和惩罚因子有效调控各损失残差项的相互作用. 由Helmholtz、Black-Scholes、Burgers和非线性Schrödinger四个基准方程验证allaPINNs的有效性. 结果表明, allaPINNs能够有效求解不同类型PDEs, 并展现出卓越的数值解预测精度与泛化能力. 相较于当前先进PINNs其预测精度提升一至两个数量级.
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本文以旋转自旋-轨道角动量耦合玻色-爱因斯坦凝聚体为对象, 通过数值求解单粒子定态Schrödinger方程和具有平均场相互作用的Gross-Pitaevskii方程, 研究了自旋-轨道角动量耦合与旋转对单粒子基态性质和平均场相互作用基态性质的影响, 发现旋转将导致角动量空间中单粒子能谱的二重简并消失, 单粒子能谱不再是关于零点角动量左右对称, 单粒子基态和平均场基态为占据单个角动量的涡旋态, 其角动量大小与旋转频率、激光强度和自旋-轨道角动量耦合有关. 当旋转频率小于临界值时, 基态涡旋的角动量大小不受旋转频率的影响. 当旋转频率超过临界值时, 基态涡旋的角动量大小将随着旋转频率的增加而增加.
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分子磁隧道结作为一种新型磁隧道结，在提升器件的隧道磁阻和优化双自旋过滤效应方面具有独特优势。通过裁剪6,6,12-石墨炔获得纳米点，并与锯齿型石墨烯纳米带组合设计了两类纯碳基分子磁隧道结。利用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法计算了基于6,6,12-石墨炔分子磁隧道结器件的自旋相关输运性质。结果表明，两类器件都获得了巨大的隧道磁阻值，其最高数值可达到109%量级。此外，两类器件都获得了完美的双自旋过滤效应。对于中心纳米点为六元终端的这类分子磁隧道结，其自旋过滤效应除了可以通过偏压实现调控，还可以通过外磁场改变电极的磁化方向有效调控，从而具备双场调控的特性，这在实际应用中具有更广泛的适用性。值得注意的是，中心纳米点是六元环终端的分子磁隧道结中电子态密度非常小，使其工作电流低至10 pA量级，这在降低器件功耗方面具有重要优势。这些有趣的现象表明，基于6,6,12-GY的纯碳基分子磁隧道结在未来自旋电子器件中具有潜在的应用价值。
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为研究高功率氮化镓器件散热性能，构建氮化镓/石墨烯/金刚石异质结构，采用分子动力学方法调控异质界面热输运特性，并从声子输运角度揭示异质界面传热机理与调控机制。研究发现Ga-C接触方式的界面热导是N-C结构的3倍，且氮化镓/石墨烯/金刚石异质结构不具有热整流特性。N和B掺杂下界面热导先增大后减小，但Si掺杂下界面热导单调增大。两种Si掺杂势函数对应的界面热导差异不大，但双势函数下的石墨烯结构更稳定。线性掺杂和圆形掺杂两种掺杂形貌对界面热导影响不大，但线性掺杂下石墨烯声子谱变化更具规律性。氢化会严重阻碍界面传热，但三种氢化结构下的界面热导均随氢化率增加而增大。研究结果可为氮化镓器件热管理提供理论支持，同时对突破大功率电子器件散热瓶颈具有指导价值。
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非球面光学元件在芯片制造、遥感探测及航空航天等前沿领域具有重要应用价值，因而对其加工和检测精度的要求不断提高。非球面环形子孔径拼接测量技术是一种高精度、通用性强的有效检测技术，但在大非球面度、大陡度元件检测中显著的面形特征与测量误差的耦合问题制约了其测量精度的提升。本文提出一种基于全口径面形特征与局部测量误差全局优化拟合的非球面测量误差解耦合技术，通过构建包含全口径圆形泽尼克多项式与子孔径环形泽尼克多项式的全局优化模型，实现全口径面形特征与子孔径局部测量误差的同步拟合解算与解耦合并提升测量精度。仿真与实验结果表明，该技术可有效分离面形特征与测量误差，同时可避免传统拼接测量方法中面形参考基准存在误差和子孔径误差累积的问题，在本文的实验中其PVr精度较传统方法可提升近30%。此外，该技术无需依赖子孔径重叠区域，能够减少子孔径数量、提升测量效率。此方法为大非球面度、大陡度光学元件的高精度测量提供了技术解决方案。
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以地面发射的高功率电磁波与电离层等离子体之间的相互作用为研究对象，基于等离子体流体模型和Zakharov方法，建立了用于描述地面泵波作用下电离层等离子体中波-波、波-粒相互作用的物理数学模型，开展了电离层主动加热的数值模拟研究。计算结果表明：当地面发射的泵波在电离层等离子体中传播时，反射高度处电磁波能量的沉积会产生较强的局部电场，从而激发参量不稳定性过程；当满足频率和波矢的匹配关系时，会激发泵波、Langmuir波和离子声波三波相互作用的参量衰减不稳定性，以及泵波、上混杂波和下混杂波三波相互作用的参量不稳定性；在本文所研究的泵波频率和功率范围内，泵波频率的降低会导致寻常波的反射高度降低，且电子温度的扰动比例随着频率的降低而升高，而泵波功率的增大会则导致等离子体从泵波中吸收的能量增加、电子温度升高。本文数值模拟结果揭示了不同泵波参数对电离层等离子体特性时空演化的影响规律以及波-粒能量输运过程，阐释了实验观察到的参量不稳定性和受激电磁辐射等的产生机制。
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难熔多主元合金因其优异的高温性能和潜在工程应用成为材料领域研究热点，其中NbTaTiZr四元多主元合金在高应变率与极端温度下的变形机制与力学行为尚不明确。为揭示该合金的原子尺度响应规律，构建了NbTaTiZr四元变组分机器学习势，结合分子动力学模拟系统研究了晶体取向、应变率、温度及组分对合金压缩力学行为的影响。NbTaTiZr在压缩时呈现出结构与力学响应的各向异性，沿[111]晶向压缩时拥有最高屈服强度；而[110]晶向压缩的屈服强度最低，在变形过程中更易产生孪晶；[100]晶向主要通过局域无序及位错滑移为主要变形机制，主导位错类型为1/2<111>。应变率提升至1010/s时，屈服强度显著增强且无序结构比例增加，发现高应变率加载下通过抑制位错运动促进无序化转变。该合金在2100 K高温下仍保持较高强度，Nb/Ta元素占比增加可显著提升屈服强度，而Ti/Zr元素则产生负面效应。研究揭示了多主元合金力学行为的各向异性特征与无序化转变的应变率依赖性，为设计高性能难熔合金提供理论依据。
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平衡光电探测器作为一种检测量子态噪声起伏通用技术的核心关键器件, 其性能参数在近直流的宽频带范围内(mHz—MHz)常受限于电子学噪声与电学增益的相互制约. 针对1 mHz—1 Hz极低频段, 为满足未来量子增强引力波探测计划中对量子压缩光源探测和评估等方面的需求, 本研究基于一种可调节阻抗匹配网络与两级差分放大的设计架构, 使用差分微调电路与可调偏置电压协同补偿方案, 优化光电二极管的非线性响应补偿机制, 在分析频段500 Hz处实现共模抑制比>75 dB. 实验结果表明, 在小于1 Hz的频段内, 探测器的电子学噪声优于3.5 × 10–5 V/Hz1/2, 满足空间引力波探测计划对于激光强度噪声的要求(1 × 10–4 V/Hz1/2); 同时当入射的本底探测光功率为4 mW时, 本平衡光电探测器可实现增益20 dB@1 mHz—1 MHz, 满足高指标压缩光源的高效探测需求, 为下一代空间引力波探测以及极低频段压缩态光场的探测提供了关键器件的解决方案.
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全固态被动调Q激光器的非线性动力学行为是影响其输出特性的关键因素. 本文通过数值模拟研究了泵浦调制下全固态被动调Q Nd:YAG/Cr:YAG激光器的非线性动力学行为, 讨论了关键调制参量对调Q激光非线性动力学及其输出特性的影响. 仿真结果表明, 在特定的调制频率、调制幅度以及未调制泵浦速率下, 调Q激光可以表现出单周期态、倍周期态、多周期态以及混沌态. 通过分析调Q激光脉冲峰值随调制频率、调制幅度以及未调制泵浦速率变化的分岔图, 发现脉冲峰值主要经倍周期和准周期演化路径进入混沌. 此外, 脉冲频率(即相邻脉冲时间间隔的倒数)进入混沌的演化路径与脉冲峰值的演化路径一致, 但脉冲频率强度变化趋势与脉冲峰值强度变化趋势相反. 研究结果理论上揭示了泵浦调制关键参量对激光器的非线性动力学行为及其输出特性具有显著影响, 并为进一步实验深入探究其演化机制提供了重要的指导.
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非晶超导薄膜材料具有超导电性均匀性高以及光响应灵敏度好等优势, 是研制大光敏面以及中远红外超导纳米线单光子探测器的理想超导薄膜材料. 本文系统研究了新型非晶锗化钨超导体的超导物性随薄膜材料厚度的变化. 对比硅化钨与锗化钼非晶超导薄膜, 研究发现锗化钨合金与硅化钨具有相似的超导物性, 包括相近的临界温度和相干长度, 稍低的正常态电子扩散系数和较高的磁穿透深度. 相较于锗化钼, 锗化钨合金与硅化钨的电子扩散系数和磁穿透深度均呈现不同程度的增大. 通过研究3种不同非晶薄膜的超导物性参数, 为大光敏面、高灵敏度超导纳米线单光子探测器的研发与性能优化提供了新的材料选择与实验依据.
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对于光子的局域, 在基础研究和技术应用领域具有重要意义. 光子晶体中的连续域中的束缚态(bound states in the continuum, BICs)为光子的局域提供了新的机制. 然而光子晶体在制备过程中会不可避免地引入误差和缺陷, 动量空间表征可以分析加工误差和缺陷对于光子晶体能带特性的影响, 进而指导光子晶体器件的设计和制备. 本文设计了可见光波段的光子晶体, 通过动量空间表征观测到了连续域中的准束缚态(quasi-BIC), 从而在垂直方向上实现了对光子的有效局域, 并通过调整结构参数, 实现了对光子晶体动量空间的特征调控. 进一步设计不同周期光子晶体的横向异质结构, 利用两者的能带套嵌实现了对光子的横向局域, 以此制备品质因子与模式体积之比达到6 × 1014 cm–3的高品质微腔. 本研究对于光子晶体的设计以及增强光与物质相互作用具有重要意义.
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基于散斑技术的同步辐射X射线光子关联谱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, 本研究旨在通过蒙特卡洛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.
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约瑟夫森结作为超导电子学中的核心非线性元件, 其电流相位关系(current-phase relation, CPR)直接决定了器件的动力学行为与应用潜力. 传统约瑟夫森结通常表现出标准正弦型CPR, 而近年来非正弦CPR的新型约瑟夫森结引起广泛关注. 本论文基于实验测量的Nb/Al-AlOx/Nb结的电流电压(I-V)特性曲线, 结合阻容并联约瑟夫森结模型, 构建了适用于非正弦CPR的数值计算模型, 系统分析了CPR倾斜对约瑟夫森结动力学特性的影响. 研究表明, 欠阻尼约瑟夫森结的临界电流随CPR倾斜度增加而显著降低, 从而表现出类似直流超导量子干涉器件的临界电流可调的特性; 而在过阻尼结中, CPR倾斜对I-V曲线的影响不明显. 进一步通过计算微波辐照下的I-V特性, 发现非正弦CPR在过阻尼结中易于形成半整数夏皮罗台阶, 验证了CPR倾斜是半整数夏皮罗台阶原因之一. 此外, 借助Advanced Design System (ADS)建立非线性谐振器与直流超导量子干涉器件电路仿真模型, 深入探讨了非正弦CPR对约瑟夫森电感及磁通调制行为的影响. 研究结果表明, 不同CPR的约瑟夫森结显著扩展了超导量子比特、参量放大器以及无磁非互易器件的设计自由度, 展示了开发新型超导电子器件的广阔前景.
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空间信道连续变量量子密钥分发协议(continuous-variable quantum key distribution, CV-QKD)工作在光学衍射极限、通信距离极限、光电探测极限条件下, 协议参数(如调制方差$ {V}_{\mathrm{A}} $)的优化选择会影响协议的可行性. 而低轨卫星和地面站始终处于高速相对运动中, 可视窗口时间有限且在轨计算资源受限, 传统优化算法难以满足空间信道快速动态变化的实时优化需求. 本文提出了空间信道高斯调制CV-QKD的Unet网络参数预测优化方法, 搭建空间CV-QKD链路仿真平台, 改变轨道高度、天顶角等组合参数生成126575组训练数据集, 利用Unet网络的对称结构和特征融合能力实现近实时地预测调制方差$ {V}_{\mathrm{A}} $. 仿真结果表明Unet网络在6328组跨轨道高度(510—710 km)和过量噪声水平(0.01—0.03)的测试数据中可以达到99.25%—99.41%的预测准确率, 同时相较于局部搜索算法14754 s的基准耗时, Unet将推理时间缩短至1.08 s (加速比达1.48 × 106), 为后续空间信道CV-QKD实验的参数实时优化提供了理论支撑.
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研究分子的碎裂机制以及碎片的动能分布，有助于理解其在等离子体物理、生物组织的辐射损伤和星际化学等方面的重要作用。本文利用冷靶反冲离子动量谱仪开展了3 keV/u的Ar8+离子束与氟甲烷气体分子束的碰撞实验，聚焦CH3F3+离子C-F键和C-H键断裂后形成H++CH2++F+这一三体碎裂通道，测得三个碎片离子的三维动量。借助离子-离子动能谱、Newton图和Dalitz图展示碎片的动能与动量关联，分析了H++CH2++F+通道的解离机制。研究发现，该通道存在协同碎裂以及通过中间体CH2F2+顺序碎裂两种解离方式，其中协同碎裂占主导地位。此外，实验上观测到两种不同动力学特征的协同碎裂过程，表明CH3F3+离子中H原子可以具有不同的化学环境，这可能是由于分子异构化产生不同分子构型或者Jahn-Teller效应使得分子产生不同C-H键所致。
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