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利用机器学习技术开发了一种全新的实验诊断方法, 纯粹基于单颗粒的位置涨落信息, 实现了对二维尘埃等离子体屏蔽参数κ和耦合参数Γ等全局性质信息的准确诊断, 并通过模拟和实验数据有效验证. 为了训练、验证和测试神经网络模型, 针对二维尘埃等离子体系统, 本文实施了不同κ和Γ数值下数百组独立的朗之万动力学模拟, 以获取大量的单颗粒动力学数据. 为了验证该诊断方法的可行性, 设计了三种不同的卷积神经网络模型, 用于实现对该系统屏蔽参数κ的诊断. 分析结果显示, 这三种模型对κ诊断结果和设定值几乎一致, 均方根误差分别为0.081, 0.279和0.155, 表现达到预期. 而对实验数据, 诊断出的κ数值分布呈单峰分布, 且峰值位置与传统方法诊断出的κ数值高度一致. 在此基础上, 对该诊断方法进行了进一步的优化改进, 使其能同时确定二维尘埃等离子体系统的屏蔽参数κ和耦合参数Γ, 并通过模拟和实验数据确认其准确性. 本文设计的卷积神经网络, 其优异表现清楚地表明, 通过机器学习, 能够仅根据单颗粒动力学信息准确诊断尘埃等离子体系统的全局性质信息.
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低气压射频感性放电可以产生更均匀的单分散颗粒和等离子体, 因此常被用于纳米器件制造中. 纳米器件制造需要产生纳米到亚微米尺度的颗粒. 由于其通常带负电荷, 会显著影响等离子体的放电特性. 本文主要研究了尘埃颗粒的尺度和密度对低气压感性耦合等离子体中电子反弹共振加热效应以及基本等离子体性质的影响. 模拟结果表明, 随着颗粒半径或密度的增大, 在电子能量概率函数中以形成平台为特征的反弹共振加热效应逐渐受到抑制并最终消失, 导致电子温度下降、电子密度上升、颗粒表面电势增大, 而颗粒带电量随着颗粒密度的增大而减小, 随着颗粒半径的增大呈现非单调变化. 本研究指出, 由于颗粒存在引发的高能电子的损失可能会为低缺陷、单分散纳米颗粒的生长创造更有利的环境. 颗粒质量的提升对降低纳米器件中的陷阱密度以及增强其电学性能具有重要意义.
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基于MIT袋模型计算了零温与强磁场下奇异夸克物质与色味锁夸克物质的热力学性质. 发现色味锁态下夸克物质的热力学性质受色味锁夸克物质的能隙常数、磁场强度影响很大, 特别是物态方程会随着能隙常数的增加而变硬, 压强随着磁场强度的增加而呈现明显的各向异性. 结果表明色味锁态下基于MIT袋模型的夸克星质量半径曲线可以通过多个目前实验估测的脉冲星质量-半径区域, 色味锁夸克星的最大质量会随着能隙常数的增加而增大. 强磁场下色味锁磁星的质量与磁星内部磁场强度与方向的分布关系紧密, 星体物质的多方指数会随着星体质量的增加而减小.
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在大裂隙的断裂纳米管的连接处存在断裂的水桥, 这使得水分子难以通过断裂纳米管. 即使在断裂纳米管内施加较强的压强差, 水分子依然难以通过某些断裂纳米管. 修复断裂纳米管连接处的水桥是实现断裂纳米管内水传输的关键. 目前模拟证实施加匀强电场或太赫兹电场能够修复大裂隙断裂纳米管连接处的水桥. 但这些方法是被动式修复断裂纳米管连接处的水桥, 一旦关闭电场, 裂隙位置会复现断裂的水桥. 本文提出了在大裂隙纳米管外同轴包覆一条完整的纳米管的方法, 实现一种主动修复断裂纳米管连接处的水桥. 包覆纳米管的直径影响断裂纳米管内水分子的占据数、单位时间流量、运动速度及结构. 本文为修复断裂纳米管连接处的水桥提供了一种新的角度.
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基于13.5 nm工作波长的缺陷表征技术是突破极紫外(extreme ultraviolet, EUV)掩模制备质量瓶颈的关键基础. 同步辐射光源能产生波长稳定可调谐、洁净无污染的EUV光束, 是开展掩模缺陷表征研究的理想光源. 本文综述了国际知名同步辐射EUV光源掩模缺陷表征平台的工作原理、性能指标及技术优缺点, 深入剖析了结合傅里叶合成照明的离轴波带片全场成像、结合扫描技术与相干衍射成像的叠层衍射成像这两类主流表征方案, 同时指出了掩模缺陷检测和分析一体化、光源微型化、成像技术优势互补的发展趋势. 本文结论不仅为下一代EUV掩模缺陷表征平台设计提供了参考范例, 也为国产化6英寸EUV掩模缺陷表征系统的实际研制提供了一定的工程实践价值.
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地基激光干涉引力波探测器不仅首次发现引力波、开创了一个观测天文学的全新分支—引力波天文学, 同时也是物理学相关领域前沿科学与先进技术的成功典范. 为了实现引力波探测的目标, 使引力波成为一个常态化的天文观测手段, 全球主要地基引力波探测器经历了持续数十年的技术升级与改造. 本文重点介绍LIGO, Virgo和KAGRA等探测器的升级历程, 详细分析关键技术改进, 包括激光功率增强、悬挂与隔振系统优化以及量子噪声抑制等方面的进展. 这些技术进步显著提升了探测器在10至几千赫兹的灵敏度, 从而成功探测到数以百计的致密天体并合引力波信号. 展望未来, 第三代地基引力波探测器的建设将大幅度拓展引力波的探测能力, 为物理学和天文学研究开辟新的视野.
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光电子技术领域的快速发展对半导体材料在光电特性上提出了更高要求, 推动了对更加高效、可控的调控手段的深入探索. 高压技术作为一种“干净”的外场调控手段, 能够有效地调控材料晶体结构与电子态, 激发新奇物理现象, 实现性能的优化. 近年来, 高压技术在光电功能材料领域迅速崭露头角, 为光电特性的优化提供了全新视角, 展现出不俗的研究价值和应用潜力. 本文概述了近年来二维过渡金属硫化物、金属与非金属卤化物等材料体系在高压条件下光电响应特性演化的研究进展. 总结了高压对材料晶体结构、电子能带、光谱响应拓展、自驱动响应、极性反转等效应的影响规律, 分析了结构与性能的内在关联, 并探讨了高压调控所揭示的新机制和新效应. 最后, 针对当前压力调控光电特性领域存在的科学问题与技术瓶颈, 提出了未来可能的研究方向与前景, 以期为开发新型高性能光电器件提供理论基础和实验依据.
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二维材料因其优异的光电性能在基础科学探索与光电子学、能源存储和转换器件等未来技术应用中展现出巨大的潜力, 成为凝聚态物理和材料科学领域的前沿热点. 二维材料独特的层状结构使其物理性能极易受外场的影响. 高压技术作为一种高效、连续且清洁的调控手段, 可以通过压缩原子间距、增强层间耦合, 甚至诱导结构相变, 进而实现对二维材料结构的精准调控以及光电性能的优化提升. 本文以石墨烯、过渡金属二硫族化合物、二维金属卤化物钙钛矿等为例, 结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术, 重点探讨了它们在高压下的结构演化规律与光电性能调控机制, 并指出了这一新兴研究领域所面临的挑战和机遇, 以期为新型高性能功能材料的开发和实际应用有所启发.
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SnTe类拓扑晶体绝缘体发生超导转变后, 在其单个磁通涡旋中能够形成受晶体对称性保护的多重Majorana零能模. 这种奇特的性质能够降低多个Majorana零能模之间相互作用的难度. 最近多重Majorana零能模存在的实验证据已在SnTe/Pb超导异质结单个磁通涡旋中被观测到. SnTe是一种非常p型的半导体材料, 如何调控其电子性质, 在分辨和操控Majorana零能模方面具有重要研究意义. 本文利用分子束外延技术在Si (111)衬底生长的Pb (111)薄膜上制备了Sn1–xPbxTe薄膜, 并且通过扫描隧道显微镜研究了薄膜边缘、畴界以及位错对其电子态的影响. 扫描隧道显微镜的微分电导谱显示, 在薄膜边缘、畴界, 以及位错附近, Sn1–xPbxTe电子态相对于费米能级的位置能够发生显著改变, 载流子类型能从p型转变到n型. 在远离这些缺陷的区域, Pb含量对Sn1–xPbxTe的费米能级的影响不显著, 但是过多的Pb含量会抑制磁通中零能峰的形成. 该研究将为基于SnTe类材料的拓扑超导器件的设计提供新的思路.
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碳基材料因其独特且优异的光、热、电、磁、力等物理特性在红外光电探测领域备受关注, 这些特性使其在通信、军事、成像、能源、生物等领域具有广泛的应用前景. 然而, 在面向工程化应用的实际场景中, 碳基材料仍面临诸多挑战, 如富勒烯、石墨烯和单根碳纳米管在红外波段吸收弱、灵敏度不足、响应慢等. 碳基材料与波导集成, 一方面可限域光场, 有效抑制光传输的环境耗散, 提升光与物质的耦合效率, 从而提高探测器的信噪比、灵敏度、响应速度与工作带宽; 另一方面, 其工艺兼容CMOS加工工艺, 有望实现低成本、高密度集成, 可满足下一代红外光电探测器的发展需要. 本文围绕多种波导材料集成的碳基红外光电探测器展开综述, 详细介绍分析了器件的性能增强策略与发展瓶颈, 最后展望了波导集成的碳基红外探测器的发展方向.
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