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Vol. 68, No. 23 (2019)

2019年12月05日

封面文章

基于转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统
测量物质在不同外加磁场方向下的电输运性质是近年来研究拓扑量子材料的一种重要实验方法, 为探索物质的新奇特性提供了独特的视角和手段. 研究表明, 在超高强度的脉冲强磁场下, 材料的电输运研究可能扩展至量子极限区域, 将观察到更加丰富的物理现象. 而现有的电输运测量系统中, 稳态场下的样品测量杆受限于尺寸和材料, 难以适应脉冲场测量要求; 脉冲场下的传统样品测量杆的角度分辨率和空间利用率较低, 亟需研制更高性能的转角测量系统. 为此, 本文提出一种拉杆式转角样品杆, 基于该转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统, 能够在极低温、强磁场的极端环境下, 于脉冲磁体中心通孔的微型样品腔内开展磁场方向190°范围内任意变化的电输运性质测量实验, 其旋转结构稳定性良好, 转角控制精度达到0.1°; 通过合理设计集成电路布局、前置补偿放大和数字锁相提取等信号处理环节, 电输运测量结果的精确度优于0.1 mΩ. 本文详细阐述了该测量系统的组成、转角测量杆的设计与研制、校准原理与信号处理过程, 并简要介绍了该测量系统在费米面重构、拓扑绝缘体表面态、量子极限输运、超导电性等前沿研究领域的应用. 刘沁莹, 王俊峰, 左华坤, 杨明, 韩小涛 物理学报..
特邀综述
特邀综述
总论 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 综述
综述
总论
高能透射电子束照射聚合物薄膜的带电效应
霍志胜, 蒲红斌, 李维勤
2019, 68 (23): 230201. doi: 10.7498/aps.68.20191112
摘要 +
高能透射电子束照射下聚合物薄膜的带电效应严重影响其电子显微学检测的可靠性. 采用数值计算方法研究了聚合物薄膜的带电效应. 基于Monte Carlo方法模拟了电子的散射过程, 采用有限差分法处理电荷的输运、俘获和复合过程, 获得了净电荷、内建电场、表面出射电流、透射电流等动态分布特性, 分析了薄膜厚度、电子束能量对相关带电特性的影响. 结果表明: 由于近表面电子的出射, 样品内部净电荷、空间电位沿入射方向均呈现先为正、后为负的分布特性, 导致部分出射电子返回表面以及内部沉积电子向基底输运形成电子束感生电流; 随着电子束照射, 由于薄膜带电强度较弱, 透射电流随时间保持不变, 实际出射电流及样品电流分别下降和上升至一个稳定值. 薄膜厚度的增加使带电过程的瞬态时间增加, 引起表面电位下降以及实际出射电流、样品电流增大; 电子束能量的升高使透射电流增大, 样品电流减小, 引起表面正电位下降及实际出射电流的减小.
多体系统中相干资源的一般化理论
刘锋, 高冬梅, 蔡晓秋
2019, 68 (23): 230301. doi: 10.7498/aps.68.20190966
摘要 +
量子相干理论是一类重要的量子资源理论, 其自由操作是各种类型的非相干操作. 在单体相干资源理论中, 最大相干态是最重要的量子资源态, 它被定义为在非相干操作下可以转化为任何其他纯态的量子态. 但是, 这一情形在多体系统中发生了巨大改变: 不仅在有些相干度量下不存在唯一的最大相干态, 而且在有些非相干操作下几乎所有纯的相干多体态都不可比较(非相干操作下, 量子态之间的转换几乎不可能). 为了解决这一问题, 把非相干操作的定义扩展为一种不能产生相干的量子操作, 即研究一般化的相干资源理论. 具体地说, 基于量子资源是否来源于多体相干或者真的多体相干研究两类可能的量子资源理论框架, 并且指出在这些理论框架下存在合理的偏序关系(每个纯态都可在非相干操作下转换为相干度更弱的纯态). 另外, 还证明了真的多体相干资源理论下存在唯一的最大相干态.
基于Hardy-type佯谬的混合态高概率量子非局域关联检验
刘晋, 缪波, 贾欣燕, 樊代和
2019, 68 (23): 230302. doi: 10.7498/aps.68.20191125
摘要 +
量子非局域关联是量子力学预言的重要现象, 同时也是量子理论区别于经典理论的重要特征之一. 因此, 对量子非局域关联的高成功概率检验有着重要意义. 本文提出了一种基于Hardy-type佯谬的、可用于针对纯态和混合态进行高成功概率量子非局域关联检验的逻辑, 并对其适用性进行了证明. 研究发现, 利用本文提出的检验逻辑对量子纯态进行量子非局域关联检验, 成功检验概率将随着量子纯态的纠缠度增加而出现先增大后减小的现象, 最大的成功检验概率超过39%. 进一步利用提出的检验逻辑, 以Werner态这种量子混合态为例, 进行了针对混合态的量子非局域关联的高概率检验研究. 研究发现, 随着混合态的纯度增加, 成功进行量子非局域关联检验的概率也将增加. 最后给出了针对Werner态这种量子混合态进行高成功概率量子非局域关联检验的条件和范围.
经典场驱动对量子系统生存概率的影响
胡要花, 吴琴
2019, 68 (23): 230303. doi: 10.7498/aps.68.20191078
摘要 +
考虑一个受经典场驱动的二能级系统与零温玻色子库相互作用, 研究经典场驱动对量子Zeno效应和量子反Zeno效应中量子系统存活概率的影响. 结果表明, 经典场驱动可以降低量子系统的有效衰减率, 即提高量子系统的存活概率. 此外, 环境的欧姆性对于提高量子系统的存活概率也起着重要作用, 设置适当的环境欧姆参数可降低量子系统的有效衰减率. 再者, 随着二能级系统与经典场之间失谐量的增加, 量子系统的存活概率降低, 而通过增加经典场驱动的强度或选择合适的环境欧姆参数, 可以抑制失谐带来的负面影响.
碟形玻色-爱因斯坦凝聚体中(0, 0, 2)剪刀模的朗道阻尼和频移
赵军亚, 李晨旭, 马晓栋
2019, 68 (23): 230304. doi: 10.7498/aps.68.20190661
摘要 +
应用哈特里-福克-博戈留波夫平均场理论近似和基于托马斯-费米近似的解析方法, 研究碟形玻色-爱因斯坦凝聚体中(0, 0, 2)剪刀模的朗道阻尼和频移, 计算阻尼系数和频移大小以及它们的温度依赖. 计算中, 在集体激发本征频移微扰关系中考虑元激发弛豫及其弛豫之间的正交关系以获得阻尼和频移的计算公式, 把凝聚体基态波函数取为高斯分布函数的一级近似以消除托马斯-费米近似中三模耦合矩阵元的发散. 采用与相关实验研究相同的粒子数、囚禁频率和各向异性参量, 理论计算结果与相关实验测量结果相符合. 由于理论的复杂性和计算的困难性, 在大多数基于平均场理论的单分量和两分量玻色-爱因斯坦凝聚集体激发阻尼和频移的研究中采用半经典近似, 把准粒子激发能谱看成是连续的来积分计算各个准粒子跃迁对阻尼和频移的贡献, 而本文和本文前期工作按分立的准粒子激发频谱计算阻尼或频移, 并在研究过程中提出了考虑元激发弛豫及弛豫之间正交关系的改进方法, 希望这种方法对今后的工作有一定参考价值.

封面文章

基于转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统
刘沁莹, 王俊峰, 左华坤, 杨明, 韩小涛
2019, 68 (23): 230701. doi: 10.7498/aps.68.20191115
摘要 +
测量物质在不同外加磁场方向下的电输运性质是近年来研究拓扑量子材料的一种重要实验方法, 为探索物质的新奇特性提供了独特的视角和手段. 研究表明, 在超高强度的脉冲强磁场下, 材料的电输运研究可能扩展至量子极限区域, 将观察到更加丰富的物理现象. 而现有的电输运测量系统中, 稳态场下的样品测量杆受限于尺寸和材料, 难以适应脉冲场测量要求; 脉冲场下的传统样品测量杆的角度分辨率和空间利用率较低, 亟需研制更高性能的转角测量系统. 为此, 本文提出一种拉杆式转角样品杆, 基于该转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统, 能够在极低温、强磁场的极端环境下, 于脉冲磁体中心通孔的微型样品腔内开展磁场方向190°范围内任意变化的电输运性质测量实验, 其旋转结构稳定性良好, 转角控制精度达到0.1°; 通过合理设计集成电路布局、前置补偿放大和数字锁相提取等信号处理环节, 电输运测量结果的精确度优于0.1 mΩ. 本文详细阐述了该测量系统的组成、转角测量杆的设计与研制、校准原理与信号处理过程, 并简要介绍了该测量系统在费米面重构、拓扑绝缘体表面态、量子极限输运、超导电性等前沿研究领域的应用.
特邀综述

编辑推荐

腔自旋波混合系统的研究进展
沈瑞昌, 张国强, 王逸璞, 游建强
2019, 68 (23): 230305. doi: 10.7498/aps.68.20191608
摘要 +
近年来腔自旋波混合系统引起人们的研究兴趣. 基于自旋波体系的优点, 有望建立一个以自旋波量子为核心的、实现不同物理系统之间信息传递的平台. 本文简要介绍了腔自旋波混合系统的发展进程, 阐明自旋波量子与微波腔光子的耦合机制; 着重介绍了近期在腔自旋波混合系统中关于非线性和赝厄米性方面的研究进展, 其中包括非线性效应引起的腔自旋波量子极化激元的双稳, 宇称-时间(PT)对称哈密顿量的实现和PT对称自发破缺相变二阶奇点的观测, 以及如何构造非PT对称的赝厄米哈密顿量来实现三阶奇点等.
核物理学
基于虚拟源原理的源边界参数蒙特卡罗反演技术
田自宁, 欧阳晓平, 陈伟, 王雪梅, 邓宁, 刘文彪, 田言杰
2019, 68 (23): 232901. doi: 10.7498/aps.68.20191095
摘要 +
在就地γ谱仪搜索扫描测量“热粒子”、“放射性汇集点”、“放射性汇集区”过程中, 只能给出污染源的大概位置, 不能给出源的污染深度等边界参数. 本文主要对虚拟技术在就地γ谱仪搜索扫描测量细化污染源边界中的应用进行了研究. 将就地γ谱仪测量对象简化成衰减层 + 放射性热区(测量目标源) + 衰减层 + 干扰源的四层理论模型, 运用虚拟技术将源项层虚拟成点源, 进一步简化了理论模型, 使用蒙特卡罗方法模拟计算探测效率与峰谷比等参数, 最后使用最小二乘法使模拟计算结果反演逼近源项实际参数, 从而建立了源边界参数反演计算的理论方法及步骤. 理论研究和实验结果一致, 验证了所建立的计算模型和技术方法是正确可靠的. 目前, 对于均匀分布的放射性核素, 该技术已经能够准确确定污染区域深度分布等边界参数, 从而在治理时达到废物处置减容的目的. 同时, 该技术对于禁核试核查目标核弹头惰层厚度参数的确定也具有重大的参考价值.
原子和分子物理学

编辑推荐

基于波长调制技术的高温高压流场温度测量方法
张步强, 许振宇, 刘建国, 姚路, 阮俊, 胡佳屹, 夏晖晖, 聂伟, 袁峰, 阚瑞峰
2019, 68 (23): 233301. doi: 10.7498/aps.68.20190515
摘要 +
温度是衡量燃烧效率的重要参数之一, 温度的测量对工业燃烧过程的节能减排控制和发动机状态诊断等都具有重要意义. 可调谐半导体吸收光谱技术是一种非侵入式测量技术, 具有较强的环境适应性, 可实现快速、原位检测. 本文基于H2O在7185.6, 6807.8以及7444.35/37 cm–1三条吸收线集成测量系统, 三只激光器为时分复用方式, 选择波长调制技术, 利用扣除背景的1f归一化2f信号反演燃烧流场温度, 通过直接比较实际测量的谐波信号与建立的吸收模型获得的谐波信号, 实现了某型号发动机模型喷口温度的准确测量, 测量系统时间分辨小于1 ms, 最高测量温度和最大压强可到1512 K和10.58 atm (1 atm = 1.013 × 105 Pa), 测量误差小于5.68%, 验证了该测量方法的实用性和系统的稳定性.
锶原子光晶格钟碰撞频移的测量
卢晓同, 李婷, 孔德欢, 王叶兵, 常宏
2019, 68 (23): 233401. doi: 10.7498/aps.68.20191147
摘要 +
中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中, 碰撞频移引起的频移修正量和不确定度是其中重要的一项, 且其评估结果将直接影响交流斯塔克频移的评估. 碰撞频移来源于囚禁在同一个格点里面原子间的相互作用, 其大小与原子的密度有关. 本文实验测量了国家授时中心87Sr光晶格钟的碰撞频移. 利用水平方向的一维光晶格囚禁数目在104量级、温度为3.4 μK的冷原子, 用极化光将原子抽运到基态mF = ± 9/2的塞曼子能级上, 获得了钟跃迁自旋极化谱. 通过高低原子密度自比对的方法测量了87Sr光晶格钟系统中与原子密度相关的碰撞频移. 在原子密度差为4 × 1010/cm3的条件下对系统的碰撞频移进行了37次独立测量, 得到系统的碰撞频移为–0.13 Hz, 统计不确定度为3.1 × 10–17. 自比对的艾伦偏差在8000 s时达到了4 × 10–17, 表明系统的测量精度在10–17量级是可靠的, 为锶原子光晶格钟系统不确定度全面评估奠定了基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于双层阿基米德螺线的表面等离激元涡旋产生方法
吴立祥, 李鑫, 杨元杰
2019, 68 (23): 234201. doi: 10.7498/aps.68.20190747
摘要 +
利用金属超表面结构可以激发表面等离激元涡旋光, 由于表面等离激元可以突破衍射极限以及具有很强的场增强效应这两个特性, 因而可以设计微纳级别的光学芯片来激发涡旋光. 本文提出了一种产生涡旋光的双层阿基米德螺线分布的矩形纳米孔阵列, 通过理论分析与FDTD仿真验证相结合的研究方法, 发现可以通过调节入射圆偏振光的手性、内外两层螺线之间的距离、纳米孔阵列的旋转变化速度因子、螺线的段数以及螺距这五个参数, 改变所产生的表面等离激元涡旋光的拓扑荷数. 这种结构由于可以调控的参数多, 自由度大, 因此可以十分方便地对表面等离激元涡旋光进行调控.
宣布式单光子源宣布效率的宣布测量基相关性
杨宏恩, 韦联福
2019, 68 (23): 234202. doi: 10.7498/aps.68.20190532
摘要 +
$|+/-\rangle$偏振宣布基所得到的宣布效率比采用$|H/V\rangle$偏振宣布基所得到的宣布效率提高了大约4%.">对非线性晶体参量下转换过程所产生的纠缠光子对的一路光子进行测量, “宣布”式地在另一路获得单光子, 是制备单光子源的一种重要途径. 其中, 核心的问题是如何得到较高的宣布效率. 本文以I类相位匹配偏硼酸钡 (β-BaB2O4, BBO)非线性晶体参量下转换过程中所产生的偏振纠缠光子对为例, 通过研究其纠缠特性来对宣布效率与宣布测量基选择的相关性进行理论分析. 进而, 利用光纤偏振分束器和三个单光子探测器搭建的扩展型Hanbury Brown-Twiss实验装置, 实现了宣布效率的测量. 实验结果表明, 宣布效率确实与宣布基选择有关: 对本系统的纠缠光子源而言, 采用$|+/-\rangle$偏振宣布基所得到的宣布效率比采用$|H/V\rangle$偏振宣布基所得到的宣布效率提高了大约4%.
基于相干反馈操控的纠缠源的分析
周瑶瑶, 李鹏飞, 闫智辉, 贾晓军
2019, 68 (23): 234203. doi: 10.7498/aps.68.20191168
摘要 +
基于非测量的量子相干反馈控制系统不会引入额外的噪声, 可以用于稳定、操控和改善多种量子系统的性能. 利用相干反馈的方法可以操控非简并光学参量放大器, 在一定条件下能够增强其输出Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)纠缠态光场的纠缠度. 相干反馈控制系统中的核心光学元件是控制耦合镜, 其透射率的选取直接影响反馈控制的效果. 本文针对控制耦合镜对偏振相互垂直的种子光场透射率不同的情况, 从理论上分析了该情况对相干反馈控制效果的影响, 得出相干反馈的正作用达到最佳时对控制镜透射率的要求, 理论分析与实验结果相吻合. 同时分析了相干反馈控制效果随其他物理参量的变化关系, 得出系统进一步优化的实验条件. 为今后相干反馈控制系统中物理参量的选择提供依据, 也为利用相干反馈操控更多的量子系统提供参考.
基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统
张彤, 张维光, 蔡亚君, 胡晓鸿, 冯野, 王屹山, 于佳
2019, 68 (23): 234204. doi: 10.7498/aps.68.20190925
摘要 +
提出了基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统, 该系统由基于半导体可饱和吸收镜锁模的直线型光纤振荡器、二级放大结构脉冲非线性光纤放大器和具有负色散的单模传导光纤的脉冲压缩器构成. 通过此系统获得了中心波长为1560 nm, 重复频率为200 MHz的超短激光脉冲, 脉冲半高全宽为44 fs, 单脉冲能量可达1 nJ. 随后, 使用厚度为1 mm的掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体进行倍频工作. 实验中使用各类波片、准直及聚焦透镜将放大系统输出的脉冲激光聚焦在极化周期为19.8 μm的晶体位置上. 通过合理调整光路并优化准直聚焦参数获得了平均功率为60 mW, 中心波长为779 nm的倍频脉冲激光输出, 转换效率达到30%. 实验结果表明, 基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统可以产生数十飞秒量级特性良好的脉冲激光.
非相干合成阵列激光倾斜像差校正方法
邓万涛, 赵刚, 夏惠军, 张茂, 杨艺帆
2019, 68 (23): 234205. doi: 10.7498/aps.68.20190961
摘要 +
阵列激光在传输过程中受大气湍流影响后会降低其在远场的光束质量. 首先, 以非相干合成形式的阵列激光为模型, 通过生成随机大气湍流相位屏模拟激光在大气中的传输, 同时依据阵列分布分割大气湍流畸变波前并求解子波前的倾斜像差系数; 然后, 将系数代入子激光束相位部分进行消除即实现模拟倾斜像差的校正过程; 最后, 对比计算了倾斜像差校正前后远场激光光束质量的变化情况. 仿真和实验研究结果表明: 在同一大气湍流条件下, 远场激光的桶中功率(power-in-bucket, PIB)和斯特列尔比(strehl ratio, SR)在倾斜像差校正后得到提升; 虽然校正子波前倾斜像前后的PIB和SR均随着大气湍流强度增强而下降, 但是当湍流强度增大, 校正倾斜像差对PIB和SR的提升效果更好. 本文所做工作可为提升高能激光系统的使用性能提供数据支撑.
新型二维三组元压电声子晶体板的缺陷态及振动能量回收
孙伟彬, 王婷, 孙小伟, 康太凤, 谭自豪, 刘子江
2019, 68 (23): 234206. doi: 10.7498/aps.68.20190260
摘要 +
设计了一种由包裹有机玻璃涂层的四棱柱形压电材料按正方形晶格周期性连接在四个环氧树脂短板上构成的1×5新型二维压电声子晶体板, 并利用超元胞法结合有限元方法分别计算了完美声子晶体板和缺陷声子晶体板的能带结构和传输损失. 通过改变施加在压电散射体上下表面的电边界条件, 形成点缺陷波导, 以限制弹性波能量流, 该声子晶体板克服了材料参数和结构参数已确定的情况下振动波导方向不可变的局限性. 压电效应有利于完全带隙的扩大, 当缺陷态的频率出现在带隙内时, 缺陷态响应频率范围随之扩大, 因此可以收集更宽频率范围的机械能. 用振动能量回收电路连接缺陷处压电片上下表面的电极, 能够将振动所产生的机械能转化为电能.
基于磁流变弹性体多包覆层声学超材料带隙及传输谱特性
刘少刚, 赵跃超, 赵丹
2019, 68 (23): 234301. doi: 10.7498/aps.68.20191334
摘要 +
在不改变结构的情况下实现声学超材料对外部响应的可调性, 一直是声学超材料所面临的挑战之一. 因此, 本文提出了以磁流变弹性体(MRE)作为单、双包覆层的声学超材料元胞结构, 研究其在磁场作用下的可调带隙以及传输谱特性. 通过改变作用于包覆层MRE的磁场强度, 控制MRE的剪切模量, 使声学超材料的带隙和传输谱在磁场作用下具有可调性. 应用有限元法对两种声学超材料的带隙及传输谱特性进行了仿真分析. 仿真结果表明, 在磁场作用下, 两种声学超材料的带隙频率和宽度随着磁场强度的增强而增加; 传输谱随着磁场强度的增强其最大衰减频率向高频移动, 最大衰减量也随之增加. 同时, 采用质量-弹簧模型对声学超材料的带隙频率进行了估算, 仿真结果与估算结果具有很好的一致性. 此外, 讨论了芯体、壳体的材料参数以及填充率对带隙和传输谱特性的影响. 这些研究可为声学超材料对弹性波的主动控制, 以及为新型隔振、抑振结构的开发和应用提供理论基础.
空化多泡中大气泡对小气泡空化效应的影响
清河美, 那仁满都拉
2019, 68 (23): 234302. doi: 10.7498/aps.68.20191198
摘要 +
依据超声场下形成的空化多泡的形状结构, 建立了两种简化的多泡模型, 即三泡模型和五泡模型, 并利用考虑气泡之间相互作用和液体可压缩性的非线性Keller-Miksis方程, 数值研究了三泡和五泡模型中周围大气泡对中间小气泡空化效应的影响. 结果表明, 在适当条件下随着周围大气泡半径的逐渐增大, 中间小气泡会被完全抑制或会发生延迟膨胀现象. 延迟膨胀的小气泡崩溃时的泡内温度, 当周围大气泡数适当多时, 可以高于相同初始半径的单泡泡内温度. 大小气泡之间的次Bjerknes力在小气泡延迟膨胀时表现为先排斥后吸引, 而正常膨胀大小气泡之间的次Bjerknes力两次都是吸引力.
涡脱落热声振荡中相似性及涡声锁频行为
王伟, 出口祥啓, 何永森, 张家忠
2019, 68 (23): 234303. doi: 10.7498/aps.68.20190663
摘要 +
基于Matveev和Culick提出的涡脱落引起的热声不稳定性一维简化模型, 对涡脱落引起的热声振荡中的典型非线性现象进行研究, 着重研究了系统的初值敏感性、关键参数对热声振荡的影响规律及涡声锁频现象. 首先, 采用Galerkin方法将控制方程中压力和速度波动在基函数下展开, 使偏微分方程组转化为一簇常微分方程; 然后, 数值求解得到了不同系统参数下声场的压力和速度波动, 并详细分析了系统在不同初始条件下的热声不稳定性, 同时研究了不同稳态流动速度对系统热声振荡的影响规律, 以及在不同稳态流动速度下热声振荡过程中出现的涡声锁频现象. 结果表明: 该涡脱落热声振荡系统对初值极为敏感, 是典型的非线性系统; 随着稳态流动速度增大, 压力波动的振幅总体有增大趋势, 但在几个速度区间内却重复出现振幅先减小后增大的相似结构; 系统最终以涡撞击频率(fs)的整数(fp/fs)倍做周期振荡, 呈现转数为fp/fs的涡声锁频, 该涡声锁频可以作为周期性燃烧振荡的重要特征.
椭球颗粒材料在水平转筒内混合特性的超二次曲面离散元分析
王嗣强, 季顺迎
2019, 68 (23): 234501. doi: 10.7498/aps.68.20191071
摘要 +
转筒中的颗粒流广泛存在于工业生产中, 颗粒形状是影响颗粒流动的重要因素. 本文基于超二次曲面方程描述球体和椭球颗粒的几何形态, 采用离散元方法对水平转筒中颗粒物质的流动和混合特性进行数值分析, 并与椭球混合过程的实验结果进行对比验证. 在此基础之上, 进一步研究了圆筒转速、颗粒填充分数和颗粒长宽比对混合率的影响规律. 计算结果表明: 颗粒材料的混合率随着转速的增加或填充分数的减小而增加. 在相同转速和填充分数下, 椭球颗粒的混合率高于球形颗粒. 同时, 长宽比为0.75和1.5时椭球颗粒具有最高的混合率. 当长宽比小于0.75时, 混合率随着长宽比的增加而增加; 当长宽比大于1.5时, 混合率随着长宽比的增加而减小. 此外, 椭球颗粒出现更明显的速度分层现象. 颗粒长宽比改变颗粒间的接触模式和系统的密集度, 增加了颗粒系统的平动而限制了转动, 在一定程度上提高了外部能量向颗粒系统转化的效率.
三维不可压缩流的12速多松弛格子Boltzmann模型
胡嘉懿, 张文欢, 柴振华, 施保昌, 汪一航
2019, 68 (23): 234701. doi: 10.7498/aps.68.20190984
摘要 +
为提高多松弛(MRT)格子Boltzmann模型的计算效率, 运用反演法提出了一个求解三维不可压缩流的12速MRT格子Boltzmann模型(iD3Q12 MRT模型). 这个模型比通常使用的D3Q13 MRT模型具有更高的计算效率. 在数值模拟部分我们把iD3Q12 MRT模型与可压缩性较小的一个13速多松弛模型(He-Luo D3Q13 MRT模型)在精确性和稳定性方面作比较. 通过模拟不同的流动, 包括压力驱动的稳态泊肃叶流、周期变化的压力驱动的非稳态脉动流、顶盖驱动的方腔流, 可以发现iD3Q12 MRT模型模拟以上三种流动时得到的数值解与解析解或与已有的结果符合很好, 这说明我们提出的iD3Q12 MRT模型是准确的. 在模拟稳态的泊肃叶流时, 两个模型计算的速度场的全局相对误差完全相同, 且两个模型都具有二阶的空间精度. 在模拟非稳态脉动流时, 大多情况下是12速模型的计算误差更小, 但在脉动流的最大压降增大时, iD3Q12 MRT模型先发散, 这说明He-Luo D3Q13 MRT模型具有更好的稳定性. 在模拟不同雷诺数下的顶盖驱动的方腔流时, He-Luo D3Q13 MRT模型也比iD3Q12 MRT模型更稳定.
冷液滴/热液池碰撞混合及温度特性
方龙, 陈国定
2019, 68 (23): 234702. doi: 10.7498/aps.68.20190809
摘要 +
创建了“高速-红外”同步摄影装置, 并利用该装置开展了大量的冷液滴/热液池碰撞实验, 观测了冷液滴/热液池碰撞过程中混合换热区域的形态及温度变化, 分析了工况条件对碰撞过程中冷热液体混合换热的影响, 并建立了碰撞混合换热区域平均温度与工况条件间无量纲关系. 通过研究发现: 冷液滴/热液池碰撞区域温度迅速升高的主要原因为冷/热液体发生了混合; 在碰撞初始阶段, 冷液滴并没有与热液池迅速融为一体, 而是以新月状“变形液滴”的形式存在; 在中心射流向上移动的过程中, 正在混合的冷/热液体分成两部分, 一部分混合液体流向中心射流, 而另一部分流向液池底部; 混合区域的平均温度在碰撞初始阶段随着碰撞时间的增加先略有下降随后又迅速增加, 但其升高进程会被空腔坍缩打断, 并在空腔坍缩后达到极值点, 随后因中心射流的出现而产生波动现象; 混合区域平均温度极值点的温度值与碰撞韦伯数满足一定的无量纲关系, 而平均温度极值点出现时间与液滴弗劳德数满足一定的无量纲关系.
气体、等离子体和放电物理
单端驱动银球腔的激光能量耦合和分配
余波, 尹传盛, 孙传奎, 侯立飞, 宋天明, 杜华冰, 关赞洋, 张文海, 袁铮, 李朝光, 董云松, 蒋炜, 黄天晅, 蒲昱东, 晏骥, 陈忠靖, 杨家敏, 江少恩
2019, 68 (23): 235201. doi: 10.7498/aps.68.20191026
摘要 +
将高功率激光注入单孔球形银黑腔, 产生的高温辐射源能够驱动超声速冲击波, 在实验室模拟各种天体物理现象. 利用神光Ⅲ原型装置上四路3.2 kJ激光, 聚焦注入Φ800 μm、注入口Φ650 μm的球形银腔, 可以产生峰值温度为240 eV的高温辐射源, 驱动剩余球壳在气体区产生超声速冲击波. 实验结果显示, 银腔的激光-X光转换效率为0.68, 银反照率为0.83. 散射光份额约为15%, 超热电子份额小于1%, 从注入口漏失的辐射流约占总能量的30%, 从厚度5.6 μm的Ag和10 μm的CH球壳漏失的辐射流约占总能量的9%, 约45%的能量转换为剩余球壳的动能和内能. 黑腔等离子体约在950 ps开始聚心, 基本不会影响1 ns脉宽激光注入. 在神光Ⅲ原型装置开展的银球腔激光能量耦合和分配实验, 为后续超声速冲击波实验奠定了基础.
磁路和天线位置对2 cm电子回旋共振离子推力器性能影响的实验研究
夏旭, 杨涓, 金逸舟, 杭观荣, 付瑜亮, 胡展
2019, 68 (23): 235202. doi: 10.7498/aps.68.20191122
摘要 +
磁路和天线位置对电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster, ECRIT)的电子加热、等离子体约束和输运过程都有很大的影响, 进而影响离子束流引出和中和器耦合电压. 本文开展不同磁路和天线位置下2 cm ECRIT离子束流和耦合电压变化规律的实验研究. 通过比较不同磁路的离子源和中和器的束流引出特性, 选出合理的磁路结构, 再比较不同天线位置对束流引出的影响. 归纳了磁路和天线位置对ECRIT的性能影响规律, 得到合理的推力器结构. 实验结果表明: 功率和流量的增加有助于提高离子引出束流和降低电子引出压; 保持天线空间位置不变, 合理的磁路结构能增大电子获能并减小粒子损失, 从而提高引出离子束流并降低耦合电压; 在合理磁路结构条件下, 离子源和中和器存在有利于离子引出和降低耦合电压的合理天线位置. 根据实验结果选择出结构较优的中和器和离子源进行中和实验. 结果表明: 有无中和器工作时对离子源束流引出的影响较小; 功率和流量为1 W, 0.1 sccm (1 sccm = 1 mL/min)的中和器与功率和流量为2 W, 0.3 sccm的离子源能良好匹配工作, 性能指标为离子束流5.3 mA、放电损耗337.5 W/A、推进剂利用率24.7%、推力368.6 μN、比冲1277.6 s、中和器耦合电压17.4 V. 研究结果有助于理解推力器工作机理, 并为设计和性能优化提供参考.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
基于表面等离子体诱导透明的半封闭T形波导侧耦合圆盘腔的波导滤波器
陈颖, 谢进朝, 周鑫德, 张灿, 杨惠, 李少华
2019, 68 (23): 237301. doi: 10.7498/aps.68.20191068
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基于表面等离子体激元的传输及耦合特性, 提出了一种半封闭T形波导侧耦合圆盘腔的金属-介质-金属波导滤波器结构. 应用有限元法研究了其传输特性. 结果表明, 在透射光谱中出现了基于等离子诱导透明(PIT)效应的窄带透射峰. 通过理论分析与模场分布有效阐释了PIT透明峰与两侧谷值的物理产生机理, 同时数值研究表明通过改变支节长度与圆盘谐振腔半径可调节滤波器共振波长, 通过外调制来改变结构介质折射率可实现滤波波长的近似线性调节. 进一步, 在圆盘腔中内嵌增益介质, 增强了其对光的局域能力, 加强了模式共振作用, 实现了压缩滤波通带带宽的同时有效地提高了结构透射率, 相比同类滤波器获得了更好的滤波性能. 研究结果为高分辨率窄带滤波器的设计提供了有效的理论参考.
石墨烯纳米带电极同分异构喹啉分子结电子输运性质
左敏, 廖文虎, 吴丹, 林丽娥
2019, 68 (23): 237302. doi: 10.7498/aps.68.20191154
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基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理计算方法, 系统地研究了通过碳原子(C)连接的同分异构喹啉分子(C9H5N)嵌于石墨烯纳米带电极间的分子电子器件输运性质. 研究结果表明: 器件电流在偏压[–0.3 V, +0.3 V]范围内呈线性变化, 电流在[–0.4 V, –0.9 V]和[+0.5 V, +0.8 V]范围内随着偏压的增大而减小, 呈现显著的负微分电阻效应; 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极间存在一定夹角时, 器件电流呈现明显的负微分电阻效应且与喹啉分子平面旋转方向无关, 当喹啉分子平面与石墨烯纳米带电极垂直时, 器件电流截止. 以上研究结果得到偏压窗内透射系数积分以及零偏压下实空间电荷密度分布等的有力印证, 可为设计制作基于同分异构喹啉分子电子开关和负微分电阻器件提供理论依据.
碱金属和碱土金属掺杂二维GaN材料电磁特性的第一性原理计算
陈国祥, 樊晓波, 李思琦, 张建民
2019, 68 (23): 237303. doi: 10.7498/aps.68.20191246
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基于密度泛函理论和投影缀加波赝势方法, 采用广义梯度近似算法研究了碱金属(Li, Na, K和Rb)和碱土金属(Be, Mg和Sr)掺杂二维GaN单层的电子结构和磁学性质. 研究表明, 除Be原子位于GaN单层平面内之外, 其余掺杂原子均略微隆起于平面. 通过比较七种掺杂体系在不同环境下的形成能, 发现在富N环境中更易实现掺杂. 能带结构表明: 四种碱金属原子掺杂体系是磁性半导体, 总磁矩为2μB; 三种碱土金属掺杂体系呈半金属性, 总磁矩为1μB. 磁耦合计算表明, 七种元素掺杂体系均存在长程铁磁耦合. 采用海森伯平均场模型估算双掺杂体系的居里温度, 发现Li, Be, Mg和Sr的长程铁磁耦合态居里温度均高于室温, 表明这4种原子掺杂的二维GaN单层是很好的室温铁磁性备选材料.
基于导电原子力显微镜的单根GaN纳米带光调控力电耦合性能
邓长发, 燕少安, 王冬, 彭金峰, 郑学军
2019, 68 (23): 237304. doi: 10.7498/aps.68.20191097
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利用导电原子力显微镜技术研究了单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能. 首先使用化学气相沉积法制备出结晶性良好的GaN纳米带, 然后将GaN纳米带分散到高定向热解石墨基底上, 利用探针作为微电极构成基于单根GaN纳米带的两端结构压电器件. 通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能, 对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究. 研究发现, 在有光条件下单根GaN纳米带整流开关比明显增大, 随着加载力的增大, 单根GaN纳米带电流响应值增大但整流特性减弱. 最后, 基于压电电子学和光电导效应理论, 通过分析肖特基势垒在加载力及光照作用下的变化规律解释了实验现象.
等离子体谐振腔对二硫化钼的荧光增强效应
孟凡, 胡劲华, 王辉, 邹戈胤, 崔建功, 赵乐
2019, 68 (23): 237801. doi: 10.7498/aps.68.20191121
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二硫化钼(MoS2)作为一种层状过渡金属硫族化合物, 是未来光子学与光电子学领域的重要组成材料. 本文设计实现了MoS2与谐振腔耦合系统, 将蝴蝶结型等离子体谐振腔的谐振模式与单层MoS2光致发光(PL)谱相耦合, 得到该条件下最佳PL强度增强效果. 通过理论模型与实验数据的分析, 利用珀塞尔效应对自发辐射速率进行控制, 得到了峰值为9.5倍、带宽为100 nm的宽带增强谱. 同时, 增强的PL强度随激发光和探测光的偏振角度满足余弦函数规律的依赖特性, 证明了谐振模式来自谐振腔中的电场偶极子. 该研究提供了在单层MoS2与等离子体谐振腔耦合结构中研究光与物质相互作用增强的可行性, 为今后基于MoS2光子学器件的发射与探测效率提升开辟出一条新途径.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于反射超表面产生太赫兹涡旋波束
李晓楠, 周璐, 赵国忠
2019, 68 (23): 238101. doi: 10.7498/aps.68.20191055
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具有螺旋波前的电磁波是携带轨道角动量的涡旋波束, 涡旋波束存在的相位奇点, 使其在微粒操控和通讯等领域有特殊的应用. 本文提出了一种基于反射型超表面的太赫兹宽带涡旋波束产生器, 该器件由超表面-电介质-金属三层结构构成, 顶层为两个正交I形金属结构单元组成的超表面, 中间层是聚酰亚胺介质, 最底层为金属. 通过对超表面单元结构参数的优化设计, 可以实现在不同旋转角度下反射波振幅高达90%以上, 同时反射波相位随旋转角线性变化的目的. 进一步利用这些单元结构按照Pancharatnam-Berry相位原理进行超表面布阵, 在0.8—1.4 THz频率范围内, 可以将圆偏振太赫兹波束转换为具有轨道角动量的涡旋波束, 这一器件的工作带宽相对较宽, 结构简单, 转换效率高, 在太赫兹涡旋波束产生方面具有潜在的应用价值.
优化递归变分模态分解及其在非线性信号处理中的应用
许子非, 岳敏楠, 李春
2019, 68 (23): 238401. doi: 10.7498/aps.68.20191005
摘要 +
经验模态分解一类的递归算法所产生的模态混淆和端点效应将导致所获物理信息失真, 变分模态分解可改善这些问题. 但因其需预设参数, 对信号分解精度影响显著, 为此, 提出采用目标信号功率谱峰值所对应的频率以初始化变分模态分解所需中心频率, 借鉴经验模态分解递归模型, 基于能量截止法将变分模态分解改进为递归模式算法, 并采用粒子群优化算法对具有带宽约束能力的惩罚因子进行最优取值, 构成优化递归变分模态分解. 通过对比分析经验模态分解, 集成经验模态分解及优化递归变分模态分解在分解信号时的计算精度; 研究传统变分模态分解与优化递归变分模态分解在处理实际振动信号时计算速率. 结果表明: 优化递归变分模态分解在处理目标信号时精度最高, 与原分量相关性达99.9%; 与集成经验模态分解对比, 可由低至高将信号分解至不同频段, 物理意义更加清晰且不产生虚假模态; 处理实际非线性信号时, 优化递归变分模态分解无需预设分解模态个数, 相比于传统变分模态分解, 计算速率高12.5%—18.5%.
新型忆阻器神经形态电路的设计及其在条件反射行为中的应用
徐威, 王钰琪, 李岳峰, 高斐, 张缪城, 连晓娟, 万相, 肖建, 童祎
2019, 68 (23): 238501. doi: 10.7498/aps.68.20191023
摘要 +
突触是生物神经系统的重要组成部分. 忆阻器因具备连续可调的非线性电导, 与连接强度可连续调节的生物突触极为相似, 因此在构建人工突触及类脑系统方面引起了广泛研究. 本文制备了Cu/MXene/SiO2/W结构的忆阻器, 基于该器件的电学特性、尤其是电导的连续可调特性, 构建人工突触单元并设计了神经形态电路. 在该电路中, 通过施加连续的电压脉冲, 对人工突触单元进行训练, 成功模仿实现了经典条件反射行为. 这一工作将对未来基于忆阻器构建大规模神经形态系统以进行类脑智能运算具有重要的意义.
应用中国散裂中子源9号束线端研究65 nm微控制器大气中子单粒子效应
胡志良, 杨卫涛, 李永宏, 李洋, 贺朝会, 王松林, 周斌, 于全芝, 何欢, 谢飞, 白雨蓉, 梁天骄
2019, 68 (23): 238502. doi: 10.7498/aps.68.20191196
摘要 +
采用设置和不设置镉中子吸收体两种方式, 利用中国散裂中子源9号束线(CSNS-BL09)对65 nm微控制器进行了大气中子单粒子效应辐照测试. 测试中探测到的效应主要为单位翻转. 测试结果表明, 对于该款微控制器, 热中子引起的中子单粒子翻转占比约65%; 进一步分析表明, 热中子与10B反应产生的0.84 MeV 7Li可能是诱发微控制器单粒子翻转的主要因素.
基于seasonal-trend-loess方法的符号化时间序列网络
汪丽娜, 成媛媛, 臧臣瑞
2019, 68 (23): 238901. doi: 10.7498/aps.68.20190794
摘要 +
为了有效控制海量数据时间序列网络的规模并使得网络更贴近实际, 符号化时间序列网络成为研究热点. 结合周期性时间序列的seasonal-trend-loess方法和符号化转化方法, 本文提出一种新的符号化时间序列建网方法. 该方法考虑了单个数据值的状态又结合了序列的长远变化趋势. 以符号模式为节点; 依时间顺序推移, 以节点间的邻接转换关系定义连边; 根据转换方向和转换频次确定连边的方向和权重, 建立有向加权网络. 分别以航空旅客吞吐量时间序列和因特网流量时间序列为实验数据构建的两个时间序列网络, 有明显差异的拓扑特征; 进一步对移动通信语音时间序列做了实证分析, 挖掘时间序列数据的本质规律.
综述
空间电子辐射环境中绝缘介质电荷沉积特性及陷阱参数研究综述
李国倡, 李盛涛
2019, 68 (23): 239401. doi: 10.7498/aps.68.20191252
摘要 +
空间电子辐射环境中绝缘介质充放电特性与介质表面电荷交换过程或内部电荷迁移过程密切相关. 介质表面/内部电荷运动很大程度上取决于材料的微观特性, 空间电荷与陷阱是反映绝缘介质微观特性的重要参数. 本文综述了电子辐射环境中绝缘介质内部空间电荷和陷阱的形成、作用机理、测量方法、存在的问题及国内外研究现状. 首先, 简要介绍了入射电子与介质材料的相互作用机理及沉积电荷的形成; 分析了电子束辐射下介质内部电荷迁移模型, 辐射诱导电导模型(RIC模型)和电子-空穴对的产生/复合模型(GR模型)的优缺点; 对比分析了经典电声脉冲法(PEA)以及适用于电子束辐射下空间电荷测量的“短路PEA”和“开路PEA”, 并总结了电子辐射下PEA装置设计中存在的主要技术难点; 其次, 简要介绍了电子束辐射下陷阱的形成及作用机理, 分析了聚合物介质陷阱参数的提取方法, 如热刺激电流法、表面电位衰减法(电晕注入方式或电子辐射方式)、空间电荷衰减法, 指出在同一真空环境中完成电子注入和表面电位测量的方法较适合空间介质材料陷阱参数的表征, 并以聚酰亚胺为例, 进行了陷阱参数提取; 最后, 从理论模型、参数表征和测量技术等方面, 展望了空间绝缘介质亟需解决的科学问题.