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Vol. 69, No. 7 (2020)

2020年04月05日
专题:拓扑物理前沿与应用
专题
总论 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:结构、力学和热学性质 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
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
弱Soret效应混合流体对流系统的分岔与非线性演化
郑来运, 赵秉新, 杨建青
2020, 69 (7): 1-12. doi: 10.7498/aps.69.20191836
摘要 +
$\psi=-0.02$)的混合流体对流的分岔特性及斑图的形成和演化, 给出了分岔曲线图. 获得了行波交替闪动的Blinking状态、局部行波对流和定常对流(SOC)三种稳定状态, 讨论了状态之间的过渡. 研究发现从Blinking状态到局部行波对流状态的过渡存在迟滞现象, 过渡时行波频率、对流振幅和对流传热Nusselt数等均有明显的跳跃. 在Blinking状态存在的Rayleigh数区间下界附近, 外部施加的不对称初始扰动是形成该状态的诱因. 随着Rayleigh数增大, 临界SOC状态经过多次分岔并形成多个具有不同波数的SOC状态后过渡为混沌状态.">混合流体Rayleigh-Bénard(RB)对流是研究非平衡耗散系统的自组织斑图及非线性动力学特性的典型模型. 本文利用高精度数值方法模拟了底部均匀加热的矩形腔体中混合流体RB对流, 研究了具有极微弱Soret效应(分离比$\psi=-0.02$)的混合流体对流的分岔特性及斑图的形成和演化, 给出了分岔曲线图. 获得了行波交替闪动的Blinking状态、局部行波对流和定常对流(SOC)三种稳定状态, 讨论了状态之间的过渡. 研究发现从Blinking状态到局部行波对流状态的过渡存在迟滞现象, 过渡时行波频率、对流振幅和对流传热Nusselt数等均有明显的跳跃. 在Blinking状态存在的Rayleigh数区间下界附近, 外部施加的不对称初始扰动是形成该状态的诱因. 随着Rayleigh数增大, 临界SOC状态经过多次分岔并形成多个具有不同波数的SOC状态后过渡为混沌状态.
基于连续量子级联激光器的1103.4 cm–1处NH3混叠吸收光谱特性
李梦琪, 张玉钧, 何莹, 尤坤, 范博强, 余冬琪, 谢皓, 雷博恩, 李潇毅, 刘建国, 刘文清
2020, 69 (7): 074201. doi: 10.7498/aps.69.20191832
摘要 +
由于NH3在大气气溶胶化学中具有重要作用, 所以快速和精确反演NH3浓度对环境问题非常重要. 本文以9.05 μm的室温连续量子级联激光器(quantum cascade laser, QCL)作为光源, 采用波长扫描直接吸收可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术, 研究了QCL在1103.4 cm–1的光谱特性, 获得了激光器控制的温度电流与波长的关系. 设计了QCL二级温控的低压实验平台, 测量氨气在1103.4 cm–1处的6条混叠吸收线, 在降低压强的情况下谱线展宽变小, 使混叠光谱分离, 由此计算各条吸收线的线强, 进一步对测量不确定度进行分析. 针对混叠严重的光谱提出了低压分离单光谱精确反演气体浓度的方法, 并进行了实验验证. 通过与HITRAN数据库进行结果对比, 得出氨气在1103.4 cm–1的实验测量线强值与数据库偏差为2.71—4.71%, 实验测量线强值的不确定度在2.42—8.92%, 极低压条件下反演浓度与实际值的偏差在1—3%.
基于非线性光纤环形镜的少模脉冲幅度调制再生器
王瑜浩, 武保剑, 郭飚, 文峰, 邱昆
2020, 69 (7): 074202. doi: 10.7498/aps.69.20191858
摘要 +
随着网络带宽需求的快速增加, 波分复用系统的容量已接近非线性香农极限. 为了适应未来网络的发展, 空分复用技术引起了越来越多的关注. 本文首次提出基于少模非线性光纤环形镜(FM-NOLM)的脉冲幅度调制(PAM)全光再生器, 描述了其工作原理和具体设计过程. 采用COMSOL软件对组成FM-NOLM的硫化物高非线性光纤进行了模式特性仿真.以LP01, LP11, LP21三个光纤模式为例, 确定了再生器的参数, 计算出每个模式的功率转移函数曲线. 仿真分析了该少模PAM-4全光再生器的噪声抑制(NRR)性能, 并与单模情形进行了比较. 研究表明, 1)对于每个空间模式的PAM信号, 所有再生电平具有一致的功率转移性能; 2)当输入信噪比(SNR)约大于20 dB时, 三种模式的噪声抑制比均可超过3 dB, 并随着输入信噪比线性增加, 其斜率约为1.2; 3)在相同输入SNR条件下, 三种模式的噪声抑制比相差不大, 不超过1.1 dB. 为了说明再生器的再生性能, 当输入SNR为25 dB时, 我们还给出了再生前后PAM-4信号的功率分布直方图. 与现有的再生方案相比, 本文方案的均匀多电平再生转移性能, 使其更适合高频谱效率的长距空分复用系统和任意电平数的PAM信号再生. 此外, 该方案也能够扩展到波长域, 有效提高光通信系统的传输容量.
激光强度依赖的阈下谐波产生机制
郭春祥, 焦志宏, 周效信, 李鹏程
2020, 69 (7): 074203. doi: 10.7498/aps.69.20191883
摘要 +
利用广义伪谱方法精确数值求解了氢原子在强激光场中的三维含时薛定谔方程, 获得了强激光中氢原子的含时波函数, 利用时间依赖的偶极矩的傅里叶变换得到了高次谐波谱, 研究了氢原子在强激光场中发射低于电离阈值的谐波谱对激光强度的依赖性. 研究发现, 激光强度在低于电离阈值的谐波产生的通道选择的过程中扮演着重要角色, 主要有两种量子通道对阈下谐波的产生有贡献, 即广义的短轨道和长轨道, 其中长轨道对激光场强度比较敏感. 结合小波时频变换、经典轨道分析、以及强度依赖的量子通道选择分析, 本文阐明了其背后的物理机制.
高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器
张海燕, 汪琳莉, 吴琛怡, 王煜蓉, 杨雷, 潘海峰, 刘巧莉, 郭霞, 汤凯, 张忠萍, 吴光
2020, 69 (7): 074204. doi: 10.7498/aps.69.20191875
摘要 +
雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件, 在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用. 然而, 由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感, 因此在外场环境下工作时容易出现增益波动, 继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移, 严重降低了探测器的时间稳定性. 本文发展了一种稳定输出延时的方法, 采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管, 使其处于恒定温度, 并实时补偿由环境温度引起的延时漂移, 实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测. 实验中, 环境温度从16 ℃变化到36 ℃, 雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃, 经过延时补偿, 雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps, 时间稳定度达到0.15ps@100s. 这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.
一种低损耗的对称双楔形太赫兹混合表面等离子体波导
王芳, 张龙, 马涛, 王旭, 刘玉芳, 马春旺
2020, 69 (7): 074205. doi: 10.7498/aps.69.20191666
摘要 +
本文研究了一种适用于太赫兹频段的对称双楔形混合等离子体波导. 采用有限元法对其混合模式特征进行数值模拟, 阐述了波导的传播长度、归一化有效模场面积和品质因子等特性随波导几何参数的变化规律. 结果表明, 对称双楔形混合等离子体波导在太赫兹频段可获得良好的模场约束能力和低损耗特性, 在有效模场面积达到λ2/10280时, 传播长度达到51 × 103 μm. 波导参数最优时的平行对称楔形波导在忽略波导间串扰时, 波导间距小于16 μm时的耦合长度约为8958 μm. 通过对比发现, 相比于先前的对称微楔形波导结构和对称蝴蝶结波导结构, 对称双楔形混合等离子体波导在传输特性和耦合特性方面都具有更大的优势, 将在光学力捕获、生物分子传输以及高密度集成电路设计等方面具有潜在的应用前景.
磁光平面波导的单向传播特性
李航天, 王智, 王慧莹, 崔粲, 李智勇
2020, 69 (7): 074206. doi: 10.7498/aps.69.20191795
摘要 +
表面磁等离子体(surfacemagnetoplasmons, SMPs)是一种在电介质和偏置磁场作用下磁光材料界面处传播的近场电磁波. 其独特的非互易传播特性引起了大量科研工作的关注, 但在具体的波导结构设计上仍存在很多问题. 本文研究了一种银-硅-磁光材料的3层平面波导结构, SMPs在磁光材料和硅的界面处传播, 发现在特定的频率范围内, SMPs的基模及高阶模式均具有正向或反向的单向传播特性. 分别计算了旋磁与旋电材料平面波导的色散方程, 研究了硅层厚度与外加磁场对能带结构及SMPs单向传播区域的影响, 发现无论是旋磁或旋电材料的结构, 硅层厚度的增加使高阶模式使高阶模式出现在更低的频率位置, 使单向传输带宽变小甚至消失, 外加磁场的变大使磁光材料的能带结构频率增大的同时带隙中也引入了高阶模式. 计算了2种磁光材料平面波导的正向和反向的单向传播带宽宽度, 发现旋磁材料YIG的单向SMPs模式出现在GHz波段, 最大单向带宽可达到2.45 GHz; 旋电材料InSb的单向SMPs模式出现在THz波段, 最大单向带宽达到3.9 THz.
非均匀波导中的声聚焦
郭威, 杨德森
2020, 69 (7): 074301. doi: 10.7498/aps.69.20191854
摘要 +
理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题, 利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系, 计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波, 并画出了相应的聚焦声场. 研究了三种非均匀情况: 水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导. 结果表明, 当输入最佳入射波时, 在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果, 声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.
基于稀疏阵列的电磁矢量传感器多输入多输出雷达高分辨角度和极化参数联合估计
谢前朋, 潘小义, 陈吉源, 肖顺平
2020, 69 (7): 074302. doi: 10.7498/aps.69.20191895
摘要 +
针对双基地电磁矢量传感器多输入多输出(electromagnetic vector sensors multiple-input multiple-output, EMVS-MIMO)雷达参数估计精度以及角度参数配对问题, 通过设计一种新的稀疏阵列和采用自动参数配对算法来实现高分辨的角度参数和极化参数联合估计. 首先, 通过设计稀疏的发射阵列和接收阵列来实现对EMVS-MIMO雷达阵列孔径的扩展; 然后, 提出平行因子-三线性分解算法对接收数据的三阶张量模型进行求解. 所提出的平行因子-三线性分解算法能够实现二维发射角、二维接收角、极化相位角和极化相位差的联合参数自动配对; 且针对估计得到的发射导向矢量矩阵和接收导向矢量矩阵, 根据旋转不变特性可以实现高精度的发射俯仰角和接收俯仰角测量. 在得到精确的发射俯仰角和接收俯仰角之后, 相应的发射和接收方位角、极化角和极化相位差可以通过矢量叉积算法来进行估计. 相比于现有算法, 所提出的算法能够避免高维数据奇异值分解以及额外的参数配对过程; 且通过稀疏阵列设计, 角度参数估计精度能够进一步地提升, 仿真结果表明所提出的算法具有优良的角度参数估计性能.
用久期微扰理论将弹簧振子模型退化为耦合模理论
朱存远, 李朝刚, 方泉, 汪茂胜, 彭雪城, 黄万霞
2020, 69 (7): 074501. doi: 10.7498/aps.69.20191505
摘要 +
尽管耦合模理论在过去几十年内已经被广泛研究, 但它的理论来源还是困扰着广大研究者. 在这里, 基于久期微扰理论, 将经典弹簧振子模型退化为耦合模理论, 并将该理论用于解释音叉耦合的实验现象. 研究表明这种方法将耦合模理论中每一项的系数都与经典力学中的相关物理量建立关联, 且理论和实验结果符合得很好. 该研究为耦合模理论中每一项的来源提供了一种较严谨的推导方法, 在线性耦合体系的理论研究方面有一定的指导意义.
交通发生吸引源集聚影响下路网宏观基本特性
丁恒, 周静文, 郑小燕, 柏海舰, 张卫华
2020, 69 (7): 074502. doi: 10.7498/aps.69.20191641
摘要 +
宏观基本图不受路网外部交通发生吸引源的影响, 描述了匀质性路网内累积车辆数与路网旅行完成率之间的关系, 可直观表达路网宏观基本特性. 然而, 当路网内交通发生吸引源发生变化时, 会影响路网交通密度, 从而对宏观基本特性产生影响. 为了分析交通发生吸引源不同集聚状态对宏观基本图的影响规律, 以交通发生吸引源发生吸引量和路段阻抗为参数, 建立交通发生吸引源聚集度模型. 以方格式路网为分析对象, 设计9组不同交通发生吸引源方案, 通过对比交通发生吸引源聚集度与路网宏观基本图曲线, 发现只有当路网处于拥挤流状态时, 交通发生吸引源聚集现象才会对宏观基本图产生影响, 并且路网中交通发生吸引源聚集度越低(交通发生吸引量分布越均衡), 路网旅行完成率就会越高.
总论
一维化学势调制的p波超导体中的拓扑量子相变
武璟楠, 徐志浩, 陆展鹏, 张云波
2020, 69 (7): 1-10. doi: 10.7498/aps.69.20191868
摘要 +
$Z_2$拓扑不变量确定系统的相图, 指出系统的拓扑相变强烈的依赖于调制参数$\alpha$和相移$\delta$. 在非公度势调制下, 以$\alpha=(\sqrt{5}-1)/2$, $\delta=0$为例, 我们计算系统的低能激发谱, $Z_2$拓扑不变量以及逆参与率等, 发现p波配对强度$\Delta\in(0,0.33)$时, 系统存在拓扑非平庸超导相, 拓扑平庸超导相和拓扑平庸局域相的转变. 而当p波配对强度$\Delta > 0.33$时, 系统存在拓扑非平庸超导相和拓扑平庸局域相的转变.">我们研究了一维公度势和非公度势调制下的p波超导量子线系统的拓扑相变. 在公度势调制下, 我们通过计算$Z_2$拓扑不变量确定系统的相图, 指出系统的拓扑相变强烈的依赖于调制参数$\alpha$和相移$\delta$. 在非公度势调制下, 以$\alpha=(\sqrt{5}-1)/2$, $\delta=0$为例, 我们计算系统的低能激发谱, $Z_2$拓扑不变量以及逆参与率等, 发现p波配对强度$\Delta\in(0,0.33)$时, 系统存在拓扑非平庸超导相, 拓扑平庸超导相和拓扑平庸局域相的转变. 而当p波配对强度$\Delta > 0.33$时, 系统存在拓扑非平庸超导相和拓扑平庸局域相的转变.
相干与路径信息
吕鑫
2020, 69 (7): 1-6. doi: 10.7498/aps.69.20191084
摘要 +
近年来, 随着对相干性量化的发展, 相干与路径信息间的互补关系渐渐引起人们注意. 这样的互补关系不仅在基础量子力学方面有重要的理论意义, 同时也在量子信息技术中有实际应用. 本文从Bures距离和明确量子态区分出发, 系统的研究了二路径干涉仪中的相干与路径信息, 并建立了一个全新的互补关系. 与已知的类似工作相比, 本文的研究更为一般: 既考虑纯态, 也考虑混合态; 既探讨了干涉仪本身的路径不对称性所提供的路径可预测性, 也探讨了因路径探测器而生的路径可区分度. 具体地说, 路径可预测性的讨论只依赖于密度矩阵的半正定性质, 而路径可区分度的讨论还需要利用保真度和Schur-Weyl不等式等工具.
超临界Lennard-Jones流体结构特性分子动力学研究
王艳, 徐进良, 李文, 刘欢
2020, 69 (7): 070201. doi: 10.7498/aps.69.20191591
摘要 +
研究超临界流体在不同压力和温度的结构特征有助于深刻理解并有效利用超临界流体. 本文采用分子动力学方法模拟超临界压力、拟临界温度附近流体的结构及密度波动曲线的排列熵, 分析状态参数变化的影响. 结果表明, 定压下, 径向分布函数随温度升高, 第一峰值位置逐渐向右移动, 但右移幅度随着压力偏离临界点距离的增大而减弱, 近临界压力时, 出现峰值最高点的工况和等温压缩系数的极值点位置一致, 压力增大, 该现象消失. 低压力拟临界点时易出现面积大、相对集中且分布稳定的高/低密度区, 无明显嵌套现象. 静态结构因子存在一定发散行为, 发散的最大值和等温压缩系数极值点所处工况符合. 低压力时密度时间序列的波动幅度最大, 类周期现象较明显. 在分子间势能、等温压缩系数和热运动效应的共同作用下, 当压力(P)为1.1倍的临界压力(Pc)时, 排列熵在0.99倍的拟临界温度(Tpc)达到最小值, P = 1.3Pc和1.5Pc时, 最小排列熵与等温压缩系数的最大值工况点保持一致, 压力继续增大, 各模拟工况密度和排列熵的波动减弱, 流体均匀性增强.
经由脉冲式爆炸连接的复合式张弛振荡
宋锦, 魏梦可, 姜文安, 张晓芳, 韩修静, 毕勤胜
2020, 69 (7): 070501. doi: 10.7498/aps.69.20191812
摘要 +
张弛振荡现象普遍存在于自然科学以及工程技术的各个领域, 探索张弛振荡的可能路径是张弛振荡研究的重要问题之一. 最近, 一种名为“脉冲式爆炸”(pulse-shaped explosion, PSE)的可以诱发张弛振荡的新机制被相继报道. PSE意味着平衡点和极限环表现出了与参数变化相关的脉冲式急剧量变, 这导致系统出现急剧转迁现象, 进而诱发张弛振荡. 本文以多频激励Mathieu-van der Pol-Duffing系统为例, 探讨了复合式的张弛振荡现象. 当参数激励和外部激励存在相位差时, 快子系统包含了两个不同的向量场部分, 由此得到了系统的双稳定特性. 特别地, 在狭小的参数范围内, 分岔会随着PSE的产生而产生, 这使得PSE更具复杂性. 基于此, 揭示了两种复合式的张弛振荡, 其特征是每一周期的演化过程包含了由PSE连接的两个张弛振荡簇. 我们的研究深化了对PSE及张弛振荡复杂动力学行为的理解.
专题:拓扑物理前沿与应用
具有全局对称性的强关联拓扑物态的规范场论
叶鹏
2020, 69 (7): 1-28. doi: 10.7498/aps.69.20200197
摘要 +
在有对称性保护的条件下, 拓扑能带绝缘体等自由费米子体系的拓扑不变量可以在能带结构计算中得到. 但是, 为了得到强关联拓扑物质态的拓扑不变量, 我们需要全新的理论思路. 最典型的例子就是分数量子霍尔效应: 其低能有效物理一般可以用Chern-Simons拓扑规范场论来计算得到; 霍尔电导的量子化平台蕴含着十分丰富的强关联物理. 本文将讨论存在于玻色和自旋模型中的三大类强关联拓扑物质态: 本征拓扑序、对称保护拓扑态和对称富化拓扑态. 第一类无需考虑对称性, 后两者需要考虑对称性. 理论上, 规范场论是一种非常有效的研究方法. 本文将简要回顾用规范场论来研究强关联拓扑物质态的一些研究进展. 具体内容集中在“投影构造理论”、“低能有效理论”、“拓扑响应理论”三个方面.
原子和分子物理学
利用双色激光场下阈上电离谱鉴别H32+ 两种不同分子构型
周旭聪, 石尚, 李飞, 孟庆田, 王兵兵
2020, 69 (7): 073201. doi: 10.7498/aps.69.20200013
摘要 +
我们最近证明, 利用红外和深紫外双色激光场, SF6分子的结构信息可以通过其电离谱上的相干条纹获得[arXiv,1912.08499(2019)]. 在本文中, 我们利用该方法考察了两种不同几何结构的分子离子H32+ 在激光场中的直接阈上电离(ATI)过程. 通过与单色激光场中电离谱的比较发现, 双色激光场的电离谱可以分辨分子的不同几何结构. 由相干条件导出的公式可以很好地解释直接ATI动能谱和动量谱中的干涉条纹. 此外, 还发现通过改变分子核间距或改变激光强度可以改变电离谱的形状. 由此可以推断, 双色激光场诱导的ATI谱具有鉴别分子不同构型的能力, 对复杂分子的几何结构成像具有一定的参考意义.
气体、等离子体和放电物理
束匀滑光束偏折现象的模拟
李斌, 刘占军, 郝亮, 郑春阳, 蔡洪波, 何民卿
2020, 69 (7): 075201. doi: 10.7498/aps.69.20191639
摘要 +
达到高能量密度物理状态后, 光束在介质中的传播行为与经典光学研究范畴相比, 会出现一些新现象. 比如在各向同性介质内可出现光束传播方向改变的现象. 另一方面, 高能量密度物理实验中由高功率激光器产生的束匀滑光束较为常见. 本文分析了空间和时间束匀滑光束在各向同性等离子体传播中出现束偏折现象的机制和条件, 并利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D进行了验证. 模拟表明只有当同时发生成丝不稳定性和存在离子声速量级的横向流时束匀滑激光才会产生显著的束偏折现象.
微波瑞利散射法测定空气电火花激波等离子体射流的时变电子密度
吴金芳, 陈兆权, 张明, 张煌, 张三阳, 冯德仁, 周郁明
2020, 69 (7): 075202. doi: 10.7498/aps.69.20191909
摘要 +
大气压空气电火花激波等离子体射流的电子密度在亚微秒时间尺度上瞬变, 其电子密度的测定很难. 基于微波瑞利散射原理, 本文测量了空气电火花冲击波流注放电等离子体射流的时变电子密度. 实验结果表明: 测量系统的标定参数A为1.04 × 105 V·Ω·m–2; 空气流注放电等离子体射流的电子密度与等离子体射流的半径和长度有关, 结合高速放电影像展示的等离子体射流的等效半径和等效长度, 测定的电子密度在1020 m–3的量级, 且随时间先快速增长至峰值再成指数衰减. 此外, 本文还探讨了等离子体射流的不同等效尺度对测定结果的影响; 分析结果表明, 采用时变等效半径和时变等效长度的计算结果最有效, 且第1个快速波峰是由光电离的电离波导致的.
空气中单丝和丝阵电爆炸特性的比较
李琛, 韩若愚, 刘毅, 张晨阳, 欧阳吉庭, 丁卫东
2020, 69 (7): 075203. doi: 10.7498/aps.69.20191797
摘要 +
本文开展了500 J储能下、大气空气介质中微秒脉冲电流源驱动平面型铜丝阵负载电爆炸放电特性研究, 并与铜单丝电爆炸进行了比较. 实验中保持铜电极间距2 cm不变, 选择2—16根直径100 μm的铜丝组成平面型铜丝阵, 同时选择直径50—400 μm的单根铜丝作为对照, 对电爆炸过程中负载电压、回路电流与光辐射强度进行测量, 计算得到电功率、沉积能量等参数, 研究质量变化对铜导体电爆炸过程的影响规律; 特别地, 对于相同质量下单丝与丝阵负载情况进行比较. 实验结果表明, 随着质量增加, 单丝电爆炸气化与电离过程变缓, 宏观表现为电压峰值时刻延后、半高宽增大(约0.07 μs增至约0.64 μs); 与之不同, 虽然丝阵电爆炸时刻随质量增加延后, 但气化与电离持续时间变化不明显, 电压峰半高宽稳定在0.11 ± 0.01 μs, 且击穿发生前丝阵负载沉积能量低于同质量单丝负载. 光辐射强度方面, 丝阵电爆炸光辐射强度比三次同质量下单丝电爆炸分别强约28%, 49%和52%. 造成单丝与丝阵电爆炸过程差异的原因可能有两个方面: 一是比表面积的差异使得细丝的相变过程更加迅速, 表现为相同质量下细丝丝阵比粗单丝爆炸过程快; 二是热/磁流体不稳定性在丝阵与单丝中发展程度不同, 表现为光强-时间曲线的差异.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
链状Pt-Ni纳米颗粒的制备、表征及高效电催化性能
徐克欣, 夏田雨, 周亮, 李顺方, 蔡彬, 王荣明, 郭海中
2020, 69 (7): 076101. doi: 10.7498/aps.69.20200343
摘要 +
开发高效、稳定的电催化剂是燃料电池走向实用的关键. 为了解决催化剂因尺寸效应引起的催化活性和稳定性之间的矛盾, 采用简便的一步溶剂热法设计合成了具有一维链状结构的Pt-Ni合金纳米颗粒催化剂. 链状Pt-Ni纳米颗粒由平均尺寸约为10 nm的纳米颗粒和直径约为3 nm, 长度为几百纳米的纳米线组装而成, 该结构具有零维纳米颗粒高的比表面积和一维纳米线高的结构稳定性优势, 可显著提高甲醇氧化反应的催化活性和稳定性, 其质量活性和比活性分别是商业Pt/C纳米催化剂的5.7倍和7.6倍. 经1000圈循环伏安测量后仍保留91.2 %的比活性, 远高于商业Pt/C的4.4%. 制备的一维链状结构很好地解决了纳米颗粒催化剂在反应中的团聚问题, 为获得同时具有较高催化活性和稳定性的Pt基纳米催化剂提供了新的途径, 有望实现大范围工业化应用.
改进分析型嵌入原子法在W(100)表面声子谱中的应用
张晓军, 王安祥, 严祥安, 陈长乐
2020, 69 (7): 076301. doi: 10.7498/aps.69.20191910
摘要 +
$\bar \Gamma \bar L$$\bar L\bar M$$\bar \Gamma \bar M$对称方向上的声子色散频谱, 并计算不同对称点处的极化矢量. 按照表面模的判定依据和标记方法绘制不同对称方向上的表面模, 并讨论表面模的分布范围和模式耦合现象. 基于计算所得的极化矢量, 构建近表面原子层的振动态分布, 分析不同对称方向上表面模的局域特征和极化方式. 以极化矢量为考察对象, 直观、形象地展示了表面模色散支之间的避免交叉现象和独立性实交叉现象.">在表面晶格动力学理论的框架下, 采用改进分析型嵌入原子法模型模拟W(100)表面沿$\bar \Gamma \bar L$$\bar L\bar M$$\bar \Gamma \bar M$对称方向上的声子色散频谱, 并计算不同对称点处的极化矢量. 按照表面模的判定依据和标记方法绘制不同对称方向上的表面模, 并讨论表面模的分布范围和模式耦合现象. 基于计算所得的极化矢量, 构建近表面原子层的振动态分布, 分析不同对称方向上表面模的局域特征和极化方式. 以极化矢量为考察对象, 直观、形象地展示了表面模色散支之间的避免交叉现象和独立性实交叉现象.
a-Si:H薄膜中SiyHx结构组态的原子模拟研究
翟世铭, 廖黄盛, 周耐根, 黄海宾, 周浪
2020, 69 (7): 076801. doi: 10.7498/aps.69.20191275
摘要 +
氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)中SiyHx结构组态对薄膜应用性能有重要影响, 然而现有的分析测试手段难以对其进行深入细致的研究. 本文运用分子动力学方法模拟分析了a-Si:H/c-Si薄膜中SiyHx结构组态, 以及衬底温度对其含量的影响; 并进一步运用第一性原理方法计算了各SiyHx组态中的Si-H键能. 结果发现a-Si:H薄膜中SiyHx结构可以归纳为六种组态. 三类为以化学键结合的SiHx组态, 包括SiH, SiH2和SiH3; 另外三类为以物理键结合的HSiy组态, 包括HSi2(s), HSi2(l)和HSi3. 键能结果反映出六种组态的稳定性由高到低的顺序为SiH > SiH2 > SiH3 > HSi2(s) > HSi2(l) > HSi3. HSiy组态中Si-H键能在太阳光中的可见光和红外线的能量范围内, 阳光照射引起HSiy组态中的Si-H物理键断裂, 是非晶硅薄膜电池产生S-W(Steabler-Wronski)效应的主要机理. 另外, 薄膜沉积过程中衬底温度的升高将导致各类SiyHx组态含量大幅降低.
机械剥离折叠石墨烯粘附与纳米摩擦性质
邓剑锋, 李慧琴, 于帆, 梁齐
2020, 69 (7): 076802. doi: 10.7498/aps.69.20191825
摘要 +
本文用原子力显微镜研究了空气和氮气两种不同气氛环境下的机械剥离石墨烯粘附力, 发现氮气环境下的粘附力更小, 且石墨烯边缘的粘附力比内部区域大. 在氮气环境下探究了折叠石墨烯粘附力与层数的关系及其摩擦性能, 结果表明粘附力与折叠石墨烯层数无明显关系, 折叠石墨烯各区域的摩擦性能都远超二氧化硅基底, 且单层、单层上折叠、双层以及双层上折叠区域的摩擦系数依次降低, 分别为0.049, 0.031, 0.023和0.021, 摩擦力也依次降低, 折叠处由于层与层之间的结合力弱于相同层数的石墨烯, 摩擦性能有所降低, 但未发现粘附力与摩擦力之间的明显关系. 在采用尖针和球针测量粘附力时, 测量历史不会对后续粘附力产生明显影响. 对空气环境下出现的新鲜折叠石墨烯的研究表明新鲜折叠石墨烯的折叠区域摩擦力较未折叠区域显著增大.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
钙钛矿电池纳米陷光结构的研究进展
潘恒, 陈沛润, 石标, 李玉成, 高清运, 张力, 赵颖, 黄茜, 张晓丹
2020, 69 (7): 077101. doi: 10.7498/aps.69.20191660
摘要 +
随着材料性能的不断提升, 近年来纳米陷光结构在钙钛矿电池中的应用受到越来越多的关注. 纳米陷光结构的引入可以改变光子在电池中的传输路径以及被电池吸收的光子能量. 将纳米陷光结构用于钙钛矿电池中的不同界面可以不同程度地增加电池对光的吸收, 最终提升电池效率. 如何有效地应用陷光结构是进一步提升钙钛矿电池转换效率的关键问题之一. 本文从阐述具有不同纳米陷光结构的钙钛矿电池性能出发, 对不同结构进行了对比与总结, 并分析了其中的优势与劣势.
量子点-Su-Schrieffer-Heeger原子链系统的电子输运特性
张蓝云, 薛海斌, 陈彬, 陈建宾, 邢丽丽
2020, 69 (7): 077301. doi: 10.7498/aps.69.20191871
摘要 +
Su-Schrieffer-Heeger(SSH)原子链是典型的具有拓扑边缘态的一维系统, 并且已在光子和冷原子系统中实验实现. 本文在紧束缚近似下, 利用传输矩阵方法研究了量子点-SSH原子链系统的电子输运特性, 这里, 量子点的作用是调节SSH原子链与电极的隧穿耦合强度. 当量子点与SSH原子链弱耦合时, 量子点-SSH原子链系统的四重简并边缘态对应SSH原子链存在边缘态的情形, 而其二重简并边缘态对应SSH原子链不存在边缘态的情形; 当量子点与SSH原子链强耦合时, 其边缘态仅在胞内跳跃振幅大于胞间跳跃振幅情形下存在, 此时, SSH原子链不存在边缘态. 尤其是, 当量子点-SSH原子链系统与外加电极之间为强隧穿耦合时, 其边缘态的电子共振透射峰的个数将减少2, 例如: 对于四重简并的边缘态, 即SSH原子链存在边缘态的情形, 其电子共振透射峰的个数将变为2; 而对于二重简并的边缘态, 即SSH原子链不存在边缘态的情形, 其电子的共振透射峰将消失. 因而, 可以通过调节量子点与SSH原子链、外加电极之间的隧穿耦合强度, 观察边缘态电子共振透射峰的个数变化情况来判断SSH原子链是否处于非平庸拓扑态.
AlGaN/GaN高电子迁移率器件外部边缘电容的物理模型
刘乃漳, 张雪冰, 姚若河
2020, 69 (7): 077302. doi: 10.7498/aps.69.20191931
摘要 +
AlGaN/GaN HEMT外部边缘电容Cofd是由栅极垂直侧壁与二维电子气水平壁之间的电场构成的等效电容. 本文基于保角映射法对Cofd进行物理建模, 考虑沟道长度调制效应, 研究外部偏置、阈值电压漂移和温度变化对Cofd的影响: 随着漏源偏压从零开始增加, Cofd先保持不变再开始衰减, 其衰减速率随栅源偏压的增加而减缓; AlGaN势垒层中施主杂质浓度的减小和Al组分的减小都可引起阈值电压的正向漂移, 正向阈值漂移会加强沟道长度调制效应对Cofd的影响, 导致Cofd呈线性衰减. 在大漏极偏压工作情况下, Cofd对器件工作温度的变化更加敏感.
Majorana准粒子与超导体-半导体异质纳米线
于春霖, 张浩
2020, 69 (7): 077303. doi: 10.7498/aps.69.20200177
摘要 +
Majorana准粒子是凝聚态物理版本的Majorana费米子. 由于Majorana准粒子间的交换操作服从非阿贝尔统计, 并基于此可构建更稳定的量子计算机, 近年来在凝聚态物理界引起广泛关注. 为帮助初学者快速理解Majorana准粒子的形成机理, 本文回顾了在一维超导体-半导体异质纳米线系统中Majorana准粒子模型的提出和理论演化过程, 介绍Kitaev链模型并分析了模型中各要素所起的作用. 还介绍了典型Majorana器件的构成和测量方法, 并结合最新的实验进展对探测到的零能电导峰进行了分析和述评. 最后对超越一维系统的超导体-半导体异质系统的实验前景进行了展望.
快重离子辐照对YBa2Cu3O7–δ薄膜微观结构及载流特性的影响
刘丽, 刘杰, 曾健, 翟鹏飞, 张胜霞, 徐丽君, 胡培培, 李宗臻, 艾文思
2020, 69 (7): 077401. doi: 10.7498/aps.69.20191914
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${J_c} \propto {B^{ - \alpha }}$进行拟合. 指数α随着注量的增加而降低, 当注量为5.0 × 1011 ions/cm2时已由最初的0.784降低至0.375, 说明临界电流密度对磁场的依赖关系大大减弱. 当辐照注量为8.0 × 1010 ions/cm2时, 潜径迹对磁通涡旋的钉扎效果最佳, 在该注量下, 高场(B > 0.3 T)下临界电流密度达到最大值且钉扎力提升了近两倍, 临界转变温度无明显变化(ΔTon ≈ 0.5 K). 实验结果表明, 快重离子辐照产生的潜径迹可以在不影响临界转变温度的前提下有效改善磁场下超导载流能力.">钇钡铜氧(YBCO)高温超导材料在能源、交通等方面具有广泛的应用前景, 然而强磁场下出现的低临界电流密度问题严重限制了其应用. 利用快重离子辐照技术可在YBCO中形成潜径迹对磁通涡旋进行钉扎, 从而有效改善其在磁场下的超导性能. 本文利用能量为1.9 GeV的Ta离子对YBCO高温超导薄膜进行辐照, 系统地研究了不同离子注量下YBCO薄膜的微观结构及磁场下电流传输特性的变化情况. 研究表明, Ta离子辐照在薄膜中沿入射路径方向产生贯穿整个超导层的一维非晶潜径迹, 其直径在5 nm到15 nm之间. 结合Higuchi模型分析了快重离子辐照对薄膜中磁通钉扎机制的影响. 研究发现: 在原始样品中本征面缺陷钉扎是主要的钉扎机制; 随着辐照注量的增加, 薄膜中的钉扎类型逐渐转变为由快重离子辐照引入的正常相缺陷钉扎. 临界电流密度与磁场的关系可用函数${J_c} \propto {B^{ - \alpha }}$进行拟合. 指数α随着注量的增加而降低, 当注量为5.0 × 1011 ions/cm2时已由最初的0.784降低至0.375, 说明临界电流密度对磁场的依赖关系大大减弱. 当辐照注量为8.0 × 1010 ions/cm2时, 潜径迹对磁通涡旋的钉扎效果最佳, 在该注量下, 高场(B > 0.3 T)下临界电流密度达到最大值且钉扎力提升了近两倍, 临界转变温度无明显变化(ΔTon ≈ 0.5 K). 实验结果表明, 快重离子辐照产生的潜径迹可以在不影响临界转变温度的前提下有效改善磁场下超导载流能力.
三重简并拓扑半金属磷化钼的时间分辨超快动力学
姜聪颖, 孙飞, 冯子力, 刘世炳, 石友国, 赵继民
2020, 69 (7): 077801. doi: 10.7498/aps.69.20191816
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拓扑半金属磷化钼(MoP)同时具有三重和二重简并费米子. 为了研究其费米面以上的激发态超快动力学特性, 对其进行了时间分辨超快泵浦-探测实验. 获得了MoP的准粒子动力学, 包含来源于电子-声子散射的快分量, 寿命为0.3 ps, 以及来源于声子-声子散射的慢分量, 寿命为150 ps. 温度依赖的研究表明, 快分量和慢分量的弛豫寿命均随着温度的增加产生微小增大. 同时还激发并探测到一支相干态声学支声子, 其由热应力引起, 频率为0.033 THz且不随温度而改变. 对于MoP激发态准粒子超快动力学以及相干态声子的研究为理解该体系总体的激发态超快动力学特性以及电子-声子相互作用对温度的依赖提供了有益的实验依据.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究
董世剑, 郭红霞, 马武英, 吕玲, 潘霄宇, 雷志锋, 岳少忠, 郝蕊静, 琚安安, 钟向丽, 欧阳晓平
2020, 69 (7): 078501. doi: 10.7498/aps.69.20191557
摘要 +
本文利用60Co γ射线, 针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor, HEMT)器件, 开展了在不同偏置下器件电离辐照总剂量效应实验研究. 采用1/f噪声结合直流电学特性参数对实验结果进行测量分析, 分析结果表明, 受到辐照诱生氧化物缺陷电荷与界面态的影响, 当辐照总剂量达到1Mrad(Si)时, 零偏条件下AlGaN/GaNHEMT器件的电学参数退化得最大, 其中, 饱和漏电流减小36.28%, 最高跨导降低52.94%; 基于McWhorter模型提取了AlGaN/GaNHEMT器件辐照前后的缺陷密度, 零偏条件下辐照前后缺陷密度变化最大, 分别为4.080 × 1017和6.621 × 1017cm–3·eV–1. 其损伤机理是在氧化物层内诱生缺陷电荷和界面态, 使AlGaN/GaNHEMT器件的平带电压噪声功率谱密度增加.