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Ca5N4高压新相的第一性原理研究
时旭含, 李海燕, 姚震, 刘冰冰
2020, 69 (6): 067101. doi: 10.7498/aps.69.20191808
摘要 +
通过在氮中引入杂质离子, 利用高压手段获得具有新奇结构的多氮化合物是目前被广泛应用的研究方法. 钙氮材料在催化、光电方面有着广泛的应用. 具有较低电离能的钙(Ca)元素很容易和氮原子形成离子键钙氮化物. 高压为寻找新型钙氮化合物提供了全新的技术途径. 因此, 利用高压方法, 通过改变配比的方式, 寻找具有新奇特性的钙氮高压结构, 是一项非常有意义的工作. 本文利用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 在100 GPa条件下, 通过预测得到了一个稳定的Ca5N4相. 该结构内部氮原子之间以N—N共价单键键合, 氮原子和钙原子之间是离子键相互作用, 且钙氮之间的电荷转移量为1.26 e/N atom. 能带结构计算表明P 21/c-Ca5N4是一个直接带隙为1.447 eV的半导体结构. 最后, 系统地给出了该结构的拉曼振动光谱, 并指认了拉曼振动模式, 为实验合成该结构提供了理论指导.

特邀综述

  

特邀综述

非晶态物质原子局域连接度与弛豫动力学
武振伟, 汪卫华
2020, 69 (6): 066101. doi: 10.7498/aps.69.20191870
摘要 +
非晶态物质的本质及形成过程是凝聚态物理领域最困难也是最有趣的问题之一. 非晶形成过程在原子结构上不会衍生出人们在传统晶体结构里所熟悉的长程有序性, 因此对于此类在自然界中广泛存在的物质形态, 至今还没有有效的实验表征手段和理论研究方法. 非晶态物质的原子结构及其构效关系的研究是凝聚态物理和材料科学等众多研究领域所关注的热点问题之一. 随着对非晶态物质物性研究的深入, 人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程序对系统性质的重要影响, 建立以中程序为基础的结构-动力学关系对于理解玻璃及玻璃转变的本质起着重要的作用. 本文简要综述了基于图论提出的原子局域连接度这一新的结构序参量在液体和玻璃的结构及构效关系研究中的应用. 新的结构序参量从过去侧重于关注局域原子团簇的种类和分布, 转移到更加关注某一类具有特殊对称性的原子的空间连接情况, 即更多地尝试从原子中程序的角度来建立非晶态物质中的构效关系. 新的研究结果表明, 局域连接度可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系.

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基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发
叶炜, 郭迎, 夏莹, 钟海, 张欢, 丁建枝, 胡利云
2020, 69 (6): 060301. doi: 10.7498/aps.69.20191689
摘要 +
相比于离散变量量子密钥分发, 连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势, 但是在安全传输距离上却略有不足. 尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能, 尤其在安全传输距离方面有着显著的提升, 然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知. 鉴于上述分析, 本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案, 试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能. 研究结果表明, 在相同参数下, 当优化量子催化引入的透射率T, 相比于原始四态调制协议, 所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能. 特别是, 对于可容忍过噪声为0.002, 量子催化可将安全通信距离突破300 km, 密钥率为 10–8 bits/pulse, 而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果. 此外, 为了彰显量子催化的优势, 本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界, 仿真结果表明, 虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界, 但是相比于前者, 后者能够在远距离通信上逼近于这种边界, 这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.

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表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性
王志鹏, 张峰, 杨嘉炜, 李鹏涛, 关宝璐
2020, 69 (6): 064203. doi: 10.7498/aps.69.20191793
摘要 +
液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等, 同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性, 本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构, 并开展了阵列的热特性实验研究. 对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响, 实验结果表明, 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%, 热阻降低26.75%; 同时, 激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高, 出光孔与周围温差小于0.5 ℃. 综上所述, VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散, 而且降低了有源区结温, 提高了VCSELs激光器阵列热特性, 为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础.

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光学共振增强的表面铯激活银纳米结构光阴极
彭新村, 王智栋, 邓文娟, 朱志甫, 邹继军, 张益军
2020, 69 (6): 068501. doi: 10.7498/aps.69.20191420
摘要 +
金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值, 但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低. 本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度, 提升光吸收率和电子的输运效率, 并利用激活层降低银的功函数, 从而增强光阴极在可见光区的量子效率. 采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性, 采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球, 紧接着在其表面沉积制备铯激活层, 最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率. 实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%, 为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍, 峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合.

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基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量
吴彬, 周寅, 程冰, 朱栋, 王凯楠, 朱欣欣, 陈佩军, 翁堪兴, 杨秋海, 林佳宏, 张凯军, 王河林, 林强
2020, 69 (6): 060302. doi: 10.7498/aps.69.20191765
摘要 +
目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差, 不能应用于野外进行绝对重力测量, 这限制了原子重力仪的应用领域. 本文利用自研的小型化原子重力仪, 集成了一套车载绝对重力测量系统. 该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成. 首先, 本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估, 发现在野外40 ℃高温、8°大倾角普通路面的环境下, 该系统仍然能够正常工作; 其次, 介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法, 并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响. 最后, 在野外平坦路面上进行了重复测线工作, 评估了系统的内符合绝对重力测量精度, 结果约为30 μGal; 在野外大倾角山体路面, 通过测量不同海拔高度点的绝对重力值, 得到了地球的垂直重力梯度值, 约为–231(36) μGal/m. 本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.

封面文章

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控
张松然, 何代华, 涂华垚, 孙艳, 康亭亭, 戴宁, 褚君浩, 俞国林
2020, 69 (5): 057301. doi: 10.7498/aps.69.20191330
摘要 +
$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.">窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料. 本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层, 将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试, 在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应. 对填充因子与磁场倒数进行线性拟合, 获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为$ {n_{\rm{s}}} = 1.25 \times {10^{16}}~{{\rm{m}}^{ - 2}}$. 在不同磁场下, 利用压电陶瓷对样品进行应力调控, 观测到具有不同特征的现象, 分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道. 零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变; 而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.

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脉冲强磁场下的电极化测量系统
刘婉馨, 陈瑞, 刘永杰, 王俊峰, 韩小涛, 杨明
2020, 69 (5): 057502. doi: 10.7498/aps.69.20191520
摘要 +
多铁性材料是当前物质科学研究的热点, 具有重要的科学研究意义和应用前景. 低温和强磁场实验环境为研究多铁性材料提供了一种有效途径. 脉冲强磁场下的电极化测量系统能实现最高磁场强度60 T、最低温度0.5 K的铁电特性测量. 该系统采用热释电方法, 具有磁场强度高、控温范围广、转角测量等特点, 可用于强磁场下的磁电特性研究. 本文介绍了该系统的测量装置和实验原理, 并展示了其在多铁性材料研究中的一系列应用, 揭示了脉冲强磁场电极化测量系统在磁电特性探索中的重要作用.

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基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强
王晓雷, 赵洁惠, 李淼, 姜光科, 胡晓雪, 张楠, 翟宏琛, 刘伟伟
2020, 69 (5): 054201. doi: 10.7498/aps.69.20191531
摘要 +
为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率, 设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针, 用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦. 研究表明, 对于频率为0.1 THz的入射波, 厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20 μm左右(λ/150), 探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍. 研究还发现, 周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.

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石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究
白家豪, 郭建刚
2020, 69 (5): 056201. doi: 10.7498/aps.69.20191730
摘要 +
界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素, 因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要. 考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响, 本文提出了二维非线性剪滞模型. 对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况, 利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题. 在弹性粘结阶段, 导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式, 分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律. 导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变, 结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变, 并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响. 基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型 (FEM), 研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律. 与一维非线性剪滞模型的结果对比表明, 当石墨烯宽度较大时, 二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别, 但石墨烯宽度很小时, 二维模型可近似被一维模型代替. 最后, 通过与拉曼实验结果的对比, 验证了二维非线性剪滞模型的可靠性, 并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基底结构的界面刚度 (100 TPa/m) 和界面剪切强度 (0.295 MPa).
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