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Vol. 70, No. 1 (2021)

2021年01月05日

专题

超导及其应用

超导及其应用专题编者按

DOI: 10.7498/aps.70.010101   

     超导及其应用专题编者按DOI: 10.7498/aps.70.010101  1911 年荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes 首次在金属汞中发现超导现象以来, 超导作为人类发现的第一个宏观量子现象已经有百余年的研究历史. 在这百余年的时间里, 人们对传统的低温超导材料的认识及应用已经取得了巨大的成就, 尤其是关于其超导机理的BCS 理论的建立极大地推动了凝聚态物理的发展. 在铜氧化物高温超导体发现后的近三十余年里, 源于对其机理的研究开辟了基础物理新的领域, 也为超导体的应用带来了新的技术. 然而, 非常规高温超导机理的研究和高临界参数的新超导体的探索仍面临许多挑战.

         20 世纪80 年代, 铜氧化合物高温超导体的发现为超导研究开辟了一个全新的领域, 在全世界范围内掀起了高温超导研究的热潮. 以赵忠贤院士为代表的中国科学家在铜氧化物高温超导体研究领域做出了重要贡献, 为我国在国际超导界赢得了一席之地. 因铜氧化物高温超导体的发现, 1987 年“三月会议”(March Meeting) 盛况空前, 堪比于音乐界的“摇滚乐狂欢节” (“WoodstockFestival”). 在这次会议上, 赵忠贤先生作为会议特邀的五个科学家之一代表我国介绍了工作,确立了我国在高温超导研究领域中的重要国际地位. 当时, 以赵忠贤先生为代表的老一辈科学家在高温超导研究中取得的成绩激励了国内一大批年轻人(也包括笔者和本专题中许多文章的撰写人) 从事超导相关的研究, 这批“年轻人”现在也大多成为了我国在超导研究领域的中坚力量. 多年来, 国家对基础研究持续投入, 超导研究的基础条件有了长足的进步. 同时, 培养了一批在超导研究领域中具有国际影响力的学者, 我国的超导研究也逐渐走到了世界的前列. 2008 年, 赵忠贤先生和经历铜氧化物高温超导研究培养出来的中坚力量齐心协力, 在铁基高温超导体的研究中再次取得重大突破, 引领了高温超导研究的第二次“热潮”, 实现了我国在高温超导研究领域的全面赶超.

        在经历了两次高温超导研究的“热潮”之后, 超导研究领域又面临着新的思考, 未来超导研究将如何发展, 这是摆在超导研究人员面前一个必须回答的问题. 这使我想起了早在1986 年铜氧化物高温超导体发现之前, 《物理》杂志1977 年刊登了赵忠贤先生题为“探索高临界温度超导体”的文章(见: 赵忠贤 1977 《物理》6(4): 211—215). 也许正是这种前瞻性的思考和积累, 才有我国在1986 年和2008 年两次非常规高温超导体研究中取得的成绩和地位. 我们应该有前瞻性的思维和布局, 超导作为一种宏观量子现象, 非常规高温超导的物理机理还没有完全解决, 这不但需要理论物理学家的努力, 也需要实验物理学家和材料科学家的齐心协力. 在未来的若干年里, 这一领域仍然是超导研究的重心之一, 高温超导体新材料的发现是极可能实现重大突破的方向. 在应用方面, 超导材料已经被广泛地应用于我们的生活、科研和生产等许多方面(如: 医院核磁共振成像、大科学装置和实验室的各种超导磁体等), 尤其是高温超导体已开始得到应用, 如超导电磁感应加热应用于铝锭的加工和电网限流器等. 超导材料的广泛应用将会极大改善我们人类的生活品质, 大力开展超导应用领域的研究将是未来超导研究的另一个重要方向. 此外, 超导体还具备许多特殊的“新性质”,例如拓扑超导被视为实现未来量子计算的重要方案之一. 超导体的这些“新性质”也将在未来有重要的发展, 这些“新性质”的潜在应用可提供相关的超导解决方案, 从而实现一些核心技术方面的突破,对其开展研究是未来超导研究的又一重要方向.

         为进一步促进我国在超导研究领域的发展, 作为我国中文物理类学术期刊中影响面最广、影响力最大的刊物, 《物理学报》组织出版了“超导及其应用”专题. 本专题针对上述超导研究方向, 邀请了相关领域国内有代表性的学者进行专题评论, 很好地梳理了相关方向的近期进展, 内容紧贴当前的研究前沿, 为我国超导领域的研究人员提供了一个全面的参考资料, 非常及时和必要. 最后, 希望以此专题为契机, 激发国内超导领域的同行对超导未来的发展开展广泛的讨论和思考, 促进我国超导研究事业全面发展. 
客座编辑: 陈仙辉  中国科学技术大学 物理学报.2021, 70(1).
专题: 超导及其应用
专题
总论 核物理学 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
专题: 超导及其应用

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超导及其应用专题编者按
2021, 70 (1): 010101. doi: 10.7498/aps.70.010101
摘要 +

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探索非常规高温超导体
胡江平
2021, 70 (1): 017101. doi: 10.7498/aps.70.20202122
摘要 +
近年来, 在理解铜基和铁基非常规高温超导体共性的基础上, 提出了非常规高温超导体电子结构基因的概念, 指出实现高温超导, 需要“参与强反铁磁超交换耦合的d电子轨道独立于其他轨道单独出现在费米能级附近”. 本文总结这方面的进展, 讨论几类满足高温超导基因的结构以及和此类基因匹配的可能材料, 探讨寻找非常规高温超导体新体系的可能性.

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自旋涨落与非常规超导配对
李建新
2021, 70 (1): 017408. doi: 10.7498/aps.70.20202180
摘要 +
铜氧化物高温超导、铁基高温超导、重费米子超导和κ-型层状有机超导等超导体的超导态都与磁性有序态相邻, 且超导能隙在动量空间一般存在变号. 因此, 这些超导体的超导机理被认为有别于常规BCS超导中的电子交换声子导致的各向同性s-波配对. 在这些非常规超导中, 自旋涨落被认为是导致电子形成库珀对的主要起源之一. 本文主要以铜基和铁基高温超导为例简要综述非常规超导中的自旋序和自旋涨落性质, 二维哈伯徳模型中超导的起因及在解释铜基和铁基高温超导配对对称性的应用, 以及与非常规超导紧密相关的中子自旋共振模性质和理论解释. 我们认为, 尽管磁性和超导性的相互影响已经过多年研究, 但仍是当前一个富有挑战的活跃研究领域.

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高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究
赵林, 刘国东, 周兴江
2021, 70 (1): 017406. doi: 10.7498/aps.70.20201913
摘要 +
超导是一种奇异的宏观量子现象. 100多年来, 已发现的超导体主要分为两类: 以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体. 常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释, 但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识, 已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题. 从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构, 是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础. 角分辨光电子能谱技术, 由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量, 在高温超导研究中发挥了重要的作用. 本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展, 主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等. 这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.

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高温超导体组合薄膜和相图表征高通量方法
金魁, 吴颉
2021, 70 (1): 017403. doi: 10.7498/aps.70.20202102
摘要 +
铜氧化物超导体和铁基高温超导体是已知的两类高温超导体, 研究高温超导机理是如今超导领域最具有挑战性的前沿课题. 构建高温超导的高维精确相图、寻找决定超导转变温度的关键物理量可以为高温超导机理做好实验铺垫. 对于铜氧化物高温超导体, 多种自由度的相互关联与耦合使其相图呈现出复杂性与多样性. 现有的研究方法在构建高维“全息”相图及获取定量化物理规律等方面面临着难以克服的困难, 而材料的高通量制备与表征技术可以在相图空间实现参量的线扫描甚至面扫描, 有望快速建立可靠的高温超导高维相图和高温超导关键参量数据库, 并从中提取重要的统计物理规律. 本文从阳离子掺杂、母体氧掺杂、双电层晶体管(静电场/电化学)、磁场等几个调控维度, 回顾了主要基于输运手段获得的铜氧化物电子态相图, 介绍了基于脉冲激光沉积技术和分子束外延技术的组合薄膜生长方法以及与之匹配的跨尺度选区输运测量技术, 展示了高通量技术在高温超导研究中的初步应用. 高通量实验技术与超导研究结合, 逐步形成了新兴的高通量超导研究范式, 将在构建高维精确相图、突破高温超导机理、推进超导材料实用化等方面发挥不可替代的作用.

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铁基超导体的输运性质
李妙聪, 陶前, 许祝安
2021, 70 (1): 017404. doi: 10.7498/aps.70.20201836
摘要 +
$T_{\rm{c}}$以上的超导位相涨落并不明显, 与铜氧化物超导体存在明显差别. 在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质, 并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到, 镍基超导体表现得更像一个通常的金属. 这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联, 这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.">在铁基超导体中存在着多种有序态, 例如电子向列相和自旋密度波等, 从而呈现出丰富的物理现象. 输运性质的测量能为认识铁基超导体的低能激发提供极为有用的信息. 铁砷超导体由于其电子结构的多能带特性, 其电阻率和霍尔系数与温度的关系出现多样性的变化, 但在正常态并没有看到有类似铜氧化物超导体的赝能隙打开等奇异行为. 在空穴型掺杂的铁基超导体中观测到霍尔系数在低温下变号, 对应温区的电阻率上出现一个很宽的鼓包等, 可能是从非相干到相干态的转变. 热电势行为也表现出与铜氧化物超导体的明显差异, 比如铁基超导体的正常态热电势的绝对值反而在最佳掺杂区是最大的, 这也许跟强的带间散射有关. 能斯特效应表明铁基超导体在$T_{\rm{c}}$以上的超导位相涨落并不明显, 与铜氧化物超导体存在明显差别. 在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质, 并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到, 镍基超导体表现得更像一个通常的金属. 这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联, 这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.

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电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模
陈晨, 刘琴, 张童, 封东来
2021, 70 (1): 017401. doi: 10.7498/aps.70.20201673
摘要 +
作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态, Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点. 理论预言, Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中. 但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态, 这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难. 目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的. 本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜, 对电子掺杂铁硒类超导体(Li, Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究. 实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模, 并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导. 而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM)束缚态, 反映出s波对称性的特征. 这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台, 也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.

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重费米子超导理论和材料研究进展
李宇, 盛玉韬, 杨义峰
2021, 70 (1): 017402. doi: 10.7498/aps.70.20201418
摘要 +
重费米子超导体是一类典型的强关联和非常规超导系统, 超导的产生与量子临界涨落有着紧密的关系. 在实际材料中, 不同结构体系的重费米子超导体往往表现出非常不同的竞争序和超导性质, 表明f电子的行为对材料的结构特征具有敏感依赖性. 特别是最近几年的超导实验研究, 表明具体材料的实际电子结构对重费米子超导的性质具有重要影响. 本文将简要介绍几类典型重费米子体系的最新研究进展, 并结合实际材料的强关联能带结构计算、唯象量子临界涨落特征和Eliashberg超导理论, 发展新的重费米子超导唯象理论框架, 为探索非常规超导的微观机理提供新的思路.

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高压下富氢高温超导体的研究进展
孙莹, 刘寒雨, 马琰铭
2021, 70 (1): 017407. doi: 10.7498/aps.70.20202189
摘要 +
近年来, 高压强极端条件下的富氢化合物成为高温超导体研究的热点目标材料体系. 该领域目前取得了两个标志性重要进展, 先后发现了共价型H3S富氢超导体(Tc = 200 K)和以LaH10(Tc = 260 K, –13 ℃), YH6, YH9等为代表的一类氢笼合物结构的离子型富氢超导体, 先后刷新了超导温度的新纪录. 这些研究工作燃发了人们在高压下富氢化合物中发现室温超导体的希望. 本文重点介绍高压下富氢高温超导体的相关研究进展, 讨论富氢化合物产生高温超导电性的物理机理, 展望未来在富氢化合物中发现室温超导体的可能性并提出多元富氢化合物候选体系.

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高温超导体磁通钉扎和磁通动力学研究简介
闻海虎
2021, 70 (1): 017405. doi: 10.7498/aps.70.20201881
摘要 +
$ \psi = {\psi _{\rm{0}}}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\varphi }}$进行描述, 其相位φ在宏观尺度上是相同的. 当磁场低于一定值的时候, 在超导体的边界处穿透深度内会出现一个屏蔽电流来对抗外磁场的侵入, 样品处于迈斯纳态. 然而, 当磁场超过一定值的时候, 磁场会进入到超导体中, 迈斯纳态被破坏掉, 在超导体内形成超导区和正常区及其相应的界面. 根据此时这个界面处能量的正负, 把超导体分成I类和II类超导体, 分别对应正和负界面能. 目前发现的绝大多数超导体都是II类超导体, 因为界面能为负值, 因此进入到超导体的磁场会分离成最细小的单元, 以保证最大的界面面积, 降低系统能量. 该最小的磁通束被称为磁通量子, 其磁通量是$ {\varPhi _0} = h/2e$(h为普朗克常数, e为电子电量). 这些磁通线之间有一定的排斥力, 因此它们会形成点阵. 当外加输运电流的时候, 这些磁通线会受到一个洛伦兹力作用而运动, 但是运动就会造成能量的损耗, 超导体就会因此失去电阻为零的优良品质. 通过在超导体中引入一些缺陷、杂质或位错, 就可以把磁通钉扎住, 超导体仍然可以有零损耗特性, 而这个特性可以用于超导体的强电应用. 本文将对磁通钉扎和磁通动力学及其研究方法做一点简单介绍.">超导态是一个宏观量子相干态, 其载流子是库珀对. 在没有外加磁场和电流的时候, 这些库珀对的运动行为用统一的波函数$ \psi = {\psi _{\rm{0}}}{{\rm{e}}^{{\rm{i}}\varphi }}$进行描述, 其相位φ在宏观尺度上是相同的. 当磁场低于一定值的时候, 在超导体的边界处穿透深度内会出现一个屏蔽电流来对抗外磁场的侵入, 样品处于迈斯纳态. 然而, 当磁场超过一定值的时候, 磁场会进入到超导体中, 迈斯纳态被破坏掉, 在超导体内形成超导区和正常区及其相应的界面. 根据此时这个界面处能量的正负, 把超导体分成I类和II类超导体, 分别对应正和负界面能. 目前发现的绝大多数超导体都是II类超导体, 因为界面能为负值, 因此进入到超导体的磁场会分离成最细小的单元, 以保证最大的界面面积, 降低系统能量. 该最小的磁通束被称为磁通量子, 其磁通量是$ {\varPhi _0} = h/2e$(h为普朗克常数, e为电子电量). 这些磁通线之间有一定的排斥力, 因此它们会形成点阵. 当外加输运电流的时候, 这些磁通线会受到一个洛伦兹力作用而运动, 但是运动就会造成能量的损耗, 超导体就会因此失去电阻为零的优良品质. 通过在超导体中引入一些缺陷、杂质或位错, 就可以把磁通钉扎住, 超导体仍然可以有零损耗特性, 而这个特性可以用于超导体的强电应用. 本文将对磁通钉扎和磁通动力学及其研究方法做一点简单介绍.

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14 T全身超导MRI磁体的技术挑战 —大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一
蒋晓华, 薛芃, 黄伟灿, 李烨
2021, 70 (1): 018401. doi: 10.7498/aps.70.20202042
摘要 +
本文首先综述了大规模应用的超导磁体, 依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步, 向更强磁场发展的趋势. 着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术. 选择青铜Nb3Sn导线, 采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构, 对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析, 并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题. 根据分析结果认为: 1) Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题 —作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线, 其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距; 2) 14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节, 是最具挑战性的综合性技术.

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超导量子干涉器件
郑东宁
2021, 70 (1): 018502. doi: 10.7498/aps.70.20202131
摘要 +
超导现象是一种宏观量子现象. 磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象. 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件. SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用. 本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.

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中国超导电子学研究及应用进展
李春光, 王佳, 吴云, 王旭, 孙亮, 董慧, 高波, 李浩, 尤立星, 林志荣, 任洁, 李婧, 张文, 贺青, 王轶文, 韦联福, 孙汉聪, 王华兵, 李劲劲, 屈继峰
2021, 70 (1): 018501. doi: 10.7498/aps.70.20202121
摘要 +
超导体的发现距今已有近110年了, 高温超导体的发现也已经有30多年了. 超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展. 高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能, 已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用. 超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度, 成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段. 包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射, 具有接近量子极限的超高灵敏度, 在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用. 超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件. 超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图, 成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一. 在计量科学中, 超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中. 在当前的量子信息技术热潮中, 超导电子学扮演重要角色, 同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展. 本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.
总论

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耦合不同年龄层接触模式的新冠肺炎传播模型
王国强, 张烁, 杨俊元, 许小可
2021, 70 (1): 010201. doi: 10.7498/aps.70.20201371
摘要 +
搜集广东省自1月23日到2月16日期间944例新冠肺炎样本信息. 对确诊人群进行年龄特征分析, 将人群分为儿童组(0—5岁)、青少年组(6—19岁)、中青年组(20—64岁)、老年组(65岁及以上), 耦合不同年龄层的接触模式, 建立离散年龄结构新冠肺炎模型, 得出模型的基本再生数及最终规模. 通过蒙特卡罗数值算法(MCMC)辨识模型的参数、拟合累计病例数、计算消亡时间、感染峰值及到达时间等有关生物量. 研究发现中青年人群感染人数最多; 相比于居家模式, 社区模式下中青年人群感染峰值上升41%, 峰值推迟一周到达. 通过分析不同年龄层的最终规模在对应年龄层的占比, 发现老年人的易感性较高, 青少年的易感性相对较低. 在居家模式下, 若各年龄层患者能及时就诊, 住院峰值将进一步减少, 但住院高峰将提前一周到达. 此模型可揭示个体接触行为对新冠肺炎的传播的影响, 定量评价居家隔离措施的有效性.
实现散射场强整形的微散射体阵列逆向设计方法
王志鹏, 王秉中, 刘金品, 王任
2021, 70 (1): 010202. doi: 10.7498/aps.70.20200825
摘要 +
本文提出一种基于全介电微散射体的散射阵列结构逆向设计方法, 用以实现散射电场强度整形. 该方法基于空域傅里叶变换与角谱变换, 从给定目标区域处期望实现的散射场强分布出发, 逆向求得所需的感应源, 再利用电磁感应源理论, 逆向设计微散射体阵列, 且只需通过解析计算便能够快速地求取出微散射体阵列的电磁参数值分布. 基于提出的逆向设计方法, 文中提供了三维情况下的具体算例, 实现了给定方形面目标区域的散射场强整形. 理论计算结果与全波仿真结果符合良好, 表明本文提出的逆向设计方法具有可行性与有效性.
非对称自旋-轨道耦合系统的多体量子相干含时演化
邵雅婷, 严凯, 吴银忠, 郝翔
2021, 70 (1): 010301. doi: 10.7498/aps.70.20201199
摘要 +
本文以具有非对称性自旋相互作用的三体自旋系统为研究对象, 重点研究了三体量子相干含时演化规律. 采用精确量子对角化和基于量子主方程的数值模拟方法, 讨论了三体量子系统中多种量子相干组分及其退相干. 研究发现, 量子相干组分的含时演化与整个系统的初态量子特性紧密相关. 当初态为可分离纯态时, 在较短时间内, 非对称相互作用有利于增加多体量子相干度. 这些量子相干度因受噪声影响而逐渐衰减. 当初态为类Werner态时, 量子相干度的分布满足加和性, 即三体量子相干度等于所有两体量子相干度之和. 自旋之间非对称相互作用和环境噪声都会引起三体量子相干度大于所有两体量子相干度之和. 这些结论有助于多体量子资源的制备.
基于混合神经网络和注意力机制的混沌时间序列预测
黄伟建, 李永涛, 黄远
2021, 70 (1): 010501. doi: 10.7498/aps.70.20200899
摘要 +
为提高混沌时间序列的预测精度, 提出一种基于混合神经网络和注意力机制的预测模型(Att-CNN-LSTM), 首先对混沌时间序列进行相空间重构和数据归一化, 然后利用卷积神经网络(CNN)对时间序列的重构相空间进行空间特征提取, 再将CNN提取的特征和原时间序列组合, 用长短期记忆网络(LSTM)根据空间特征提取时间特征, 最后通过注意力机制捕获时间序列的关键时空特征, 给出最终预测结果. 将该模型对Logistic, Lorenz和太阳黑子混沌时间序列进行预测实验, 并与未引入注意力机制的CNN-LSTM模型、单一的CNN和LSTM网络模型、以及传统的机器学习算法最小二乘支持向量机(LSSVM)的预测性能进行比较. 实验结果显示本文提出的预测模型预测误差低于其他模型, 预测精度更高.
一种点光源的自适应束斑X射线衍射仪的研制
刘俊, 姜其立, 帅麒麟, 李融武, 潘秋丽, 程琳, 王荣
2021, 70 (1): 010701. doi: 10.7498/aps.70.20201228
摘要 +
为同时实现微米量级待测区域和毫米量级待测区域的物相分析, 以及对表面不平整样品准确的物相分析, 本实验室结合X射线衍射技术、CCD相机成像技术和毛细管微会聚X光调控技术, 研制了一款能根据待测区域大小自适应调节照射X射线束斑直径的点光源X射线衍射仪Hawk-II,其主要组成包括X射线源系统、六维联动运动系统、CCD相机、X射线探测系统和基于LabVIEW的软件控制系统. 为验证设备的可行性, 对表面不平整的人民币五角硬币进行分析, 发现Hawk-II测得的衍射图与标准PDF卡基本一致, 而帕纳科X-Pert Pro MPD测得的衍射图最大偏移角度高达0.52°. 对清代红绿彩瓷白釉和表面镀Cu, Fe的纳米材料采用不同直径的X射线束进行分析, 发现白釉的晶体分布较为均匀, 而纳米材料的表面镀膜不均匀. 应用Hawk-II分析一片西汉青铜, 根据其锈蚀点的大小自适应调节照射X射线束斑直径, 从而实现了物相的精确分析. 由分析结果可知, Hawk-II不仅拥有准确分析不规则样品的能力, 而且拥有从微米级到毫米级待测区域的物相分析能力, 并兼具能量色散X射线荧光分析功能, 在诸多领域具有广泛的应用前景.
宽带腔增强吸收光谱技术应用于大气NO3自由基的测量
段俊, 唐科, 秦敏, 王丹, 王牧笛, 方武, 孟凡昊, 谢品华, 刘建国, 刘文清
2021, 70 (1): 010702. doi: 10.7498/aps.70.20201066
摘要 +
NO3自由基是夜间大气化学中最重要的氧化剂, 控制着多种痕量气体成分的氧化及去除, 了解NO3自由基的化学过程对研究灰霾等大气污染过程意义重大. NO3自由基浓度低、活性强, 实现大气NO3自由基的高灵敏度准确测量相对困难. 本文介绍了大气NO3自由基的宽带腔增强吸收光谱定量方法, 采用红光LED作为宽带腔增强吸收光谱系统光源, 设计低损耗且适合国内高颗粒物环境的采样气路, 并通过LED光源测试确定最佳工作电流和温度; 通过采用白天的大气谱作为背景光谱参与NO3自由基的光谱拟合过程,减少水汽对NO3自由基光谱反演的干扰;通过对镜片反射率和有效腔长进行标定, 对系统性能进行Allan方差分析, 该宽带腔增强吸收光谱系统在光谱采集时间为10 s的情况下, NO3自由基极限探测灵敏度为0.75 pptv, 总测量误差约为16%. 在合肥开展了实际大气NO3自由基观测, 观测期间NO3自由基的浓度范围从低于探测限到23.4 pptv, NO3自由基浓度呈现夜间高、白天低的特征, 符合NO3 变化规律, 表明该宽带腔增强吸收光谱系统能够用于实际大气NO3自由基的高灵敏度测量.
核物理学
超级质子-质子对撞机中束流热屏的热-结构耦合模拟分析
范佳锟, 王洁, 高勇, 游志明, 王盛, 张静, 胡耀程, 许章炼, 王斌
2021, 70 (1): 012901. doi: 10.7498/aps.70.20200830
摘要 +
束流热屏(beam screen)是新一代高能粒子对撞机中的重要部件, 用于将束流在管道中运行时产生的热量转移到冷却系统中, 同时通过束流热屏上的排气孔将残余气体输送至冷管壁上, 维持良好的真空度. 然而, 在转移热负载的过程中, 温度变化产生的形变会影响束流热屏的结构稳定性. 如何在保证束流热屏良好传热性能的情况下, 尽量减小形变是优化束流热屏结构设计的关键问题之一. 本文采用ANSYS软件对束流热屏模型的传热性能和力学性能进行了模拟, 并优化了束流热屏结构设计, 增强其传热性能和结构稳定性. 对于束流热屏外屏的内表面, 采用减小铜涂层厚度的方式来降低运行过程中产生的洛伦兹力. 相关理论模型计算结果表明: 与厚度为100 μm的铜涂层工况相比, 当铜涂层的厚度在0到100 μm之间变化时, 厚度为75 μm的铜涂层可以使束流热屏外屏的最大形变降低70.9%, 同时使束流热屏的最高温度升高1.1%. 对于束流热屏内屏, 采用间隔布置支撑肋片的设计方案对束流热屏的结构进行加固处理, 提高束流热屏整体的结构稳定性. 计算结果表明: 与未加支撑肋片的工况相比, 当相邻两个支撑肋片之间的间隔为1个排气孔时, 束流热屏内屏的最大形变可降低86.8%, 同时使束流热屏的最高温度降低7.69%. 研究成果为新一代高能粒子加速器真空系统中关键部件束流热屏的设计提供重要的理论参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
基于宽波束磁电偶极子天线的宽角扫描线性相控阵列
杨浩楠, 曹祥玉, 高军, 杨欢欢, 李桐
2021, 70 (1): 014101. doi: 10.7498/aps.70.20201104
摘要 +
设计并加工了两款基于宽波束磁电偶极子天线单元的宽角扫描线性阵列. 首先,通过加载磁偶极子的方法拓展了天线单元的3-dB波束宽度. 然后, 基于该宽波束天线单元设计了两款具有良好宽角扫描特性的一维阵列天线. 实测结果表明,天线单元的E面方向图3-dB波束宽度在9GHz—12 GHz均大于107°, H面方向图3-dB波束宽度在7GHz—12 GHz均大于178°. E面阵列中心单元的有源驻波比在9GHz—13 GHz小于2, 相对阻抗带宽为36.36%. H面阵列中心单元的有源驻波比在9.6GHz—12.6 GHz小于2.5, 相对阻抗带宽为27.03%. E面阵列在9GHz—12 GHz可实现 ± 70°的有效宽角扫描. H面阵列在9GHz—GHz可实现 ± 90°的有效宽角扫描. 与传统的扫描阵列相比, 设计的阵列可实现有效宽带宽角扫描, 在X波段相控阵雷达方面具有广阔的应用前景.
电磁偏置各向异性石墨烯界面的传播矩阵
王飞, 魏兵
2021, 70 (1): 014102. doi: 10.7498/aps.70.20201089
摘要 +
基于电磁场边界条件和相位匹配, 推导出电、磁偏置下呈各向异性的石墨烯导电界面的传播矩阵, 并进一步给出各向异性石墨烯界面的反透射系数解析解; 该传播矩阵耦合了基本的横电波和横磁波极化, 并包括偏置电、磁场的影响. 将跨石墨烯界面传播矩阵嵌入各向同性分层介质传播矩阵, 获得的新传播矩阵可用于解析分析平面电磁波以任意角度入射含各向异性石墨烯界面层状介质时的传播和反透射特性, 并且为分层介质与各向异性导电界面复合结构的相关分析和设计提供了一种非常简单的工具.
带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强
崔涛, 王康妮, 高凯歌, 钱林勇
2021, 70 (1): 014201. doi: 10.7498/aps.70.20201017
摘要 +
导模共振光栅是一种典型的平面波导共振结构, 可在光栅表面或波导层内形成较强的局域电场, 能增强光与物质的相互作用. 本文在导模共振结构的光栅层和基底层之间, 引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层, 显著增强了局域电场与增益介质的接触度. 结果表明, 引入多孔二氧化硅后, 共振产生的电场增强区域上移至激光染料层, 增加了激光染料与电场的相互作用, 实现了激光出射增强. 本文基于时域有限差分法, 对结构参数进行分析优化, 研究了820 nm共振波长激发下的出射激光特性, 得到了连续的激光出射, 其能量阈值约为2.5 mJ/cm2, 线宽约为0.3 nm. 本文提出的结构实现了对表面局域电场的有效调控, 增强了激发光与增益介质的相互作用, 不但可应用于激光器, 还为其它发光器件的设计提供了参考.
基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器的设计
汪静丽, 陈子玉, 陈鹤鸣
2021, 70 (1): 014202. doi: 10.7498/aps.70.20200721
摘要 +
提出一种基于夹层结构的偏振无关1×2定向耦合型解复用器, 用于分离1310 nm和1550 nm两个波长. 通过合理选择夹层结构芯区的折射率及波导间隙, 可以调节同一波长两个正交偏振模的耦合长度相等, 实现偏振无关; 通过合理选择夹层结构波导宽度, 可以使两个波长分别从不同输出波导端口输出, 实现解复用功能. 运用三维有限时域差分法进行建模仿真, 对结构参数进行优化, 并对器件性能进行了分析. 结果表明: 该器件定向耦合波导的长度为23 μm, 插入损耗低至0.1 dB, 输出波导间的串扰低至–26.23 dB, 3 dB带宽可达290 nm和200 nm. 另外, 本文提出的器件采用Si3N4/SiO2平台, 可有效减小波导尺寸, 提高集成度, 不仅实现了偏振无关, 而且结构紧凑、损耗低, 在未来的集成光路中具有潜在的应用价值.
多层膜磁性微泡的非线性声振动特性
赵丽霞, 王成会, 莫润阳
2021, 70 (1): 014301. doi: 10.7498/aps.70.20200973
摘要 +
超顺磁性氧化铁纳米粒子与造影剂微泡结合形成磁性微泡, 用于产生多模态造影剂, 以增强医学超声和磁共振成像. 将装载有纳米磁性颗粒的微泡包膜层看作由磁流体膜与磷脂膜组合而成的双层膜结构, 同时考虑磁性纳米颗粒体积分数α对膜密度及黏度的影响, 从气泡动力学基本理论出发, 构建多层膜结构磁性微泡非线性动力学方程. 数值分析了驱动声压和频率等声场参数、颗粒体积分数、膜层厚度以及表面张力等膜壳参数对微泡声动力学行为的影响. 结果表明, 当磁性颗粒体积分数较小且α ≤ 0.1时, 磁性微泡声响应特性与普通包膜微泡相似, 微泡的声频响应与其初始尺寸和驱动压有关; 当驱动声场频率f为磁性微泡共振频率f0的2倍(f = 2f0)时, 微泡振动失稳临界声压最低; 磁性颗粒的存在抑制了泡的膨胀和收缩但抑制效果非常有限; 磁性微泡外膜层材料的表面张力参数K及膜层厚度d也会影响微泡的振动, 当表面张力参数及膜厚取值分别为0.2—0.4 N/m及50—150 nm时, 可观察到气泡存在不稳定振动响应区.
气体、等离子体和放电物理
具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构
邹秀, 刘惠平, 张小楠, 邱明辉
2021, 70 (1): 015201. doi: 10.7498/aps.70.20200794
摘要 +
很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数, 而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用, 使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当. 本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型, 理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据, 离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小. 经过数值模拟, 发现与具有麦克斯韦分布(q = 1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比, 具有超广延分布(q < 1)和亚广延分布(q > 1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同, 包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布. 模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响. 希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.
氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究
孙强, 周前红, 宋萌萌, 杨薇, 董烨
2021, 70 (1): 015202. doi: 10.7498/aps.70.20201206
摘要 +
三电极气体火花开关带有触发极, 相比两电极开关, 其开关导通的可控性较高, 工作电压较低且抖动小, 所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛. 本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究. 通过理论和数值计算发现, 对于平板-平板的两电极开关来说, 低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿, 高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注, 然后再形成由阳极向阴极的正流注. 而在三电极开关的击穿过程中, 首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿, 然后这个通道不断向阴阳极扩展, 最终形成阴阳极之间的电弧通道. 在本文的计算工况下, 如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话, 其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV, 而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV. 当考虑触发极的场致发射后, 该击穿阈值可以显著降低.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
柔性基周期性厚度梯度薄膜的应变效应
李会华, 张嘉辉, 余森江, 卢晨曦, 李领伟
2021, 70 (1): 016801. doi: 10.7498/aps.70.20201008
摘要 +
可控的表面微结构在柔性电子、仿生器件和能源材料等方面均具有重要的应用价值. 本文采用编织铜网作为掩模板, 利用磁控溅射技术在柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上制备具有周期分布的厚度梯度金属银薄膜, 研究了薄膜在单轴压缩/拉伸过程中的形貌演化规律. 实验发现, 在单轴机械载荷作用下, 银薄膜表面将形成相互垂直的条纹褶皱和多重裂纹. 膜厚的梯度变化调制了薄膜的面内应力分布, 导致褶皱在膜厚较小处率先形成, 并逐渐扩展到膜厚较大区域, 而裂纹则基本限定在膜厚较小区域. 基于应力理论和有限元计算, 对周期性厚度梯度薄膜的褶皱和裂纹的形貌特征、演化行为和物理机制进行了深入分析. 该研究将有助于加深对非均匀薄膜体系的应变效应的理解, 并有望通过梯度薄膜的结构设计在柔性电子等领域获得应用.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器
陈诚, 林书玉
2021, 70 (1): 017701. doi: 10.7498/aps.70.20201352
摘要 +
本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器, 它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成. 首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数; 其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路; 最后得到了换能器的六端机电等效电路, 从而得到了换能器的频率方程. 接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系, 采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟. 结果表明, 利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好. 此外, 对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究, 结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器, 发射电压响应幅值更大, 工作带宽提高接近一倍, 声匹配更佳.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
放疗绝对剂量的数学算法模型
谢天赐, 张彬, 贺泊, 李昊鹏, 秦壮, 钱金钱, 石锲铭, LewisElfed, 孙伟民
2021, 70 (1): 018701. doi: 10.7498/aps.70.20200986
摘要 +
本文提出一种通过物理模型计算放疗过程中每一个组织深度处绝对剂量的算法, 它可代替蒙特卡罗仿真的部分工作且耗费时间更少. 这个算法是基于对照射野内X射线产生电子的能量注量的积分运算, 并考虑了射线的能谱及二次散射线, 得到了后向散射对表面剂量的贡献比例, 同时得到前向散射、后向散射及原射线剂量贡献的关系. 比较了二次光子和二次电子的三维能谱, 得出该能谱是粒子注量关于粒子能量和粒子运动方向的函数. 为了得到每一深度处的光子注量, 计算了有连续能谱的X射线的期望质量衰减系数. 上述算法计算得到的绝对剂量与蒙特卡罗方式仿真的结果趋势一致, 两者的差异在于算法未考虑高于二次的散射线. 最后将算法应用到非均匀模体剂量计算, 能准确反映其中剂量分布特点且具有较小的误差.
基于弹性变分模态分解的癫痫脑电信号分类方法
景鹏, 张学军, 孙知信
2021, 70 (1): 018702. doi: 10.7498/aps.70.20200904
摘要 +
癫痫脑电信号分类对于癫痫诊治具有重要意义. 为了实现病灶性与非病灶性癫痫脑电信号的分类, 本文利用弹性网回归重构变分模态分解算法, 提出弹性变分模态分解算法并将其应用到所提癫痫脑电信号分类方法中. 该方法先将原信号分割成多个子信号, 并对各子信号进行弹性变分模态分解, 然后从分解后的不同变分模态函数中提取精细复合多尺度散布熵作为特征, 最后利用支持向量机进行分类. 针对癫痫脑电的公共数据集, 最终的实验结果表明, 准确率、灵敏度和特异度三个性能指标分别达到92.54%, 93.22%和91.86%.

编辑推荐

Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池数值模拟
肖友鹏, 王怀平, 李刚龙
2021, 70 (1): 018801. doi: 10.7498/aps.70.20201194
摘要 +
银锌锡硒 (Ag2ZnSnSe4)是一种禁带宽度为1.4 eV的 n型半导体材料. 本文提出一种由n型Ag2ZnSnSe4与石墨烯 (Graphene) 组成的Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池, 并借助wxAMPS软件对电池的物理机理和性能影响因素进行模拟研究. 模拟结果表明, 高功函数的石墨烯与n型Ag2ZnSnSe4半导体接触时, Ag2ZnSnSe4吸收层的前端能带向上弯曲, 在n型Ag2ZnSnSe4吸收层表面诱导形成p型Ag2ZnSnSe4反型层, p型Ag2ZnSnSe4和n型Ag2ZnSnSe4组成p-n同质结. 模拟发现石墨烯和背接触的功函数会影响载流子的分离、输运和收集, 严重影响器件性能, 石墨烯功函数达到5.5 eV, 背接触功函数不高于4.4 eV, 都有利于提高器件性能. Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度主要影响器件的短路电流, 而Ag2ZnSnSe4吸收层的体内缺陷对器件整体性能产生影响. 在石墨烯和背接触功函数分别为5.5和3.8 eV, Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度和缺陷密度分别为1016和1014 cm–3时, Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池能够取得高达23.42%的效率. 这些模拟结果为设计新型高效低成本太阳电池提供了思路和物理阐释.
具有双峰特性的双层超网络模型
卢文, 赵海兴, 孟磊, 胡枫
2021, 70 (1): 018901. doi: 10.7498/aps.70.20201065
摘要 +
随着社会经济的快速发展, 社会成员及群体之间的关系呈现出了更复杂、更多元化的特点. 超网络作为一种描述复杂多元关系的网络, 已在不同领域中得到了广泛的应用. 服从泊松度分布的随机网络是研究复杂网络的开创性模型之一, 而在现有的超网络研究中, 基于ER随机图的超网络模型尚属空白. 本文首先在基于超图的超网络结构中引入ER随机图理论, 提出了一种ER随机超网络模型, 对超网络中的节点超度分布进行了理论分析, 并通过计算机仿真了在不同超边连接概率条件下的节点超度分布情况, 结果表明节点超度分布服从泊松分布, 符合随机网络特征并且与理论推导相一致. 进一步, 为更准确有效地描述现实生活中的多层、异质关系, 本文构建了节点超度分布具有双峰特性, 层间采用随机方式连接, 层内分别为ER-ER, BA-BA和BA-ER三种不同类型的双层超网络模型, 理论分析得到了三种双层超网络节点超度分布的解析表达式, 三种双层超网络在仿真实验中的节点超度分布均具有双峰特性.