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专题: 光学超构材料

  

封面文章

偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用
郗翔, 叶康平, 伍瑞新
2020, 69 (15): 154102. doi: 10.7498/aps.69.20200198
摘要 +
光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开, 其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换. 本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响, 它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响. 结果表明: 反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换, 这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性. 根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系, 可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.

特邀综述

  

特邀综述

齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究
宋忠长, 张宇, 魏翀, 杨武夷, 徐晓辉
2020, 69 (15): 154301. doi: 10.7498/aps.69.20200406
摘要 +
齿鲸生物经过长期自然选择, 进化出小巧、灵敏、高效的声呐系统. 齿鲸生物声呐研究涉及海洋物理、声学、生物学、仿生学和信息学等学科, 对于生物仿生、水声声呐、信号处理、水下探测与通信等领域具有参考价值. 本文从声呐系统解剖结构、声呐信号与声呐波束调控三方面出发介绍齿鲸声呐发射系统. 首先, 介绍如何利用计算机断层扫描成像与超声测量技术重建齿鲸声呐发射系统的高精度三维结构, 获取其声速、密度分布, 为声呐系统的功能研究建立基础. 随后, 探究声呐系统发出的声信号的特性, 研究声信号与生物行为之间的联系. 最后, 参考齿鲸生物声呐解剖结构与声呐信号特性建立数值模型研究声发射系统的气质结构、软组织结构和骨质结构组成的声学多相介质对声波传播的控制作用. 齿鲸生物能利用其声呐信号的多样性与声呐发射系统结构的复杂特性动态调整声波传播与波束形成. 探究齿鲸生物声呐工作原理能加深对生物多相介质中的声传播过程的理解, 有望为水下仿生声探测与感知技术的发展提供新思路.

编辑推荐

基于气体折射率方法的真空计量
许玉蓉, 刘洋洋, 王进, 孙羽, 习振华, 李得天, 胡水明
2020, 69 (15): 150601. doi: 10.7498/aps.69.20200706
摘要 +
$u = \sqrt {{{(6\;{\rm{mPa}})}^2} + {{(73 \times {{10}^{ - 6}}p)}^2}} $.">为保证测量系统的长期稳定性和复现性, 真空计量将使用气体密度来表征. 利用法布里-珀罗腔可实现对气体折射率的精密测量、并反演得出气体密度. 这种基于光学方法的真空计量方法是将气体宏观介电常数与原子微观极化参数联系在一起, 由量子标准取代目前基于水银压力计的实物标准. 本文讨论了气体折射率至气体压力的反演过程, 并采用激光锁定法布里-珀罗腔的方法测定稀薄氩气的折射率, 讨论了相关参数对所测得气体压力不确定度的贡献. 在1个大气压范围内, 对氩气压力测量的标准不确定度为$u = \sqrt {{{(6\;{\rm{mPa}})}^2} + {{(73 \times {{10}^{ - 6}}p)}^2}} $.

编辑推荐

基于声子晶体板的弹性波拓扑保护边界态
郑周甫, 尹剑飞, 温激鸿, 郁殿龙
2020, 69 (15): 156201. doi: 10.7498/aps.69.20200542
摘要 +
$\theta $, 研究发现, 旋转角度$\theta =0^\circ $时, 元胞能带结构存在两个二重简并态, 调整旋转角度到$ \pm 33^\circ $时, 布里渊区中心Γ点处出现四重简并态, 并发现旋转角度越过$ \pm 33^\circ $时均会发生能带反转, 这表明调整晶体结构参数$\theta $使得体系经历拓扑相变. 利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞, 并通过计算其投影能带, 发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态. 在此基础上, 构造多种不同类型的弹性声子晶体板, 验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性. 本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点, 为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.">基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性, 受到广泛关注. 本文设计了一种声子晶体板结构, 通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺, 从而构造四重简并态. 与现有利用能带“区域折叠”进行构造的方法相比, 该方法简化了声子晶体的元胞构型. 元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度$\theta $, 研究发现, 旋转角度$\theta =0^\circ $时, 元胞能带结构存在两个二重简并态, 调整旋转角度到$ \pm 33^\circ $时, 布里渊区中心Γ点处出现四重简并态, 并发现旋转角度越过$ \pm 33^\circ $时均会发生能带反转, 这表明调整晶体结构参数$\theta $使得体系经历拓扑相变. 利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞, 并通过计算其投影能带, 发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态. 在此基础上, 构造多种不同类型的弹性声子晶体板, 验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性. 本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点, 为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.

综述

  

编辑推荐

绝缘体上铌酸锂薄膜片上光子学器件的研究进展
李庚霖, 贾曰辰, 陈峰
2020, 69 (15): 157801. doi: 10.7498/aps.69.20200302
摘要 +
铌酸锂晶体具有卓越的电光和非线性光学性质, 一直以来都被认为是最有前景的集成光子学基质材料之一. 也正是由于铌酸锂晶体多方面优良的光学性能, 近年来新兴的铌酸锂薄膜技术在集成光子学的研究中受到了极大的关注. 借助于先进的微纳加工技术, 许多高性能的铌酸锂集成光子学器件已经得以实现. 本文总结了几种微纳加工技术在基于铌酸锂薄膜的片上光子学器件制备中的应用, 介绍了铌酸锂薄膜片上光子学器件的最新进展, 并展望了其在集成光子学研究中的潜在应用.

封面文章

环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态
李吉, 刘斌, 白晶, 王寰宇, 何天琛
2020, 69 (14): 140301. doi: 10.7498/aps.69.20200372
摘要 +
研究了在环形势阱中自旋-轨道耦合旋转玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构. 探索了自旋-轨道耦合作用和旋转效应对基态的影响. 结果发现, 在环形势阱下, 基态结构呈现环形分布的half-skyrmion链. 调节自旋-轨道耦合强度, 不仅可以改变体系内half-skyrmion数量, 而且能够调控half-skyrmion环形排列的对称性. 随着旋转频率增大, 体系从平面波相转化为环形对称排列的half-skyrmion链相, 最后过渡到三角格子的half-skyrmion相. 讨论了自旋相互作用和势阱形状对基态的影响. 自旋-轨道耦合强度和旋转频率作为体系的调控参数, 可用于控制不同基态相间的转化.

特邀综述

  

特邀综述

自组织结构的控制: 从平衡过程到非平衡过程
石燕, 张天辉
2020, 69 (14): 140503. doi: 10.7498/aps.69.20200161
摘要 +
自组织是自然界广泛存在的一种自发从无序到有序的转变过程. 从晶体的生长到生物功能结构的形成, 自组织过程的影响和作用无处不在. 生物功能结构通常是具有多尺度特征的复合结构. 其中纳米结构的形貌及其空间排列方式对生物功能的实现起着关键作用. 功能结构有两大类: 平衡结构和非平衡结构. 本文总结了功能结构和人工仿生结构的最新进展. 研究发现, 虽然物理科学和材料科学在有关静态平衡功能结构的研究上取得了令人激动的进展, 但在如何实现具有响应和适应性的动态非平衡功能结构上, 仍然面临着挑战. 本文认为, 远离平衡态的活性体系在周期性驱动力的反复激发和训练下, 有可能演化出非平衡的动态结构. 这为实现具有自适应和自修复功能的非平衡结构提供了一种可能途径.

专题:拓扑物理前沿与应用

  

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转角石墨烯体系的拓扑特性和轨道磁性
刘健鹏, 戴希
2020, 69 (14): 147301. doi: 10.7498/aps.69.20200506
摘要 +
$C_{2z}$对称性被氮化硼衬底破坏时, 转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种“摩尔轨道铁磁态”, 它不仅具有(量子)反常霍尔效应, 也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.">本文介绍了转角双层石墨烯和多层石墨烯中的电子结构、拓扑性质以及轨道磁性. 在转角双层石墨烯中, 由于两层石墨烯之间的相对旋转会形成具有长周期的摩尔条纹. 由转角产生的摩尔势场会在摩尔超元胞中产生方向相反的赝磁场, 与两层的石墨烯中的狄拉克电子耦合, 从而产生赝朗道能级. 而魔角石墨烯中的每个谷和自旋自由度的两条平带就等价于两个具有相反陈数的零赝朗道能级. 这样的赝朗道能级表示可以很自然地解释一系列“魔角”的来源, 也对理解魔角双层石墨烯中观测到的关联绝缘态和量子反常霍尔效应具有重要意义. 本文进一步讨论了转角多层石墨烯, 并发现转角多层石墨烯体系中普遍存在具有非平庸拓扑性质的平带. 这些拓扑平带通常具有非零的谷陈数, 并且在一定近似下可以由一个普适的规律描述. 本文还讨论了转角石墨烯体系中的拓扑平带所具有的轨道磁性. 如果时间反演对称性自发破缺, 转角石墨烯体系会处于一个谷极化的基态. 这样的谷极化基态是一个在摩尔尺度上的轨道磁性态, 在摩尔超胞中具有纳米尺度的环状电流分布. 之前的理论提出在转角双层石墨烯体系中观测到的关联绝缘态的本质就是一种净磁矩为零的“摩尔轨道反铁磁态”. 当体系的$C_{2z}$对称性被氮化硼衬底破坏时, 转角石墨烯中的谷极化基态则变成了一种“摩尔轨道铁磁态”, 它不仅具有(量子)反常霍尔效应, 也具有新奇的磁光效应和非线性光学响应.

编辑推荐

热注射法合成用于生物成像的核壳上转换纳米晶
刘蓓, 陆奚建, 刘晓宁, 吴一品, 邹斌
2020, 69 (14): 147801. doi: 10.7498/aps.69.20200347
摘要 +
近几年来, 稀土上转换发光纳米材料凭借其生物组织穿透深度大、无组织损伤、无背景荧光干扰和成像灵敏度高等诸多优点, 在生物体荧光成像领域展现了巨大的潜在应用价值. 本文采用“一次热注射”高温溶剂热法制备不同壳层厚度的NaYF4:Yb, Tm@NaYF4上转换发光材料. 利用透射电子显微镜、粒径分析、荧光光谱等对产物进行表征, 探讨壳层厚度对纳米粒子上转换发光强度的影响. 结果表明, 在980 nm近红外光照射下, 上转换纳米材料能够发出紫外-可见光. 而且, 由于壳层包覆有效抑制了上转换发光的表面猝灭效应, 核壳结构的NaYF4:Yb, Tm@NaYF4纳米粒子发光强度比NaYF4:Yb, Tm提高了数十倍; 当壳层厚度为22.7 nm时, 上转换发光强度最强. 此外, 通过对上转换发光颗粒进行酸洗和聚乙二醇(PEG)修饰, 提高了纳米材料的生物相容性, 并成功将其应用于细胞的上转换荧光成像.

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高压下纳米晶ZnS晶粒和晶界性质及相变机理
王春杰, 王月, 高春晓
2020, 69 (14): 147202. doi: 10.7498/aps.69.20200240
摘要 +
采用高压在位交流阻抗谱技术, 研究了ZnS纳米晶在0—29.8 GPa压力范围内的晶粒和晶界性质变化及相关相变机理. 从晶粒和晶界的模谱图像中观察到, 随着压力的增加, 象征晶界影响的圆弧逐渐增加, 而代表晶粒作用的圆弧逐渐减弱. 此外, 晶粒电阻和晶界电阻随压力的升高呈现不同的变化速率, 并在11和15 GPa处出现了不连续变化点, 分别对应着由纤锌矿到闪锌矿到岩盐相结构转变的压力点. 进一步通过分析相变过程中晶界弛豫频率随压力的线性变化关系, 研究了ZnS由纤锌矿到闪锌矿到岩盐相的相变机理.
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