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亮点文章 | 《物理学报》2021年第15期

已有 1059 次阅读 2021-8-31 13:52 |系统分类:论文交流

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封面文章

基于剪纸方法的一种可重构线极化转换空间序构超表面

王明照,王少杰,许河秀

物理学报. 2021, 70(15): 154101

doi: 10.7498/aps.70.20210188

随着智能技术的发展,具有可调的电磁波极化转换器件对于实际应用来说至关重要。目前大多数基于PIN二极管、变容二极管来实现电可调,这些方法操作简单、实时性强,但仍存在平面序构调控自由度少、电路复杂、成本较高等问题。鉴于此,本文提出了一种基于剪纸结构的可重构极化转换超表面,通过调节折叠角度β改变磁偶极子之间的相互作用从而调谐极化转换工作频率,这种机械调控方法带来了更多调控自由度,且成本低廉、便于调控。为验证本文剪纸方法的可行性,基于非对称手性开口环谐振器设计了一款具有可重构空间序构的双频线极化转换超表面。实验结果表明,当β = 10°,线极化转换器工作于5和5.8 GHz,当β变化到45°时线极化转换器工作频段调谐到5.8和7.2 GHz,平均频率调控范围达18.5%。此外,本文还分析了所提剪纸结构的泊松比和相对密度随β的变化规律,泊松比随着β增大而增大,且剪纸超表面的相对密度最小仅为未折叠情形下平面序构的1.5%。本文空间序构剪纸超表面为可重构线极化转换、多功能器件提供了新思路和新方法。


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图1   本文基于可重构空间序构剪纸超表面的双频线极化转换功能示意图(代表波矢量方向, fmfn代表线极化转换的工作频率. 二维超表面按照剪裁线裁成条带结构, 条带结构再按照折叠线折叠可形成本文空间序构超表面, 然后通过改变折叠角度β 可调谐fm)


同行评价

基于剪纸方法设计了一种可重构线极化转换超材料,可以通过机械调控方式来主动的改变超材料的线偏振转换性能. 文章具有很强的创新性,写作清晰,实验结果与理论仿真吻合,解释较为充分。

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DNA双链退火压力对DNA聚合酶gp5链置换的调控

贾棋,樊秦凯,侯文清,杨晨光,王利邦,王浩,徐春华,李明,陆颖

物理学报. 2021, 70(15): 158701

doi: 10.7498/aps.70.20210707

DNA聚合酶是执行DNA复制和修复的重要蛋白,由于其只能从5′向3′方向聚合,所以在聚合双链DNA时会有两种模式:其一是先打开DNA双链,让其暴露出3′-5′方向的模板链(先导链),然后沿着这条链复制出新链以此置换旧链,这就是链置换的合成。另一种是沿着已经置换出的5′-3′方向的模板链(滞后链)进行延伸合成。T7噬菌体作为常被研究的模式生物,其DNA聚合酶gp5在复制过程中既会参与链置换也会参与延伸合成,已有的研究报道gp5自身独立链置换的能力很弱,其与T7解旋酶gp4耦合形成复制体后可以发生快速且持续的链置换,这一现象的分子机制尚待厘清。本文通过单分子荧光共振能量转移(smFRET)的方法对gp5聚合过程的动力学进行了研究,发现gp5在没有外力帮助下时会进入链置换-外切的循环,导致聚合难以延伸,调控这一循环的关键则是DNA双链退火压力。进一步的实验表明gp5和gp4形成复制体后,gp4辅助gp5克服了退火压力从而聚合可以延伸。


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图1  T7 DNA聚合酶gp5不断重复链置换和外切 (a), (b)没有结合辅助因子Trx 时聚合酶无法链置换DNA双链; (c), (d)有辅助因子Trx时聚合酶能够部分链置换DNA, 但是会回退; (e), (f)外切活性突变后的gp5不会再外切; (g) exo+ gp5 + Trx 实验中合成长度的统计图, 其分布满足单e指数; (h) exo+ gp5 + Trx实验中外切长度的统计图, 其分布满足单e指数


同行评价

本文用单分子FRET结合DNA纳米弓的方法,研究了T7病毒DNA聚合酶gp5的动力学,揭示了其有限的链置换能力源于外切域活性以及下游DNA双链的复性压力,在单碱基精度上测量了聚合酶聚合、外切的速度,给出了gp5与解旋酶gp4协作的动力学机制。文章所得结论新颖,对于进一步研究聚合酶gp5的工作机制有重要的指导意义。

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综述    编辑推荐

非铅卤素钙钛矿及其阻变性能研究进展

曾凡菊,谭永前,唐孝生,张小梅,尹海峰

物理学报. 2021, 70(15): 157301

doi: 10.7498/aps.70.20210065

近年来,铅基卤素钙钛矿因其制备工艺简单、载流子扩散距离长以及离子迁移速率快等优点而被应用于阻变存储器。然而,铅基卤素钙钛矿结构中的铅对人类健康与环境保护存在威胁,限制了铅基卤素钙钛矿在数据存储领域的实际应用。科研人员针对铅基钙钛矿铅毒性的问题展开了一系列研究。其中,非铅卤素钙钛矿因不含铅而被认为是最有前景的下一代新型阻变存储介质材料。最近几年,锡基、铋基、锑基和铜基等非铅卤素钙钛矿被引入阻变存储器领域。本文系统地综述了非铅卤素钙钛矿材料及其阻变性能,归纳了非铅卤素钙钛矿的阻变性能及其阻变机理,指出了非铅卤素钙钛矿材料应用于阻变存储器存在的关键问题,为进一步研究非铅钙钛矿阻存储器提供了参考。


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图1  (a) Cs3Cu2I5非铅钙钛矿晶体结构; Cs3Cu2I5阻变存储器的(b)垂直结构示意图和(c)循环测试; (d)模拟神经突触示意图; (e)线性增强和线性抑制; (f)美国国家标准技术研究院数据库(MNIST)训练数据识别精度(来自文献Zeng F J, Guo Y Y, Hu W, Tan Y Q, Zhang X M, Feng J L, Tang X S 2020 ACS Appl. Mater. Inter. 12 23094)


同行评价

本文清晰的对钙钛矿材料以及钙钛矿阻变存储器进行了分析,逻辑清晰明确,对国内外的研究进展进行横向的比较,有助于读者对该领域研究有较为完整的了解。

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构建NaYF4:Yb3+/Ho3+/Ce3+@ NaYF4: Yb3+/Nd3+纳米核壳结构增强Ho3+离子的上转换红光发射

董军,张晨雪,程小同,邢宇,韩庆艳,严学文,祁建霞,刘继红,杨祎,高伟

物理学报. 2021, 70(15): 154208

doi: 10.7498/aps.70.20210118

三阶Ho3+离子的红光发射位于生物组织的“光学窗口”中,在生物医学领域具有巨大应用前景,增强其红光发射已成为大家关注热点。为此,本文借助外延生长技术构建NaYF4:Yb3+ /Ho3+ /Ce3+@ NaYF4纳米核壳结构,并在其外壳中引入不同浓度的敏化离子Yb3+和Nd3+离子,以构建新的能量传递通道,实现Ho3+离子的上转换红光发射增强。实验结果表明:在近红外光980 nm 及800 nm激发下,NaYF4:Yb3+/ Ho3+/ Ce3+@ NaYF4:Yb3+ 和NaYF4:Yb3+/ Ho3+/ Ce3+@ NaYF4:Yb3+/Nd3+核壳纳米结构均可实现Ho3+离子的红光发射增强,最高可增强6.1倍,主要是由于外壳中的敏化离子可传递更多的激发能给Ho3+离子。同时,研究发现在双波长(980 nm +800 nm)共激发下,NaYF4: 20%Yb3+/ 2%Ho3+/ 12%Ce3+@ NaYF4:15%Yb3+/ 20%Nd3+核壳纳米晶体的红光发射强度明显高于两个单一波长激发下的红光发射强度及其之和,其原因是由双波长共激发的协同效应所致。由此可见,通过引入不同敏化离子构建多模式激发的稀土掺杂纳米核壳结构,不仅可实现上转换红光发射的增强及激发的有效调控,且可为进一步拓展该类材料在生物医学、防伪编码、多色显示等领域中的应用提供新思路。


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图1  在近红外光800 nm激发下,NaYF4: 20%Yb3+/ 2%Ho3+/ 12%Ce3+@ NaYF4: 15%Yb3+x %Nd3+ (x = 5, 10, 15, 20, 30, 40)核壳纳米晶体的(a)上转换发射光谱、(b)增强因子和(c)红绿比图


同行评价

本文作者在已有的工作基础上,利用构建核壳结构,实现Ho3+离子的红光发射增强,具有很好的创新性。

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稀土掺杂对LiFePO4性能影响的第一性原理研究

钟淑琳, 仇家豪, 罗文崴, 吴木生

物理学报. 2021, 70(15): 158203

doi: 10.7498/aps.70.20210227

掺杂是提高LiFePO4体相电子电导率,优化其电化学性能的重要方法之一。稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素 (La, Ce, Pr) 掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO4的性质。计算结果表明,稀土元素掺杂均不同程度地增加了LiFePO4的晶格常数和晶胞体积。在脱锂过程中,稀土掺杂后材料体积变化率明显减小,材料的循环性能提升,但电池能量密度下降。稀土掺杂使LiFePO4由原来的半导体特性转变为金属特性,增加了材料的电子电导率。力学特性的计算表明,稀土显著增加了LiFePO4材料的延展性。另外,La和Ce掺杂后的LiFePO4在Li离子迁移过程中表现出复杂的能垒变化,在远离稀土离子处迁移势垒呈现出不同程度的减小,而在靠近稀土离子处迁移势垒起伏较大。与Ce掺杂相比,La掺杂造成的离子迁移势垒的变化程度更大,表明稀土离子掺杂对体系局域结构产生较大的影响。


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图1  Li离子在La和Ce掺杂LiFePO4中的迁移路径和势垒 (a) La掺杂; (b) Ce掺杂


同行评价

本文采用第一性原理的方法系统研究了稀土离子(La,Ce,Pr)掺杂对LiFePO4正极材料的物理和电化学性质的影响。本文的计算数据结果充足,选题针对目前应用极为广泛的LiFePO4正极材料进行,对动力电池相关材料的改性和发展有重要的参考价值。

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明亮压缩态光场的操控及量子层析

李庆回,姚文秀,李番,田龙,王雅君,郑耀辉

物理学报. 2021, 70(15): 154203

doi: 10.7498/aps.70.20210318

连续变量量子态的制备与操控是进行量子通信、量子密钥分发以及量子网络构建的重要基础。本文基于二阶非线性过程,利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了1064 nm波段明亮压缩态光场的制备,所制备的明亮压缩态光场在泵浦光功率为310 mW、分析频率为3 MHz处的压缩度为–11.6 dB。当注入50 mW泵浦光时,实现了压缩度为–6 dB,纯度为98.5%的压缩态光场;在此基础上,利用光电调制器进行明亮压缩态光场的线性光学操控,并基于平衡零拍探测系统的直流信号准确判断压缩态光场时域信号对应的相位,之后结合极大似然估计算法实现压缩态的量子层析,得到量子态的密度矩阵及相空间的Wigner函数,从而获得量子态的光子数分布等全部信息。


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图1   (a),(b)未进行线性操控的明亮压缩态噪声时域测量结果及量子层析后对应的密度矩阵;(c),(d)进行线性操控后的明亮压缩态噪声时域测量结果及量子层析后对应的密度矩阵


同行评价

明亮压缩态光场制备是量子光学领域的一个非常重要的研究方向,在量子通讯、量子密钥分发以及量子网络等重要领域有着重要的应用背景。本文利用PPKTP晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了高功率高质量的明亮压缩态光场制备,并进行了明亮压缩态光场的线性操控,获得量子态的光子数分布等重要信息,证明了用该方法产生的明亮压缩态光场的有效性。文章物理概念清晰,技术路线简单明了,实验严谨,数据准确,研究成果对于从事激光物理、激光技术及量子光学等领域的科研人员有重要的参考价值。

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硅纳米颗粒阵列中准连续域束缚态诱导三次谐波增强效应

杜芊,陈溢杭

物理学报. 2021, 70(15): 154206

doi: 10.7498/aps.70.20210332

由高折射率介质材料制备的亚波长人工结构,通过电磁谐振效应为在纳米尺度操控光提供了一种有效方法。这类结构的吸收损耗通常较低,然而辐射损耗降低了其非线性响应的效率。通过连续域束缚态(bound states in the continuum, BICs)可望解决这个问题。BICs是一种处于连续域内而保持局域的非常规光学态,存在于光锥线以内并且具有无限大的Q值。本文提出通过破坏硅纳米颗粒阵列原胞的对称性将BIC转变成准BIC,使得结构的透射谱中出现高Q的窄共振谷,当调节泵浦波长至共振波长时,非线性响应显著增强,三次谐波激发的强度提高了6个数量级,转化效率可提升至约2.6 × 10–6,该结果有望应用于硅基光学非线性器件的设计。


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图1  值和不对称参数α的关系, 红线表示反二次拟合


同行评价

本文提出了一种由硅纳米颗粒制备的亚波长人工结构,通过破坏硅纳米颗粒阵列原胞的对称性将BICs转变成准BICs,使结构的透射谱中出现高Q的窄共振谷,当调节泵浦波长至共振波长时,非线性响应显著增强,三次谐波被高效激发。论文所做的工作很有意义,对进一步开展硅基光学非线性器件的设计和性能研究具有参考价值。

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基于奇异值分解的矩阵低秩近似量子算法

王芙蓉,杨帆,张亚,李世中,王鹤峰

物理学报. 2021, 70(15): 150201

doi: 10.7498/aps.70.20210411

在大数据时代,高效的数据处理至关重要,量子计算具有平行计算能力,为方便处理数据提供了新的解决途径。本文提出了一个基于奇异值分解的矩阵低秩近似量子算法,复杂度为O[log(pq)]。在核磁共振量子计算系统完成了算法的原理演示,选择一个8×8维的图像矩阵,实现共振跃迁算法的哈密顿量H的时间演化,用量子态层析法分别读出密度矩阵的不同成分,对密度矩阵进行重构,保真度为99.84%,在误差范围内验证了本文提出的矩阵低秩近似量子算法的正确性。而通过奇异值分解计算低秩矩阵的经典算法的复杂度是O[poly(pq)],量子算法与经典算法相比,实现了指数加速。


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图1  简要量子电路图


同行评价

文中提出的基于奇异值分解的矩阵低秩近似量子算法有很高的应用价值。它采用量子共振跃迁算法有效克服了相位估值算法在此问题上实现量子计算的困难,是该类问题量子算法设计上的创新。

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《物理学报》2021年第15期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/15


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