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博文

亮点文章 《物理学报》2021年第17期

已有 339 次阅读 2021-9-15 21:47 |系统分类:论文交流

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封面文章

磁场中HD分子振转跃迁的超精细结构

唐家栋,刘乾昊,程存峰,胡水明

物理学报. 2021, 70(17): 170301.

doi: 10.7498/aps.70.20210512.

HD分子红外跃迁的精密测量被用以检验量子电动力学、确定质子-电子质量比等。但HD分子的超精细结构分裂对于测量精度是一个很重要的限制因素,并可能是实验中测得ν = 2—0谱带跃迁呈特殊线型的原因之一。本文分别在耦合表象和非耦合表象下计算了HD分子振转跃迁的超精细结构,并计算了不同外加磁场下HD分子(2–0)带中R(0),P(1),R(1)线的超精细结构,模拟了10 K低温下对应的光谱结构。结果表明,HD分子跃迁结构可随磁场发生明显变化。这可能有助于分析HD分子跃迁特异线型产生的机制,进一步获得其准确的跃迁中心频率,用于基础物理学检验。


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图1  计算得到的HD分子ν = 2—0带R(0)线的所有超精细跃迁谱线的频率偏移及其对应的相对线强度(有部分弱线在显示范围之外)


同行评价

精密光谱研究一直是热点。在前期实验工作基础上,本文开展了理论计算工作,线形等结果有助于进一步得到谱线的位置。理论实验相结合,为基础物理学检验提供依据。

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一种铅铋合金薄膜低温相的结构及超导物性表征

田明阳,王巨丰,杜宏健,马传许,王兵

物理学报. 2021, 70(17): 170703.

doi: 10.7498/aps.70.20210482.

铅铋(Pb-Bi)合金超导材料被广泛研究,但对其低温物相的结构和超导物性却知之甚少。本文采用低温共沉积和低温退火的方法,在Si(111)-(7 × 7)衬底生长的Bi(111)超薄薄膜上制备了铅铋合金薄膜,利用扫描隧道显微术对其结构和电子学性质进行表征。通过结构表征,确定了薄膜中存在相分离,同时存在具有三次对称性的纯Bi(111)相和合金相Pb1–xBix,可归属于部分铋取代的Pb(111)结构。通过电子学性质测量,进一步证实了Bi(111)相中特征的电子学结构及合金相中的超导行为。变温实验表明,合金相Pb1–xBix的超导转变温度是7.77 K,属于强耦合超导体。测量了由Bi(111)-Pb1–xBix组成的正常金属-超导体异质结和超导体-正常金属-超导体异质结中的邻近效应,指出了超导穿透深度可能受界面接触面积的影响。考虑到铋可能具有的拓扑属性,Bi(111)-Pb1–xBix面内异质结界面结构可进一步用于研究其新奇物理效应。


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图1  Pb1–xBix合金薄膜的超导物性表征 (a), (b) STM拓扑图及其相同区域无磁场时的零偏压电导像, STM扫描条件: Vs = –90 mV, It = 20 pA, 扫描尺寸为280 nm × 280 nm. (c), (d) 4.2和0.4 K下在Bi(111)(黑线)和Pb1–xBix(红线)表面区域采集的不同能量范围的典型dI/dV谱, 采谱条件: (c) Vs = –1 V, It = 2 nA, 调制偏压Vmod = 2 mV; (d) Vs = –10 mV, It = 1 nA, Vmod = 100 μV. (e) 不同温度下dI/dV谱, 叠加在实验谱线上的黑线段(± 3 mV)是基于BCS理论对能隙的拟合. 采谱条件: Vs = –10 mV, It = 1 nA, Vmod = 100 μV; (f)超导能隙大小和温度的依赖关系及拟合结果


同行评价

作者在Si(111)表面上生长了PbBi的合金薄膜,并发现合金薄膜出现了分相,分成了纯相Bi(111)和合金相PbBi。他们用低温STM发现合金相为超导薄膜,且超导温度为7.7K,大于纯Pb的超导温度。更进一步,他们研究了平面异质结Bi(111)-PbBi的界面处超导的邻近效应,发现界面台阶高度决定了超导穿透深度。该文章内容新颖,结果真实可信。

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编码超构表面实现双波束独立可重构

张娜,赵健民,陈克,赵俊明,姜田,冯一军

物理学报. 2021, 70(17): 178102.

doi: 10.7498/aps.70.20210344.

近年来,有源超构表面因其对电磁波的灵活、动态调控而备受关注。本文设计并分析了一种有源可编程超构表面单元,并探讨了其在双波束、多波束独立可重构方面的应用。理论分析了如何实现对称双波束、非对称双波束电磁波辐射以及多波束独立可重构,并对所设计的编码超构表面进行仿真分析和实验验证。全波仿真结果表明,超构表面具有较好的辐射性能,主瓣辐射方向与理论计算结果一致。作为实验验证,我们加工了样品并在标准微波暗室中进行了测试。实验测试与仿真分析结果吻合良好,均表明该超构表面在微波频率能够对双波束进行独立的动态调控,且波束方向性较好。因而,这种可编程超构表面有望进一步实现多通道信息传输,并在无线通信系统中具有良好的应用前景。


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图1  超构表面非对称波束设计的远场仿真结果图. 波束辐射方向 (θφ)依次为 (a) (20o, 0o), (20o, 90o); (b) (19o, 180o), (30o, 270o); (c) (30o, 0o), (20o, 180o); (d) (0o, 0o), (11o, 0o); (e) (19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o); (f) (28o, 180o), (5o, 0o), (32o, 0o)


同行评价

作者基于1-比特可重构编码超构表面实现了对称双波束、非对称双波束电磁波辐射以及多波束独立可重构,并对所设计编码超构表面进行了仿真分析和实验验证。仿真与测试结果表明超构表面能够在微波频段实现独立的动态多波束调控,且波束辐射性能良好。这种能够实现多通道信息传输的可重构编码超构表面,在无线通信系统中具有良好的应用前景。文章内容详实,工作具有创新性。

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基于纠缠相干态的量子照明雷达

陶志炜,任益充,艾则孜姑丽·阿不都克热木,刘世韦,饶瑞中

物理学报. 2021, 70(17): 170601.

doi: 10.7498/aps.70.20210462.

量子照明雷达旨在利用量子光场探测热噪声环境下低反射率目标是否存在。发射光源的纠缠特性使其较经典雷达具有独到的探测优势。纠缠相干态(entangled coherent state,ECS)作为一类在噪声环境下纠缠鲁棒性较强的量子态,近年来在量子科学的多个领域得到广泛的应用。本文研究了基于三类不同ECS态的量子照明雷达的目标探测性能,并以双模压缩态(two-mode squeezed vacuum state,TMSV)和相干态作为基准对比和分析了三类ECS态纠缠度大小与其探测性能之间的关系。研究发现: 在目标为低反射率且发射光子数远小于背景噪声的情形下,三类ECS态的探测性能优于相干态,劣于TMSV态; 此外,三类ECS态的探测性能可由其纠缠度的大小来决定。在其他照明条件下,使用量子照明雷达进行目标探测较相干态雷达并无明显的优势,三类ECS态的探测性能与TMSV态和相干态方案并无明显联系。


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图1  不同热光场光子数下QCB衰减系数ε与Helstrom极限随发射光子数NemitNemit的变化曲线 (a), (c) Nth=0.1; (b), (d)Nth=1


同行评价

寻找纠缠相干态光特性,提高雷达探测性能,对应用技术很重要,探索纠缠度对雷达性能的影响直接给工程研制提出了有效的依据。

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外磁场中的粲偶素

龚闯,郭星雨

物理学报. 2021, 70(17): 170302.

doi: 10.7498/aps.70.20210262.

在相对论重离子碰撞早期,会产生一个极强的磁场。初始碰撞产生的粲偶素会受到磁场的影响,进而携带磁场的信息。本文利用磁场下的两体薛定谔方程研究磁场对粲偶素的影响。利用角动量展开的方法,数值计算了不同磁场强度下粲夸克偶素的能谱。采取的方案是把三维波函数展开成不同轨道角动量以及自旋态的叠加,实际计算过程中发现,当n≤2, l≤7时能很好地满足精确度。进一步,哈密顿量可以写成H=H0+(qB)2H1+qBPps,⊥H2形式,其中H0H1H2不依赖于BPps,⊥,因此只要计算出H0H1H2就能求出任意BPps,⊥下的哈密顿量。这样的数值方法在保证计算精度的同时显著减少了计算量。计算结果表明随着磁场和总动量的增加,粲偶素的质量增大,在磁场强度为20m2π,总动量为1.8 GeV时,质量的增加量为20%。


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图1  qB=10m2πPkin=1GeV时l=7和l=6的本征态


同行评价

本文求解两带电自旋粒子在磁场中的薛定谔方程本征态,依此研究磁场对重离子粲偶素的影响,得到粲偶素质量随磁场强度增大的结论。研究工作有科学意义。

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编辑推荐

Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁几率的理论研究

万建杰,赵鑫婷,李冀光,董晨钟

物理学报. 2021, 70(17): 173201.

doi: 10.7498/aps.70.20210181.

基于微扰理论研究了静电场Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁,给出了Z = 1—92类氢离子的Stark混合系数和2s1/2-1s1/2跃迁几率,讨论了Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁几率随原子序数的变化规律以及相对论效应对Stark混合系数和诱导跃迁几率的影响。结果表明,给定电场强度时,类氢离子的Stark诱导跃迁几率随着原子序数Z的增大单调减小。另外,相对论效应使得类氢离子的Stark诱导跃迁几率减小,甚至在Z = 92时会减小到非相对论近似的55%。


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图1   类氢离子2s1/2-1s1/2能级之间的Stark诱导跃迁几率


同行评价

原子在外电场会使能级将发生分裂和位移,同时由于外电场会破坏原子体系的对称性,导致不同宇称的原子态发生混合,发生Stark诱导跃迁。论文基于微扰理论研究了静电场Stark效应诱导的类氢离子2s1/2-1s1/2跃迁,给出了类氢离子的Stark混合系数和跃迁几率,及其随原子序数的变化规律以及相对论效应的影响。论文具有较好的创新性。

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综述    

X射线光电子能谱在固态锂离子电池界面研究中的应用

周逸凡,杨慕紫,佘峰权,龚力,张晓琪,陈建,宋树芹,谢方艳

物理学报. 2021, 70(17): 178801.

doi: 10.7498/aps.70.20210180.

固态锂离子电池因具有高安全、高能量密度等多种优势而备受关注,但目前固态锂离子电池尚未大规模商业化,主要原因是固态锂离子电池中存在的关键科学问题和技术问题尚未解决,特别是界面问题,例如界面的高电阻与不稳定性。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)作为重要的表面分析手段,可以定性和半定量地进行界面的化学分析,这使得XPS可以广泛应用于固态锂离子电池界面的研究。本文综述了近年来利用XPS进行固态锂离子电池界面的研究进展,并对XPS实验原理、实验方法、实验结果及其对界面性能的影响进行了总结与评述。XPS研究固态锂离子电池界面的方法主要为非原位XPS、反映电池界面实时变化的原位XPS、以及基于电池真实工作条件的operando XPS,所获取信息包括界面反应发生后元素的化学状态、实时界面反应过程中界面元素的变化情况、由元素结合能位移反映的能带结构变化和界面组分的过电位等信息,从而加深对固态锂离子电池界面成分、结构变化和界面反应动力学及界面离子迁移等方面的认识。


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图1  (a) DAISY-BAT系统的示意图[1]; (b)利用离子枪溅射金属靶材构筑界面以实现原位XPS的过程示意图[2]


参考文献

[1] Sicolo S, Fingerle M, Hausbrand R, Albe K 2017 J. Power Sources 354 124

[2] Wenzel S, Leichtweiss T, Krüger D, Sann J, Janek J 2015 Solid State Ionics. 278 98


同行评价

这篇稿件综述了X射线光电子能谱(XPS)在固态电池界面研究中的应用,从固态电池界面存在的问题出发,介绍了XPS作为一种有效表面分析手段的基本原理,然后根据分析环境分成非原位、原位、Operando三个部分阐述了XPS的应用进展。文章逻辑清晰,进展涵盖全面。

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蜂毒肽与单组分脂膜相互作用的单分子研究

王康,徐成,吴晋锋,杨恺,元冰

物理学报. 2021, 70(17): 178701.

doi: 10.7498/aps.70.20210477.

近年来,单分子追踪技术的出现和发展为研究细胞膜界面生物学过程提供了一条新的途径,然而细胞膜内生物分子运动的异质性特征使得从大量分子轨迹中区分和分离不同的分子运动模式变得非常困难,迫切需要发展简单易行的分析方法。本文以蜂毒肽和单组分平板支撑脂膜的相互作用体系为例,发展了一种利用单分子运动位移标准差的频数分布来区分和分离不同运动模式脂分子的数据分析方法,提供了比传统基于位移或回旋半径频数分布的分析方法更高的准确度和更多的定量信息。利用该方法成功分离得到了脂分子在平板膜内的快慢两种运动状态,并发现其分布情况部分相符于脂分子在上下叶的位置分布; 在不同浓度蜂毒肽的表面吸附或跨膜成孔作用的影响下,这两部分脂分子的运动受到了不同的干扰。本文针对生物膜体系内分子运动的复杂异质性特征发展了一种实现分子运动模式分离的数据分析方法,并利用此方法获得了蜂毒肽破膜成孔的不同阶段对脂膜上下叶的不同影响。该方法的开发将对利用单分子追踪技术研究生物体系动力学过程有重要帮助。


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图1  蜂毒肽作用下的脂分子运动行为分析 (a), (b) 蜂毒肽影响下磷脂分子运动轨迹的Dstd频数分布, 多肽浓度为 (a) 0.5 μg/mL, (b) 5.0 μg/mL; (c), (d) 三种实验体系内TfastTslow的系综平均均方位移; (e) 三个体系中多肽与脂膜作用示意图


同行评价

论文针对生物膜体系内分子运动的复杂异质性特征发展了一种实现分子运动模式分离的数据分析方法,并利用此方法获得了蜂毒肽破膜成孔的不同阶段对脂膜上下叶的不同影响。研究方法具有更为精确、贴近问题实际的特点,该方法的开发将对利用单分子追踪技术研究生物体系动力学过程有重要帮助。

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基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法

何婷,田博宇,邱蝶,张彬

物理学报. 2021, 70(17): 179501.

doi: 10.7498/aps.70.20210603.

针对大遮拦比窄环宽薄管激光光束质量提升需求,提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法。采用直角锥面实现薄管激光离轴像差的自校正,再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来进一步校正残余像差,进而实现对薄管激光光束质量的提升。以48单元直角锥面变形镜为例,利用有限元分析方法建立了直角锥面变形镜的物理模型,分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力。结果表明,基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法能够有效校正大遮拦比窄环宽薄管激光的波前畸变,显著提升薄管激光光束质量。


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图1  多误差耦合作用下校正前后远场光强分布及β因子 (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad


同行评价

高能激光器的光束质量控制是固体高能激光器的核心关键技术之一。板条结构的激光介质已经广泛应用于各类激光器设计中,针对板条激光器的光束质量控制方法也开展了大量的研究工作,但是大部分研究工作的思路是从控制光束传输的方面改善光束质量。来稿报道了采用直角锥面变形镜的方案,采用主动补偿波像差的方法,获得了非常好的光束质量改善,研究结果非常重要,对于从事激光技术研究的科研工作者具有重要的参考价值。

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《物理学报》2021年第17期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/17



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