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亮点文章 | 《物理学报》2022年第3期
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封面文章 姜瑶瑶，张文彬，初鹏程，马鸿洋 物理学报, 2022, 71(3): 030201 doi: 10.7498/aps.71.20211000 在量子计算科学中，如何更好地构建量子搜索算法一直以来受到学者们的广泛关注，并且基于量子行走寻找新的搜索算法也仍吸引着学者们不断深入研究与探索。本文从减少搜索过程中的时间消耗、增加算法搜索的准确性和可控性等多方面进行考虑，提出了一种基于置换群的多粒子量子行走搜索算法。首先分析得到置换群在空间中可看成一个闭环，定义了置换集合，并且通过同构映射将数据点所在数据集映射到定义的置换集，使得置换集合中元素数据点形成一一对应的关系。其次，根据给定初始态和硬币算符，在数据点集与置换集合张成的搜索空间中利用多粒子的量子行走在环上进行目标数据搜索。最后，根据函数Φ(w) = 1找到目标数据，并用量子态存储数值，用于形成搜索算法的反馈控制；同时通过控制硬币算符从而控制量子行走在环上的行走方向，增加搜索的可操作性与准确性。本文利用多粒子的量子行走进行搜索，分析得到粒子数量参数j与时间复杂度呈非线性负相关；提出的量子行走搜索算法符合零点条件与下确界条件，且不受变量数j的影响；通过数值分析得到量子行走搜索算法的时间复杂度等价于O(∛N)，相比于Grover搜索算法提高了搜索效率。 图1 量子行走的过程 同行评价 本文研究了基于置换群的多粒子环上量子漫步的反馈搜索算法。从减少搜索过程的时间消耗，增加算法搜索的准确性和可控性等多方面开展研究，研究数值结果表明，可以提高搜索效率。 编辑推荐 覃赵福，陈浩，胡涛政，陈卓，王振林 物理学报, 2022, 71(3): 034208 doi: 10.7498/aps.71.20211596 利用超构表面优异的波前调控能力将片上光子集成电路对光场的操控拓展至自由空间是当前一项重要课题。本文采用传输相位方法设计了一种基于波导模式激发的内嵌式超构表面，其相位分布同时满足导模的基频以及二倍频的聚焦。在此基础上，将内嵌式材料限定为相变材料，结合其在不同相态时的折射率差异，通过仿真手段实现了两种相态下分别针对于基波和二次谐波的聚焦。在基波(或二次谐波)实现高质量聚焦时，焦点处二次谐波(或基波)的成分得到了很大程度上的抑制，更有利于后续完全滤波。进一步地，通过在波导层底面嵌入与顶面完全相同的超构表面，并横向错开半个周期，最终将关于基波聚焦和二次谐波聚焦的器件效率提升为原先单阵列情形的2.2倍和3.7倍。本文的研究为导波驱动(或激发)超构表面的线性及非线性多功能复合调控提供了一种新的可能途径。 图1 (a) 导波驱动的双层相变材料超构表面示意图；(b) 不同相态下焦点处归一化的基波和二次谐波电场模值随偏移距离d变化的曲线，上、下图中的灰色水平虚线分别标记出单层相变材料超构表面在相态A下焦点处的基波电场模值以及相态B下焦点处的二次谐波电场模值，蓝色虚线标记了偏移量为半个周期的情形；(c) 相变材料处于相态A时，不同偏移量d所对应的基波聚焦结果；(d) 相变材料处于相态B时，不同偏移量d所对应的二次谐波聚焦结果；图(c)和图(d)中图片外框的颜色与图(b)中箭头颜色一致，分别代表d的不同取值. 黑色点线圆圈出了高质量聚焦斑所在的位置 同行评价 本文的研究为发展基于导波驱动超构表面的线性及非线性多功能调控提供了一种新的途径。 编辑推荐 双锥对撞点火机制2020年冬季实验中的瑞利-泰勒不稳定性分析 方可，张喆，李玉同，张杰 物理学报, 2022, 71(3): 035204 doi: 10.7498/aps.71.20211172 直接驱动激光聚变通过整形后的纳秒脉冲激光辐照氘氚(DT)球壳靶，经球对称压缩加速后，在中心转滞获得高温等离子体热斑，实现聚变点火。在球壳靶受到压缩和加速过程中等离子体界面的流体力学不稳定性，特别是瑞利-泰勒不稳定性的增长有可能会对压缩壳层造成破坏，导致点火的失败。本文通过理论解析和数值模拟，对基于Zhang等提出的双锥对撞点火方案(2020 Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 378 20200015)在2020年冬季实验条件下的流体力学不稳定性增长进行了分析。结果显示理论模型与一维数值模拟中对整体压缩和加速过程的描述基本一致，在当前的近等熵波形下金锥中的壳层靶实现了低熵压缩，同时瑞利-泰勒不稳定性增长导致的最危险时刻扰动振幅和壳层厚度比可以达到约0.25，壳层依然处于安全状态，但当初始壳层表面扰动均方根振幅大于22 nm时，则可能出现壳层的破裂。因此，未来实验中的靶设计与驱动激光脉冲波形设计中，可以通过增加靶壳层厚度、提高预脉冲强度、减小靶表面的粗糙度和提高激光辐照的匀滑度等方式来抑制不稳定性增长。 图1 壳层外表面最终扰动振幅 同行评价 本文立意很好，研究内容也非常重要，双锥点火方案是值得深入研究的聚变点火方案，其中的RTI确实是非常关键的问题。 编辑推荐 汪海波，万丽娟，樊敏，杨金，鲁世斌，张忠祥 物理学报, 2022, 71(3): 037301 doi: 10.7498/aps.71.20211536 氧化镓作为新一代宽禁带材料，其器件具有优越的性能。本文仿真研究了n+高浓度外延薄层对氧化镓肖特基二极管的势垒调控。模拟结果显示，当n型氧化镓外延厚度为5 nm、掺杂浓度为2.6×1018 cm–3时，肖特基二极管纵向电流密度高达496.88 A/cm2、反向击穿电压为182.30 V、导通电阻为0.27 mΩ·cm2，品质因子可达123.09 MW/cm2。进一步研究发现，肖特基二极管的性能与n+外延层厚度和浓度有关，其电流密度随n+外延层的厚度和浓度的增大而增大。分析表明，n+外延层对势垒的调控在于镜像力、串联电阻及隧穿效应综合影响，其中镜像力和串联电阻对势垒的降低作用较小，而高电场下隧穿效应变得十分显著，使得热发射电流增大的同时，隧穿电流得到大幅度提升，从而进一步提升了氧化镓肖特基二极管的性能。 图1 考虑隧穿效应，在厚度为5 nm时，n+层浓度对正向特性的影响 (a)正向I-V曲线；(b) 0.8 V正向偏置时，电流密度与n+层浓度的关系；(c)导通电阻与n+层浓度的关系；(d)有效势垒高度和理想因子与n+层浓度的关系 同行评价 作者对于氧化镓的肖特基器件进行了研究，通过引入不同厚度n+氧化镓层能够实现势垒高度的调控，并且在考虑隧穿电流后，大幅提高器件的电流密度，对于氧化镓功率器件具有一定的指导作用。 编辑推荐 曹宇，刘超颖，赵耀，那艳玲，江崇旭，王长刚，周静，于皓 物理学报, 2022, 71(3): 038802 doi: 10.7498/aps.71.20211525 硫硒化锑薄膜太阳电池因其制备方法简单、原材料丰富无毒、光电性质稳定等优点，成为了光伏领域的研究热点。经过近几年的发展，硫硒化锑太阳电池的光电转换效率已经突破10%，极具发展潜力。本文针对硫硒化锑太阳电池中n/i界面引起的载流子复合进行了深入研究。发现硫硒化锑太阳电池的界面特性会受到界面电子迁移能力和能带结构两方面的影响。界面电子迁移率的提高能使电子更有效地传输至电子传输层， 实现器件短路电流密度和填充因子的有效提升。在此基础上，引入ZnO/Zn1–xMgxO双电子传输层结构能够进一步优化硫硒化锑太阳电池性能。其中，Zn1–xMgxO能级位置的改变可以同时调节界面和吸光层的能级分布，在Zn1–xMgxO导带能级为–4.2 eV，对应Mg含量为20%时，抑制载流子复合的效果最为明显，硫硒化锑太阳电池也获得了最佳的器件性能。在去除缺陷态的理想情况下，双电子传输层结构硫硒化锑太阳电池在600 nm厚时获得了20.77%的理论光电转换效率，该研究结果为硫硒化锑太阳电池的进一步优化和发展提供了理论与技术支持。 图1 ZnO/Zn0.8Mg0.2O双电子传输层硫硒化锑太阳电池的器件性及Sb2(S0.7Se0.3)3太阳电池的结构示意图 同行评价 本文发现硫硒化锑太阳电池的界面特性会受到界面电子迁移能力和能带结构方面的影响。在此基础上，引入Zn1–xMgxO双电子传输层结构进一步优化硫硒化锑太阳电池性能。在Zn1–xMgxO导带能级为–4.2 eV，对应Mg含量为20%时，硫硒化锑太阳电池获得了最佳的器件性能，20.77%的理论光电转换效率。该研究结果为硫硒化锑太阳电池的进一步优化和发展提供了理论指导，具有一定的创新性和应该价值。 编辑推荐 谢卓，温智琳，司明奇，窦银萍，宋晓伟，林景全 物理学报, 2022, 71(3): 035202 doi: 10.7498/aps.71.20211450 高端芯片制造所需要的极紫外光刻技术位于我国当前面临35项“卡脖子”关键核心技术之首。高转换效率的极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分。本文通过采用双激光脉冲打靶技术实现较强的6.7 nm极紫外光输出。首先，理论计算Gd18+—Gd27+离子最外层4d壳层的4p-4d和4d-4f能级之间跃迁、以及Gd14+—Gd17+离子最外层4f壳层的4d-4f能级之间跃迁对波长为6.7 nm附近极紫外光的贡献。其后开展实验研究，结果表明，随着双脉冲之间延时的逐渐增加，波长为6.7 nm附近的极紫外光辐射强度呈现先减弱、后增加、之后再减弱的变化趋势，在双脉冲延时为100 ns处产生的极紫外光辐射最强。并且，在延时为100 ns处产生的光谱效率最高，相比于单脉冲激光产生的光谱效率提升了33%。此外，发现双激光脉冲打靶技术可以有效地减弱等离子体的自吸收效应，获得的6.7 nm附近极紫外光谱宽度均小于单激光脉冲打靶的情形，且在脉冲延时为30 ns时刻所产生的光谱宽度最窄，约为单独主脉冲产生极紫外光谱宽度的1/3。同时，Gd极紫外光谱的变窄提高了波长为6.7 nm (0.6%带内)附近的光谱利用效率。 图1 延时为30，100 ns和主脉冲三种情况下的极紫外光谱宽度对比图 同行评价 高效率极紫外光源是光刻的关键技术，本文针对下一代6.7 nm波段极紫外光源从理论上进行光谱计算，并进行双脉冲激光打靶的实验研究，获得了比单脉冲激光更加高效的极紫外辐射，论文的研究对我国极紫外光源的开发奠定了基础。 编辑推荐 刘鑫，周晓鹏，汶伟强，陆祺峰，严成龙，许帼芹，肖君，黄忠魁，汪寒冰，陈冬阳，邵林，袁洋，汪书兴，马万路，马新文 物理学报, 2022, 71(3): 033201 doi: 10.7498/aps.71.20211663 高电荷态离子精细结构跃迁波长的精密测量不仅可以检验量子电动力学(quantum electrodynamics，QED)效应、电子关联效应等基本物理模型，还能够为天体物理、聚变等离子体物理甚至高电荷态离子光钟等研究提供关键原子物理数据。本工作基于复旦大学现代物理研究所的高温超导电子束离子阱(SH-HtscEBIT)装置，搭建了一套新的光谱校刻系统，并结合内校刻与外校刻的方法对其光谱波长测量的不确定度进行了评估，新的光谱校刻系统在可见光波段引起的波长不确定度最低达到0.002 nm。在此基础上，使用SH-HtscEBIT装置结合新的校刻系统开展了Ar13+离子1s22s22p 2P1/2—2P3/2磁偶极跃迁(M1)波长的精密测量，实验测得该跃迁波长为(441.2567 ± 0.0026) nm，是目前SH-HtscEBIT上测量精度最高的实验结果，为下一步开展高电荷态离子超精细分裂和同位素位移等精密测量实验奠定了基础。 图1 (a) 用SH-HtscEBIT在415—465 nm范围内，获得了标称电子束能量为780，800，810，820和870 eV Ar13+离子1s22s22p 2P基态M1跃迁的可见光谱；(b) Ar13+的441 nm跃迁谱线高斯拟合示例；(c) Ar13+跃迁波长的多次测量结果，图中深色直线表示加权平均波长，浅色带表示加权平均波长的不确定度 同行评价 本文的主要工作是搭建了一套新的共轭光谱外校刻系统。这种外校刻是国际上最先进、最成熟的校刻方案之一。通过这套系统，并结合内校刻的方式对光谱波长测量不确定度进行了细致的评估分析。在可见光波段，以氩离子为例精细测量了已知谱线的波长，展示出其测量精度达到0.002纳米的精度，为进一步的精密测量实验奠定了基础。 编辑推荐 党俊坡，江秀娟，唐振华 物理学报, 2022, 71(3): 030701 doi: 10.7498/aps.71.20211437 将TiNi基记忆合金薄膜与光纤相结合可制成智能化、集成化且成本经济的微机电系统和微传感器件。本文采用磁控溅射法在二氧化硅光纤基底上制备TiNi记忆合金薄膜，系统讨论了溅射工艺参数以及后续退火处理对薄膜质量的影响。采用自研制光纤镀膜掩膜装置在直径为125 μm的光纤圆周表面上形成均匀薄膜。实验表明：在靶基距、背底真空度、Ar气流量和溅射时间一定的条件下，溅射功率存在最佳值；溅射压强较大时，薄膜沉积速率较低，但薄膜表面粗糙度较小。进行退火处理后，薄膜形成较良好的晶体结构，Ti49.09Ni50.91薄膜中马氏体B19′相和奥氏体B2相共存，但以B19′为主。根据本文研究结果，在玻璃光纤基底上制备高质量的TiNi基记忆合金薄膜是可实现的，本工作为下一步研制微机电系统和微型传感器做了基础准备。 图1 二氧化硅光纤上制备成的TiNi薄膜，光纤包层直径为125 μm 同行评价 论文采用磁控溅射法在二氧化硅光纤基底上制备TiNi记忆合金薄膜。现有的镀膜一般采用平面基底，而该工作在直径微小的圆柱形光纤表面生长合金薄膜，具有创新性。将形状记忆合金和光纤相结合可开发智能化、集成化的传感器件，该工作为这类新型器件的研究提供了参考，具有较大的学术价值与实际意义。 编辑推荐 基于多体经典轨迹蒙特卡罗方法的H+，Li3+，Be4+，O7+与He原子电荷交换过程 李国壮，张晟，焦志宏，李新霞 物理学报, 2022, 71(3): 035201. doi: 10.7498/aps.71.20211470 经典轨迹蒙特卡罗(CTMC)方法是研究离子-原子碰撞系统电荷交换过程的常用方法，广泛应用于天体物理以及实验室等离子体环境下重粒子碰撞过程的研究。本文利用四体碰撞模型(4-CTMC)研究了包括两个束缚电子的四体碰撞过程，通过数值求解四体碰撞系统的哈密顿运动方程，计算了高电荷态入射离子(Li3+，Be4+和O7+)同氦原子在大能量范围的单、双电子电离和俘获截面。H++He碰撞截面的计算中，在50—200 keV/amu的入射能区，4-CTMC的结果几乎重复了实验结果。在高电荷态入射情形下，4-CTMC计算的单电子电离和俘获截面值相较于三体碰撞模型(3-CTMC)在100—500 keV/amu的入射能区内与实验符合更好。尽管4-CTMC和3-CTMC忽略了电子关联，均高估了双电子电离和俘获截面(与实验值相比)，但4-CTMC的结果更接近实验。 图1 H+ + He双电子电离截面 同行评价 作者基于经典轨迹蒙卡方法研究了离子-原子的四体碰撞过程，并与已有实验进行了比较研究。研究表明，高电荷态离子碰撞的情况下，4-CTMC的模拟结果比3-CTMC更接近实验结果。这得益于4-CTMC模型在避免了经典自电离的同时，考虑包含两个束缚电子的四体碰撞系统哈密顿量，可以更精确描述双电子体系。此外，文章也指出了当前 4-CTMC方法的不足之处，即未考虑碰撞过程中电子间相互作用，以及进一步的发展方向。 《物理学报》2022年第3期全文链接： https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2022/3 《物理学报》2020—2022年电子期刊，点击下图即可阅读。 专题汇总 《物理学报》在淘宝店和微店上线，扫码即可购买过刊和现刊。
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