博文

亮点文章《物理学报》2022年第14期

已有 1783 次阅读 2022-8-11 10:35 |系统分类:论文交流

封面文章

朱佳雪，张续猛，王睿，刘琦

物理学报, 2022, 71(14): 148503.

doi: 10.7498/aps.71.20212323

受人脑工作模式的启发，脉冲神经元作为人工感知系统和神经形态计算体系的基本计算单元发挥着重要作用。然而，基于传统互补金属氧化物半导体技术的神经元电路结构复杂，功耗高，且缺乏柔韧性，不利于大规模集成和与人体兼容的柔性感知系统的应用。本文制备的柔性忆阻器展示出了稳定的阈值转变特性和优异的机械弯折特性，其弯折半径可达1.5 mm，弯折次数可达10⁴次。基于此器件构建的神经元电路实现了神经元的关键积分放电特性，且其频率-输入电压关系具有整流线性单元相似性，可实现基于转换法的脉冲神经网络中神经元的非线性处理功能。此外，基于电子传输机制和构建的核壳模型，对柔性忆阻器的工作机制进行分析，提出了电场和热激发主导的阈值转变机制；进一步对忆阻器和神经元的电学特性进行电路仿真模拟，验证了柔性忆阻器和神经元电路工作机制的合理性。本文对柔性神经元的研究可为神经形态感知和计算系统的构建提供硬件基础和理论指导。

图1 柔性忆阻器脉冲神经元的关键特征 (a) 基于柔性忆阻器的脉冲神经元电路原理图；(b) 忆阻器脉冲神经元的振荡特性和脉冲输出特性；(c) 忆阻器脉冲神经元的全或无特性；(d) 忆阻器脉冲神经元的不应期特性

同行评价

在这篇文章中，作者对面向神经形态感知和计算的柔性忆阻器基脉冲神经元进行了研究。制备的柔性忆阻器展现了良好的机械弯折能力，弯折半径可达1.5 mm，弯折次数可达10⁴次。基于该柔性忆阻器，本文构建的脉冲神经元显示出了阈值发放，“全”或“无”，不应期和输入强度依赖的频率调制特性，具有生物神经元的关键积分放电特性，可用于人工感知系统中的感觉神经元模拟。此外，针对神经元在不同输入电压下表现出的频率和阈值电压的变化，本文对忆阻器的工作机制进行了分析，并构建了基于核壳模型的SPICE仿真，验证了由欧姆传导和Poole-Frenkel传输机制主导的工作机制的合理性。通过对壳层电阻的温度进行修正，神经元的SPICE模型获得了和实验结果相符的仿真结果，进一步说明了模型的合理性。最后，作者们利用柔性神经元的输出频率-输入电压关系所表现出的ReLU函数相似性构建了转换脉冲神经网络，在数字手写体识别任务中获得了与理想人工神经网络相当的识别结果（96%）。本文工作非常有趣，制备的柔性忆阻器基神经元显示出其在人工感知和神经形态计算等的应用潜力，也为柔性智能感知计算系统的设计提供了指导。

原文链接 PDF

编辑推荐

单轴晶体中产生的高纯度纵向针形磁化场

许琳茜，朱榕琪，朱竹青，贡丽萍，顾兵

物理学报, 2022, 71(14): 147801.

doi: 10.7498/aps.71.20220316

基于理查德-沃尔夫矢量衍射理论和逆法拉第效应，提出一种在单轴晶体中产生高纯度纵向针形磁化场的方法。该方法通过电偶极子对数N及其阵列多参数调控，利用单轴晶体中的电偶极子反向辐射构建出优化的入瞳光场，再正向紧聚焦获得所需目标磁化场。模拟结果表明：当N = 1时，单轴晶体中产生的磁化场比在同性介质中焦深长度增加近1.4倍，横向分辨率提高5%。当N = 2和N = 3时，单轴晶体中获得的纵向针形磁化场随着电偶极子对数增加，轴向焦深增加了10%，横向分辨率提高了18%。随着磁化场轮廓表面值从0.1变化到1，针形磁化场的纯度逐渐增大到1。尤其当N = 2、轮廓表面值为0.1时，磁化场纯度高达95%。研究结果为在各向异性介质中生成更高纯度、针长更长的纵向磁化场提供了可行性方案，也为全光磁记录、原子捕获和光刻等实际应用中入瞳光场的优化选取提供了理论指导。

图1 针形磁化场强度分布图 (a1) N = 2和(a2) N = 3时所需的入瞳光场；(b1) N = 2和(b2) N = 3时x-z面总磁化强度分布；(c1) N = 2和(c2) N = 3时x-z面纵向磁化场分量强度分布；针形磁化场沿 (d1) x轴和 (d2) z轴的归一化强度分布(红实线和黑虚线分别为N = 2条件下的总场和纵向磁化场分量，黑实线和蓝点线分别为N = 3条件下的总场和纵向磁化场分量)

同行评价

存储技术一直是信息存储领域中最为重要的技术手段之一。与外部写入磁场和激光热辅助这两种传统的实现磁化反转的方法相比，全光磁反转不仅不需要外部磁场的帮助，而且还可以极大地加快磁化反转的进程，从而提高存储速率。因此，全光磁反转技术具有重要的研究意义和实际应用价值。为了进一步提高全光磁记录的密度、容量与有效率，很多研究小组基于逆法拉第效应对光致磁化场调控进行了深入的理论研究，但实际实验记录材料的光学各向异性对磁化场特性的影响常被忽略。本文利用电偶极子反向辐射理论，创新地提出了一种在单轴晶体中产生高纯度纵向针形磁化场的方法。选题具有新颖性，理论推导完备，仿真实验结果可靠，对全光磁记录实验提供了很好的理论指导，也为光学各向异性材料中的磁化场调控提供了新方法。

原文链接 PDF

编辑推荐

微型电子回旋共振离子源的全局模型

武文斌，彭士香，张艾霖，周海京，马腾昊，蒋耀湘，李凯，崔步坚，郭之虞，陈佳洱

物理学报, 2022, 71(14): 145204.

doi: 10.7498/aps.71.20212250

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用。为了深入认识微型ECR离子源的工作机理，本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象，以氢气和氘气放电形成的等离子体为例，发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型。研究结果表明，该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系。对于氢气放电等离子体，微波功率低于100 W时，离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H⁺₂离子束和H⁺₃离子束；当微波功率高于100 W时，可以在很宽的运行气压范围内，获得质子比超过50%的束流。因此，提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键。对于氘气放电等离子体，3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致。但是在相同的运行条件下，D⁺比例比H⁺比例高10%—25%。也就是说，在微型氘离子源的测试和优化过程中，可以利用氢气代替氘气进行实验，并将质子比测量结果作为相同条件下氘离子比例的下限。

图1 微型ECR离子源工作状态区与H⁺，H⁺₂，H⁺₃离子占优区

同行评价

本论文建立了基于紧凑型微波ECR离子源的全局性模型，并开展了较为全面的模拟计算分析，是在该类装置研究方面的大胆尝试，对该类研究有一定的推动意义，会加深对该类装置的物理理解，整个工作完整、可靠。

原文链接 PDF

编辑推荐

用于冷原子的高精度磁场锁定系统

刘雪梅，芮扬，张亮，武跃龙，武海斌

物理学报, 2022, 71(14): 145205.

doi: 10.7498/aps.71.20220399

磁场调控的Feshbach共振是调控原子间相互作用最常用的基本工具，减小磁场起伏，对于提高超冷原子散射共振的稳定性有着重要意义。本文通过一套分流磁场锁定系统，实现了百高斯磁场下相对不确定度为10^–6量级的磁场锁定，相较于未经锁定时，低频电流噪声得到45 dB以上的抑制。利用本文的锁定方法，⁶Li原子团Rabi振荡相干时间提高了9.6倍，有效延长了超冷原子系统的相干时间。同时根据原子的Raman损耗谱标定了磁场均方根噪声，通过选择无相互作用的528 Gs (1 Gs = 10^–4 T)处进行检测，磁场均方根噪声抑制到1.2 mGs，相较于未经锁定时，磁场均方根噪声降低16倍，磁场锁定相对不确定度为2.27×10⁻⁶。这样的磁场锁定系统，可以为超冷原子气体提供精确稳定的背景磁场，对延长量子存储寿命、精确调控原子散射、开展凝聚态物理模拟等超冷量子气体实验有重要意义。

图1 原子损失谱的高斯拐点处原子数的抖动 (a) Raman光π脉冲为2.5 μs时，红色(蓝色)数据点为磁场锁定(未锁定)时原子的抖动；(b) Raman光π脉冲为24 μs时，绿色数据点为磁场锁定时原子的抖动. 图(b)与图(a)相比，原子数对失谐有不同的敏感度系数，提高了16.5倍

同行评价

磁场的高精度稳定对开展基于⁶Li原子的实验研究很重要。本文作者利用一套磁场分流反馈锁定系统，通过将磁场线圈电流噪声分流、实现磁场线圈电流噪声的稳定，实现了⁶Li原子中Feshbach共振磁场ppm量级的精密控制。该项工作的目标和针对的问题很明确，方法构思很好，结果可信，期待进一步的应用。本文的写作很有层次，对问题的阐述较充分，对实验过程的叙述清晰易读。

原文链接 PDF

编辑推荐

双轨道Hubbard模型的动力学平均场理论研究

倪煜，孙健，全亚民，罗东奇，宋筠

物理学报, 2022, 71(14): 147103.

doi: 10.7498/aps.71.20220286

基于以Lanczos方法为杂质求解器的动力学平均场理论，研究了非局域轨道间跃迁对于双轨道强关联体系中轨道选择Mott相变的影响。计算了轨道间跃迁系数不同的双轨道Hubbard模型的准粒子权重和态密度，并构建了它们在相互作用强度U 和轨道带宽比t₂/t₁ 影响下的相图。通过正则变换引入两个有效的退耦和轨道，在一定条件下轨道间跃迁会有利于轨道选择Mott相变的发生。还比较了Bethe晶格和正方晶格的相图，虽然基于两种不同晶格能带结构得到的轨道选择Mott相变的相变点存在一定的差异，但其中关于轨道选择Mott相变的基本物理图像具有一致性。并将方法拓展到半满的Ba₂CuO₄_–δ材料的研究中，与根据密度泛函理论得到的能带对比，我们发现各向同性的轨道间跃迁对能带结构影响较大，进一步采用动量空间各向异性的非局域轨道间跃迁项，得到了材料的相图，在半满条件下Ba₂CuO₄_–δ应为轨道选择Mott材料。

图1 DMFT结合正方晶格能带结构所得到的结果 (a)轨道间跃迁系数不同时，准粒子权重Z随相互作用U的变化曲线，体系的洪特耦合J_H= 0.25U，带宽比t₂/t₁ = 0.4；(b) t₁₂=0.4以及J_H=0.25U时，相互作用U和带宽比t₂/t₁影响下的有效轨道模型相图

同行评价

轨道选择的Mott相变是强关联体系近期研究热点。作者基于紧束缚模型，利用以精确对角化的Lanczos算法作为杂质求解器的动力学平均场理论，研究了相互作用U以及非局域轨道间跃迁t₁₂在双轨道Hubbard模型中轨道选择Mott相变中的影响，并构建了相关相图。作者发现：1）通过调整轨道间跃迁，可以促进双轨道体系中轨道选择Mott相的发生；2）不同晶格能带结构得到的轨道选择Mott相变的物理图像相似；3）作者将该方法应用于具体材料双轨道铜氧化物超导材料Ba₂CuO₄_–δ，发现半满的Ba₂CuO₄_–δ为轨道选择Mott相变体系，并与完整能带结构代入DMFT中体系的相图定性相符。文章撰写结构合理，计算方法思路清晰，所得结果可信，对读者理解强关联系统的本质很有帮助。

原文链接 PDF

编辑推荐

不同方向局域交换场对锡烯自旋输运的影响

郑军，马力，相阳，李春雷，袁瑞旸，陈箐

物理学报, 2022, 71(14): 147201.

doi: 10.7498/aps.71.20220277

利用非平衡格林函数方法，理论研究了多种组合形式的局域交换场对锡烯纳米带自旋输运性质的影响。研究表明锡烯自旋相关电导、边缘态和体能带都显著地依赖于不同区域交换场的方向和强度。在[I：±Y，II：+Z，III：±Y]方向交换场的共同作用下，边缘态受Y方向交换场影响形成带隙，禁带宽度与交换场强度M 成正比，在−M<E<M能量范围电导值为0。对上下边缘区域同时施加+Z或−Z方向的交换场时，边缘态和体能带都发生较强的自旋劈裂，自旋向上和向下能带沿相反方向向高能量区域移动，增大交换场的强度电导自旋极化的范围将从高能量扩展到低能量区域。当交换场方向为[I：∓Z，II：±Y，III：±Z]时，低能区自旋相关的电导保持电子空穴对称性，不同交换场强度条件下，自旋相关电导都在相同的能量范围−λ_so<E<λ_so保持电导平台G_σ=e²/h。

图1 (a) 交换场作用下的锡烯纳米带俯视图. 图中沿Y轴方向将锡烯等分为I，II，III 3个区域，并分别对这3个区域施加[I：+Z，II：+Y，III：−Z]和[I：−Z，II：−Y，III：+Z]方向组合的交换场；(b) 无外场作用时锡烯的电子能带结构；铁磁交换场按照(c) [I：±Y，II：+Z，III：±Y]和(e) [I：±Y，II：−Z，III：±Y]分布时自旋相关电导随费米能E的变化；(d)交换场强度为M = λ_so/2，方向为(d) [I：±Y，II：+Z，III：±Y]及(f) [I：±Y，II：−Z，III：±Y]时的电子能带结构，图中红色圈线和蓝色实线分别对应自旋向上和自旋向下的电子

同行评价

拓扑绝缘体自旋输运研究是近年来凝聚态物理的研究热点之一，本文作者采用紧束缚模型和格林函数方法，理论上深入地研究了不同方向局域交换场的组合形式和强度对锡烯纳米带电导和能带的影响。作者采用的理论模型合理、研究方法得当，并得到一些有意义的研究成果。

原文链接 PDF

编辑推荐

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

刘青阳，徐青松，李瑞

物理学报, 2022, 71(14): 146801.

doi: 10.7498/aps.71.20212309

掺氮石墨烯具有良好的应用前景，但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏。本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响。结果表明在公度、非公度的界面结构下，氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势。界面结构为公度状态时，氮原子的引入导致了局部非公度状态，因而界面势垒降低、摩擦减小。界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反，在二者的共同作用下，随氮掺杂比例的升高，掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势。界面结构为非公度状态时，氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化，界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大。存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大，掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义。

图1 (a) 非公度时不同载荷下石墨烯的平均摩擦力随氮掺杂比例的变化；(b) 存在5%空位缺陷的石墨烯与N掺杂石墨烯的平均摩擦力

同行评价

作者利用分子动力学模拟研究了六边形的石墨烯片在石墨烯以及氮掺杂石墨烯上的摩擦性质，并考虑了公度以及非公度界面对摩擦性质的影响。结果表明界面结构为公度状态时，随氮掺杂比例的升高，掺氮石墨烯片体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势；而界面结构为非公度状态时，界面摩擦随氮掺杂比例的增加而增大。该工作在一定程度上填补了掺氮石墨烯摩擦学特性的空白，对推动石墨烯摩擦的研究进程有一定地帮助。

原文链接 PDF

编辑推荐

基于柱对称梯度折射率体系的可调控光束传输

温广锋，赵领中，张琳，陈毅云，罗圻林，方安安，刘士阳

物理学报, 2022, 71(14): 144201.

doi: 10.7498/aps.71.20212247

采用磁性电磁超构材料，设计了具有柱对称梯度折射率分布的二维体系，根据梯度的不同可以实现光束的不同调制功能。通过等效介质理论，可以计算磁性电磁超构材料的等效电磁参数，从而获得等效折射率。而且，随着磁性柱半径的变化，可以实现等效折射率的灵活调制。尤为特别的是，通过改变外加偏置磁场的空间分布，可以实现不同的折射率梯度，这也是磁性电磁超构材料相对于普通介质体系的优越性。基于多重散射理论，对光束在二维体系中的传输行为进行了模拟计算，研究结果表明通过调制外加偏置磁场可以实现光束的囚禁、光束的内偏折和外偏折、以及分束等功能。而且，通过改变外加磁场可以实现不同功能间的切换，这种灵活的调制能力为光束传输提供了新的自由度。

图1 通过改变空间中的外加偏置磁场H₀ 分布实现折射率梯度指数η=2 的体系　(a) 结构示意图显示该体系包括 25 层，每层的厚度a=12 mm，内核吸收体半径r_c′=7a，折射率梯度区域的内壳层半径为 r₁=20a，体系的半径 R=25a；(b) 不同壳层中的外加磁场H₀ 的分布；(c) 相应的ε_eff，μ_eff及 n_eff. 高斯光束对心入射到该体系的(d)电场分布，(e)强度分布以及偏心入射的(f)电场分布和(g)强度分布. 内部区域和外部区域的磁性柱半径分别为r_s=0.35a， r_s′=0.12a，工作频率为f=2.7 GHz，白色圆形标记出体系不同区域的位置

同行评价

该论文采用磁性电磁超材料设计了具有轴对称梯度折射率分布的二维体系，通过改变折射率梯度分布实现了对高斯光束的灵活调控。论文采用等效介质理论计算了超材料的等效电磁参数并考察了外加磁场对等效折射率的调制能力，从而可以设计出基于外加磁场调制的不同梯度折射率体系。采用多重散射理论可以进行电磁场分布的模拟，从而可以观察到梯度折射率体系中光束的传播性质。该论文的研究工作实现了可调控的光束传输，是非常有意义的研究课题，对于从事磁性超材料和梯度折射率体系相关的科研工作者具有一定的吸引力。

原文链接 PDF

编辑推荐

基于电光晶体马赫-曾德干涉仪的载波包络偏移频率调节方法

丁永今，曹士英，林百科，王强，韩羿，方占军

物理学报, 2022, 71(14): 144203.

doi: 10.7498/aps.71.20220147

基于电光晶体马赫-曾德(M-Z)干涉仪的载波包络相位偏移频率(carrier-envelop offset frequency，f₀)调节方法是一种新颖的f₀调节方法。该方法通过改变脉冲包络而不改变载波频率实现对f₀信号的调节。本文对该方法所涉及的偏振控制装置进行了仿真，分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响。在实验上提出了一种光轴校准方法以减小波片光轴偏差带来的影响，并对比了抽运电流调节方法和基于电光晶体M-Z干涉仪的f₀调节方法对f₀信号和光梳与激光拍频信号(beat note，f_b)的影响。实验结果表明改变抽运电流，在f₀调节量为9 MHz的情况下，对f_b影响为7 MHz。而在相同f₀调节量下，电光晶体M-Z干涉仪f₀调节方法对f_b的影响为0.2 MHz，仅为抽运电流对f_b影响的1/35，从而验证了基于电光晶体M-Z干涉仪的f₀调节方法可以有效降低对f_b的干扰，为利用f_b锁定重复频率(repetition rate，f_r)，进而实现光梳梳齿线宽的压窄提供了一种技术手段。

图1 脉冲包络与载波示意图

同行评价

窄线宽光梳在光钟比对、双光梳测量、超低相位噪声微波产生等领域都具有重要的作用。在窄线宽光梳的实现过程中，最重要的一点是避免或降低光梳中f₀信号与光梳-激光拍频信号f_b之间的干扰。该论文主要开展了基于电光晶体M-Z干涉仪的f₀调节方法的研究，分析了其中波片光轴偏差对输出激光偏振方向和偏振度的影响，在实验上提出了一种光轴校准方法以减小波片光轴偏差带来的影响，并对比了泵浦电流调节方法和基于电光晶体M-Z 干涉仪的f₀调节方法对f₀信号和光梳-激光拍频信号fb的影响，验证了基于电光晶体M-Z 干涉仪的f₀调节方法可以有效降低对f_b的干扰。文章总体写作规范，理论模拟和实验数据较为详尽，对实验结果解释正确，相关结果对光梳梳齿线宽的压窄具有重要的参考价值。