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亮点文章 | 《物理学报》2024年第3期

已有 293 次阅读 2024-2-14 23:23 |系统分类:论文交流

封面文章

非封闭式热斗篷热防护特性

苗钰钊，唐桂华

物理学报, 2024, 73(3):034401.

doi: 10.7498/aps.73.20231262

高超声速飞行器在飞行过程中产生大量气动热，高效的热防护技术对保证其正常工作具有重要意义。本文基于热超材料调控热流传播路径思想，针对高超声速飞行器头锥，采用坐标变换法设计非封闭式点变换热斗篷及简化近似的多层结构。COMSOL数值模拟研究表明，两种结构均有效实现导热和辐射热流的热绕流，使部分热量沿头锥表面传播，头锥前端温度显著降低，机体升温速率减缓。但其热防护性能的提升要求材料固相和辐射热导率低于原隔热材料。进一步设计了非封闭式域变换热斗篷，材料固相和辐射热导率均可高于原隔热材料。模拟结果表明，热绕流显著提升了域变换热斗篷的热防护能力，相比于纯隔热材料，头锥前端温度降低达100 K，机体降温达10 K，展现出重要的热防护应用潜力。

图1 几何变换与计算模型 (a)高超声速飞行器壁面热流分布；(b)头锥二维简化模型；(c)点变换热斗篷；(d)域变换热斗篷

同行评价

本文基于热超材料调控热流传播路径思想，针对高超声速飞行器头锥，采用坐标变换法设计了非封闭式理论热斗篷及简化近似的多层结构，进一步设计了外推变换的非封闭式理论热斗篷。其将理论研究与实际应用结合，对于热超材料的应用来说具有重要的研究意义。

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《物理学报》创刊 90 周年

铁基超导体中的马约拉纳零能模及其阵列构筑

李更，丁洪，汪自强，高鸿钧

物理学报, 2024, 73(3):030302.

doi: 10.7498/aps.73.20232022

马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计，其编织操作可用于构筑拓扑量子比特，是拓扑量子计算的基本单元，可从原理上解决量子计算中环境噪声带来的退相干问题。现有的马约拉纳零能模平台包括复合异质结构，如拓扑绝缘体/超导体、半导体纳米线/超导体或一维磁性原子链/超导体等，以及单一材料，如2M-WS₂，4Hb-TaS₂和铁基超导体等。铁基超导体中的马约拉纳零能模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高等一系列优势，引起了广泛关注。最近，大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到，为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台。本综述首先回顾铁基超导体中马约拉纳零能模的实验观测，其中将重点介绍FeTe_0.55Se_0.45，(Li_0.84Fe_0.16)OHFeSe，CaKFe₄As₄和LiFeAs等材料体系。接着介绍给出铁基超导体中马约拉纳零能模关键性实验证据的一系列工作。然后进一步详细介绍近期LiFeAs中观测到有序和可调马约拉纳零能模晶格阵列的工作。最后给出总结和对未来马约拉纳领域研究的展望。

图1 (a) FeTe_0.55Se_0.45的高分辨扫描隧道显微镜(STM)图像；(b) 0.5 T下FeTe_0.55Se_0.45表面零偏压dI/dV map图像；(c)单个磁通涡旋的零偏压dI/dV map 图像；(d)在磁通涡旋中心(红色)以及边界(黑色)处的dI/dV谱线；(e)沿图(c)箭头方向的空间分辨dI/dV谱线^[55] ([55] Wang D，Kong L，Fan P，Chen H，Zhu S，Liu W，Cao L，Sun Y，Du S，Schneeloch J，Zhong R，Gu G，Fu L，Ding H，Gao H J 2018 Science 362 333)

同行评价

这篇综述文章对超导体磁通芯子中的马约拉纳零能模物理进行了很好的综述，特别是对铁基超导体中本征的马约拉纳零能模的观察，验证以及后续工作都进行了介绍。铁基超导体作为马约拉纳模具有材料平台简单、零能模纯净以及存活温度较高（相对于现有的量子计算）等一系列优势，作者对FeTe_0.55Se_0.45、（Li_0.84Fe_0.16）OHFeSe、CaKFe₄As₄ 和 LiFeAs 等材料体系观察到的零能模进行了阐述。最后，文章介绍了最近发现的大面积、有序和可调控的马约拉纳零能模晶格阵列在铁基超导体LiFeAs中被观测到，这是一个非常重要的工作，为未来的拓扑量子计算提供了一个理想平台。

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编辑推荐综述

基于离子阱中离子晶体的热传导的研究进展

李冀，陈亮，冯芒

物理学报, 2024, 73(3):033701.

doi: 10.7498/aps.73.20231719

热传导现象是物理学中最重要的研究课题之一，特别是近年来，随着对单分子器件研究的不断深入，人们越来越关注低维(一维和二维)微观系统的热传导问题。离子阱中的离子晶体处于真空环境中，没有与外部环境进行能量交换，其晶体结构和温度可以通过电场和光场精确操控，为研究低维晶体在经典或量子状态下的热传导提供了理想的实验平台。本文综述了近年来离子晶体中热传导的理论研究，包括一维、二维和三维模型中温度分布和稳态热流的计算方法，以及在不同维度离子晶体构型下热流与温度分布的特性。此外，还讨论了无序度对离子晶体热导性的影响。

图1 ρ值不同时，由100个离子组成的离子晶体在稳态下的温度分布^[25]（[25] Lin G D，Duan L M 2011 New J. Phys. 13 075015）

同行评价

离子阱系统是实现量子计算和量子传感精密测量的重要物理实验平台，为此首先要求对离子进行冷却，因此研究系统中的热传导现象具有非常重要的意义。本综述针对这一课题的研究进展，进行了详实的总结介绍，包括一维、二维和三维离子晶格中的温度分布和稳态热流的计算方法，无序对热流与温度分布特性的影响等，是一篇很好的综述论文。

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金属导热理论的研究进展与前沿问题

王奥，盛宇飞，鲍华

物理学报, 2024, 73(3):037201.

doi: 10.7498/aps.73.20231151

金属是人类使用最广泛的材料之一。相对于对金属力学性能的研究，金属导热性能的相关研究较为匮乏。对金属导热机制的理解往往还依赖于一百多年前建立的威德曼-弗朗兹定律。金属导热和电子输运有密切联系，同时又与晶格振动有关。深入理解金属导热机制，不但对材料应用意义重大，而且有利于提高对导热基本理论的认知。本文回顾了金属导热研究的历史，并对最近十几年来金属导热的研究进行了总结，特别是对基于第一原理电子-声子耦合模式分析的金属导热机理的研究进行了综述。此外，本文也对金属导热理论的未来发展方向进行了探讨。

图1 (a)金属导热与导电的微物理观过程示意图，包括三声子散射和电声相互作用；(b)金属导热主要研究对象，包括金属单质、金属性化合物、金属纳米结构与二维金属的导热，以及金属导热受到不同外界因素诸如温度、压强等的影响

同行评价

本综述回顾了金属导热理论的研究历史，讨论了最新的研究进展。主要集中探讨了电声、三声耦合对热导率的贡献，同时介绍了热导率的调控机理如温度、压强、磁场等。文章条理清晰、物理机制明确、综述也很全面。

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具有平带的一维十字型晶格中重返局域化现象

陆展鹏，徐志浩

物理学报, 2024, 73(3):037202.

doi: 10.7498/aps.73.20231393

数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象。当参数Δ ≠ 0时，此平带系统等价于存在一个双频率调制的行为。通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历2次局域转变，即发生第1次局域化转变进入完全局域相后，继续增加调制强度，一些局域态重新恢复成了退局域化态，进一步增加调制强度，系统将再次进入完全局域化相。最后给出了局域化相图。当参数Δ = 0时，此系统仅存在单频率调制。通过解析和数值求解证明了，系统存在解析的迁移率边，但不存在重返局域化。该研究结果为平带系统中重返局域化的研究提供了参考，也为重返局域化的研究提供了新的视角。

图2 当Δ = 1.68，L = 800时，(a) MIPR (蓝色虚线)和MNPR(红色实线)随着无序强度λ的变化，灰色区域表示具有迁移率边的中间相区；插图显示当L = 300 (蓝色实线)，500 (深绿色实线)，800 (红色实线)和1500 (湖蓝色实线)时，MNPR随无序强度λ的变化。(b)分形维度Γ_i随着本征态指标(eigenstates index)和无序强度λ的变化。系统存在4个局域化转变点：λ = 0.27，2.01，2.48和2.83 (黑色虚线表示)。图中的颜色条代表分形维度Γ_i的大小

同行评价

作者数值研究了在具有平带的一维十字型晶格中引入准周期调制所诱导的重返局域化现象。通过数值求解分形维度、平均逆参与率、平均归一化参与率等序参量证明了在一维十字型晶格中随着调制强度的增加会经历二次局域转变。该研究提供了一个简单的例子，清晰的展示了重返局域化现象，为相关领域推进对这一问题的深入理解提供了很好的范例。

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定中和驱动一体化的超导转子驱动方法

张源，胡新宁，崔春艳，崔旭，牛飞飞，黄兴，王路忠，王秋良

物理学报, 2024, 73(3):038401.

doi: 10.7498/aps.73.20231455

高速旋转的超导转子可制作高精度惯性器件，对载体的角位置或角速度进行测量，超导转子的质量偏心和球面误差是影响测量精度的主要误差源。超导转子结构越复杂，其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大，则其测量角速度的精度越低。基于此，本文设计了一种结构简单的超导转子驱动电磁结构，并通过有限元方法研究了定子对超导转子产生的转矩，分析了定子对超导转子的定中和加转效果。基于对超导转子转矩的研究结果，提出了一种定中和驱动一体化的超导转子驱动方法，即通过定子线圈同时实现定中和驱动功能，并设计了对应的定子控制时序。最后分析了所提驱动方法驱动过程的力矩分布，并结合定子系统的响应特性对驱动效果进行了定量分析，计算了不同条件下超导转子加速到50 Hz需要的时间。结果表明，所设计的驱动电磁结构及提出的定中驱动一体化的驱动方法可以对超导转子定中和驱动，研究结果为进一步优化超导转子结构，及超导转子的驱动方法提供参考。

图18 定中驱动一体化结构的驱动过程力矩分布

同行评价

作者提出了一种简单的超导转子结构，并采用有限元方法研究了新提出的超导转子在驱动力矩等方面的特点和优势，最后对超导转子的动力学响应和驱动控制进行了系统的研究和分析。论文结果对超导转子磁悬浮系统的设计和驱动提供了很好的理论参考。

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基于不同流动时间占比的紧凑式室温磁制冷系统实验研究

李瑞，沈俊，张志鹏，李振兴，莫兆军，高新强，海鹏，付琪

物理学报, 2024, 73(3):037501.

doi: 10.7498/aps.73.20231066

磁制冷因高效、环保、结构简单等特点，正有望成为替代传统蒸气制冷的新型室温制冷技术之一。当前针对单一影响因子对磁制冷样机的影响作用规律研究较为丰富，但对磁场-流场时序中流动时间占比工况的研究较少，且影响规律尚不明晰。本文以前期研制的紧凑型室温磁制冷系统为基础，在固定的磁场时序情况下开展不同流动时间占比的实验研究，探索制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的关联。以磁场时序1∶4∶1∶4与频率0.45 Hz的工况为例，开展了固定磁场时序的不同流动时间占比(100%，80%，60%)的实验研究。结果表明：1)小利用系数和高流动时间的组合可获得较大温跨，大利用系数和高流动时间占比的组合可获得较大冷量，其中当利用系数为0.42、流动时间占比为100%时，获得最大无负荷制冷温跨26.2 K；2)对比研究了利用系数与流动时间占比对回热器压降及性能系数的影响，流动时间占比的增大和利用系数的减小均会造成流体速度的减小，会使压降进一步减小，性能系数进一步增大。本研究阐明了制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的影响规律，为进一步提升室温磁制冷机的性能奠定基础。

图5 (a)运行频率0.45 Hz、流动时间占比F_B = 100%，利用系数U = 0.42的工况下整机系统的降温(蓝色)和升温曲线(红色)；(b)—(d)分别在F_B = 100%，80%，60%流动时间占比下，不同利用系数下制冷温跨随制冷量的变化曲线

同行评价

本文主要介绍了以紧凑型磁制冷系统为基础，开展不同流动时间占比的研究，同时探索制冷温跨、制冷量及压降与流动时间占比之间的关联。本文对相同磁场曲线时的流动时间比例进一步深入探索，这是磁制冷领域相关研究人员十分感兴趣的内容。

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编辑推荐综述

III族氮化物半导体及其合金的原子层沉积和应用

仇鹏，刘恒，朱晓丽，田丰，杜梦超，邱洪宇，陈冠良，胡玉玉，孔德林，杨晋，卫会云，彭铭曾，郑新和

物理学报, 2024, 73(3):038102.

doi: 10.7498/aps.73.20230832

III族氮化物半导体由于包含了宽的直接禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高电子迁移率等优异的性质，自从发展以来便成为半导体领域中的一个热点。并且由于其禁带宽度可以从近紫外涵盖到红外区域，因此在传统半导体所难以实现的短波长光电子器件领域，也具有广阔的应用前景。原子层沉积由于其特殊的沉积机制可以在较低的温度下实现III族氮化物半导体的高质量制备，通过调整原子层沉积的循环比也可以方便地调整合金材料中的成分。发展至今，原子层沉积已经成为制备III族氮化物及其合金材料的一种重要方式。因此，本文着重介绍了近期使用原子层沉积进行III族氮化物半导体及其合金的沉积及应用，包括使用不同前驱体、不同方式、不同类型原子层沉积，在不同温度、不同衬底上进行氮化物半导体及其合金的沉积。随后讨论了原子层沉积制备的III族氮化物材料在不同器件中的应用。最后总结了原子层沉积在制备III族氮化物半导体中的前景和挑战。

图1 等离子体增强原子层沉积沉积GaN的示意图

同行评价

氮化物半导体材料制备的主流方法是MOCVD、MBE、HVPE等，而ALD由于低温等特色，在某些特殊应用领域具有自身的价值，特别是在GaN 功率电子器件制备（钝化工艺）中，也是非常重要的一种技术，本文系统介绍了ALD方法在制备GaN，InN，以及其他合金材料的研究进展，比较全面，能为从事该方向研究同行提供全面的参考。

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亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

黄一帆，邢阳光，沈文杰，彭吉龙，代树武，王颖，段紫雯，闫雷，刘越，李林

物理学报, 2024, 73(3):039501.

doi: 10.7498/aps.73.20231481

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一，然而目前国内尚无该类载荷，导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据，严重制约了相关学科的发展。国外已发射的成像光谱仪仅具有2''量级的空间分辨率，很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征。为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程，需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据。鉴于此，本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪，相比现有仪器，系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测。性能评价结果表明，系统在62—80 nm，92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4''，光谱分辨率均优于0.007 nm，光谱成像质量接近衍射极限，对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值。

图2 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪工作原理图

同行评价

论文针对太阳观察级研究对高性能极紫外光谱诊断系统的需求，提出并设计了一款同时工作于 62—80 nm 和 92—110 nm波段的亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪，仿真分析表明，该系统空间分辨率优于 0.4''，光谱分辨率均优于 0.007 nm，且具有合理的公差容限，对我国未来极紫外成像光谱仪的发展研制具有重要的理论意义和参考价值。

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新型空间太阳能电池用的钙钛矿薄膜与器件的电子辐照效应

罗攀，李响，孙学银，谭骁洪，罗俊，甄良

物理学报, 2024, 73(3):036102.

doi: 10.7498/aps.73.20231568

钙钛矿太阳能电池由于具有高效率、低成本、高比功率以及明显优于硅基和Ⅲ-V族化合物太阳能电池的辐照抗性等优点，被认为是新型空间太阳能电池的有力竞争者之一。目前，人们重点关注钙钛矿太阳能电池的辐照效应，而对核心的钙钛矿薄膜的辐照损伤机理研究较少。本文首先利用蒙特卡罗法模拟预测了钙钛矿太阳能电池的电子辐照效应，然后结合电子辐照前后钙钛矿薄膜的微观组织结构表征和光学/电学性能对比，阐述了薄膜的辐照损伤机理，并对钙钛矿太阳能电池的电子辐照可靠性进行了评价。研究表明，混合阳离子钙钛矿薄膜与太阳能电池表现出优异的电子辐照抗性。即使在累计剂量达5×10¹⁵e·cm^–2的100 keV电子辐照下，电池依然可保持17.29%的平均能量转换效率，维持了约85%的初始效率水平。本研究为新型空间太阳能电池的抗辐照加固设计提供了理论与实验依据，有助于提高新型空间太阳能电池的服役性能与可靠性。

图1 钙钛矿样品的电子辐照示意图及模拟结果 (a) 电子辐照示意图；(b) 轨道电子能谱模拟；(c) 电子入射轨迹模拟及电池厚度内模拟结果的放大图；(d) 入射电子能量分布

同行评价

目前，对于钙钛矿的辐照损伤研究较少。本文首先利用蒙特卡罗法模拟预测了钙钛矿太阳能电池的电子辐照效应，然后结合电子辐照前后钙钛矿薄膜的微观组织结构表征和光学/电学性能对比，阐述了薄膜的辐照损伤机理，并对钙钛矿太阳能电池的电子辐照可靠性进行了评价。研究表明，混合阳离子钙钛矿薄膜与太阳能电池表现出优异的电子辐照抗性，论证较充分。

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《物理学报》2024年第3期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/3