中国综合定位导航授时(positioning navigation timing, PNT)体系是以北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)为核心的多源信息融合系统，高精度的毫秒脉冲星计时能够增强BDS时间基准的长期稳定性，并能维持未来深空用户的时间基准。本文提出了一种改善BDS时间基准长期稳定性的脉冲星时地面服务系统，概述了该系统的初步设计与功能，同时研究了天地基脉冲星时建立方法，利用3颗毫秒脉冲星的国际脉冲星计时阵(international pulsar timing array, IPTA)地面射电、“中子星内部成分探测器”(neutron star interior composition explorer, NICER)空间X射线计时数据以及500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope, FAST)模拟数据，分析了天地基脉冲星时的稳定性。研究结果表明，基于IPTA数据的PSR J0437-4715地基脉冲星时的年稳定度为3.30 × 10^–14，10年的稳定度为1.23 × 10^–15。脉冲星红噪声会降低脉冲星时稳定性，PSR J1939+2134地基脉冲星时的年稳定度为6.51 × 10^–12。同时研究发现脉冲到达时间(time of arrival, TOA)的精度是制约天基脉冲星时稳定性的重要因素，基于NICER空间X射线计时数据的PSR J1824-2452A天基脉冲星时年稳定度为1.36 × 10^–13。最后模拟分析了FAST将来对脉冲星时的贡献，在不考虑红噪声的影响下, 基于FAST的PSR J1939+2134地基脉冲星时的年稳定度为2.55 × 10^–15，10年稳定度为1.39 × 10^–16，20年稳定度为5.08 × 10^–17，显示了FAST强大的脉冲星观测能力。FAST计时观测将有力地提升中国地基脉冲星时系统建设水平，也能增强中国综合PNT系统时间基准的长期稳定性。

图1  中国脉冲星时地面服务系统的结构图(参考PulChron项目系统结构)。

本文面向中国综合定位导航授时体系，开展天地基脉冲星时间稳定度的研究。从我国PNT体系建设出发，作者提出基于脉冲星计时观测建立我国天基与地基脉冲星时间尺度的课题，该研究课题是对北斗系统的补充与发展，对我国PNT研究与发展具有重要科学意义。

不可压Navier-Stokes方程是流体力学的基本控制方程，其高精度数值模拟具有重要的科学意义。本综述性文章回顾了求解Navier-Stokes方程的投影方法，重点介绍了时空一致四阶精度的GePUP方法。该方法用一个广义投影算子对不可压Navier-Stokes方程进行了重新表述，使得投影流速的散度由一个热方程控制，保持了UPPE方法的优点。与UPPE方法不同的是，GePUP方法的推导不依赖于Leray-Helmholtz投影算子的各种性质，并且GePUP表述中的演化变量无需满足散度为零的条件，因此数值近似Leray-Helmholtz投影算子的误差对精度和稳定性的影响非常透明。在GePUP方法中，时间积分和空间离散是完全解耦的，因此对这两个模块都能以“黑匣子”的方式自由替换。时间积分模块的灵活性实现了时间上的高阶精度，并使得GePUP算法能同时适用于低雷诺数流体和高雷诺数流体。空间离散模块的灵活性使得GePUP算法能很好地适应不规则边界。理论分析和数值测试结果都显示，相对于二阶投影方法，GePUP方法无论在精度上还是效率上都具有巨大优势。

图1  二维顶盖驱动方腔流测试中均匀网格上(h=1/128)的涡量快照。

该文章主要回顾了求解不可压缩Navier-Stokes方程的投影算法，重点介绍了作者所发展的时空四阶精度投影算法。与其他已有的投影算法相比，作者所引入的四阶投影算法同时具有5个优势。数值实验也表明了算法的可靠性和高效性。论文内容丰富，对带动同行研究具有较好的参考价值。

编辑推荐

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键。亚稳态(2³S)氦原子的精密光谱测量在检验量子电动力学、测定精细结构常数研究中受到重要关注。本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度，并利用反馈控制稳定束流强度。实验测得，所产生的亚稳态氦原子连续束流在 (100±3.6) m/s 速度下，强度达5.8×10¹² atoms/(s·sr), 相对稳定度f为 0.021%。利用该原子束， 示范了在仅0.1%的饱和光强条件下进行⁴He原子2³S—2³P跃迁的光谱探测，此时由探测光功率带来的频移低于1 kHz。

图1  不同探测激光功率下获得的氦原子跃迁频率。

稳定的高强度原子束流源是很多精密测量实验的关键，本文利用激光冷却方法增强束流强度、通过塞曼减速器降低原子的纵向速度, 并利用反馈控制稳定束流强度，实现了高强度、高稳定性的⁴He 原子束流，并用这个原子束展示了⁴He 原子 2³S - 2³P 跃迁的光谱探测，在极弱的探测光强下，仍可以获得信噪比好于 400 的光谱测量。这能够有效的减小“光压力频移”效应, 从而获得更为可靠的氦原子跃迁频率。该原子束流实验系统对类似的精密测量实验具有很好的参考作用。

电子输运系数是确保低温等离子体建模准确性的关键因素，通过模拟电子的输运过程可对其数值求解。在模拟电子输运时，电子和中性粒子碰撞后的散射和能量分配方式有多种处理方法。为了研究不同处理方法对电子输运系数的影响，本文基于蒙特卡罗碰撞方法，建立了电子输运系数的计算模型，模拟约化电场10—1000 Td (1 Td = 10^–21 V·m²)氢原子气中的电子输运过程。计算结果表明，各向同性假设对电子输运系数的影响随电场强度增加而增加，但即使对于较低的约化电场(10 Td), 各向异性散射假设下电子的平均能量、通量迁移率和通量扩散系数也分别比各向同性假设下的值高38.34%, 17.38%和119.18%。不同的能量分配方式对中高电场强度下(> 200 Td)的电子输运系数影响较为显著。在高电场时，均分法计算得出的电子平均能量、通量迁移率和通量扩散系数均小于零分法对应的值，汤森电离系数则相反。Opal法得出的电子输运系数介于均分法和零分法之间。此外，考虑各向异性散射时，不同能量分配方式对输运系数的影响高于各向同性。本研究表明，在计算电子输运系数时需要考虑各向异性的电子散射，高电场条件下尤其要注意能量分配方式的选择。

图1  不同散射和能量分配方式下电子输运系数和平均能量的计算结果对比　(a)电子平均能量; (b)电离系数; (c)横向扩散系数; (d)迁移系数。图中方块、圆点和三角依次代表均分、Opal和零分法。实线和虚线分别代表各向异性和各向同性散射。

本篇文章通过蒙特卡洛碰撞方法，讨论了不同电子散射和能量分配方式对电子输运系数的影响。在约化电场强度10～1000Td条件下，计算了氢原子气体中的电子能量分布函数、通量迁移率、通量扩散系数以及汤森电离系数。该结果相比于以往的研究，具有更高的可信度；且其中的差异也得到了讨论。本文的逻辑清楚、研究结论可靠，在相关晶体和新型二维材料设计与应用领域有很大的指导意义。

近年来，全固态锂离子电池因其高安全性、高能量密度、简单的电池结构等优势成为研究热点。然而电极与电解质的固固界面问题严重影响电池性能的进一步提升， 从而受到了广泛关注。本文采用从头算分子动力学对LiPON/ Li界面进行了模拟。研究发现, 界面处原子互扩散现象明显，并形成薄界面层。相比LiPON体相结构，界面层以Li为中心原子的Li[O₂N₂], Li[O₃N], Li[O₄]四面体局域结构占比明显减少， 并且界面层Li-O, Li-N, P-O和P-N的平均配位数均有所减小。由于界面层结构和配位数的变化使得Li受到O, N的离子键作用更弱，Li离子扩散过程中受到的阻碍更小。这一点对于LiPON电解质在实际电池应用中的性能起到了积极促进作用。

图1  (a)−(c) 三种a-LiPON/Li(100)界面沿Z方向的Li原子互扩散图; (d), (e) 两种Li₂PO₂N(100)/Li(100)界面沿Z方向的Li原子互扩散图。灰色虚线表示原始的界面位置。结构图中的红色虚线框标注的是固定的末端原子, 蓝色虚线框标注的是形成的界面区域。

本文利用从头算分子动力学（AIMD）计算研究了非晶和晶态LiPON/Li 两类界面的结构性质和扩散行为，并从理论上表明，原子的互扩散形成新的界面区域中独特的Li配位环境改善了离子电导。研究发现界面处会发生原子互扩散，导致界面层中以Li为中心原子的四面体结构占比以及Li/P-O/N的平均配位数减小。这些变化使Li受到的离子键束缚更弱，Li⁺的扩散阻碍更小，因此界面层的Li⁺电导率更高。

环形正负电子对撞机(CEPC)束流能量的精确标定是希格斯粒子质量宽度、W/Z玻色子质量的精确测量，从而精确检验标准模型的基本实验依据。基于此，束流能量的误差控制要求在10^–5水平。康普顿背散射方法是适用于百GeV高能电子对撞机束流能量高精度标定的测量方法。本文拟采用微波电子康普顿背散射后对散射光子能量的精确测量，来反推CEPC束流能量，理论预计精度可达到3 MeV左右。首先根据设计需求选定圆波导传输TM₀₁模微波，并求解该条件下的电磁场分布情况及坡印廷矢量。根据波导内光子分布传输情况提出设计思路简化计算的复杂程度，结合高纯锗探测器灵敏度、同步辐射本底等限制条件联立方程求解符合设计要求的参数。使用最优的一组波导内径、微波波长、电子入射角数据求得微波功率为100 W时的微分散射截面对能量的导数及对撞亮度，进一步求得15 MeV能量的散射光子数密度，根据该能量下同步辐射光子数密度的大小分析了信噪比。理论上论证了该方案的可行性并讨论了该方案有待进一步研究的技术难点与问题。

图1  波导中坡印廷矢量变化情况　(a)各分量沿ρ方向变化情况; (b) 各分量沿z方向变化情况; (c)坡印廷矢量z分量在空间中的变化情况; (d) 坡印廷矢量ρ分量在空间中的变化情况。

该论文针对CEPC束流能量精确标定的物理目标，研究了相关的微波-电子的康普顿散射技术。该工作详细研究了微波与电子的背康普顿散射如何实现CEPC 束流能量精确度达到 3MeV量级，提出了一种用康普顿散射在线测量束流能量的方法，该方法创新点在于用圆形波导来替代常规激光源，从而降低整个测量系统性能的需求，使得这种方法具有可操作性。

可靠而高效的锂离子电池模型是电池管理系统状态估计与故障诊断的基础。采用偏微分方程描述的准二维(P2D)机理模型的参数多，虽然模型准确性高，但计算费时， 需降阶处理才能更好地应用在车载电池管理系统。为此，基于相同模型参数, 建立锂离子电池的P2D模型及其降阶模型—单粒子模型(SPM)和集总粒子模型(LPM), 对三种电化学机理模型电池端电压的计算精度和时间进行对比研究。结合多孔电极模型和浓溶液理论，基于电池均匀电流密度的假设条件，按照电极固相和液相体积比重新分配电流密度，推导了由液相锂离子浓度分布差异所导致的液相浓差过电压和欧姆内阻，补偿LPM的电压误差。采用恒流放电、脉冲放电和动态电应力测试(DST)工况对比分析优化的LPM，P2D模型和SPM的电学性能。结果表明：优化的LPM不仅能够以更少的参数大幅降低模型计算时间，而且能够保证模型电压的计算精度。

图1  测试集, 优化LPM电压及其误差 (a) 电压; (b) 电压误差。

该论文比较了三种锂离子电池模型，通过原始LPM模型在高倍率下效果差的原因分析，对LPM模型进行优化，从机理上考虑电解液浓差极化带来的电压差，得到很好的效果。论文有较为重要的价值，表述清晰。

测量了线偏振飞秒激光脉冲在空气中成丝产生的氮荧光发射的空间分布。通过改变激光的偏振方向研究成丝过程中氮荧光发射的径向角分布，发现N₂⁺荧光发射在垂直于激光偏振方向上更强，而在平行于激光偏振方向上较弱；N₂荧光发射在所有方向上具有近乎相同的强度。原子和分子的激发、电离等动力学过程受激光强度的影响。在飞秒激光成丝过程中沿着激光传播方向，强度呈现先增强后减弱的分布， 从而影响这些过程的产物的空间分布及其荧光发射的空间分布。沿着激光传播方向，发现N₂荧光先于N₂⁺荧光出现且在N₂⁺荧光消失之后消失。激光强度分布和激光偏振方向均会影响氮荧光的空间分布。基于实验分析，在短焦距情况下，系间窜越过程能很好的解释N²(C³Π_u⁺)的形成，这项研究有助于理解飞秒激光成丝过程中氮荧光发射的产生机制。

图1  当脉冲能量为2.00, 2.63和3.00 mJ时, 激光偏振方向平行　(a), (b), (c)和垂直(a'), (b'), (c')于z轴时N₂和N₂⁺荧光信号随传播距离的变化。

论文撰写规范，结构清晰，逻辑性强，且报道结果对深入理解氮气分子荧光形成机制有重要参考价值。

单分子检测代表分子检测灵敏度的极限，能够提供传统检测方式无法提供的物理信息，在化学分析、分子动力学机理、蛋白质解析等领域具有广阔的应用前景，具有重要的科学研究价值。具体而言，单分子检测能对复杂体系中的分子进行识别和计数，给出分子的分布信息；也可以对单个分子在吸附、反应等过程中的实时衍变进行追踪，研究分子动力学的内在机制。单分子表面增强拉曼散射是单分子检测领域最近兴起的一门新方法，其特色在于具有特异性分子识别能力，可以提供分子成键变化等动态信息。这种方法适用于研究分子的演化过程、分子与环境的电荷相互作用，从而揭示分子的反应途径、分布状态、吸附方式、电荷交换等重要信息。单分子表面增强拉曼散射的概念提出较早，但是缺乏高效的采集方法和精确的判定依据，本文将对采集方法的优化进行梳理分析，从非统计学和统计学两个角度对其进行讨论，并重点对双分子分析检测法做详细介绍。另一方面，由于单分子表面增强拉曼散射研究涉及各种交叉学科、内涵广泛，相关研究需要对光谱背后的相关机制有深刻的理解和认识。为此，本文基于当前的相关研究工作，从分子漂移、光谱闪烁及展宽等特有现象入手，分析了单分子表面增强拉曼散射的波动特征及其对应的物理机制，并对其应用前景做了简要探讨。

图1  SM-SERS与普通SERS光谱图的区别。

这篇综述主要讨论并分析了单分子表面增强拉曼散射(Single-molecule surface- enhanced Raman spectroscopy, SM-SERS)的光谱采集方法以及SM-SERS的光谱波动机制。该文章将为科研人员研究SM-SERS方面提供非常有价值的参考。

低噪声的微波频率在雷达，长基线干涉仪等领域有重要应用。基于光学频率梳产生的微波信号的相位噪声在1 Hz频偏处低于–100 dBc/Hz, 在高频( > 100 kHz)处低于–170 dBc/Hz，是目前所有的微波频率产生技术中噪声最低的。文章介绍了光学频率梳产生微波频率的基本原理，对基于光梳产生的微波频率信号的各类噪声和抑制噪声的技术进行了分析和总结。随后对低噪声的测量方法进行介绍，并展示了几种典型的微波频率产生实验装置和结果。随着光学频率梳和噪声抑制技术的不断提升，基于光梳的极低噪声微波频率源将有更广泛的应用前景和应用领域。

图1  光学频率梳的时域和频域模型。

本文对光学频率梳产生超低噪声微波频率的原理、测量方法、以及噪声来源进行了全面综述和讨论。文章结构清晰、段落合理，对国内外进展进行了全面引用和分析。总体而言，本文选题围绕了低噪声光频梳这一光学前沿方向，行文较为系统和条理，能够对本领域的其他研究者起到很好的启发作用。

《物理学报》2021年第13期全文链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/13