采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基III-V化合物的热导率性质，与IV族和III-V族半导体进行对比，发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基III-V化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙，导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量，无法满足三声子散射的能量守恒要求，严重遏制了三声子散射几率。金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度。磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度，但是其频率带隙比较小，无法有效遏制三声子散射，所以磷化硼的热导率小于砷化硼；尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当，但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元，导致锑化硼的热导率低于砷化硼。该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识。

图1   (a)金刚石 (紫色)的晶格振动谱; (b) BAs (红色)和Si (墨绿色)的晶格振动谱; (c) BP (黑色)和BSb (蓝色)的晶格振动谱; (d) BP, BAs, BSb和Si的声子寿命或弛豫时间

同行评价

本文是一篇很有意义的工作。基于声子能隙所提出的新理论，应该具有一般意义，可应用到更多的系统。文章通过比较7种III-V族和IV族化合物的热导率与声子谱，得出了清晰的物理机制解释硼基III-V化合物的热导率反常现象，其中两个主要机制：1）光学支带隙的宽窄决定三声子过程的强弱；2）声学支群速度大小，这两个机制的竞争导致了硼基III-V化合物的热导率反常现象，物理图像清晰，结果非常有趣。

大多数光学加密系统都是对称加密系统，在光学图像加密中明文和密文之间具有线性关系，其系统的安全性有待加强。而基于相位截断傅里叶变换(phase-truncated Fourier transform, PTFT)的非对称加密系统，其非线性的相位截断操作使加密系统的安全性得到了极大提升。本文提出使用深度学习方法攻击PTFT加密系统，通过PTFT加密系统构造出明密文对图像数据集，然后将其输入残差网络(residual network, ResNet)中进行训练，ResNet自动学习该加密系统的解密特性。最后应用测试集对训练好的模型进行解密性能测试，数据表明该模型能够较好地恢复图像并且该模型具有一定的抗噪声能力。与两步迭代振幅恢复算法相比，本文所提出方法恢复的图像质量更好。

图1   神经网络重建效果图　(a) 明文图像；(b) 密文图像；(c) 通过神经网络恢复的明文图像

本文的核心创新在于创造了利用经典傅里叶变换相位截断方法建立非对称光学密码系统的非线性密码理论，其次是建立这类非线性光学密码系统的深度学习攻击模式和实现过程。这些具体的研究工作启发一个非常重要的研究方向，即能否建立抽象的理论格式统一的非线性密码系统深度学习攻击模式和实现方式，研究深度学习攻击方法是否成功攻击一切非线性光学密码系统。

利用非平衡格林函数方法理论研究了光场和电场对锡烯纳米带自旋相关热电效应的影响。研究表明，热电电流的性质和强度可以通过圆偏振光场的强度和偏振化方向进行有效调控。在较强的左旋圆偏振光场和电场的共同作用下，锡烯自旋向下的边缘态发生相变形成带隙，通过温度梯度的驱动可以获得100%极化的自旋向下的自旋流。当施加右旋偏振光时，自旋向上的边缘态被破坏，可以产生完全极化的自旋向上的热自旋流。在较弱的外场作用下， 边缘态的性质不发生改变，系统不对外输出热电电流。此外，研究表明热自旋流的大小与带隙的宽度有关，适度地增加温度可以显著增大热自旋流的峰值，但是较高的平衡温度和温度梯度将抑制自旋热电效应。

图1   (a) 电场交错势能 λ_E和偏振光场强度参数 λ_Ω分别取 λ_E=λ_Ω=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10 eV时, 自旋相关的电流 I_σ 随左(右)热极费米能级 E_F的变化；(b) λ_E=λ_Ω=0.04 eV和(c) λ_E=λ_Ω=0.08 eV时的电子能带结构，其中红色虚线代表自旋向上电子形成的能带，蓝色实线对应自旋向下的能带

文章用非平衡格林函数方法理论研究了光场和电场对锡烯纳米带自旋相关热电效应的影响。研究表明通过改变圆偏振光场的强度和偏振化方向可以有效调节热电电流的强度和自旋极化性质。受较强右旋（左旋）圆偏振光场的辐照，自旋向上（向下）的边缘态被破坏并形成带隙,在温度梯度的驱动下可以产生100% 极化的自旋向上（向下）的热自旋流。热自旋流的大小与带隙的宽度有关，适度的增加温度差可以增加热激发的电子数量从而增大热自旋流，但是较高的系统温度和温度梯度将会抑制自旋热电效应。本文对自旋热电现象的解释充分合理，是一篇含有丰富物理思想的学术论文。

量子卫星通信是通信领域的研究热点和前沿，具有理想的信息安全性和覆盖面广的优势，对于构建全球范围的量子卫星广域网具有重要意义，而远距离传输信息时网络的可靠性、安全性和路由中继等问题仍需改进。为了构建性能良好的量子卫星广域网，本文提出利用蜘蛛网作为一种独特的自然通信拓扑结构，将自然界蛛网演进为人工蛛网拓扑，量子信息的传输采用N阶量子隐形传态路由方案，其传输时延基本不变，在此基础上构建蛛网网络拓扑量子广域网传输模型，并对构建的网络模型的误码率、吞吐率、安全密钥生成率进行仿真分析。用抗毁度作为衡量网络拓扑结构可靠性的指标，以9节点环型网和9节点蛛网为例进行定量和定性分析，得出蛛网拓扑具有更高的可靠性。当噪声的平均功率谱密度给定且不存在中继时，量子态的传输距离越大误码率越大，这时要考虑引入中继；当传输距离和噪声功率谱密度一定的情况下，误码率随着中继节点个数的增多而减小，因此在蛛网拓扑下要选择合适的路由过程。随着量子卫星分发纠缠光子对成功概率的增大，吞吐率逐渐增加; 随着网络中传输时延的增大，吞吐率逐渐减小，但在该路由方案下传输时延基本不变，且蛛网结构的传输时延很小，因此本文中提出的基于N阶量子隐形传态的蛛网网络拓扑量子广域网的吞吐率不会有明显的降低。当量子信息的传输距离不断增大时，网络密钥生成率逐渐减小；随着网络中继节点个数的增多，密钥生成率逐渐增加。由此可见，利用蛛网拓扑以及N阶量子隐形传态路由方案构建量子卫星广域网具有很好的优势。

图1   密钥生成率与中继节点个数的关系

文章面向未来广域量子通信网的建设，针对远距离传输中可能出现的网络的可靠性问题，提出了一种独特的仿生网络结构，即基于蛛网网络的拓扑结构，并结合采用N阶量子隐形传态结构，仿真模拟了相关网络特性。其结果显示，蛛网拓扑具有更高的可靠性，抗毁度更高，密钥吞吐率鲁棒性也更强，为未来量子通信网络结构的选择提供了有价值的参考。该工作整体结构完整，论述较为清晰，仿真过程和结论较为可信，在目前量子通信发展的大背景中是非常及时的，具有较好的指导意义。

《物理学报》2021年第14期全文链接：