博文

亮点文章 | 《物理学报》2024年第7期

已有 216 次阅读 2024-4-23 09:28 |系统分类:论文交流

e1e564b9-4cda-4bf5-8e55-5f14bf6e3386 (1).jpg

封面文章数据论文

超快差示扫描量热数据的俯视法分析

程琪，孙永昊，汪卫华

物理学报, 2024, 73(7):078101.

doi: 10.7498/aps.73.20232027

超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术，可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却，适合对熔点小于1000 ℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试。该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时，也产生大量的数据。本文提出一种“俯视图”的数据分析方法，即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面，然后用颜色衬度代表热流强弱。该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题，实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的。本文以一种Au基非晶合金为例，从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据，重新绘制出“俯视图”，比较两者的优缺点。上述方法具有普适性，适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析。不仅如此，“俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助。本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取。

图2 FDSC结果的三维形貌图、侧视图和俯视图 (h'代表被φ_h约化后的热流，数据来源于参考文献 [23] Schawe J E K，Löffler J F 2019 Nat. Commun. 10 1337)

同行评价

本文以金基金属玻璃的晶化、弛豫、熔体处理等方面为例，提出了一种新的数据展示方法，即将热流曲线的三维形貌图投影到加热速率和温度的平面上，通过俯视图来分析热流数据，展示了“俯视法”的优势。提出的方法新颖独特，对非晶合金和热分析领域具有重要意义。

原文链接

PDF

观点和展望

《物理学报》创刊 90 周年

量子多体系统中的拓扑序与分数化激发

顾昭龙，李建新

物理学报, 2024, 73(7):070301.

doi: 10.7498/aps.73.20240222

朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论是传统凝聚态物理两座重要的基石，在处理BCS超导体和液氦超流体的形成机制等重要物理问题中取得了巨大成功。然而，以20世纪80年代量子霍尔效应和高温超导的发现为开端，人们逐渐认识到，对于一大类新的量子态，比如分数量子霍尔态和量子自旋液体，其性质超越了朗道费米液体理论和金兹堡-朗道相变理论。拓扑序及其所具有的长程多体量子纠缠和分数化激发成为我们理解这些奇异量子态的关键概念。在量子材料和量子模拟系统中设计并寻找具有拓扑序的物态、探测并操控其分数化激发是当代凝聚态物理重要的研究方向。近期，在里德伯原子体系、超导量子处理器和二维摩尔超晶格等具有高度可调控性的量子实验平台中，拓扑序的量子模拟和操控得到了快速发展并取得了重要成果。本文将简要论述拓扑序在传统凝聚态材料体系和量子模拟体系中最近的研究进展和挑战，并对该领域未来可能的发展方向做出展望。

同行评价

这篇观点文章系统阐述了多体系统拓扑序和分数化激发的背景以及近期的发展，并对未来可能的发展方向提出展望，对相关领域的研究有指导意义。

原文链接

PDF

综述

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

邓浩程，李祎，田双双，张晓星，肖淞

物理学报, 2024, 73(7):070702.

doi: 10.7498/aps.73.20240150

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力。TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关。本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型；其次，阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略，其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化，在电介质的结构设计方面，重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法；最后，强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势，为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考。

图1 高性能摩擦纳米发电机的电介质材料改性与设计策略^[13–18] ([13] Ahn J，Zhao Z J，Choi J，et al. 2021 Nano Energy 85 105978；[14] Shin S H，Bae Y E，Moon H K，et al. 2017 ACS Nano 11 6131；[15] Bharti D K，Veeralingam S，Badhulika S 2022 Mater. Horiz. 9 663；[16] Peng Z H，Xiao X，Song J X，et al. 2022 ACS Nano 16 20251；[17] Cui N Y，Liu J M，Lei Y M，et al. 2018 ACS Appl. Energy Mater. 1 2891；[18] Jiang J Y，Shen Z H，Qian J F，et al. 2019 Nano Energy 62 220)

同行评价

本文从物理机制入手，结合相关应用系统地综述了面向高性能摩擦纳米发电机（TENG）的电介质材料选材、改性和结构设计策略，并给出了该领域发展面临的挑战和趋势，能够为微纳能源收集与自取能传感领域提供参考。

原文链接

PDF

编辑推荐综述

电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控

王江琼，李维康，张文业，万宝全，查俊伟

物理学报, 2024, 73(7):078801.

doi: 10.7498/aps.73.20240201

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中，但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响，使得材料的性能和寿命下降，因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控。本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理，系统分析了其老化过程及影响机制，并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略，同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题。最后，展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向，为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导。

同行评价

本文综述了XLPE的结构特性以及合成机理，论述了XLPE电缆绝缘材料的老化性能以及其长寿命使用策略的研究进展，在此基础上分析并提出了XLPE电缆绝缘材料未来研究面临的挑战和问题。全文主旨清晰，行文思路流畅，内容全面具体，有较好的学术参考价值。

原文链接

PDF

编辑推荐

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

李国倡，郭孔英，张家豪，孙维鑫，朱远惟，李盛涛，魏艳慧

物理学报, 2024, 73(7):070701.

doi: 10.7498/aps.73.20231869

长期运行过程中，高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber，SIR)绝缘发生老化，影响附件材料的电-热-力综合性能，易引发放电故障。该文采用实验和仿真结合的方法，研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律；进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化。实验结果表明，随着老化程度的不断加深，SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化，导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变。相对介电常数呈现先下降后上升的趋势，体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势；此外，随着老化时间的延长，材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降。仿真结果表明，力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小，维持在2.2 kV/mm左右；不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显，最大温度梯度为9.15 ℃；应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa，下降约12.5%。该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义。

同行评价

本文针对硅橡胶电缆附件在力-热老化对其电学、力学、热学特性的影响进行了实验研究，并通过多物理场耦合仿真还原出实际工况运行的电缆附件老化后的运行场景。研究方法明确且完善，具有应用价值。

原文链接

PDF

编辑推荐

基于白光中子源的¹⁹⁷Au中子辐射俘获截面测量及共振参数分析

罗淏天，张奇玮，栾广源，王晓宇，邹翀，任杰，阮锡超，贺国珠，鲍杰，孙琪，黄翰雄，王朝辉，吴鸿毅，顾旻皓，余滔，解立坤，陈永浩，安琪，白怀勇，鲍煜，曹平，陈昊磊，陈琪萍，陈裕凯，陈朕，崔增琪，樊瑞睿，封常青，高可庆，韩长材，韩子杰，何泳成，洪杨，黄蔚玲，黄锡汝，季筱璐，吉旭阳，蒋伟，江浩雨，姜智杰，敬罕涛，康玲，康明涛，李波，李超，李嘉雯，李论，李强，李晓，李样，刘荣，刘树彬，刘星言，穆奇丽，宁常军，齐斌斌，任智洲，宋英鹏，宋朝晖，孙虹，孙康，孙晓阳，孙志嘉，谭志新，唐洪庆，唐靖宇，唐新懿，田斌斌，王丽娇，王鹏程，王琦，王涛峰，文杰，温中伟，吴青彪，吴晓光，吴煊，羊奕伟，易晗，于莉，于永积，张国辉，张林浩，张显鹏，张玉亮，张志永，赵豫斌，周路平，周祖英，朱丹阳，朱科军，朱鹏，朱兴华

物理学报, 2024, 73(7):072801.

doi: 10.7498/aps.73.20231957

中子辐射俘获反应在反应堆运行、核装置设计及核天体物理研究中起重要的作用。4π BaF₂探测装置有着高时间分辨能力、低中子灵敏度、高探测效率等优点，适合开展中子辐射俘获反应截面数据的测量。中国原子能科学研究院核数据重点实验室建立了伽马全吸收装置(Gamma total absorption facility，GTAF)，该装置用28块六棱BaF₂晶体和12块五棱BaF₂晶体构成了外径25 cm，内径10 cm的球壳，覆盖了95.2%的立体角。利用GTAF在中国散裂中子源Back-n束线上，测量了¹⁹⁷Au(n，γ)的反应截面数据。测量数据通过能量筛选、PSD方法、晶体多重性筛选进行了初步本底扣除，随后结合对^natC及空样品的测量数据对本底进行了分析及扣除，获得了¹⁹⁷Au俘获反应的产额，利用SAMMY程序拟合得到了¹⁹⁷Au在1—100 eV的共振能量、中子共振宽度和伽马共振宽度参数。实验测量结果与ENDF/B-VIII.0数据库符合良好，其共振参数存在一定差异，分析原因可能与GTAF能量分辨率、Back-n的中子能谱测量精度、以及实验本底扣除方法相关，这也是下一步工作的重点。

图2 反角白光束线示意图

同行评价

中子辐射俘获截面是重要的中子核反应数据。本文利用GTAF装置在CSNS Back-n束线上测量了¹⁹⁷Au的中子俘获反应截面数据，是一篇较为完整的基于GTAF装置的中子俘获截面测量工作，为后期国内团队开展实验奠定了相关的基础。

原文链接

PDF

编辑推荐

活细胞应激反应过程中线粒体和核仁微环境动力学的荧光寿命成像研究

杨志刚，刘颖超，张仕青，罗瑞鉴，赵需谦，连加荣，屈军乐

物理学报, 2024, 73(7):078702.

doi: 10.7498/aps.73.20231990

核仁和线粒体在维持细胞平衡发挥重要作用，研究其生理过程有助于深入了解生物学功能。本文采用一种红色荧光的芘罗丹明探针在不同条件下靶向标记细胞线粒体和核仁。通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化，并利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境黏度变化，确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命约为3.68 ns，线粒体黏度约为66×10^–3 Pa·s。在激光光照后，探针标记到HeLa细胞线粒体的荧光寿命增至3.82 ns，对应线粒体黏度增至约131×10^–3 Pa·s；使用紫杉醇和秋水仙碱诱导细胞凋亡，观察到探针标记于HeLa细胞核仁成像荧光寿命先增加后降低，反映了在HeLa细胞凋亡过程中核仁微环境的变化，证明HeLa细胞在非稳态情况下核仁和线粒体的功能变化，为线粒体和核仁功能障碍相关疾病研究提供了新的研究方法。

图8 紫杉醇诱导细胞凋亡的CLSM成像图像与FLIM图像 (a)空白对照；(b)—(d) 紫杉醇 (0.1 μmol/L) 分别预先处理0.5，1，2 h 后RH探针 (2 μmol/L) 标记的HeLa细胞静置4 h后的共聚焦成像结果；(e)—(h) 对应的明场图像；(i)—(l) 红色通道和明场通道的叠加结果；(m)—(p) 分别为紫杉醇 (0.1 μmol/L) 预先处理0.5，1，2，4 h后，RH探针 (2 μmol/L) 标记的HeLa细胞的荧光寿命图像；(q)—(t) 相应图像的相位图，标尺10 μm

同行评价

通过激光共聚焦成像和荧光寿命成像技术分析HeLa细胞在光照和药物刺激下细胞凋亡的形态变化，并且利用相图定量分析了线粒体与核仁的微环境黏度变化，确定在稳态HeLa细胞中探针标记到的线粒体的平均荧光寿命数值，线粒体黏度数值。论文的写作质量好，研究内容也是当前的热点方向。

原文链接

PDF

编辑推荐

基于里德伯原子天线的低频电场波形测量

张学超，乔佳慧，刘瑶，苏楠，刘智慧，蔡婷，何军，赵延霆，王军民

物理学报, 2024, 73(7):070201.

doi: 10.7498/aps.73.20231778

里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量。本文利用室温里德伯原子构建原子天线，基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息，从而实现低频电场的参数测量。实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态，通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency，EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测，基于内置电极技术在室温原子气室导入kHz频段低频电场。电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐，从而引起EIT光谱频移和强度变化。在弱电场条件下，EIT光谱频移可以忽略，EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系，基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量。

图4 铯原子光谱实验装置图，其中λ/2为半波片，PBS为偏振分光棱镜，L为透镜，DM1和DM4分别为852 nm高反射率(HR)和509 nm高透射率(HT)双色镜，DM2和DM3分别为852 nm高透射率(HT)和509 nm高反射率(HR)双色镜，PD为光电探测器，SAS为饱和吸收光谱，D为垃圾堆

同行评价

传统的低频测量技术在波形识别和绝对量值测量方面存在困难。针对这一困难，作者利用室温里德伯原子构建原子天线，研究发现阶梯型电磁感应透明光谱强度在弱电场条件下的通过率与低频电场强度呈线形关系，基于此可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量。相比传统的低频测量技术，本文展示了里德伯原子传感器在波形识别和绝对量值测量方面的优势，丰富了人们对里德伯原子测量低频场的认识，具有很好的应用价值。

原文链接

PDF

综述

正电子湮没符合多普勒展宽技术的材料学研究进展

叶凤娇，张鹏，张红强，况鹏，于润升，王宝义，曹兴忠

物理学报, 2024, 73(7):077801.

doi: 10.7498/aps.73.20231487

正电子湮没技术是研究材料微观结构的一种原子尺度表征方法，通过分析正电子湮没行为可以得到湮没位点处局域电子密度和原子结构信息。近年来，正电子湮没谱学技术已经发展成为优于常规手段的特色表征技术，其中符合多普勒展宽技术在研究缺陷附近的电子和原子结构方面具有独特优势，商谱曲线中高动量区域形状的变化反映了正电子湮没位点周围的元素信息。在常规符合多普勒展宽技术发展基础上，能量可调的慢正电子束流符合多普勒展宽技术在获取表面微观结构的深度分布信息上展示出独特的作用，同时也弥补了常规符合多普勒展宽技术只能表征体材料中缺陷环境的不足。本文结合国内外相关进展，综述了符合多普勒展宽技术在各类材料中的研究进展：1)合金中空位型缺陷和纳米沉淀的演化行为；2) 半导体中晶格空位与杂质原子的相互作用；3)氧化物中氧空位和金属阳离子浓度的变化。除此之外，在聚合物中自由体积孔洞的大小、数量及分布的估算表征领域中，符合多普勒展宽技术也逐步得到应用。

图5 (a) 纯Fe的CDB中S参数及W参数的定义区域；(b) Fe-Cu合金中的正电子湮没

同行评价

作者综述了自己和国内外同行在常规CDB技术表征金属/合金、半导体、氧化物等材料中微观缺陷演化以及元素偏析等方面的进展，同时也对慢正电子束流CDB技术在金属/合金、薄膜等功能材料领域的研究进展做了详细讨论，对正电子湮没谱学技术及材料缺陷研究相关领域的研究人员有很好的参考价值。

原文链接

PDF

编辑推荐

利用质子能损诊断部分电离等离子体靶中的束缚电子密度

陈燕红，王昭，周泽贤，陶科伟，金雪剑，史路林，王国东，喻佩，雷瑜，吴晓霞，程锐，杨杰

物理学报, 2024, 73(7):073401.

doi: 10.7498/aps.73.20231736

部分电离等离子体是惯性约束聚变燃料及天体等离子体中的重要组成部分，该等离子体的输运及流体力学等性质受到束缚电子的显著影响，然而当前基于光谱学的技术手段难以对其进行高精度诊断。本文基于中国科学院近代物理研究所低能离子束与等离子体相互作用实验平台，精确测量了100 keV质子束穿过部分电离氢等离子体靶后的能损，该能损是质子同靶区内自由电子与束缚电子碰撞共同作用的结果。利用已有的能损理论模型，结合激光干涉诊断获得的自由电子密度信息，最终得到了部分电离氢等离子体靶中沿离子路径上的束缚电子密度，并给出了该等离子体的离化度参数。该离子束诊断技术具有在线、原位、分辨率高等优势，为解决部分电离等离子体内部束缚电子密度的诊断问题提供了新的途径。

图7 (a) 100 keV质子束与部分电离氢等离子体靶(1.03 mbar，4 kV)相互作用后的能量损失(■为实验点，▲与 — 分别为Bethe计算的束缚电子与自由电子部分能损数值)；(b)氢等离子体中的电子密度；(c)电离度随时间的变化

同行评价

本文利用质子束与等离子体相互作用过程后质子的能量损失信息，对部分电离等离子体靶中束缚电子密度进行了诊断测量，实验测量结果与COMSOL模拟结果相一致。本文提出的测量方法为诊断部分电离等离子体内部束缚电子密度提供了新的测量思路，对等离子体物理及其相关应用领域具有一定的实际意义。

原文链接

PDF

编辑推荐

二维旋转谐振子势中单粒子的跳频压缩及演化

王渝，吴艺豪，李易璞，卢凯翔，伊天成，张云波

物理学报, 2024, 73(7):074202.

doi: 10.7498/aps.73.20231929

本文主要研究二维旋转谐振子势中单粒子的动力学行为，通过跳频的方式分析该粒子的压缩演化过程，并分析了相应的物理机制。一方面，研究跳频过程对回旋半径模式的压缩演化，通过选择适当的跳频时刻，分析跳频过程对压缩的影响。研究表明，回旋半径坐标的压缩程度并未在跳频时刻发生改变，但可在后续的演化中出现更强的压缩现象。另一方面，主要研究跳频过程中心导向模式的压缩演化。通过参数的选择，分析了两种压缩模式，即发散模式和振荡模式的压缩及演化。有趣的是，在中心导向模式压缩中，外势存在一个由旋转角速度决定的临界势阱纵横比。压缩模式在此处发生突变，且在振荡模式中，势阱纵横比趋于该临界值时，将出现明显的压缩。

图3 中心导向坐标最大压缩量随ε的变化曲线，其中Ω/ω=0.8。蓝线和红线分别为和的曲线

同行评价

作者研究了二维旋转谐振子势系统中量子涨落问题，计算了回旋半径涨落以及中心导向坐标涨落，通过跳频的方式分析了系统的压缩演化过程及相应的物理机制。虽然所对应的哈密顿量的相应几何压缩问题已经有相关研究，但研究跳频对该系统涨落的影响仍然有新意。

原文链接

PDF

编辑推荐

随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化

刘敬鹄，徐志浩

物理学报, 2024, 73(7):077202.

doi: 10.7498/aps.73.20231987

本文数值研究了在一维非厄米的硬核玻色模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象。随着无序强度的增强，系统的能谱统计分布从AI^† 对称类向二维泊松系综过渡，多体本征态的归一化参与率展示了从有限值到接近零的转变，半链纠缠熵服从体积律到面积律的转变，动力学半链纠缠熵表现为从线性增长到对数增长的转变。数值结果表明，在该模型中由随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的鲁棒性。该研究结果为非厄米系统中多体局域化的研究提供了新的视角。

图2 当L = 14时，平均的径向强度分布和相应的幅角分布 (a)，(b) W = 2；(c)，(d) W = 20。红色实线是通过统计对应的随机矩阵(10001000)的结果，其无序次数选取为1000。(e)，(f)径向强度的平均值和相应的幅角的平均值随无序强度变化曲线。上(下)虚线对应于AI^†对称类(2D-Poisson)统计极限值，≈0.772，≈0.193 (=2/3，=0)

同行评价

本文研究了一维非厄米的硬核玻色模型中随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象。通过考虑一个具有随机两体耗散的硬核玻色子模型，利用数值计算方法研究了无序强度改变导致的能谱统计分布、多体本征态的归一化参与率、半链纠缠熵和动力学半链纠缠熵的改变，阐明了随机两体耗散诱导的非厄米多体局域化现象的稳定性。文章选题新颖，研究结果合理可靠，具有一定的创新性和学术价值。

原文链接

PDF

《物理学报》2024年第7期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/7