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博文

亮点文章 《物理学报》2021年第16期

已有 338 次阅读 2021-8-31 14:18 |系统分类:论文交流

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封面文章

基于EuCl3·6H2O晶体的光存储

李宗峰, 刘端程, 周宗权, 李传锋

物理学报. 2021, 70(16): 160302.

doi: 10.7498/aps.70.20210648.

量子存储器是构建未来大规模量子网络的核心器件。由于具有超长的量子相干寿命,稀土掺杂晶体逐渐成为最有希望实现实用量子存储的材料之一,然而掺杂晶体中不可避免的晶格畸变限制了该类材料的吸收深度和存储效率。纯稀土化合物晶体则同时满足了低晶格畸变和高稀土离子密度的需求,有望实现高光存储效率。EuCl3·6H2O晶体是目前研究较多的一种纯稀土化合物晶体,已经实现了低于超精细能级间距的光学非均匀展宽,并且理论预测的自旋相干寿命可达1000 s, 是一种颇具潜力的量子存储材料。目前光存储或量子存储功能仅仅在稀土掺杂晶体中实现过,尚无实验报道纯稀土化合物晶体中的光存储现象。本文在EuCl3·6H2O晶体中实现了原子频率梳型光存储。通过降温法生长得到了EuCl3·6H2O单晶,实验测得其7F05D0跃迁相干时间为55.7 μs,存储时间1 μs时的存储效率为1.71%,展现了这种材料实现光量子存储的原理可行性。通过分析温度依赖的吸收线频率移动,指出在这一材料中实现高效率光存储的主要挑战在于高效率的光谱烧孔。


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图1  (a) 153Eu3+离子能级结构;(b)在偏离中心频率位置上制备的AFC结构, 其频率中心为517.14873 THz, 插图为放大的AFC光谱结构


同行评价

作者首次报道了基于纯稀土化合物的光存储实验,所选用的材料是该团队自主生长的EuCl3·6H2O晶体。关于这种晶体的量子信息相关应用的已有多篇论文报道,但是实际的光存储现象至今没有观察到过。该工作首次基于这种晶体实现了光信号存储,证明了量子存储的原理可行性,是光量子存储领域的一个重要进展, 对量子存储和量子通信研究都具有重要意义。

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特邀综述

基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展

马欲飞

物理学报. 2021, 70(16): 160702.

doi: 10.7498/aps.70.20210685.

基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点,是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法。探测灵敏度是传感器系统的重要指标,关系到能否满足实际应用,因此,本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发,总结了常见的技术手段,包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法,并对其优缺点分别进行了阐述。针对工程应用问题,本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化,并以载人航天领域的应用为例进行了例证。最后,对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望。


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图1  QEPAS传感示意图 (a) QEPAS技术原理;(b) 声波产生及探测


同行评价

基于激光光谱技术进行痕量气体检测是目前国内外基础研究和应用开发的一个热点,近年来在大气环境检测、危险气体泄漏监测、太空探索、深海探测、芯片制造、大型风洞以及高原科考等都有非常出色的应用。光声光谱作为激光光谱技术的一类,相比于吸收光谱不需要光电探测器,非常适合中红外、太赫兹等波段的光谱测量。石英叉增强光声光谱技术是由美国RICE大学Frank Tittle课题组最先提出来了,已经应用到了多个领域,我国的多位科学家已经将该技术在国际上推到了一个新的高度,在国内外形成了很大的影响,相关研究内容的综述对于拓展该技术具有重要的意义。全文对痕量气体检测的意义、石英增强光声光谱的发展脉络和英叉特性、提升QEPAS技术灵敏度的各种方法以及QEPAS传感器的应用方式及领域等进行了综述,基本涵盖了近几年的最新技术成果。

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同步辐射纳米CT图像配准方法研究

苏博, 陶芬, 李可, 杜国浩, 张玲, 李中亮, 邓彪, 谢红兰, 肖体乔

物理学报. 2021, 70(16): 160704.

doi: 10.7498/aps.70.20210156.

基于同步辐射的X射线纳米成像技术是无损研究物质内部纳米尺度结构的强大工具,本文总结了图像配准技术在纳米CT成像领域的研究和应用,并根据发展阶段进行分类分析。首先,通过统计近年以来图像配准文献的发表情况,分析并预测纳米尺度图像配准的未来研究方向。其次,基于图像经典配准算法理论,详细介绍了图像配准算法在纳米成像领域最有效的前沿应用。最后,介绍了基于深度学习的图像配准方法的前沿研究,并讨论深度学习在纳米分辨图像配准领域的适用性及发展潜能,根据纳米尺度图像数据的特点及各种深度学习网络模型的特性,展望了同步辐射纳米尺度图像配准技术的未来研究方向及挑战。


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图1  图像配准算法分类概述导图


同行评价

论文较为详细综述了用于同步辐射纳米成像图像配准的经典方法、常用方法、联合方法以及近期基于深度学习的配准方法,讨论了各种方法,尤其是经典和联合方法的优缺点,展望了深度学习类配准方法的前景。论文是一篇较好的综述性文章,对初入此领域的读者,该文具有很好的参考价值。

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二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器

陈巧, 邱基斯, 张旭, 葛文琦, 刘悦亮, 刘昊, 王昊成

物理学报. 2021, 70(16): 164202.

doi: 10.7498/aps.70.20210287.

本文报道了一种二极管叠阵侧面折返泵浦的多边形薄片Nd:YAG激光器,通过对其增益特性和光学特性的优化,得到了泵浦光耦合效率为97%,增益介质吸收效率达87%,增益介质内泵浦吸收分布均匀性为3.21% (root mean square,RMS)的结果。实验测得与模拟数据吻合较好的增益介质荧光分布。在泵浦能量为2.2 J时,获得了能量0.85 J的激光输出,光-光效率达38.8%,斜效率为40.1%。在1 Hz~100 Hz的频率范围内输出能量保持稳定,在重复频率1 Hz时测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS),在稳腔下测得激光衍射极限倍数β 约为10。


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图1  不同输出耦合镜透射率下输出能量随泵浦能量的变化关系


同行评价

论文报道了一种新型泵浦结构的薄片Nd:YAG振荡器,作者通过泵浦光的zigzag(之字形,折反传输)方式,极大的增长了晶体的等效吸收长度,不仅提高了晶体对泵浦光的吸收效率,也使得泵浦光的能量在晶体中分布的更加均匀,对于控制晶体内部的热效应,降低晶体内部的温度梯度,减小热透镜等具有重要意义。论文整体上创新性强,实验结果具有先进性。

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激光烧蚀-吸收光谱测量铀同位素比实验研究

叶浩, 黄印博, 王琛, 刘国荣, 卢兴吉, 曹振松, 黄尧, 齐刚, 梅海平

物理学报. 2021, 70(16): 163201.

doi: 10.7498/aps.70.20210193.

 铀同位素比(235U/238U)高精度测量在核能安全领域具有重要的研究意义和应用价值,本文基于高灵敏度可调谐吸收光谱技术,结合脉冲激光烧蚀产生等离子体的样品处理方式,实现了固体材料中235U和238U铀同位素比的高精度测量。实验测量选择λ = 394.4884 nm/394.4930 nm (vacuum)作为235U/238U分析线,详细研究了缓冲气体及其压力对激光烧蚀等离子体中铀原子存在时间的影响。结果表明氦气作为缓冲气体更有利于铀原子吸收光谱测量。实验获得了测量铀原子吸收光谱的最佳测量条件,并测量了235U含量分别为4.95%, 4.10%, 3.00%, 1.10%和0.25%的五种样品,获得了235U和238U的高分辨率吸收光谱信号。不同含量样品吸收光谱测量与统计分析表明,235U吸收信号的线性度良好,拟合相关系数为0.989,检测限为0.033% (3σ),吸收光谱测量重现性优于固定波长法。激光烧蚀结合可调谐吸收光谱技术适用于铀同位素比测量分析,在核燃料的同位素快速分析方面有很大的应用潜力。


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图1  不同含量样品235U/238U吸收光谱


同行评价

基于激光烧蚀结合可调谐激光光谱开展铀同位素比测量,利用脉冲激光烧蚀待测样品产生高温气态原子,同步利用可调谐激光测量待测样品的吸收光谱,拓展了吸收光谱的应用范围,使固体元素的快速定量分析成为可能。研究工作瞄准具有重大战略意义的原子能生产领域--铀同位素比的快速测量展开,具有广泛地应用前景和潜在的适用价值。 

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多次冲击加载-卸载路径下铁α-ε相变动力学特性研究

华颖鑫, 刘福生, 耿华运, 郝龙, 于继东, 谭叶, 李俊

物理学报. 2021, 70(16): 166201.

doi: 10.7498/aps.70.20210089.

采用气炮作为加载手段,结合反向碰撞技术和多台阶三层组合飞片技术,通过精细的样品/窗口波剖面测量,对典型加载-卸载-再加载路径下铁的相变动力学特性进行了研究。观测到一次卸载阶段的多波结构及再加载段的双波结构,获得首次逆相变阈值约为(11.3 ± 0.5) GPa,首次加卸载相变特征时间为30 ns;再加载相变起始压力为10—12 GPa,且随着再加载初始态ε相质量分数降低而降低。实验显示二次相变压力阈值与ε相残余质量分数以及逆相变子相所含孪晶、缺陷相关,同时二次加载相转变速率比首次加载更快。上述结果揭示了多晶铁相变动力学行为与加载路径的强耦合,为相关研究提供了新的视角和实验支撑。


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图1  (a) shot No.1和(b)shot No.2各台阶对应界面粒子速度历史(1—5分别表示台阶编号)


同行评价

物质在高温高压下的相态无论是在基础理论或是应用方面均具有重要意义。作者通过采用动高压技术进行了铁的相变动力学研究为该领域研究及对地核状态的认识提供了新的实验资料,因此具有重要的理论意义。本文的研究方法具有很好的创新性,在研究加载-卸载-再加载路径控制方面提出了独特的方案:利用基于气炮加载的反向碰撞技术,通过多台阶三层复合飞片的精细设计,实现典型冲击加载-卸载-再加载路;本文的研究结果对于揭示多晶铁相变动力学特征有重要价值。

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基于A2Π1/2←X2Σ1/2跃迁的CaH分子激光冷却光谱理论研究

尹俊豪, 杨涛, 印建平

物理学报. 2021, 70(16): 163302.

doi: 10.7498/aps.70.20210522.

冷分子是当下物理学的前沿领域和热点研究方向之一,早在2004年就有科学家提出将CaH分子作为激光冷却与磁光囚禁的候选分子。本文首先用三种方法(莫尔斯势法、闭合近似法和RKR反演法)计算CaH分子的弗兰克-康登因子,证实了CaH的X2Σ1/2态和A2Π1/2态之间具有高度对角化的弗兰克-康登因子矩阵。随后,采用有效哈密顿量的方法研究了基态X2Σ1/2的超精细能级结构和A2Π1/2(J=1/2,+)←X2Σ1/2(N=1,−)跃迁的超精细跃迁分支比,并提出可同时覆盖超精细能级的边带调制方案。最后,为探究CaH分子磁光囚禁的相关性质,计算了|X,N=1,−⟩态的塞曼效应和 J 混合下的朗德 g 因子。以上工作不仅证明了激光冷却和磁光囚禁CaH分子的可行性,而且对天体物理学中的光谱分析、超冷分子碰撞以及探索基本对称性破缺等基础物理学的相关研究也具有一定的参考意义。


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图1  CaH转动能级和超精细能级的能级分裂以及准封闭的跃迁循环. 根据选择定则, 由|A,υ′=0,J′=1/2,+⟩←|X,υ=0,N=1,−⟩跃迁(绿色实线)被泵浦到上能级的分子将会自发辐射回N = 1的基态


同行评价

稿件描述了CaH 分子激光冷却相关的理论计算,分子冷却作为目前的研究热点和难点,该文的研究对于实验有一定的指导意义。作者在理论上研究了CaH分子激光冷却和磁光囚禁的相关性质,论文具有较好的理论水平,对解释实验现象有很大的帮助。

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水系镁离子电池正极材料钠锰氧化物的制备及电化学性能

张永泉, 姚安权, 杨柳, 朱凯, 曹殿学

物理学报. 2021, 70(16): 168201.

doi: 10.7498/aps.70.20202130.

近年来镁离子电池正极材料的研发成为研究热点,提高电池的高倍率性能和循环稳定性成为主要研究目标。本文采用水热法制备了纳米线和纳米片共混结构的钠锰氧化物(Na0.55Mn2O4·1.5H2O)纳米材料,并用X−射线衍射和扫描电子显微镜进行表征,通过充放电测试仪和电化学工作站进行变倍率充放电循环和变扫速循环伏安测试。结果表明,水热反应时间对材料的相结构和形貌组成影响显著,其中水热反应72 h样品(NMO-72)中纳米片和纳米线形成紧密共混,纳米片有效填充到纳米线交叉空隙中,提高了材料的振实密度,并且NMO-72材料具有更高的放电比容量和倍率循环性能。在50 mA·g–1电流密度下,NMO-72的放电比容量达到229.1 mAh·g–1;在1000 mA·g–1电流密度下,NMO-72材料的放电比容量稳定在81 mAh·g–1;而电流密度再次回到50 mA·g–1时,其放电比容量稳定保持在164.7 mAh·g–1。同时,循环伏安测试表明NMO-72材料与其他材料相比,具有最佳的镁离子扩散动力学性能,由此NMO-72材料具有更为优异的可逆比容量、高倍率性能和循环稳定性。


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图1  制备样品在不同倍率下的充放电循环性能


同行评价

该工作通过水热法制备了纳米线和纳纳米片共混结构的钠锰氧化物,通过调控水热反应时间调控了材料的相结构和形貌,获得了优异电化学性能,为水系镁离子电池正极材料的开发提供了借鉴,是非常有意义的研究工作。

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用正电子湮没技术研究H/He中性束辐照钨钾合金中缺陷的演化

贺玮迪, 张培源, 刘翔, 田雪芬, 付馨葛, 邓爱红

物理学报. 2021, 70(16): 167803.

doi: 10.7498/aps.70.20210438.

钾掺杂钨合金是一种典型的弥散强化钨基材料,钾掺入在提高钨材料抗冲击能力的同时也引入大量缺陷,这些缺陷会对合金在服役过程中氢原子和氦原子的存在形态以及演变产生影响。本文使用正电子湮没谱学方法从微观角度研究辐照后钨钾合金中的缺陷信息,通过对氢氦相关缺陷的正电子湮没参数进行模拟,发现氢原子对正电子寿命的影响比氦原子小,弥散在位错或晶界中的氢、氦原子会影响正电子湮没区域,而单个钾原子的存在对氢氦相关缺陷的正电子寿命影响甚微;结合扫描电镜与正电子湮没寿命谱和慢正电子束多普勒展宽谱,测试结果确认了钨钾合金中钾泡以及其钉扎的位错等缺陷对氢原子和氦原子的影响,与纯钨相比,在纯H和H+6%He中性束辐照下钾泡等缺陷会促进氢原子的释放,同时成为氦原子的捕获中心,促使其形成氦-空位复合体,并在此成核,生长为尺寸更大的氦泡,在应力和温度梯度的作用下促进其从表面释放,有利于相关缺陷的恢复,降低其损伤程度。


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图1  纯钨和钨钾合金H/He中性束辐照后S-分布和拟合曲线


同行评价

钾掺杂钨合金既保持钨材料一些好的物理性质也改善了纯钨材料的一些缺点,被认为是最具有潜力的面向等离体材料。氢氦辐照对该材料影响的研究倍受重视。该文研究这一课题,既是重要的应用基础研究,也对实际应用具有重要参考价值。该文把模拟计算与实验观测结果综合考虑,分析物理机制和微观结构变化,所得结果可靠可信。利用模拟计算研究正电子湮没谱学课题亦有新意。该文是一篇很好的应用基础研究文章,对学科和应用都有很好的参考价值。

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1 μm波段水分子吸收光谱双光程同步测量方法研究

郑健捷, 朱文越, 刘强, 马宏亮, 刘锟, 钱仙妹, 陈杰, 杨韬

物理学报. 2021, 70(16): 163301.

doi: 10.7498/aps.70.20210100.

基于双光程气体多通吸收池,提出了一种单吸收池双光程(长光程72.46 m;短光程36.23 m)同步测量水分子吸收光谱的测量方法,并结合窄线宽外腔半导体激光器和高精度Fabry-Perot标准具,发展了一套1 μm波段的高分辨率水分子吸收光谱双光程同步测量装置。在测量装置建立后,精确测量了Fabry-Perot标准具的自由光谱范围,并详细评估了该系统中Fabry-Perot标准具以及双光程气体多通吸收池内压力和温度的稳定性。利用该装置测量了9152.53 cm–1处水分子在双光程下的吸收光谱,分别反演得到了长光程和短光程下的分子吸收线强和自加宽系数。双光程吸收线强和自加宽系数的平均值与HITRAN2016数据库相应数据的相对偏差分别为0.78 %和3.8 %,该结果验证了双光程同步测量方法的可行性和测量装置的可靠性。


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图1  实验装置示意图


同行评价

本文基于双光程气体多通吸收池,提出了一种单吸收池双光程同步测量水分子吸收光谱的测量方法,并结合窄线宽外腔二极管激光器和高精度F-P标准具,发展了一套 1 μm 波段的高分辨率水分子吸收光谱双光程同步测量装置,测量结果与HITRAN对比结果较好,对光谱测量的科技工作者有一定指导意义。

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室温铯原子气室窄线宽相干布居振荡光谱

刘强, 何军, 王军民

物理学报. 2021, 70(16): 163202.

doi: 10.7498/aps.70.20210405.

相干布居振荡(coherent population oscillations, CPO)光谱是一种原子布居数调制光谱,主要利用两束位相锁定、频率差小于原子自发辐射线宽的耦合光和探测光与原子相互作用,激光强度调制会导致原子布居数相干振荡,实现窄带宽的探测光透射。本文基于Λ型原子能级结构,在室温铯原子系综中实现了相干布居振荡光谱,光谱典型线宽小于50 kHz,远低于5.2 MHz的自发辐射线宽。Λ型能级结构的相干布居振荡光谱线宽依赖多个简并能级系统的布居数关联振荡,其不要求原子态的相位关联,有利于在长激发态寿命的Rydberg原子系统中基于相干布居振荡获得窄线宽光谱,从而提高基于Rydberg原子光谱的精密测量的灵敏度。


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图1  典型的铯原子相干布居振荡光谱, 虚线为Lorentz拟合

同行评价

相干布居振荡光谱因为其窄的光谱线宽和其固有的量子相干性,成为研究各种量子力学效应和各种相关量子技术的重要体系,本文作者理论分析了不同能级结构相干布居振荡光谱线宽的影响因素,并实验验证了相干布居振荡光谱对相关参数的依赖,得到光谱典型线宽小于50 kHz,远低于5.2 MHz的自发辐射线宽。该光谱将来可应用于里德堡原子系统,对于实现更加精密的电场测量具有一定的意义。

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镨掺杂铟镓氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性分析

朱宇博, 徐华, 李民, 徐苗, 彭俊彪

物理学报. 2021, 70(16): 168501.

doi: 10.7498/aps.70.20210368.

本文研究了镨掺杂铟镓氧化物 (PrIGO)薄膜晶体管 (thin film transistor, TFT) 的低频噪声特性。根据低频噪声测试分析结果得知:IGO-TFT和PrIGO-TFT器件沟道电流的功率谱密度与频率的关系均满足1/fγ (γ ≈ 0.8) 的关系,符合载流子数涨落模型。通过研究不同沟道长度对器件低频噪声的影响,明确了器件的噪声主要来源于沟道区而非源/漏接触区。基于载流子数涨落模型,提取界面处的缺陷态,发现Pr元素掺杂会在IGO体系中诱导出缺陷态。而该缺陷态可以作为电离氧空位和电子的复合中心,进而改善氧化物TFT器件中由氧空位所导致的光照负偏压 (negative bias illumination stability, NBIS) 稳定性问题。


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图1  IGO-TFT和PrIGO-TFT (a) 结构示意图;(b) 转移特性曲线; IGO-TFT (c) 和PrIGO-TFT (d) NBIS稳定性


同行评价

作者通过在IGO体系材料中掺入镨离子制备镨铟镓氧(PrIGO),与IGO进行对比,以证明基于掺入镨离子制成的镨铟镓氧(PrIGO)TFT在器件光稳定性方面表现出色。除此之外,对半导体器件的噪声特性进行分析,并进一步研究稀土氧化物在半导体器件中的影响,最后再证明了IGO材料中进行稀土氧化镨掺杂会产生作为光生载流子复合中心的“缺陷态”。这项工作创新性较高,内容丰富。

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《物理学报》2021年第16期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/16


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