Ca₅N₄ 高压新相的第一性原理研究

非晶态物质的本质及形成过程是凝聚态物理领域最困难也是最有趣的问题之一。非晶形成过程在原子结构上不会衍生出人们在传统晶体结构里所熟悉的长程有序性，因此对于此类在自然界中广泛存在的物质形态，至今还没有有效的实验表征手段和理论研究方法。非晶态物质的原子结构及其构效关系的研究是凝聚态物理和材料科学等众多研究领域所关注的热点问题之一。随着对非晶态物质物性研究的深入，人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程序对系统性质的重要影响，建立以中程序为基础的结构-动力学关系对于理解玻璃及玻璃转变的本质起着重要的作用。本文简要综述了基于图论提出的原子局域连接度这一新的结构序参量在液体和玻璃的结构及构效关系研究中的应用。新的结构序参量从过去侧重于关注局域原子团簇的种类和分布，转移到更加关注某一类具有特殊对称性的原子的空间连接情况，即更多地尝试从原子中程序的角度来建立非晶态物质中的构效关系。新的研究结果表明，局域连接度可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系。

图1  无序非晶结构(a)与有序晶体结构(b)的结构因子S(q)示意图

图2   图(Graph)的示例及其矩阵表示

本文综述了作者在非晶合金的局域结构与动力学行为之间关联性的近期研究成果。作者通过引入二十面体连接度这个结构参数，探讨了局域结构有序与不同时间尺度动力学驰豫行为的内在关联。文章有助于我们加深对非晶合金“结构-性质”这个基本问题的认识和理解。

相比于离散变量量子密钥分发，连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势，但是在安全传输距离上却略有不足。尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能，尤其在安全传输距离方面有着显著的提升，然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知。鉴于上述分析，本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案，试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能。研究结果表明，在相同参数下，当优化量子催化引入的透射率T，相比于原始四态调制协议，所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能。特别是，对于可容忍过噪声为0.002，量子催化可将安全通信距离突破300 km，密钥率为 10-8 bits/pulse，而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果。此外，为了彰显量子催化的优势，本文给出了点对点量子通信的最终极限 Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi 边界，仿真结果表明，虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界，但是相比于前者，后者能够在远距离通信上逼近于这种边界，这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据。

图1   纠缠型的零光子催化四态调制协议原理图

本文采用零光子催化操作，致力于研究离散调制的连续变量量子密钥分配协议的性能改善。文章指出，相比于原始四态协议，零光子催化操作可以进一步有效地改善协议的传输距离、可容忍噪声等性能参数。此外，过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果。

液晶与垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)阵列结合可实现波长可调谐、偏振精确控制等，同时液晶的引入也会改变垂直腔面发射半导体激光器阵列的热特性，本文设计了表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列结构，并开展了阵列的热特性实验研究。对比分析了向列相液晶层对VCSEL阵列热特性的影响，实验结果表明，1 × 1，2 × 2，3 × 3三种表面液晶-VCSEL阵列的阈值电流温度变化率最高可降低23.6%，热阻降低26.75%；同时，激光器阵列各发光单元之间的温度均匀性显著提高，出光孔与周围温差小于0.5 ℃。综上所述，VCSEL阵列中液晶层的引入不仅大大加速激光器阵列单元热量扩散，而且降低了有源区结温，提高了VCSELs激光器阵列热特性，为实现高光束质量的单偏振波长可控VCSEL激光器阵列打下了良好的理论和实验基础。

图1  表面液晶-VCSEL阵列结构示意图　(a)横截面图; (b)俯视图

垂直腔面发射激光器列阵具有光束质量好、易于调制等优点，与表面液晶结合，可以实现偏振调制、波长调谐等优异的特性。本文报道了表面液晶-垂直腔面发射激光器列阵的热特性研究，研究表明，引入液晶后，阵列中各发光单元之间的热串扰减少，出光孔与周围温差由原来的大幅度降低，阵列表面温度分布更均匀。这一研究结果对于发展高功率垂直腔阵列激光器具有重要意义。

金属光阴极因其超短脉冲发射和运行寿命长的特性从而具有重要应用价值，但是较高的功函数和较强的电子散射使其需要采用高能量紫外光子激发且光电发射量子效率极低。本文利用Mie散射共振效应增强银纳米颗粒中的局域光学态密度，提升光吸收率和电子的输运效率，并利用激活层降低银的功函数，从而增强光阴极在可见光区的量子效率。采用时域有限差分方法分析银纳米球阵列的光学共振特性，采用磁控溅射和退火工艺在银/氧化锡铟复合衬底上制备银纳米球，紧接着在其表面沉积制备铯激活层，最后在高真空腔体中测试光电发射量子效率。实验结果表明平均粒径150 nm的银纳米球光阴极在425 nm波长的量子效率超过0.35%，为相同激活条件下银薄膜光阴极的12倍，峰值波长与理论计算的Mie共振波长相符合。

图1  光学共振增强Ag纳米结构光阴极　(a) Spicer三步光电发射物理过程; (b) Ag纳米球结构光阴极; (c) Ag薄膜光阴极; (d) ITO衬底上Ag纳米球的FDTD光学仿真设置

高性能光阴极具有重要应用，但是目前面临如何提升量子效率等问题，本文创造性地采用时域有限差分方法对Ag纳米粒子的Mie散射光学共振特性进行了分析，给出了材料结构和具体的实验工艺，经过实验结果发现通过这种方式可以大幅度提升光电发射的量子效率。以上理论和实验研究结果对后续研究具有一定的指导意义。

目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差，不能应用于野外进行绝对重力测量，这限制了原子重力仪的应用领域。本文利用自研的小型化原子重力仪，集成了一套车载绝对重力测量系统。该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成。首先，本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估，发现在野外40 ℃高温、8°大倾角普通路面的环境下，该系统仍然能够正常工作; 其次，介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法，并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响。最后，在野外平坦路面上进行了重复测线工作，评估了系统的内符合绝对重力测量精度，结果约为30 μGal; 在野外大倾角山体路面，通过测量不同海拔高度点的绝对重力值，得到了地球的垂直重力梯度值，约为-231(36) μGal/m。本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据。

图1   倾斜路面情况下的绝对重力测量结果

原子重力仪系统是精密测量领域能够对国防、地球勘查、物探等领域起着重要作用的一种工具。该团队在原子重力仪系统的研发方面处于全国领先地位，该论文详细描述了基于自研的小型化原子重力仪集成了一套车载绝对重力测量系统的野外测试过程及测试数据。通过对温度以及倾角的测量评估了环境的影响，对比了实验室和野外的重力测量数据，分析了平坦地带和大斜坡地带的重力测量结果，得到一手的野外重力测量材料。

《物理学报》2020年第6期全文链接：