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亮点文章 | 2021年第3期

已有 460 次阅读 2021-2-8 09:22 |系统分类:论文交流

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封面文章    特邀综述

MgO衬底上YBa2Cu3O7–δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

王宏章, 李宇龙, 徐铁权, 朱子青, 马平, 王越, 甘子钊

物理学报. 2021, 70 (3): 037401

台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)是高温超导约瑟夫森结的一种重要形式,在高温超导量子干涉器(SQUID)、THz探测器等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景。本文在MgO衬底上制备了YBa2Cu3O7–δ台阶结,考察了其电输运特性,并利用其制备了高温超导射频SQUID器件。这为利用该衬底上YBa2Cu3O7–δ台阶结的独特性,进一步研制极高灵敏度的高温超导SQUID等超导量子器件奠定了基础。


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图1  (a) YBa2Cu3O7–δ台阶结的V-I特性曲线;(b)台阶结的JC随温度的变化,红线代表 S-N-S 型约瑟夫森结的理论拟合,内插图为ICRn随温度的变化,其中菱形所代表的数据取自文献 [17] (Du J, Hellicar A D, Li L, Hanham S M, Macfarlane J C, Leslie K E, Nikolic N, Foley C P, Greene K J 2009Supercond. Sci. Technol. 22 114001)


同行评价

高温超导材料的发现,使得超导应用的更加广泛的推广成为可能。但是由于高温超导材料的化学和结构复杂性,其实用材料和器件的制备非常困难,相关工艺研究一直是这个领域的一个研究重点。本文介绍了一种制备高温超导约瑟夫森结的工艺试验结果,较为详细地介绍了在MgO基片上利用台阶结获得YBCO超导体约瑟夫森结的工艺流程和器件的表征结果,具有较好地参考价值。MgO基片上的台阶结可以显示非常优良的性能,文献中已有多篇报道。但是考虑到高温超导约瑟夫森结制备中由于工艺细节不同可能导致器件性能差别很大,细致而具体的研究是非常必要的。本文对MgO衬底上YBCO台阶结的制备进行了探索和研究。通过衬底刻蚀、薄膜生长等工艺制备了MgO衬底YBCO台阶结,并对结的输运特性进行了测量。利用研制的台阶结,初步制备了高温超导射频(RF)SQUID,并对器件的噪声性能进行了测试表征。

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编辑推荐

可搬运锶光晶格钟系统不确定度的评估

孔德欢, 郭峰, 李婷, 卢晓同, 王叶兵, 常宏

物理学报. 2021, 70 (3): 030601

可搬运光学原子钟在科学研究和工程应用中具有重要意义。本文测量了可搬运87Sr光晶格钟系统的主要频移,包括黑体辐射频移、碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移、二阶塞曼频移等。首先实验上测量了磁光阱腔体表面的温度分布,分析了不同热源对原子团的影响,得到黑体辐射总的相对频移修正量为50.4×10-16,相对不确定度为5.1×10-17。然后利用分时自比对方法,评估了碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移和二阶塞曼频移。结果表明, 由黑体辐射引起的频移量最大,晶格光交流斯塔克频移的不确定度最大,系统总的相对频移修正量为58.8×10-16,总不确定度为2.3×10-16。该工作为可搬运87Sr光晶格钟之后的性能提升和应用提供了条件。


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图1 晶格光频移系数随晶格光频率的变化

同行评价

光钟是高精密的仪器,在卫星导航和探索宇宙本质上有广泛的应用。其中,设计长期连续稳定工作的小型化可搬运的光钟是人们研究的一个重点内容。研究者对可搬运光学原子钟进行了系统性的研究,测量了可搬87Sr光晶格钟系统的四项主要频移,包括黑体辐射频移、碰撞频移、晶格光交流斯塔克频移和二阶塞曼频移;并首次实验上测量了磁光阱腔体表面的温度分布,分析了不同热源对原子团的影响,得到黑体辐射总的相对频移修正量为50.4×10-16,这在科学研究和工程应用中具有重要意义,为我国进一步开展可搬运光学原子钟的实际应用奠定了基础。

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编辑推荐    综述

基于硅基光子器件的Fano共振研究进展

鹿利单, 祝连庆, 曾周末, 崔一平, 张东亮, 袁配

物理学报. 2021, 70 (3): 034204

硅基光子技术的发展为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段。采用硅基光子技术构建的具有连续(准连续)模式微腔与离散模式的微腔耦合产生的Fano共振现象得到了广泛关注。Fano共振光谱在共振波长附近具有不对称且尖锐的谐振峰,传输光的强度在共振波长附近从0突变为1,该机制可显著提高硅基光开关、探测器、传感器,以及光非互易性全光信号处理的性能。本综述分析了Fano共振的一般数学表述,总结了当前硅基光子微腔耦合产生Fano共振的理论模型研究现状,讨论了不同类型硅光器件实现Fano共振的方法,比较各种方案优劣及适用场合,梳理了Fano共振在全光信号处理方面的应用研究情况。最后探讨存在的一些问题及未来可能的相关研究方向。


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图1 (a)q与相移δ之间的关系曲线;(b)—(f)q→−∞,q=−1,q=0,q=+1,q→+∞时对应的传输光谱;(g)不同半高宽Γ对Fano线形的影响;(h)不同共振波长ω0对应的光谱


同行评价

Fano共振现象近年来越来越受到光电子信息领域的重视,如局域表面等离子体共振增强的红外光谱中,由LSPR和分子振动的耦合产生的Fano共振对解析分子振动信号的相关信息显得尤其重要。本文着重归纳并总结了硅光子学领域的Fano共振现象,分别就光子晶体纳米梁、微环谐振腔、马赫曾德干涉仪等类型的硅基光电集成器件中Fano共振产生的条件、器件结构设计、光谱性能以及应用领域做了详尽、准确以及有深度的综述。本文所包含的近年来在Fano共振研究方面的内容丰富全面,能够引起该领域研究从事者的兴趣。

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编辑推荐

锆铌合金的特殊准随机结构模型的分子动力学研究

周明锦, 侯氢, 潘荣剑, 吴璐, 付宝勤

物理学报. 2021, 70 (3): 033103

锆合金(如:锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键,而深入理解辐照损伤的物理机制,往往需借助于原子尺度的计算模拟,如:分子动力学和第一性原理等。针对随机置换固溶体合金的模拟,首先需构建能反映合金元素随机分布特征的大尺寸超胞,然而第一性原理计算量大,不宜使用过大(如≥200原子)超胞。通常第一性原理计算使用的是特殊准随机(SQS)超胞,SQS超胞可部分反映合金元素的随机分布特性,但对于特定组分只对应一种构型,这种模型是否能反映真实随机置换固溶体中多种局域构型的统计平均还有待进一步研究验证。分子动力学可在更大的尺度上进行计算模拟,能够通过随机取代(RSS)模型研究更多的合金构型,因此,本文基于RSS超胞模型及SQS扩展超胞模型,运用分子动力学方法对Zr-Nb合金进行了研究。首先通过构型误差分析确定了能真实反映固溶体合金性能统计性的RSS超胞的临界尺寸;然后计算比较了Zr-Nb合金SQS扩展超胞和一系列RSS超胞的晶格常数、形成能和能量-体积关系。研究表明,利用SQS超胞模拟得到的固溶体的晶格常数、形成能和能量体积曲线与一系列RSS超胞的对应统计值接近,因而SQS超胞可用于研究随机置换固溶体合金。


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图1 bcc晶格RSS超胞和SQS超胞的E-V曲线,以及ADP势的计算结果, 其中,多边形和圆形图标为对应的SQS和RSS模型的能量计算值,对应的曲线是用EOS方程拟合得到的E-V曲线;单点划线、双点划线和短划线是Smirnova和Starikov得到的ADP势模拟结果


同行评价

锆合金性能优良,常被用作核反应堆的结构材料和燃料包壳材料,常见的合金元素 Nb 能大幅提高 Zr 的抗腐蚀性能。使用过程中的辐照损伤对合金内部结构和性能的影响研究非常重要,而传统的实验测试等方法较难开展,因此采用模拟方法成为材料辐照损伤研究不可或缺的一种手段。作者采用分子动力学方法对于最多达到16000个原子组成的大体系开展计算模拟工作,对于目前常见的SQS和RSS构筑的合金模型都进行了深入的研究。研究工作细致认真,获得的晶格常数与实验报道十分吻合。Nb在低浓度下的形成能在2种模型下具有相同的变化趋势,说明作者使用SQS方法也可以获得很好的研究结果,为今后使用SQS开展第一性原理计算提供一定的理论基础。

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编辑推荐

双金属/TiO2纳米管复合结构中增强的光电流

韩迪仪, 顾阳, 胡涛政, 董雯, 倪亚贤

物理学报. 2021, 70 (3): 038103

将传统半导体材料与金属微纳结构相结合,利用其表面等离激元共振效应,可有效地增强复合结构的光电转换效率,使其广泛地被用于光电化学和光电探测等领域。本文以氧化铝纳米管为模板,采用原子层沉积技术制备出高有序的TiO2纳米管,并通过电子束热蒸发技术在大孔径的纳米管薄膜中分别负载金、铝和双金属金/铝纳米颗粒,形成金属纳米颗粒/TiO2纳米管复合结构。研究结果表明,相对于纯TiO2纳米管,Au/TiO2复合纳米管在568 nm的可见光照射下,其光电流密度约有400%的提高;在365 nm紫外光照射下,Al/TiO2复合纳米管的光电流提高约50%;同时负载双金属Au和Al纳米颗粒的TiO2纳米管在整个紫外-可见光区域光电流均显著增强。


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图1  纯TiO2纳米管和同时负载Au和Al纳米颗粒TiO2纳米管的i-t曲线  (a)入射光为紫外区域310—375 nm;(b)入射光为可见区域450—800 nm


同行评价

作者采用双通的AAO为模板,利用ALD技术在模板的纳米管道内生长了二氧化钛纳米管,并从实验上研究了半导体二氧化钛纳米管的光电流的性质。进一步地,又在纳米管中加载了金、铝颗粒,利用金属颗粒的局域表面等离激元效应增强并拓宽了二氧化钛纳米管的光吸收性能,从而极大增强了光电流。特别是利用金颗粒可以共振在可见光波段,铝颗粒可以共振在紫外波段,通过将两者复合,实现了在整个紫外-可见光区域光电流的显著增强。文章具有较大的创新意义,研究结果可信,对结果的描述和解释合理。研究结论对于后续的半导体纳米管光电流的工作开展也具有相当的参考价值。

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《物理学报》2021年第3期全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2021/3




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