环三亚甲基三硝胺(RDX)是一种高能低感度炸药，对其能量和性质的准确计算对于开展该炸药的分子模拟至关重要。本文基于机器学习算法，采用高维神经网络模型，对RDX分子晶体结构数据集进行势函数训练。分别采用9种不同的网络结构进行测试训练，并选取其中学习效果最好的势函数对RDX分子晶体结合能和晶格中原子受力进行计算，均能很好地重复出第一性原理的计算结果，其测试集结合能的均方根误差为59.2 meV/atom。作为机器学习势函数的应用，进一步使用该势函数对α相RDX晶体进行分子动力学模拟，以验证其适用性。

图1  (a) 训练集(黑色叉)和测试集(红色十字)所有结构第一性原理计算形成能和机器学习计算形成能对应关系图；(b) 训练集(黑色叉)和测试集(红色十字)所有结构第一性原理计算原子受力和机器学习计算原子受力对应关系示意图

近年来，机器学习方法在物理、材料等领域得到了广泛的应用，利用机器学习方法构建可以准确描述材料能量和性质的势函数是一个新的发展方向，也已经取得了一系列的研究成果。本文作者利用HDNN方法，对第一性原理计算得到的15199个RDX晶体结构进行势函数拟合，并对不同神经网络结构所拟合得到的势函数进行评估。通过对大量RDX晶体数据集的学习和机器学习模型的参数拟合，获得可以准确描述晶体中分子内和分子间相互作用的势函数，通过对不同隐藏层结构的神经网络进行最多2000代误差反向传播训练，并对其训练效果进行评估，相较第一性原理计算结果，机器学习拟合的势函数所计算的结合能和原子受力均能很好地重复出第一性原理的计算结果。

设计了一种涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导。在椭圆柱坐标系中，借助于Mathieu函数和坐标变换，采用多极方法对波导所支持的6个最低阶模式进行了研究，并分析了这些模式的特性与工作波长、石墨烯费米能以及波导结构参数之间的依赖关系。结果表明，调节波导的工作波长、石墨烯的费米能及纳米线之间的间距，可大幅度调节这些模式的特性。调节纳米线的半长轴及半短轴，可以微调这些模式的特性。在两种条件下，通过比较涂覆石墨烯的单根椭圆电介质纳米线、对称椭圆电介质纳米并行线与非对称椭圆电介质纳米并行线所支持的基模的性能，发现本文所设计的波导的性能优于其他两种波导。本文的研究工作可以为涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导的设计、制作及应用提供理论基础。

图1  涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导的横截面示意图

作者研究了两根表面涂覆石墨烯材料的两根介质纳米线之间的耦合，解析求解了模式，讨论了模式特征对纳米线之间的间隔、石墨烯化学势和波导结构参数之间的关系。该工作可以视为之前两根相同的圆柱形纳米线和椭圆纳米线耦合问题的推广。

磁性斯格明子是一种具有涡旋状非共线自旋结构的准粒子，具有独特的拓扑保护特性，可在极低电流驱动下运动，有望在信息技术领域获得广泛应用。从2015年开始，科学家已经发现了多种室温磁性斯格明子材料，例如斯格明子多层膜、人工斯格明子材料、β-Mn 型单晶材料、中心对称材料（铁氧体、六方Ni₂In型）等。其中多层膜材料由于其制备工艺简单、可通过调节各膜层厚度优化性能、器件集成度高等优点而备受关注。这些室温磁性斯格明子材料具有涌生电动势、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等特性，有望用来制备多种新型自旋电子器件，例如赛道存储器、微波探测器、纳米振荡器等，其中赛道存储器有望成为下一代非易失性、低能耗和高密度的存储器。本文首先介绍了磁性斯格明子的基本特性, 然后综述了近年来室温磁性斯格明子材料的研究进展、制备技术及表征方法, 最后简单介绍了用室温磁性斯格明子材料研制赛道存储器、微波探测器等原型器件的研究进展，展望了室温磁性斯格明子材料的未来发展趋势。

图1  不同自旋结构的斯格明子示意图  (a) 奈尔型斯格明子; (b) 布洛赫型斯格明子；(c) 奈尔型斯格明子; (d)布洛赫型斯格明子；(e)—(h) 反斯格明子；（i）单位磁矩方位示意图

这是一篇关于磁性斯格明子的产生机制、物理效应、材料实现、应用前景以及研究挑战的很全面的综述文章。作者对于上述问题给出了清晰翔实的介绍，文中的大量图表和文献为从事这一领域研究工作或想要了解这一领域研究状况的研究者提供了很大的方便。

黑磷烯（black phosphorene, BP)因其“褶皱”的晶格结构而具有较高的比表面积，在气体吸附及气体传感器方面应用具有很大的优势。掺杂及缺陷对其传感性有较大的影响。本文以基于密度泛函理论的第一性原理方法为基础探究了本征、Al掺杂、含P原子空缺以及P空位与Al掺杂共存的黑磷烯体系吸附甲醛前后的传感行为。通过建立含缺陷和掺杂吸附体系的结构模型，计算得出了吸附能、能带结构及电荷转移等电子结构参数。结果表明，本征BP烯以及含P原子空缺的BP烯体系对甲醛分子吸附能力较弱，P原子空缺对电导率以及电荷转移没有影响，所以本征黑磷烯不适合用于传感器材料。Al掺杂和P空位与Al掺杂共存的BP烯体系，吸附甲醛分子的能力明显比前两种情况增强，电荷转移明显增加，改变了载流子浓度，提高了电导率；此外，在能带图中明显看到产生一个杂质能级，有效带隙明显变窄，表明Al掺杂提高了纯净和含P空位黑磷烯的传感性，因此，Al掺杂和P空位与Al掺杂共存的BP烯体系预计可成为一种新的传感器材料。

图1  本征(a)、掺杂Al(b)、含P空位(c)及P空位与Al掺杂共存(d)时BP烯甲醛吸附系统超原胞

基于密度泛函理论的第一性原理方法为基础研究了黑磷烯的本征、含 P 原子空缺以及 P 空位与 Al 掺杂共存体系吸附甲醛前后的传感行为。通过建模计算分析给出了吸附能、能带结构及电荷转移的电子结构参数。给出了本征黑磷烯不适合做传感器；而P 空位与 Al 掺杂共存的 黑磷烯体系吸附甲醛分子的能力增强，电荷转移增加，同时载流子浓度也有改变， 提高了电导率，而且存在一个杂质能级，有效带隙明显变窄，表明 Al 掺杂提高了含 P 空位黑磷烯的传感性。总体上，全文计算给出了一些有意思的数据和结果，对黑磷烯体系传感器材料以及器件的设计以至合成、性能分析指出了思路。

压缩态光场是量子光学研究中的一种重要量子资源。在量子信息应用中，压缩态光场的频谱带宽是限制信息传输容量的重要指标。目前，光学参量振荡器是产生强压缩度非经典光场最有效的方法之一。本文通过分析输出耦合镜透射率、线宽、阈值功率对简并光学参量振荡器频谱带宽的影响，实验完成了低阈值（18 mW）、宽频带（84.2 MHz）、高稳定（锁定基线标准偏差为0.32 MHz）量子压缩器的设计。结果表明，相比单共振光学参量振荡器，双共振腔型具有低阈值、高稳定的特点，更适合于宽频带压缩态光场的制备与实际应用。

图1  压缩带宽、OPO信号光线宽、压缩度随T_s变化图

量子光学的研究近年来得到了快速的发展，其中，如何获得宽频谱、高稳定的压缩态光场是量子光学领域重要的研究方向。本文实验研究结果表明，双共振腔型与单共振腔相比，可以大幅度降低光学参量振荡器的阈值，并具有更高的锁定稳定性。该结论对于从事量子光学研究和工程技术领域的研究工作者有重要的指导和参考价值。

模式不稳定效应和非线性效应成为光纤激光器输出功率和光束质量进一步提升的主要限制因素。采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备33/400 μm部分掺杂掺镱双包层光纤，镱离子掺杂直径比为70%，折射率剖面近似阶跃型。利用主振荡功率放大系统验证部分掺杂光纤光束质量优化作用，种子光束质量为1.53，随着泵浦功率增长，输出激光光束质量逐渐优化至1.43。搭建915 nm反向泵浦全光纤结构激光振荡器。实验中，在泵浦光功率约为4.99 kW时，获得3.14 kW中心波长为1081 nm的激光输出，3 dB带宽为3.2 nm，且未出现模式不稳定和受激拉曼散射现象，这是目前基于国产部分掺杂光纤实现的最高输出功率。以上结果表明，部分掺杂光纤在实现高功率且高光束质量光纤激光输出中具有潜力。

图1  反向泵浦全光纤激光振荡器结构

本文采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术制备部分掺杂掺镱双包层光纤，成功验证了部分掺杂光纤对光束质量的优化作用，并获得基于国产部分掺杂光纤的最高3kW光纤激光输出。本文研究内容具有很高的参考价值。

中华白海豚依靠其回声定位系统进行导航与目标探测。本文利用计算机断层扫描、超声测量与数值模拟研究中华白海豚声呐系统声接收过程。计算机断层扫描结果表明，中华白海豚声接收系统位于下颌区域。声接收通道主要包含下颌骨内侧脂肪、下颌骨外侧脂肪、下颌骨与听小骨。数值模拟结果表明，中华白海豚的声接收通道具有多样性。声波可沿着下颌骨传播至下颌内部脂肪，并随后传导至听小骨处。声波还可以通过下颌骨外侧脂肪进入声接收系统。声接收通道的多样性表明中华白海豚声呐系统的复杂性，探究声接收工作原理能加深下颌脂肪与下颌骨等多相介质形成的系统对声传播的控制，可为人工声接收系统设计提供新思路。

图1  无指向性声脉冲从不同角度入射中华白海豚声接收系统垂直截面传播细节 (a) −30°；(b) −15°；(c) 15°；(d) 30°

中华白海豚作为国家一级保护动物，了解其生物声呐物理机理有十分重要的理论意义。该文将CT重建工作聚焦于海豚声接收系统的下颌区域，研究该区域由骨质结构和软组织组成的声接收通道，探讨了不同角度声接收的声场多样性。该论文在海豚声接收上具有创新性。

《物理学报》2020年第23期全文链接：