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亮点文章 | 《物理学报》2024年第14期

已有 54 次阅读 2024-7-31 13:55 |系统分类:论文交流

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王帅，李希，姚星灿

物理学报, 2024, 73(14):146701.

doi: 10.7498/aps.73.20240570

吸收成像是超冷原子实验中定量测量的基础。典型的成像过程涉及记录探测光场和原子吸收光场的照片。在拍摄这两张照片的时间间隔内，由于探测光不可避免的抖动，会在成像过程中引入条纹噪声模式。常规的条纹去除算法虽然可以抑制这种噪声，但由于其忽略了原子吸收效应对噪声信号的调制，使得原子团上会出现无法完全消除的剩余条纹，并且这一现象会随着原子密度的增大而愈发明显。本文提出了一种创新的增强条纹去除算法，该方法考虑了原子的吸收效应，并通过主动调制噪声信号的强度，从根本上避免了剩余条纹的产生并显著提高了成像的信噪比。在处理均匀费米气体的吸收成像时，新算法成功将表征原子密度波动的相对标准偏差降低约37%。此外，本文还利用该方法对⁶Li费米原子超流中的第二声波进行了定量观测。与传统的条纹去除算法相比，我们的新方法将密度波关联函数的对比度提高了近4倍，密度响应谱强度提升约15%。上述结果表明，增强条纹去除算法不仅可以有效地抑制条纹噪声，而且更有利于在高密度原子体系中识别和探测一些重要物理效应。

图1 增强条纹去除算法流程图 (a) 通过参考光照片集R_i重构出与原子吸收照片A在掩膜区M外具有相同条纹特征的参考照片R_c；(b) 根据A和R_c构建调制参考光照片R_m；(c) 使用R_c，R_m 以及A计算原子光学深度分布 OD = ln (R_c/A) + (R_m–A)/(χ_st)，图中的倾斜线表示条纹噪声

同行评价

冷原子物理中吸收成像法是非常常用的一种探测手段，成像过程中由于机械抖动，玻璃表面反射等等，往往会产生干涉条纹，影响成像质量。常用的手段是使用一些条纹去除技术。本文在一个更特殊的情况，高光学厚度情况下，使用了超饱和吸收成像来对原子进行成像，对条纹去除技术提出了新的要求。作者通过发展一种增强条纹去除的新技术，大大降低了拍照后的剩余条纹，并用此方法开展了第二声波的研究。文章有理论有数据，方法也有望推广到更多的实验系统中，对冷原子实验有积极促进作用。

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基于异步光学采样的电光频率梳时间抖动测量

马博文，戴雯，孟飞，陶家宁，武子铃，石岩青，方占军，胡明列，宋有建

物理学报, 2024, 73(14):144203.

doi: 10.7498/aps.73.20240400

电光频率梳是一种单频激光器经相位调制构造的光学频率梳，具有重复频率高、灵活可调等特点，通过精确的色散控制，电光频率梳在时域上可以输出超短脉冲激光序列，其时间抖动特性对于开展精密测量等应用十分重要。本文提出一种基于双光梳异步光学采样原理测量电光频率梳时间抖动的方案。建立了时间抖动测量的理论模型并进行数值模拟。搭建了一台重复频率为10 GHz、脉冲宽度为2.6 ps的电光频率梳，并开展了时间抖动的测量实验。测量的直方图分析表明，电光频率梳的周期抖动为3.86 fs。测量装置主体为光纤结构，且不需要高速光电探测器，有望对电光频率梳、微环频率梳等新型高重频光学频率梳时间抖动的测量与优化起到关键作用。

图1 ASOPS法测量时域抖动原理图

同行评价

本论文提出了一种基于双光梳异步采样原理的飞秒脉冲抖动测量方法，即使两个光梳具有很大的重频差别也能实现，并从理论和实验上进行了必要的推导和验证。本工作具有新意，而且对飞秒激光脉冲的时域抖动的测量具有较强的现实应用价值。

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粗糙和光滑椭球胶体的受限扩散

梁建，王华光，张泽新

物理学报, 2024, 73(14):148202.

doi: 10.7498/aps.73.20240559

复杂受限环境中的扩散研究在凝聚态物理领域中备受关注。胶体体系的出现，为定量研究微观粒子的受限扩散提供了卓越的实验模型系统。当胶体粒子的形状由球形变为椭球形时，体系展现出各向异性的扩散动力学特性。近年来，研究者们发现粗糙表面能够诱发球形胶体体系异常的旋转动力学。然而，由于实验体系的局限性，粗糙表面对椭球形胶体粒子的受限扩散的影响依然知之甚少。本文建立了胶体受限扩散的模型体系，由粗糙圆球胶体构成受限环境，研究了粗糙和光滑椭球在其中的受限扩散。当圆球的堆积分数较低时，粗糙表面未发挥作用，因此光滑和粗糙椭球的平动和转动扩散相近。随着圆球堆积分数的增高，粗糙表面之间发生互锁，导致粗糙椭球的平动扩散明显慢于光滑椭球；随着堆积分数的进一步增高，由于粗糙表面产生的空间位阻效应，粗糙椭球的转动扩散也显著慢于光滑椭球。该工作表明粗糙表面会改变椭球的受限扩散，为揭示复杂环境中具有粗糙表面物质的扩散规律提供了实验依据。

图1 制备的胶体粒子的扫描电镜图像 (a) 粗糙圆球；(b) 粗糙椭球；(c) 光滑椭球；(d) 单层样品的示意图；(e) 粗糙椭球在粗糙圆球体系(ϕ= 0.74)中的明场显微镜照片

同行评价

本文对比了粗糙椭球和光滑椭球在同样的受限环境中的扩散行为的异同，研究结果展示了相比于光滑椭球，粗糙椭球的扩散受到了更为显著的抑制。该抑制作用随着受限环境的增强（通过增加构成受限环境的粗糙圆球的面积分数实现）而增大。另外，作者也展示了受限环境对于粗糙椭球的平动扩散和转动扩散的抑制作用并不是同步的，当受限环境增强时，粗糙椭球的平动扩散比转动扩散先受到抑制。该文研究结果有助于进一步理解颗粒表面粗糙度对于颗粒的扩散行为的影响规律。

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铁磁畴壁中自旋极化电流诱导的左旋极化自旋波

刘想，王希光，李志雄，郭光华

物理学报, 2024, 73(14):147501.

doi: 10.7498/aps.73.20240651

极化指的是波偏振的方式，是波的一个基本性质。利用波的极化可以进行信息的编码，这一编码方式在光学和声学中得到广泛应用。利用自旋波进行信息的传递和处理是磁子学的主要研究课题。然而在铁磁材料中，由于只存在右旋极化的自旋波，利用波的极化进行信息的编码在铁磁自旋波器件中始终没有实现。前期研究发现，通过自旋极化电流可以在铁磁体中产生左旋极化自旋波，从而有望实现利用极化编码的自旋波器件。然而在一个均匀磁化铁磁体中产生左旋极化自旋波所需的电流密度过大，实验上难以实现。磁畴壁可作为自旋波波导，且畴壁中自旋波的截止频率趋近于零。本文从朗道-栗弗席兹方程出发，研究了在自旋极化电流存在的条件下磁畴壁中自旋波的色散关系和传播特性，证明只需要很小的自旋极化电流就可在畴壁中产生稳定的左旋极化自旋波。微磁学模拟证明了理论分析结果。该项研究为研制基于极化编码信息的自旋波器件提供了一个实际可行的方案。

图1 畴壁中自旋波的色散关系曲线 (a) b_j = 0；(b) b_j = 404 m/s；蓝色实线和绿色(红色)虚线分别表示微磁学模拟结果和理论公式计算结果，其中绿色虚线和红色虚线分别对应右旋和左旋自旋波的色散关系

同行评价

论文利用理论分析和微磁模拟计算对铁磁薄膜布洛赫畴壁中自旋波在自旋极化电流作用下的色散关系和传播特性进行了研究。研究发现当存在很弱的自旋极化电流时，畴壁中就能够产生稳定的左旋极化自旋波。该项研究结果为利用自旋波极化进行信息编码提供了一个理论依据。

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Zr-2.5Sn合金高温腐蚀过程的相场模拟

刘续希，高士森，喇永孝，玉栋梁，柳文波

物理学报, 2024, 73(14):148201.

doi: 10.7498/aps.73.20240393

本工作利用腐蚀电化学计算腐蚀界面能，构建了锆合金腐蚀过程的相场模型。首先，利用所建立的模型模拟了Zr-2.5Sn合金均匀腐蚀过程，模拟结果显示该合金的腐蚀动力学曲线符合立方规律，与实验结果一致。分析发现，在氧化层生成的初期，氧化层生长速率很高，但是受温度的影响不明显；随着氧化层厚度的增长，温度对氧化层生长曲线的影响变大，温度越高腐蚀速率越快。多晶Zr-2.5Sn合金腐蚀行为的模拟结果表明，在锆合金基体晶界处由于具有更大的氧扩散速率，氧化速率加快，并在金属-氧化层界面朝向金属基体一侧形成了沿晶界的具有更高浓度的O^2–带，且对氧化腐蚀速率的影响主要表现在氧化初期，相场模拟获得的腐蚀动力学曲线与实验结果符合非常好。

图1 不同温度下多晶Zr-2.5Sn的腐蚀增厚曲线及与实验结果的对比

同行评价

论文构建了Zr-2.5Sn合金腐蚀过程的相场模型，研究了单晶合金均匀腐蚀和多晶合金的晶界腐蚀行为，分析了温度和晶界对腐蚀过程的影响，相场模拟结果与实验结果符合较好。

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Ge掺杂增强Ruddlesden-Popper结构准二维Sr₃Sn₂O₇陶瓷杂化非本征铁电性的物理机制

肖志峰，王守宇，戴雅婷，康新淼，张振华，刘卫芳

物理学报, 2024, 73(14):147702.

doi: 10.7498/aps.73.20240583

准二维的杂化非本征铁电体在实现强磁电耦合的单相室温多铁性方面具有很大的潜力，然而此类陶瓷样品通常有着较高的矫顽场和较低的剩余极化强度，严重阻碍了对其的研究和应用。本文成功制备了质量高且单相性较好的具有准二维结构的双层R-P (Ruddlesden-Popper)型氧化物Sr₃Sn_2–xGe_xO₇陶瓷样品，观察到了较高的剩余极化和与Sr3Sn2O7单晶接近的矫顽场。微量Ge元素对B位Sn掺杂后极化强度显著增强，同时进一步降低了Sr₃Sn₂O₇样品的矫顽场。结合晶格动力学研究，对样品的拉曼和红外光谱进行标定，得出掺杂样品铁电性能的增强可能源于氧八面体倾侧幅度的增大和旋转幅度减小。Berry相位法和玻恩有效电荷模型进一步证实了铁电性能的增强。通过紫外可见光光度计测试得到Sr₃Sn₂O₇样品的光学带隙为3.91 eV，采用Becke-Johnson势结合局部密度近似(MBJ-LDA)所计算的结果与实验基本一致。总之，这项研究为此类杂化非本征铁电体的制备及铁电性能的调控提供了参考，有望促进铁电陶瓷在各种电容器和非易失性存储器件中的广泛应用。

图1 (a) Ge-Sr₃Sn₂O₇的结构示意图；Sr₃Sn₂O₇ (b)和Ge-Sr₃Sn₂O₇ (c)在[001]方向12.3 Å处平面上的二维差分电荷密度图，等高线间隔为0.005

同行评价

作者成功制备了RP型氧化物Sr₃Sn₂O₇，通过B位Ge掺杂增强了材料铁电性能并有效降低了矫顽场，结合理论计算分析判断该B位掺杂导致的极化增强效应与SnO₆八面体畸变有关。论文研究内容系统全面，分析论证详实充分，结果合理可信。

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结构相变引起单层RuSe₂载流子迁移率的提高

陆康俊，王一帆，夏谦，张贵涛，陈乾

物理学报, 2024, 73(14):146302.

doi: 10.7498/aps.73.20240557

过渡金属二硫族化合物(TMDs)是二维材料家族中的重要成员，具有丰富多样的晶体结构和物理特性，是近年来在科学研究和器件应用领域关注度较高的材料之一。本文通过第一性原理计算研究了单层RuSe₂的结构和相变，在确定其基态为二聚相(相)的同时，发现该材料存在能量相近的三聚相(T'''相)。分别从动力学和热力学角度预测了该晶相结构的稳定性。结合相变势垒的计算和分子动力学模拟，预测在室温下对T'相结构施加较小的应力就可以实现晶格从T'相到T'''相的转变。相变后的能带结构以及载流子迁移率都发生了明显的改变，其带隙由1.11 eV的间接带隙转变为0.71 eV的直接带隙，载流子迁移率有了大幅的提升，空穴迁移率达到了3.22×10³cm²·V^-1·s^-1。本文对比研究了RuSe₂单层中可能共存的两种畸变相，分析了不同晶相的电子结构和迁移率，为实验上研究二维RuSe₂材料及其在未来器件中的应用提供了理论依据。

图1 (a) 单层RuSe₂在T'与T'''相下能量随zigzag方向晶格长度变化的关系曲线，插图为部分位置处发生相变的NEB势垒图；(b) 300 K下，T'相在zigzag方向施加6.5%压缩应变时的分子动力学模拟，其中的插图分别是0和15 ps的结构图

同行评价

该论文工作基于理论计算预测了二维RuSe₂的一种新晶体相，并对其稳定性和电子结构性质进行了细致的计算表征，结果可信并有意义。

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Ge₂₀Se_80-xTe_x玻璃网络结构演变及理论带隙-玻璃性能评价

夏克伦，管永年，顾杰荣，贾光，仵苗苗，沈祥，刘自军

物理学报, 2024, 73(14):146303.

doi: 10.7498/aps.73.20240637

开发特殊性能红外材料是目前提升红外光学系统性能的关键，硫系玻璃作为组分-性能可调的红外材料无疑成为了热门选项。Se基与Te基玻璃涵盖中波、长波红外窗口，是最典型的红外器件应用材料之一，通过对Ge₂₀Se_80-xTe_x玻璃体系的结构与性能分析，阐述了Te含量对该玻璃体系结构与性能演变的规律。随着Te含量的增大，玻璃转变温度(T_g)受网络结构及平均键能的影响先升高后降低，密度与折射率近似线性的梯度增高，阿贝数逐渐增大，而维氏硬度几乎不随Te含量的变化而变化，断裂韧性随Te含量的增大而降低。针对平均配位数无法评价两种及以上同族元素组成的玻璃体系问题，成功建立了理论带隙-玻璃性能评价体系，并对Ge₂₀Se_80-xTe_x玻璃体系的密度、折射率、阿贝数、断裂韧性等参数与理论带隙建立了函数关系，该体系可用于快速评估玻璃组分与性能。

图1 Ge₂₀Se_80-xTe_x系列玻璃的密度 (a)、折射率@10 μm (b)、以及8—12 μm窗口的阿贝数 (c)与Te含量的变化关系； Ge₂₀Se_80-xTe_x系列玻璃的密度 (d)、折射率@10 μm (e)、以及8—12 μm窗口的阿贝数(f)与理论带隙E_g^th的变化关系及其拟合曲线

同行评价

本文基于Ge₂₀Se_80-xTe_x玻璃体系探讨了Te元素对玻璃结构和性能的影响，针对传统平均配位数法不能区分含有两个以上同族元素的组分，提出了理论带隙评价方法，该方法因每个组成元素拥有独立对应的带隙值，因而可以区分该系列组分，该方法的提出是对硫系玻璃体系性能评价方法的很好补充，具有创新性。

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基于可重构硅光滤波器的计算重建片上光谱仪

张赞，黄北举，陈弘达

物理学报, 2024, 73(14):140701.

doi: 10.7498/aps.73.20240224

相比于笨重的台式光谱仪，集成化的芯片级光谱仪可以应用于便携式的健康监测、环境检测等场景。我们设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪。该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成。通过改变滤波器的透射光谱，可以实现对输入光谱的多次且不同的采样。再结合人工神经网络算法，从采样后的信号中重建出入射光谱。可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成。采用集成的热光相移器引入相位变化，能够对滤波器的透射光谱进行重构。通过这种方式，基于单个可重构滤波器可得到包含宽、窄光谱多样特征的响应函数。不需要滤波器阵列，就可以实现对入射光谱的多样化采样，能够显著地减小光谱检测器件的面积。仿真结果表明，所设计的器件在1500—1600 nm波长范围内可以实现连续光谱和稀疏光谱的重建，分辨率约为0.2 nm。该器件在可穿戴光学传感、便携式光谱仪等场景中具有巨大的应用潜力。

图1 基于可重构硅光滤波器的片上光谱仪结构示意图

同行评价

作者设计出了一个基于硅光子平台的片上光谱仪，该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成。通过改变滤波器的透射光谱，可以实现对输入光谱的多次且不同的采样。再结合人工神经网络算法，从采样后的信号中重建出入射光谱。可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成。采用集成的热光相移器引入相位变化，能够对滤波器的透射光谱进行重构。论文研究具有较好的创新性，对相关领域的研究者具有较大的参考价值。

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电子束透射氮化硅薄膜窗产生低密度等离子体

颜劭祺，高继昆，陈越，马尧，朱晓东

物理学报, 2024, 73(14):144102.

doi: 10.7498/aps.73.20240302

低电子密度等离子体源在电离层等离子体的实验室模拟中具有重要的应用。本文利用高能电子束透射氮化硅薄膜窗口，在低气压条件下激发低密度等离子体。采用蒙特卡罗方法对氮化硅薄膜的电子束透射特性进行模拟；利用CCD相机和静电探针对产生的电子束等离子体进行诊断。电子束等离子体呈现出顶点位于氮化硅薄膜窗口的锥状结构。在相同气压下，电子初始能量越高，锥状等离子体锥角越小，等离子体更加向轴线集中，这与氮化硅薄膜的电子透射特性蒙特卡罗模拟定性一致。随着工作气压增大，高能电子与中性粒子碰撞频率变大，电子束散射效应增强导致等离子体锥角变大。等离子体锥状结构是高能电子透射特性以及高能电子与气体分子散射特征的反映。在40 keV条件下，当电子束流从10 μA减小到 0.5 μA时，电子密度减小，变化在10⁵—10⁶ cm^–3范围；而电子温度没有明显的变化，接近1 eV。随气压增大，电子密度有增大趋势。研究工作表明，在工作腔尺寸足够大的情况下，可得到沿电子入射方向随距离增加逐渐衰减的10⁵ cm^–3以下更低的电子密度；这是由于射程增加，透射的高能电子与中性气体碰撞产生能量损失增大；同时电子束散射增强导致了等离子体更加发散。

图1 静电探针的测量结果 (a) 3个束流下典型的探针I-V曲线；(b) 电子密度随束流的变化；(c) 电子温度随束流的变化；电子束能量为40 keV，工作气压为100 Pa

同行评价

本文进行电子束透射氮化硅薄膜窗产生等离子体参数测量和模拟的研究。采用静电探针测量和蒙特卡罗模拟法，得到在工作室内电子束等离子体呈现出顶点位于氮化硅薄膜窗口的锥状结构分布。低电子密度等离子体源的研究不论在空间电离层等离子体的实验、半导体工业中等离子体去除光刻胶都有一定的意义。本文创新点是实验和理论结合对电子束透射氮化硅薄膜窗后产生等离子体参数进行测量和模拟。

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²⁵²Cf自发裂变K X射线发射与动能-电荷关系

刘超，刘世龙，杨毅，冯晶，李昱兆

物理学报, 2024, 73(14):142501.

doi: 10.7498/aps.73.20240563

原子核裂变后多物理量间的关联测量是认识裂变过程直接有效的实验手段，然而由于初级裂变产物准确的电荷鉴别仍面临技术困难，电荷相关的多参数研究相对匮乏。为此，通过高分辨的低能高纯锗探测器和金硅面垒探测器开展了²⁵²Cf自发裂变的裂变碎片K X射线和动能的符合测量。利用K X射线可以很好地鉴别电荷数Z = 39—62的裂变碎片，电荷分辨ΔZ ≈ 0.7，K X射线产额呈现强烈的电荷相关性。借助K X射线给出了碎片平均动能和平均总动能及其分布宽度随核电荷数的分布，轻碎片动能分布具有鲜明的奇偶效应，偶Z碎片的动能比奇Z碎片的高约0.48 MeV；平均总动能在Z = 52—53处达到峰值，总动能分布宽度在Z = 56附近呈现凹坑，这反映了形变壳结构对断点形状的显著影响。裂变碎片K X射线发射的信息及动能-电荷关系研究可为裂变独立产额测量和裂变理论模型的检验提供必要的参考数据。

图1 ²⁵²Cf自发裂变放中子后 (a) 平均总动能，(b)总动能分布宽度与裂变碎片电荷的关系

同行评价

文章开展了 ²⁵²Cf 自发裂变产物的动能和特征 K X 射线的符合测量，通过特征 K X 射线能量得到了高质量的裂变碎片电荷鉴别结果，Z=39—62 范围内平均电荷分辨 ΔZ≈0.7，给出了裂变碎片的 K X 射线产额及动能随核电荷数分布，为裂变独立产额测量和裂变理论模型的检验提供重要的参考数据。

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绝热表象下非绝热分子动力学方法

孙震，吕项，李盛，安忠

物理学报, 2024, 73(14):140201.

doi: 10.7498/aps.73.20240401

基于SSH (Su-Schriffer-Heeger)哈密顿的非绝热分子动力学方法广泛应用于模拟有机共轭聚合物中光激发过程和极化子运动。目前，该方法中电子波函数的演化是在透热表象中进行的，本文对该方法进行扩展，让电子波函数的演化在绝热表象下进行，给出了详细的公式推导过程。分别利用新、旧方法模拟了一条共轭聚合物链中光激发动力学过程，两种方法得到的数值计算结果相符。新方法可以加深对非绝热分子动力学方法的理解，提供激发态弛豫过程中不同分子轨道之间非绝热耦合强度等重要信息。