博文

亮点文章 | 《物理学报》2024年第21期

已有 17 次阅读 2024-11-29 10:27 |系统分类:论文交流

640 (2).jpg

封面文章

基于退磁冷却的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚制备

谢轲，罗继红，姚星灿

物理学报, 2024, 73(21):216701

doi: 10.7498/aps.73.20241299

在磁性原子气体中，偶极弛豫过程将系统的自旋与动能自由度耦合，从而实现体系动能向塞曼能的转化。利用光泵浦过程，可以将偶极弛豫至高自旋态的原子重新泵浦回基态，实现持续的冷却循环，有效降低体系温度。由于单次冷却循环中移除的能量远大于散射光子能量，这种退磁冷却方案显著提升了冷却效率并减少了原子损失。本文通过建立结合偶极弛豫与光泵浦过程的态耦合方程，对镝原子的退磁冷却进行了理论建模与计算，研究了相关实验参数对冷却效率及冷却极限温度的影响，确定了实现镝原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验参数范围和技术指标要求。结果表明，在最优实验参数下，退磁冷却可以在亚秒时间内直接制备大原子数的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚，其冷却效率比传统蒸发冷却高一个数量级。

同行评价

论文分析了磁效应对镝原子冷却的影响，通过建立结合偶极弛豫与光泵浦过程的态耦合方程，对镝原子的冷却过程进行了理论建模与计算，分析了相关实验参数对冷却效率及冷却极限温度的影响，确定了实现镝原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验参数范围和技术指标要求。分析结果表明，在最优实验参数下，退磁冷却可以在亚秒时间内直接制备大原子数的镝原子玻色-爱因斯坦凝聚。结果对相关研究有很好的参考意义。

原文链接

PDF

编辑推荐

一维非互易声学晶体的非厄米趋肤态操控

黄泽鑫，圣宗强，程乐乐，曹三祝，陈华俊，吴宏伟

物理学报, 2024, 73(21):214301

doi: 10.7498/aps.73.20241087

近年来，基于非厄米拓扑理论，研究者们通过调制声学晶体中的非互易耦合，揭示了体态向界面塌陷的趋肤效应。本工作实验设计了具有不同绕组数域之间的拓扑趋肤界面，以操纵能量聚焦到非厄米一维声腔链的中间或两端。首先，通过电声耦合的方法实现了两个声学腔之间的非互易耦合，并研究其特性。其次，将非互易耦合腔扩展成链状，通过调制非互易电-声耦合来构建趋肤界面的位置。实验结果表明，对于不同的非互易耦合分布，声音可以集中在中间界面或两端界面，并且通过改变非互易耦合方向，可以将趋肤界面从中间切换到两端。本研究结果为设计控制声音传播的先进拓扑声学装置提供了一个新平台。

图4 (a) 实验设备图片，10个谐振腔通过交叉管和单向耦合器连接；(b) 声音集中在两端界面时的紧束缚模型示意图。第1—5个空腔之间非互易耦合为负，第5—10个空腔之间非互易耦合为正；(c) 时域信号传输的测量，其中结果分别在1，5，10腔中测量；(d) 声音集中在两端界面时的声场分布(结果被归一化)，声源频率为1532 Hz

同行评价

论文研究了非厄密趋肤效应对声波的调控作用，通过设计不同的非互易耦合阵列，可以实现声学局域在中间界面或者两端。非厄米趋肤效应是近年来非厄米物理领域研究的热点，其中在声学系统的实现受到大家的广泛关注。该论文的创新点为在实验中研究了不同缠绕数非厄米拓扑态界面上的声场局域性质，选题新颖。

原文链接

PDF

编辑推荐综述

机器学习在光电子能谱中的应用及展望

邓祥文，伍力源，赵锐，王嘉鸥，赵丽娜

物理学报, 2024, 73(21):210701

doi: 10.7498/aps.73.20240957

光电子能谱是一项在物质科学中被广泛应用的表征技术。尤其是角分辨光电子能谱 (ARPES)，可以直接给出材料体系内电子的能量-动量色散关系和费米面结构，是研究多体相互作用和关联量子材料的利器。随着先进ARPES如时间分辨ARPES，Nano-ARPES等技术的不断发展，以及同步辐射装置的更新换代，将会产生越来越多的高通量实验数据。因此，探索准确、高效、同时能挖掘深层物理信息的数据处理方法变得愈发迫切。由于机器学习天然具有的自动化处理复杂高维数据能力，推动了包括ARPES在内的诸多领域的变革和技术创新。本文综述了机器学习在光电子能谱中的应用，包括对光谱数据进行降噪、进行电子结构分析、化学组成分析、以及结合理论计算获得的电子结构信息进行光谱预测。进一步，展望了更多机器学习算法在光电子能谱中的应用，最终有望形成更加自动化的数据采集、预处理系统以及数据分析的工作流，推动光电子能谱技术的发展，从而推进量子材料和凝聚态物理前沿研究。

同行评价

作者针对光电子能谱方法（尤其是角分辨光电子能谱）在凝聚态物理前沿研究中面临的实验指标提高和光源技术发展带来的实验数据量增大对技术提出的挑战，将机器学习有效解决上述问题中的进展和未来趋势进行了综述性的分析。文献调研比较系统，分析内容详实，所述问题方面属于该实验方法前沿问题，对于建设自动化/智能化光电子能谱系统具有比较重要的参考意义。

原文链接

PDF

编辑推荐综述

光电压瞬态技术：实时分析膜界面动态过程的新手段

窦玉江，李文文，魏裕双，杨恺，元冰

物理学报, 2024, 73(21):218701

doi: 10.7498/aps.73.20241093

活性分子与细胞膜之间的相互作用在许多基本的生物过程中扮演着至关重要的角色，然而如何实现对此界面动力学过程的原位、实时、无标记且无侵入监测仍是生物物理研究领域所面临的一大挑战。我们与合作者开发的光电压瞬态技术，为解决这一问题提供了一种新途径。该技术利用硅片光电响应生成电荷，并将磷脂膜的充放电过程记录为电压瞬态脉冲、建立了该充放电过程与界面瞬时结构和性质之间的关联性。因此，通过对随时间演化的电压脉冲进行分析，可以揭示活性分子作用下膜结构实时动态变化情况，尤其是不同作用状态之间转换的时间信息，可作为传统技术的有益补充。同时，该技术设备搭建成本低廉，操作方便，无需复杂的数据处理过程。本综述概述了光电压瞬态技术的工作原理、设备搭建以及数据处理方法，并以经典细胞膜模型——磷脂双层膜为例，总结了该技术在探索磷脂膜水合特性及其与活性分子(如表面活性剂、聚合物、多肽和纳米颗粒)相互作用机制方面取得的最新进展。最后就该技术优缺点进行讨论并展望未来发展前景。

同行评价

本文对光电压瞬态技术的工作原理、设备搭建以及数据处理方法进行了较为详细的综述和讨论，并以磷脂双层膜与多种典型活性分子的相互作用为例，对该方法的应用进行了介绍，最后还对该技术的优缺点进行了一些讨论，并对该技术未来的发展进行了展望。这是一篇很好的综述文章，具有较好的时效性和研究前沿性，对于该技术在国内相关领域的推广和应用具有一定的借鉴意义和参考价值。

原文链接

PDF

编辑推荐综述

心律失常的多尺度建模、计算与动力学理论进展综述

黄晓东，贺彬烜，宋震，弭元元，屈支林，胡岗

物理学报, 2024, 73(21):218702

doi: 10.7498/aps.73.20240977

心律失常是当前生物物理交叉学科中发展得比较成熟的一个分支，在实验和理论方面均取得了丰硕的成果。近年来，随着实验数据的积累，人们在多个尺度上发现了更丰富多样的心律失常诱因，这对物理学的研究提出了新的需求和挑战。因此，心肌系统的多尺度建模、计算和动力学分析是心律失常领域进一步发展的关键。本文旨在对这个课题进行一个阶段性的回顾，扼要介绍心肌多尺度建模的基本理念和方法，并以尺度为脉络，介绍近年来在心律失常机制理论方面取得的若干重要成果。现有成果表明，非线性动力学、斑图动力学和统计物理对心律失常的基本认识和理论的发展具有重要的意义。未来的研究应在拓展模型尺度(向更微观和宏观方向拓展模型)，解决心律失常基础动力学问题(如非均匀系统的稳定性、斑图的相变理论)，以及解决更复杂而基本的生理医学问题(如心率变异、人群心律失常发生概率风险的评估)等方面继续深入探索。

图3 心肌系统的多尺度结构(蓝色箭头指示尺度增大方向) (a) 单个CRU的结构；(b) 几万个CRU构成的钙释放网络，红线框中是单个CRU；(c) 单细胞的结构，蓝灰色SR是CRU网络的整体示意，绿色箭头指示内钙离子循环路线；(d) 多个细胞连接成的一片心肌组织；(e) 心肌细胞在三维空间排布成全心室组织

同行评价

本文回顾了心肌多尺度建模的基本理念和方法，介绍了近年来在心律失常机制理论方面的重要成果，并对未来的研究方向进行了展望。本文内容丰富详实，有助于生物物理实验方面的专家接触更丰富的物理理论，也有助于理论物理研究者面向更实际的心肌激发传导实验问题。

原文链接

PDF

编辑推荐

含噪声的三体量子非局域共享的持久性

赵林阳，贺衎，张艳芳

物理学报, 2024, 73(21):210301

doi: 10.7498/aps.73.20241150

量子非局域共享问题是量子通信中的一类基本问题。目前通过违反Mermin不等式和NS不等式证明了有无限个独立的Charlies可以与一对Alice和Bob共享标准三体量子非局域性和真正无信号非局域性。然而，上述结论是在理想状态下得出的，在实际操作过程中不可避免地会受到各种噪声的影响，这些因素都可能导致量子非局域性的减弱甚至消失。本文主要针对含有噪声的三体量子共享非局域性的持久性问题进行一系列分析。证明了即使在噪声环境下，单个Alice和Bob仍然可以与任意多个Charlies共享标准三体量子非局域性的充分条件。此外还给出了在非理想状态下，任意多个独立的Charlies与一对Alice和Bob 共享真正无信号非局域性的充分条件。结果表明，即使在非理想的条件下，只要噪声参数满足相应的条件，标准三体量子非局域性和真正无信号量子非局域性仍然可以在多方之间安全地共享，这可以为实际量子通信过程提供有价值的参考。

图1 共享三体量子非局域场景

同行评价

论文讨论的主题“量子非局域共享的持久性”是量子信息论中基础而重要的科学问题，该研究有望为未来的量子信息处理提供理论支撑。

原文链接

PDF

编辑推荐

电子注入层迁移率对Rubrene/C₆₀基发光二极管半带隙开启电压的调控

彭腾，王辉耀，赵茜，刘俊宏，汪波，王晶晶，周银琼，张可怡，杨俊，熊祖洪

物理学报, 2024, 73(21):217202

doi: 10.7498/aps.73.20240864

半带隙开启特性是有机发光二极管独有的一种光电属性，但电子注入层(electron injection layer，EIL)如何影响半带隙开启的研究还未见报道。本文选取电子迁移率按数量级依次降低的EIL材料制备了三组控制器件，发现随EIL电子迁移率的依次降低，器件的开启电压分别呈现出半带隙(half-band-gap)开启、亚带隙(sub-band-gap)开启和正常开启的物理现象。器件发光的特征磁效应(magneto-electroluminescence，MEL)结果显示：EIL电子迁移率高的器件实现半带隙开启主要归因于三重态-三重态湮灭(triplet-triplet annihilation，TTA，T_1,Rb + T_1,Rb → S_1,Rb + S₀)过程有效降低了器件的开启电压(1.1 V)。但在EIL电子迁移率较低的器件中，为注入更多电子需要在低电子迁移率的EIL上施加更高的电压，从而抵消了TTA过程降低的开启电压，因此随着EIL电子迁移率依次降低其开启电压表现为亚带隙开启(2.1 V)和正常开启(4.1 V)。此外，高EIL电子迁移率的器件中TTA更强，亮度更高。这是由于器件中形成了更多数量的三重激基复合物EX₃态并通过Dexter能量传递过程形成T_1,Rb。本工作进一步加深了对Rubrene/C₆₀型器件中电子迁移率对开启电压影响的理解以及相关物理微观机制的认识。

图1 (a) 器件1—3的能级结构示意图；(b) 器件1—3的归一化EL谱；(c)，(d) 室温下器件1—3的亮度-电压特性曲线和电流-电压特性曲线

同行评价

本文研究了不同电子传输层材料对Rubrene/C₆₀基OLED半带隙开启电压的影响，认为迁移率是引起开启电压的关键，通过变温实验研究了器件的IV特性和MEL特性，并对相关的微观物理机制进行了解释，为研制低电压OLED器件提供了参考。

原文链接

PDF

编辑推荐

用于深层组织分子成像的小型化光声/超声内窥成像探头

张嘉禧，李凌峰，钟洪文，肖嘉莹

物理学报, 2024, 73(21):214203

doi: 10.7498/aps.73.20241076

结直肠癌是全球癌症死亡的主要原因之一，常用的光学或超声消化道内镜仍然存在穿透深度低、对比度差、功能/分子成像能力不足等问题。本文介绍了一种小型化的手持式光声/超声双模态内窥探头，旨在克服现有技术在穿透深度和分子成像能力方面的限制。实验结果表明，该探头在组织12 mm深度下分别达到了345 μm的光声横向分辨率和185 μm的超声横向分辨率，并具有良好的对复杂结构目标成像的能力。本文还利用泵浦探测技术排除了血液背景的干扰，实现了肿瘤深层组织内亚甲基蓝分子的高特异性成像。这种小型化手持式光声/超声双模态内窥探头兼具大成像深度、高空间分辨和高特异性分子成像的特点，有望成为结直肠癌等消化道肿瘤诊断的重要工具，为早期诊断和治疗监测提供强有力的支持。

同行评价

本文针对结直肠癌症等重大消化系统疾病，开发了一套“光声/超声内窥成像探头”，能够补偿目前临床已有技术产品在分辨率及穿透深度上的不足，具有较大的研究意义和价值。

原文链接

PDF

编辑推荐

设计制备具有优异形成能力和磁热效应的GdHoErCoNiAl高熵非晶合金

王壮，金凡，李伟，阮嘉艺，王龙飞，吴雪莲，张义坤，袁晨晨

物理学报, 2024, 73(21):217101

doi: 10.7498/aps.73.20241132

通过对Gd，Ho和Er进行元素替换，成功设计制备出临界尺寸为2 mm的Gd_20+2xHo_20–xEr_20–xCo₂₀Ni₁₀Al₁₀ (x = 0，5，10) 块体高熵非晶合金体系，系统研究了稀土元素种类和含量对高熵非晶合金的微观结构、热力学性能和磁热性能的影响及调控机理。研究结果表明，随着Ho和Er逐步被Gd取代，体系的热稳定性略有下降，其中，玻璃转变温度T_g和初始晶化温度T_x逐渐降低。与此同时，液相线温度T_l升高，导致玻璃形成能力的热力学判据，如约化玻璃转变温度T_rg，γ和γ_m降低。X射线和高分辨透射电子显微镜的结果分析表明，随着Gd含量的增大，体系的有序度减小，有利于非晶相的生成。另一方面，随着Gd元素的加入，磁热性能参量如居里温度T_c、峰值磁熵变()和相对制冷能力(relative cooling power，RCP)均逐渐升高，其中Gd₄₀Ho₁₀Er₁₀CoNiAl的和RCP最大，分别为8.31 J/(kg·K)和740.82 J/kg。研究结果表明，稀土基高熵非晶合金体系的磁热效应包括RCP，T_c和主要依赖于de Gennes因子，与材料内部的有效磁矩并无直接关系，而热力学性能主要受到4f电子引起的f-d杂化效应影响，随着4f电子数的增加非晶合金体系的热稳定逐步增加。综上所述，我们可以借助稀土元素替换进行成分优选，通过调控4f电子数获得具有较高热稳定性且T_c可调的稀土基非晶合金磁热材料。