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基于多物理场耦合下固态电池死锂的相场法研究

包文彬，龚国庆

物理学报, 2025, 74(24):240201

doi：10.7498/aps.74.20251073

cstr：32037.14.aps.74.20251073

固态电池凭借能量密度大，安全系数高等优势，近年来逐渐成为人们关注和研究的焦点。锂枝晶是影响电池安全性和使用寿命的关键因素，严重时会发生电池短路的情况。相较于液态电池，固态电池依赖于机械强度更高的固态电解质，能有效地抑制锂枝晶的生长，然而随着充放电循环次数的增加，由于锂枝晶未完全溶解而产生的死锂逐渐累积，电池的性能逐渐降低。本文针对固态电池中的死锂问题，采用相场法模拟了力-热-电化学三种物理场耦合下的锂枝晶溶解和死锂产生过程。结果显示，当在相场模型中耦合入传热模型或者力学场后，枝晶溶解截止时间和死锂面积都会发生变化。同时，在此基础上升高温度或是施加低外压、高外压时，死锂面积都会降低。而对于改变电化学参数，减小扩散系数、增大界面迁移率以及减小各向异性强度都能有效地减少死锂面积。

图3 耦合传热模型的锂枝晶溶解情况   (a) 锂枝晶形貌变化；(b) von Mises应力 (单位：MPa)

同行评价

论文提出了一个力-热-电化学多物理场耦合的相场模型，系统探讨了温度场、力学场和电化学参数对死锂形貌的影响，用于模拟固态电池中锂枝晶溶解和死锂形成过程。本项工作在方法上具有创新性，对固态电池失效机制的理解有一定贡献。

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具有转动惯性的活性粒子在周期交流场下的集体行为

李婷，李佳健，艾保全

物理学报, 2025, 74(24):240501

doi：10.7498/aps.74.20251142

cstr：32037.14.aps.74.20251142

在活性物质系统中，外部驱动场(如电场、磁场或光场)常被用于调控粒子的运动行为与集体状态。惯性效应在粒子动力学中扮演关键角色，它使粒子对场的响应出现延迟，从而诱发复杂的集体行为。然而，具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的动力学行为尚不明确。本文通过数值模拟系统研究具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的集体行为。结果表明，改变外场频率可诱导系统出现一系列集体运动状态，包括极性有序、向列有序以及交叉流动带等结构。粒子的自推进速度与相互作用强度对系统状态转变的影响较弱。本研究揭示了周期交流场在调控惯性活性粒子系统集体行为中的关键作用，为进一步理解非平衡系统中驱动场与粒子动力学之间的耦合机制提供了新的见解。

图1 周期交流场驱动惯性活性粒子在周期边界中运动粒子快照图  (a) ω = 0.01；(b) ω = 10；(c) ω = 13；(d) ω = 14；(e) ω = 15；(f) ω = 16；(g) ω = 33；(h) ω = 46；(i) ω = 50； 其他参数设置为：I = 3000，ε = 1.0，D_r = 0.01和v₀ = 1.0。其中，用粒子填充颜色区分粒子在竖直方向的运动方向，黑色表示v_y > 0，绿色表示v_y < 0，红色箭头表示粒子运动方向

同行评价

本文研究了具有转动惯性但无平动惯性的自驱动粒子，在周期性交流扭矩作用下的群体行为。发现不同频率的外场会诱导出极性有序、向列有序、交叉流动等新奇结构，导致现象产生的内在机制是交频时间尺度和转动惯性时间尺度的比值。该论文关注的转动惯性效应具有新颖性。

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低能Ar²⁺-Ar/N₂碰撞中的态分辨电子俘获研究

崔述成，邢大地，朱小龙，赵冬梅，郭大龙，高永，张少锋，董晨钟，马新文

物理学报, 2025, 74(24):240702

doi：10.7498/aps.74.20251146

cstr：32037.14.aps.74.20251146

采用反应显微成像谱仪研究了炮弹能量40 keV条件下Ar²⁺离子与Ar和N₂气体碰撞体系的单电子俘获和双电子俘获动力学过程。通过高精度动量成像技术，实验成功测定了Ar²⁺-Ar和Ar²⁺-N₂碰撞体系中态分辨的单电子和双电子俘获截面，并获取了炮弹离子的散射角分布。实验数据分析表明：在单电子俘获过程中，Ar²⁺与Ar原子作用时，电子主要被俘获至炮弹3s3p⁶激发态；而与N₂分子相互作用时，电子优先占据3s²3p⁵态。值得注意的是，Ar原子体系的单电子俘获截面分布与分子库仑过垒模型预测的反应窗口呈现良好的一致性。在双电子俘获过程中，无论靶介质为Ar原子还是N₂分子，双电子俘获均以基态(3s²3p⁶)占据主导地位。此外，还对Ar²⁺-Ar/N₂的单、双俘获过程的散射角分布进行了分析和定性解释。

图1 40 keV 能量下 Ar²⁺-Ar 碰撞中电子俘获过程的Q值分布   (a) 单电子俘获；(b) 双电子俘获

同行评价

作者利用高精度的反应成像谱仪技术对40 keV Ar²⁺离子与Ar和N₂的单电子、双电子俘获过程进行了实验研究和理论分析，对俘获截面和入射离子的微分散射角的测量给出了定性解释。

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重子非轻子衰变的协变手征有效场论研究

张为，杨继锋

物理学报, 2025, 74(24):241301

doi：10.7498/aps.74.20250639

cstr：32037.14.aps.74.20250639

重子非轻子衰变研究中一个悬而未决的问题是描述该类衰变的s波振幅与p波振幅的理论值不能同时与实验值很好地符合。与以往的文献相比，本文将采用协变的手征有效理论框架，在扩展极小减除方案下计算该类衰变的s波、p波振幅的一圈图修正。为与实验数据相比，分别采用s波拟合和p波拟合两种途径获得协变理论预言值。采用s波拟合得到s波协变振幅理论预言值略逊于重重子框架下的理论预言值，但是由此得到p波协变振幅理论预言值较重重子框架下的理论预言值有较多改善；采用p波拟合得到p波协变振幅理论预言值贴近实验值，重重子框架下的理论预言值与实验值相差较大，由此得到s波协变振幅理论预言值与实验值有明显差距，但重重子框架下的理论预言值与实验值差距更大。由此可见，协变框架下一圈图完整计算中，s波振幅与p波振幅间的理论矛盾依然存在，但是两者之间矛盾程度与重重子相比得到部分缓解。

图6 协变 与重重子结果的对比

同行评价

文章利用手征有效场论方法，对超子的两体非轻衰变过程进行了理论计算，基于所谓的扩展极小减除方案，考虑了协变框架下的包含K介子和π介子在内的相关单圈图贡献，并与重重子手征方案的结果进行了简单对比。本文工作从一定程度上推进了超子的两体非轻衰变的理论研究。

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射频容性耦合等离子体中下极板凹槽对尘埃颗粒集体行为的影响

邓锐，黄渝峰，张逸凡，张莹莹，宋远红

物理学报, 2025, 74(24):245202

doi：10.7498/aps.74.20251047

cstr：32037.14.aps.74.20251047

在射频容性耦合尘埃等离子体放电中，下极板凹槽通过影响鞘层里的电势分布，进而对尘埃颗粒的集体行为产生显著影响。实验中通过在腔室内撒入微米级直径的尘埃颗粒，观察到其在下电极凹槽势阱上方分层出现，整体呈“碗状”云分布。尘埃云的体积大小随射频功率和放电气压的变化而变化。尘埃空洞在每层尘埃颗粒的中心出现，其直径大小和变化受尘埃颗粒数量、射频功率和放电气压影响。此外，基于流体模型和尘埃粒子模型建立混合模型，模拟发现尘埃颗粒的集体行为主要由其所受的轴向合力(考虑轴向电场力、离子拖拽力和重力)和径向合力(考虑径向电场力和离子拖拽力)决定。实验发现，通过在射频电极施加负直流偏压，尘埃颗粒悬浮高度先增大后减小，悬浮高度的变化能够较直观地反映等离子体放电从α-γ模式的转变。

图7 (a) 射频功率10 W和15 W时，空洞直径和尘埃云外径随气压的变化；(b) A，B，C三点处的尘埃颗粒所受径向电场(E_r)和径向离子通量随气压的变化。凹槽直径为20 mm，尘埃云由几百个粒子组成

同行评价

文章研究了极板凹槽在射频容性耦合等离子体中对尘埃颗粒集体行为的影响，结合实验和基于模拟的方法，为尘埃颗粒行为的驱动机制提供了有价值的见解，包括尘埃空洞的形成以及射频功率和放电气压的影响。实验装置设计合理，测量结果清晰，研究结果符合物理预期，凸显了尘埃等离子体在微电子工业中的应用价值。

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《物理学报》2025年第24期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2025/24