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亮点文章《物理学报》2025年第5期

已有 260 次阅读 2025-4-11 17:07 |系统分类:论文交流

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0.1 mHz—1 Hz频段超低噪声光电探测器实验研究

尚鑫，李番，马正磊，黄天时，党昊，李卫，尹王保，田龙，陈力荣，郑耀辉

物理学报, 2025, 74(5):059501

doi：10.7498/aps.74.20241635

cstr：32037.14.aps.74.20241635

针对空间引力波探测中抑制0.1 mHz—1 Hz频段激光强度噪声需求，基于光电二极管在光伏模式下具有低暗电流的特点，采用零偏置电压方案，结合零失调电压漂移的集成运放及低温漂金属箔电阻组成跨阻放大电路，优化跨阻电容以及跟随电路; 进一步通过主动温控对光电二极管控温来稳定光电二极管响应度，研发出在0.1 mHz—1 Hz频段内超低电子学噪声的光电探测器。利用自研的强度噪声评估系统对其噪声进行时域及频域全面评估测试，实验结果表明：所研发探测器的电子学噪声谱密度达到2×10^–6 V/Hz^1/2@0.1 mHz—1 Hz，探测器增益能够达到 35 kV/W @1064 nm。该探测器噪声性能比空间引力波探测中对激光强度噪声(1×10^–4 V/Hz^1/2)的要求小两个数量级，为高增益光电反馈控制以及空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件及技术支撑。

图1 0.1 mHz—1 Hz频段低噪声探测器原理图

同行评价

本文针对空间引力波探测需求，研制出一款超低电子学噪声的光电探测器，并进行了全面评估与测试，设计方案及其实现方法具有创新性和实用性，其实验结果也充分验证了该方案的有效性，文章成果具有很高的学术价值。

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用于射频传输线制备的YBCO薄膜工艺开发与特性研究

田清文，原蒲升，余慧勤，汪书娜，刘晓宇，李凌云，尤立星

物理学报, 2025, 74(5):057401

doi：10.7498/aps.74.20241583

cstr：32037.14.aps.74.20241583

本文介绍了一种由超导带材机械冷剥离薄膜制备共面波导柔性传输线的工艺方法。剥离加工后的YBCO薄膜超导转变温度宽度为0.79 K，相较于原带材的转变宽度升高了0.3 K，在77 K，0 T下临界电流密度为7.7×10⁵ A/cm²，具有带材75%以上的临界电流密度。将剥离的YBCO薄膜制成长12 cm、宽1 cm PI-YBCO-PI三层结构的传输线，测得40—4.2 K的漏热值为0.238 mW。在1 cm宽的YBCO薄膜上制备5条信号通道，仿真得相邻信号通道间的串扰小于–40 dB，每条通道在9 GHz处的插损小于–2 dB，每条信号通道的漏热值为47.6 μW。

图1 (a)带材整体结构示意图；(b)，(c) YBCO薄膜剥离步骤

同行评价

超导带材机械冷剥离薄膜制备技术对于扩大超导薄膜的应用范围十分重要。而剥离后超导带材性能的机械损伤导致超导性能的降低不可避免。本文的研究成果有助于超导带材更多的应用。

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碳纳米管场效应晶体管的X射线辐照效应

曾天祥，李济芳，郭红霞，马武英，雷志锋，钟向丽，张鸿，王颂文

物理学报, 2025, 74(5):058501

doi：10.7498/aps.74.20241670

cstr：32037.14.aps.74.20241670

本文针对N型和P型碳纳米管场效应晶体管(carbon nanotube field-effect transistor，CNTFET)开展了10 keV-X射线的总剂量效应研究。结果表明，不同类型的晶体管在辐照后均出现阈值电压漂移、跨导下降、亚阈值摆幅上升和饱和电流下降的现象; 辐照过程中，施加浮空偏置的N型器件较开态偏置损伤更严重，而施加开态偏置的P型器件较浮空偏置损伤更严重; N型器件辐照后回滞宽度减小且随着沟道尺寸的增大总剂量损伤愈发严重。辐照过程中产生的陷阱电荷是造成器件参数退化的主要原因; 不同类型器件在辐照过程中施加的栅极偏置会影响栅极介质层中陷阱对电子或空穴的捕获，从而使器件呈现不同的辐射损伤特征; 辐照后N型器件回滞宽度减小可能是因为辐照产生的带负电陷阱电荷阻碍了水分子、OH基团和栅极介质层中陷阱对电子的捕获; 此外，晶体管的沟道尺寸也会影响辐射响应，尺寸越大，辐照过程中栅极介质层中和界面处产生陷阱电荷越多，导致晶体管损伤更为严重。

图2 辐照前后N型器件的电学曲线 (a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线

同行评价

文章研究探讨了N型和P型碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）在10 keV-X射线辐照下的总剂量效应，旨在揭示辐照对两种器件电学特性的影响。研究为进一步理解碳基集成电路在辐射环境中的可靠性提供了理论支持，并为未来的辐射加固设计提供了重要参考。整体而言，该研究为CNTFET在空间电子应用中的潜在应用提供了重要的实验数据和理论依据。

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微波谐振腔中磁双层的零阻尼效应

尹凡，戴昌杰，张影，于海林，肖杨

物理学报, 2025, 74(5):057601

doi：10.7498/aps.74.20241730

cstr：32037.14.aps.74.20241730

实验和理论研究表明单个磁子模式与谐振腔光子能够形成相干型与耗散型耦合，这两个耦合通道的干涉会产生零阻尼效应。本工作将零阻尼效应拓展到两个磁子模式，研究了微波谐振腔中磁双层的零阻尼效应。基于本征频率和微波透射谱，推导了两个磁子模式的零阻尼产生条件以及频率失谐的表达式，并与数值计算的微波透射谱进行比较，获得了零阻尼与系统参数之间的关系。此外，本文也分析了磁双层中界面交换耦合引起的磁子-磁子直接耦合带来的影响。由于零阻尼对应的微波透射谱的线宽非常窄，因而本工作对于设计基于磁子零阻尼效应的量子传感器件具有重要意义。

图1 微波谐振腔(灰色长圆柱)与两个磁性层(棕色与蓝色圆盘)的器件模型 (a) 微波从外部源入射到谐振腔的左端口，一部分反射，另一部分进入腔内并形成驻波(黑色振荡曲线)，然后从右端口出射，两个磁性层放在谐振腔的不同位置，在外磁场下形成两个磁子模式，这两个磁子模式通过相干型或耗散型耦合机制同时与谐振腔光子耦合，从而在两个磁子模式之间形成间接的耦合作用(绿色虚线圆)；(b)不同于(a)，两个磁性层放在一起，除了谐振腔辅助的间接耦合作用(绿色虚线圆)之外，两个磁子模式也通过界面交换耦合形成直接耦合作用(黄色实线圆)

同行评价

文章通过理论计算的手段，研究了微波谐振腔中磁双层的两个磁子模式与光子的耦合作用，特别关注零阻尼效应。相较于前人的工作，本文考虑了一种特殊的构型，即双层磁性材料，如此一来体系具备了两个磁子模式，且磁子模式之间除了偶极相互作用带来的间接耦合外还存在直接交换相互作用。作者通过经典的输入输出理论对该系统进行计算，并得出了若干有意思的结果，这对于设计高灵敏度的基于磁子的量子传感器件具有重要的科学意义。

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中国首台准环对称仿星器中线圈形变对磁拓扑结构的影响

李丹，刘海峰

物理学报, 2025, 74(5):055203

doi：10.7498/aps.74.20241606

cstr：32037.14.aps.74.20241606

仿星器线圈的构形形变在制造和装配过程中是不可避免的，这些形变会导致误差场的产生，仿星器的磁场位形对误差场非常敏感，严重制约等离子体的约束性能。因此，评估线圈形变对仿星器磁拓扑结构的影响是非常重要的研究课题。本文研究了中国首台准环对称仿星器(CFQS)上非平面模块化线圈(MC)形变对真空场下磁拓扑结构的影响。利用磁岛宽度变化来衡量线圈形变造成的误差场，采用3种旋转变换(ι = 2/4，2/5和2/6)的磁岛位形，分别考虑了每个模块化线圈的面内扰动和面外扰动。结果表明，同一线圈的形变会产生不同的共振误差场，且这些误差场的幅度各不相同; 共振误差场对每个线圈形变的敏感度不同，最复杂线圈的面内扰动可能对磁拓扑结构的影响并不明显; 共振误差场对线圈面外扰动的灵敏度高于面内扰动的灵敏度。

图9 在n/m = 2/4 (a)，2/5 (b)和2/6 (c)岛链中，误差场振幅与MC线圈最大形变量的关系。每个MC线圈的形变扰动均未受到载流面的限制

同行评价

仿星器与托卡马克一样，是物理稳定性和拓扑稳定性都很好的环形磁约束装置，很可能是未来聚变堆磁约束位形的主要技术路线之一。仿星器研究在国际上逐渐引起新的重视，在国内也刚刚起步。文章基于准环对称仿星器的基本原理，研究仿星器线圈形变对磁拓扑结构的影响，对仿星器设计和运行有重要的意义。

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铀铌合金神经网络势函数构建及其低温时效性质的分子动力学

苏锐，李庆安，管鹏飞

物理学报, 2025, 74(5):056102

doi：10.7498/aps.74.20241084

cstr：32037.14.aps.74.20241084

铀铌合金在不同实验环境中呈现出复杂的晶体相和独特的力学性能，但原子尺度的相析出和形变损伤机制尚不清楚，其根本原因是缺乏支撑大尺度分子动力学模拟的精确铀铌合金原子相互作用势。本工作基于自主开发的神经网络势能函数及随机搜索方法，构建了覆盖全化学空间的铀铌合金第一性原理计算数据库，并基于神经网络框架建立了具有较高泛化性能和精度的铀铌二元体系机器学习势函数，其能量和力的测试平均绝对误差分别为5.6 meV/atom和0.095 eV/Å，可以精确地描述不同化学成分铀铌合金的晶体空间结构、状态方程及热力学参量。基于该势函数，我们实现了低温时效下铀铌合金相失稳分解过程的原子尺度模拟，初步阐明了Nb析出相对其合金力学性能的影响及原子响应机制。

图1 铀铌合金α 相与γ 相的相对热力学稳定性。实线为三次多项式拟合结果

同行评价

文章利用作者自主开发的神经网络势能函数及随机搜索方法，构建了覆盖全化学空间的铀铌合金第一性原理计算数据库，并基于神经网络的方法得到了精度较高，且泛化能力较强的机器学习势函数。利用该势函数，可以较为精确地描述不同化学组成的铀铌合金结构。文章为利用机器学习新方法去数值模拟合金相失稳分解过程提供了一种全新的方法和思路。

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s夸克物质的边界效应和K介子自相似结构对夸克胶子等离子体-强子相变的影响

戴婷婷，程鸾，丁慧强，张卫宁，王恩科

物理学报, 2025, 74(5):052501

doi：10.7498/aps.74.20241640

cstr：32037.14.aps.74.20241640

聚焦于小尺度s夸克物质的边界效应和强子气体中强子的自相似结构对夸克胶子等离子体 (QGP)-强子相相变的影响，采用多级反射展开方法研究了包含s夸克的QGP热滴的边界效应。通过计算发现在边界效应的影响下，小尺度s夸克物质相较于热力学极限条件下具有更低的能量密度、熵密度和压强。在强子相中，K介子在集体流、量子关联和强相互作用的影响下，与相邻π介子形成两体自相似结构。通过两体分形模型对K介子的自相似结构影响计算得出，K介子的自相似结构存在于碰撞系统中，导致K介子的能量密度、熵密度和压强增大。本研究预测在低能碰撞HIAF能区，K介子的自相似结构影响因子q₁ = 1.042。考虑边界效应和K，π介子的自相似结构对相变的影响，计算发现s夸克物质在边界效应与自相似结构的影响下相变温度均有所升高。若s夸克物质的边界弯曲程度较大，则相变温度的升幅相较于自相似结构的影响更明显。

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图1 不同情况下的相图结果：(1) QGP相处于热力学极限(TL)，强子气体(HG)为理想气体(IHG)；(2)QGP相处于热力学极限(TL)，强子气体受自相似结构影响；(3)—(5) QGP热滴半径分别为r = 1，1.5，6 fm，受边界效应(BE)影响，强子气体为理想气体；(6) QGP热滴半径为r = 1 fm受边界效应影响，强子气体受自相似结构影响。同时也列出了泛函重整化群(fRG)方法，Dyson-Schwinger方程模型和格点QCD在有限化学势区域的相图结果，以便比较

同行评价

高温高密核物质性质一直是相对论重离子碰撞前沿课题。论文研究了含s夸克物质的边界效应和K介子自相似结构对QGP-强子相变的影响，并与相邻pion介子形成自相似结构对比，研究结果对于描述QGP-强子相变结构具有重要意义。

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共格析出强化的超高强度马氏体时效不锈钢组织和力学性能

杨宇贤，王镇华，王清，唐才宇，万鹏，曹达华，董闯

物理学报, 2025, 74(5):058101

doi：10.7498/aps.74.20241483

cstr：32037.14.aps.74.20241483

超高强度马氏体时效不锈钢同时拥有优异的强度及易加工等良好性能，广泛应用于如飞机起落架等关键承载部件中。然而，由于析出的纳米粒子通常与体心立方(BCC)马氏体基体呈半共格或非共格关系，传统马氏体时效不锈钢在追求超高强度的同时依然面临材料强韧性制衡这一难题。本工作通过团簇式设计方法设计了一种新型共格析出强化的超高强度马氏体时效不锈钢(Fe-7.95Cr-13.47Ni-3.10Al-1.83Mo-0.03C-0.23Nb，数字为各元素的质量百分含量)。实验结果表明，该冷轧态不锈钢时效后马氏体组织晶粒破碎、拉长，同时BCC马氏体基体中存在高密度位错(~1.8 × 10^–3 nm^–2)和大量的共格析出的B2-NiAl纳米粒子(< 5 nm)。力学性能方面，该不锈钢在时效过程后表现出明显的时效硬化，峰值时效硬度达到651 HV。并且该不锈钢不仅具有极高的屈服强度(σ_YS = 2.3 GPa)，而且具有良好的断后延伸率(El = 3.6%)，表明实现了良好的强塑性匹配。最后，对该不锈钢的超高强度来源进行深入讨论，发现该不锈钢的超高强度来自于各不同微观结构的强化作用。本工作为进一步设计开发出高性能超高强度马氏体时效不锈钢提供了有价值的参考。

图1 12 h时效后CRA合金的微观结构合金冷轧+时效态(CRA)的EBSD反极图(IPF)和相分布图(a)，(b)；CRA合金TEM明场、暗场像及其对应的SAED花样(c)，(d)；CRA合金HRTEM图像及其对应的FTT图像(e)，(e1)，(e2)以及衍射环图像(f)

同行评价

本文采用团簇成分式设计得到了一种单相 BCC结构板条马氏体时效不锈钢，进行了冷轧和时效处理，发现经过冷轧后合金板条马氏体组织晶粒发生破碎和拉长，在 500 ℃的时效过程中表现出明显的时效硬化，得到很高的硬度和屈服强度，且高硬度和高强度不随时效时间的加长明显下降。对合金进行三点弯曲试验表明，在冷轧+时效的超高强度工艺下合金具有较高的极限弯曲角度。马氏体基体的高强度和共格 B2 纳米粒子析出强化对冷轧热处理合金的屈服强度的提高起主导作用。论文对板条马氏体时效不锈钢的强韧化提出了新思路和新见解，具有重要的科学意义。

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基于主被动分解法的微纳激光混沌系统的复用同步实现

穆鹏华，王译乔，贺鹏飞，徐源

物理学报, 2025, 74(5):054203

doi：10.7498/aps.74.20241659

cstr：32037.14.aps.74.20241659

纳米激光器(NL)是实现光集成的重要光学元件，近年来成为研究热点之一。然而，对于NL在混沌同步方向上的研究仍较为稀少。本文提出一种基于NL的双路激光混沌复用系统，并详细研究了其同步性能。研究中还创新性地引入了主被动分解法，通过主动和被动信号的分解实现高效的信号处理和复用。具体而言，通过建立速率方程模型，探究了NL两个关键参数(Purcell因子F、自发辐射耦合因子β)、系统参数、单参数失配以及多参数同时失配对同步性能的影响。结果表明，通过合理选择系统的参数配置，两主激光器可以在较大的参数范围内保持较低的相关性，同时确保主从激光器间保持高品质的混沌同步，满足混沌复用系统的条件。此外，单参数失配对主激光器间同步性的影响具有差异性，但对配对激光器的同步性影响较小; 多参数失配时，系统仍能在广泛的参数失配范围内满足两主激光器混沌输出的“伪正交性”要求。本文结果不仅验证了所提系统的可行性，还充分体现了主动被动分解法在推动NL混沌同步研究中的重要价值，为该领域的发展提供了新思路。

图1 基于纳米激光器的双路激光混沌复用系统结构图

同行评价

本文讨论了纳米激光器（NL）在混沌同步方向上的研究，提出了基于NL的双路激光混沌复用系统，并引入主被动分解法（APD）进行了混沌复用同步研究。系统分析了参数对混沌同步的影响，研究了单个参数及多参数失配对系统同步性能的影响。结果表明，相较于传统激光器，该系统能够在更广泛的参数范围内满足两个主激光器混沌输出的“伪正交性”的要求。本文提出的双路激光混沌复用系统具有一定的创新性，为混沌通信系统提供了新的研究思路。

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微波-声子与光-磁纠缠态的产生

徐明慧，刘晓敏，史佳佳，张冲，张静，杨荣国，郜江瑞

物理学报, 2025, 74(5):054202

doi：10.7498/aps.74.20241664

cstr：32037.14.aps.74.20241664

量子纠缠是量子计算和量子通信网络的核心资源。本文提出了一种在腔光磁力系统中同时获得微波-声子和光-磁纠缠的理论模型。该模型基于磁振子的混合量子系统，注入由超导电光装置产生的光-微波纠缠光束作为内腔场，并且用蓝失谐微波场激发磁振子模式产生磁振子-声子纠缠。通过光力分束器及微波-磁子状态交换相互作用转移纠缠，最终可以获得微波-声子和光-磁纠缠。理论上从系统哈密顿量和量子郎之万方程出发，得到漂移矩阵A，由漂移矩阵的负本征值保证文章计算的纠缠处于稳定状态。再利用对数负性分析研究了系统中量子纠缠的特性与相关参数的依赖关系。研究表明，该系统可同时获得微波-声子以及光-磁之间稳态纠缠，并且在系统中直接注入纠缠的微波与光可以显著地提升纠缠对温度的鲁棒性。该研究将在量子网络和混合量子系统的量子信息处理方面奠定基础。

图1 微波-声子，光-磁以及微波-光纠缠随压缩参数r的变化

同行评价

文章提出了一种基于光磁力混合系统制备多种量子态的理论方案，包括微波-声子以及光-磁的稳态纠缠。通过对系统注入微波-光双模纠缠场，及对光学腔、微波腔等进行泵浦，并通过合适选择泵浦场与模式之间的失谐关系，结果表明微波-声子和光-磁纠缠可以在该系统中同时产生，并且纠缠可以处于稳态。文章研究的微波-声子以及光-磁纠缠在构建混合量子网络、基于磁振子的量子信息处理等方面具有潜在的应用价值。

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编辑推荐仪器与测量

eXTP聚焦镜电子偏转器仿真分析与设计

郑人洲，强鹏飞，杨彦佶，闫永清，李悦，盛立志，陈勇

物理学报, 2025, 74(5):059502

doi：10.7498/aps.74.20241649

cstr：32037.14.aps.74.20241649

X射线聚焦望远镜是进行空间X射线观测的核心设备，为保证其观测结果的准确性，需要对进入聚焦镜的低能电子进行有效偏转，达到降低本底噪声的目的。本文针对增强型X射线时变与偏振空间天文台(enhanced X-ray timing and polarimetry mission，eXTP)聚焦镜电子偏转器研制工作，满足聚焦镜光学系统对于低能电子的偏转需求，兼顾轻量化、电子偏转能力以及电磁兼容性能等问题，采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了电子偏转器及聚焦镜镜片的全物理仿真模型，分析了磁感应强度分布、电子偏转轨迹以及磁场对聚焦镜镜片的影响，完成了电子偏转器电磁参数设计。模拟结果表明，电子偏转器周围空间中磁感应强度沿半径方向减小，两根辐条正中间磁感应强度最大值可达0.027 T。在磁感应强度平面及纵向分布中，当半径大于280 mm或纵向距离大于60 mm时，磁感应强度小于5×10^–5 T (0.5 Gs)，满足电磁兼容性能设计要求。当入射角≤10°时，电子偏转效率随电子能量和入射角增大而减小，50 keV能量以下电子偏转效率可达100%，满足电子偏转设计要求。聚焦镜镜片底端距离电子偏转器130 mm时，聚焦镜镜片在磁场的作用下，应力大小仅为10^–3 N/m²量级，形变大小仅为10^–5 nm量级，表明磁场不会对聚焦镜的光学性能产生影响。这些结果为eXTP聚焦镜电子偏转器的研制工作提供了重要参考。