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亮点文章《物理学报》2025年第6期

已有 194 次阅读 2025-4-14 17:55 |系统分类:论文交流

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激光诱导自旋阀结构的超快自旋动力学研究

芦闻天，姚春伟，严志，袁喆

物理学报, 2025, 74(6):068501

doi: 10.7498/aps.74.20241744

cstr：32037.14.aps.74.20241744

超快退磁的发现提供了一种使用超短激光产生超快自旋流的新手段，从而可能更快地操纵材料磁性。然而，这一过程仍未被理解，尤其是超快自旋流在层间转移中的影响因素尚不明晰。本文利用超扩散自旋输运模型对Ni/Ru/Fe自旋阀结构体系的超快自旋输运机制进行了深入研究，尤其关注层间自旋转移效率对铁磁层超快磁动力学的影响。本研究计算出铁磁层在不同磁化排列下的退磁差异，并通过调节间隔层厚度，揭示出超快自旋输运在磁动力学中的关键作用。此外，还确定了热电子自旋流在间隔层中的自旋衰减长度。通过控制激光的薄膜吸收，进一步发现了能够引起铁磁层瞬态磁化增强的条件。这些结果对于理解热电子自旋流的输运机制具有重要意义，为未来控制超快自旋流提供了理论基础。

图1 飞秒激光脉冲诱导的Ni/Ru/Fe自旋阀结构中层间自旋输运示意图。自旋极化热电子从Ni层通过Ru层转移至Fe层，引起超快磁动力学。Ni层和Fe层的磁化方向可以为平行或反平行排列

同行评价

本文报道了激光诱导自旋阀结构的超快自旋动力学的研究，论文研究系统翔实，论证充分，作者提出的优化策略，为自旋阀结构中磁性层的精确磁调控提供了方案，为高效的磁性存储和处理器件的设计提供理论支持。

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高压下GaAsSb纳米线室温光致发光特性研究

殷雪彤，廖敦渊，潘东，王鹏，刘冰冰

物理学报, 2025, 74(6):067802

doi: 10.7498/aps.74.20250042

cstr：32037.14.aps.74.20250042

三元砷锑化镓(GaAsSb)纳米线具有直接带隙电子结构，通过调节锑含量可实现其近红外波段发光波长在870—1700 nm范围内的超宽带调谐，在近红外微纳光学器件方面具有十分重要应用前景。但由于高密度表面态的存在，砷锑化镓纳米线室温发光效率低、难以观测，这导致其光学性质研究主要集中在低温条件下，严重阻碍了其室温条件下的光学性质的调控研究及器件化应用。本文利用高压策略结合荧光光谱与拉曼光谱技术，在室温条件下进行砷锑化镓纳米线光学性质的调控研究。研究表明，通过压力的施加，在0—2.8 GPa的压力范围内，砷锑化镓纳米线的室温荧光获得显著增强，并且发光波长可以通过压力实现原位调控。同时，砷锑化镓纳米线的发光性质与激发光波长相关，相对于473 nm激发光波长，514 nm和633 nm波长对应的发光效率更高。高压原位拉曼光谱研究表明，短波长473 nm激光辐照砷锑化镓纳米线可以产生显著的光热效应，抑制光发射，而高压策略可以有效降低光热效应对于砷锑化镓纳米线光学性质的影响。

图2 (a) GaAsSb三元纳米线的高分辨率透射电子显微镜图像，左下角为其电子衍射图；(b) GaAsSb三元纳米线的高角度环形暗场成像；(c)—(e) GaAsSb三元纳米线中Ga元素、As元素、Sb元素对应的伪彩色EDS映射图

同行评价

本文报道加压条件下砷锑化镓纳米线的室温荧光获得显著增强，并且发光波长可以通过压力实现原位调控，同时发现激发光波长越长其发光效率越高。本文工作可帮助读者理解压力对砷锑化镓纳米线发光特性的影响。

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复相互作用调制的两粒子系统中的局域化转变

郝佳鑫，徐志浩

物理学报, 2025, 74(6):067201

doi: 10.7498/aps.74.20241691

cstr：32037.14.aps.74.20241691

研究了一维复相互作用调制的非厄米玻色子模型。通过数值计算能谱的实-复转变、Shannon熵、标准参与比率与拓扑缠绕数发现，当相互作用强度低于临界相互作用强度时，系统的能谱全为实数，处于扩展相，且系统是拓扑平庸的；而当相互作用强度超过临界相互作用强度时，系统开始出现复能谱，处于扩展态与局域态混合相，且此时系统是拓扑非平庸的。计算结果表明，能谱的实-复转变点、扩展-局域的转变点与拓扑转变点相一致。动力学演化结果可以验证系统的实-复转变与局域化转变。最后，提出利用二维光子波导阵列可以模拟这一复相互作用调制的一维玻色子模型。此项工作将为非厄米两体系统的局域性质提供很好的参考。

图1 (a) U = 1和(b) U = 3时系统的能谱；(c)不同尺寸下能量虚部的绝对值的最大值随U的变化；(d) U = 1 时，能量虚部最大值所对应本征态的两玻色子的坐标关联；(e) U = 3时，复能量环上两玻色子的坐标关联

同行评价

本文研究了一维复相互作用调制的两粒子非厄米系统中的局域化转变，研究发现通过调控相互作用强度，可实现拓扑平庸的扩展态到拓扑非平庸的扩展态和局域态的混合相。最近研究非厄密系统的多体相互作用系统引起了广泛的兴趣，该工作具有很好的时效性。

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轨道角动量复用三维加密全息图

方国全，林瀚，王思越，彭璞，方哲宇

物理学报, 2025, 74(6):064205

doi: 10.7498/aps.74.20241444

cstr：32037.14.aps.74.20241444

经过几十年的发展，全息成像已成为展示信息的成熟光学技术。然而，仅通过光的波长和偏振作为信息传递的载体的传统全息技术，在信息传播的安全性和容量方面存在一定的不足。将一种新的光学维度，轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)，引入全息成像为这些问题提供了一个有效的解决方案。通过使用OAM复用的全息技术进行理论分析和仿真计算，二维图像被加密和存储。然后三维物体被切片为多幅二维图像，通过OAM复用的全息技术被存储于一个相位阵列中，实现了信息存储维度的有效降低，并且经过OAM复用的全息技术被成功复现，因而三维全息被实现。此外，每幅图按照相应拓扑荷进行加密，信息传递的安全性被显著提升。这种具有OAM选择性的全息技术更为安全，信息通量更大，具有广泛的应用潜力。

图4 (a)左图为三维玫瑰建模图，中间图为3D单瓣玫瑰原图，右图为简化的3D玫瑰原图；(b)左图为单瓣玫瑰的OAM多通道复用相位全息图，右图为简化玫瑰的OAM多通道复用相位全息图；(c)多视角下的单瓣花瓣的三维全息复现还原图；(d)多视角下的玫瑰的三维全息复现还原图，每个坐标图的x，y，z坐标轴的单位是任意单位

同行评价

论文提出了一种基于OAM的加密全息图和复现方法，利用数值模拟验证了多幅全息图加密存储和解密重现的过程，并提出一种三维图像分层加密再现的方法。文章整体思路清晰，具有参考价值。

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机器学习的量子动力学

王鹏，麦麦提尼亚孜·麦麦提阿卜杜拉

物理学报, 2025, 74(6):060701

doi: 10.7498/aps.74.20240999

cstr：32037.14.aps.74.20240999

基于第一性原理思想，采用量子动力学方法对机器学习的迭代运动过程进行建模。在机器学习的参数空间定义广义目标函数，利用Schrödinger方程和势能等效得到机器学习过程的量子动力学方程，通过Wick转动进一步建立了量子动力学与热动力学的关系，这为利用物理理论和数学理论对机器学习的迭代过程进行研究提供了可能。本文工作将机器学习的迭代过程转化为含时偏微分方程来进行精确数学表述，该方程表明机器学习过程可能存在多尺度的退火过程和同一尺度下的时间演化过程。利用量子动力学方程证明了机器学习在时间演化时的收敛性，解释了机器学习中的扩散模型是量子动力学方程在经典近似和低阶泰勒近似下的映射模型，导出了人工智能中常用的Softmax和Sigmoid函数。这些结果表明量子动力学方法在研究机器学习理论中是有效的。

图1 优化问题的量子动力学框架

同行评价

作者基于量子动力学方程推导机器学习的基本迭代过程；利用量子动力学方程的通解获得Softmax和Sigmoid函数，在物理和数学上解释了Softmax和Sigmoid的动力学意义；进一步的，采用量子动力学方程给出了扩散模型的基本迭代过程的动力学解释。这是一项非常有趣的工作。

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基于对数坐标变换的涡旋键控译码

李浪，周诗韵，高春清，付时尧

物理学报, 2025, 74(6):064202

doi: 10.7498/aps.74.20241612

cstr：32037.14.aps.74.20241612

光子轨道角动量(OAM)为光通信提供了新的高维自由度，有望提高光信息传输系统信道容量，解决当前通信资源紧张的问题。OAM键控(OAM-SK)是一种新型的信息传输机制，其中，对OAM模式的有效识别和检测是实现OAM-SK译码的核心技术之一。本文提出了一种基于对数极坐标变换的OAM译码系统，首先通过设计的坐标变换光栅进行映射，再引入优化的相位校正光栅进行补偿，最后采用一个傅里叶变换透镜实现了OAM模式的分离。对系统在不同光栅参数下的分束效果进行数值评估，在实验中成功实现了–35—+31阶轨道角动量模式的分束。进一步地，基于该OAM解复用系统，搭建了自由空间光数据传输演示系统。通过引入特定译码规则，有效克服了对数极坐标变换存在的相邻模式混叠的问题，实现了748934个码元的无误码传输。本文结果为未来高容量光通信系统的发展提供了支持。

图3 OAM译码系统及数据传输演示装置 (a) 实验装置，波长1645 nm的线偏振连续激光，通过SLM后携带OAM模式，经由透镜L₁和L₂构成的4-f滤波系统后在自由空间传输1 m后通过1/4波片输入OAM译码系统，系统由坐标变换器件U、校正器件C和傅里叶变换透镜L_f组成，最后分束面光场(傅里叶变换透镜后焦面处光场)由红外焦平面探测器CCD接收；(b) 坐标变换器件实物图；(c) 校正器件实物图；(d) OAM译码系统样机图

同行评价

本文提出了一种基于对数极坐标变换的光学轨道角动量（OAM）键控译码系统，可将–35—+31阶轨道角动量模式有效分离，并且通过引入特定译码规则克服了对数极坐标变换存在的相邻模式混叠的问题，实现了748934个码元的无误码传输。该文工作内容详尽，逻辑很清晰，对于未来OAM键控通信系统构建有重要的指导意义。

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基于梯度折射率微腔的色散调控

唐荻，陈天赐，康朝烽，杨彬彬，张磊，杨煜，王克逸

物理学报, 2025, 74(6):064207

doi: 10.7498/aps.74.20241803

cstr：32037.14.aps.74.20241803

回音壁模式微腔的色散调控是克尔光频梳生成的关键。然而回音壁模式微腔色散设计主要是通过改变微腔结构调控模场分布，方式较为单一。本文将径向分布的梯度折射率n(r)引入回音壁模式微腔，提出使用改变折射率分布调控梯度折射率微腔色散。通过数值计算和有限元仿真结果表明，折射率梯度的约束使微腔模场的位置远离微腔边缘，梯度折射率微腔具有零几何色散特性。基于设计不同折射率分布提出两种色散调控方式—修饰微腔边缘几何外形和构建双势阱。并且研究了微腔半径、楔角大小、离子扩散和塑形工艺顺序、双势阱宽度和间距对色散的影响。仿真结果表明两种方式均可以得到通信波段较大范围的反常色散，梯度折射率微腔色散调控方式十分灵活，在非线性光学应用领域具有极大潜力。

图1 (a) GRIN微腔的折射率分布，从边缘到内部折射率由低变高，模场远离微腔表面；(b) GRIN微腔沿径向折射率分布曲线n(r)，其中n(r)r曲线极点为基模位置

同行评价

论文研究了基于离子扩散形成的GRIN微腔构造原理及色散特性，提出了两种基于改变折射率分布的色散调控方式，结果表明两种方式均可以得到通讯波段较大范围的反常色散。论文所做的工作很有意义，在非线性光学应用领域提供了新的思路与途径，值得同行借鉴。

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基于羟基化Janus碳纳米管的纳米流体导热特性

李康睿，王军，夏国栋

物理学报, 2025, 74(6):064701

doi: 10.7498/aps.74.20241657

cstr：32037.14.aps.74.20241657

碳纳米管本身所具有的卓越导热性能，使得基于碳纳米管所制备的纳米流体也同样具有较高的热导率，同时在碳纳米管表面添加官能团能够有效增强水/碳纳米管纳米流体的稳定性。本文将羟基化碳纳米管构建成为Janus颗粒，基于平衡分子动力学模拟方法，计算了基于羟基化碳纳米管的纳米流体热导率，并对其导热机理进行分析。计算结果表明，在基液吸附层密度增长、颗粒布朗运动增强以及界面热阻降低等因素的共同作用下，基于羟基化碳纳米管的纳米流体具有比普通碳纳米管纳米流体更强的导热性能。羟基化碳纳米管构建的Janus颗粒在基液中具备更强的布朗扩散能力，因而可以进一步提高水/碳纳米管纳米流体的热导率。本文揭示了基于羟基化Janus碳纳米管的纳米流体导热机理，为新型传热工质制备提供参考。

同行评价

论文通过分子动力学仿真研究了含表面修饰的不同碳纳米管的热导率，发现同样修饰的情况下，Janus碳纳米管的等效热导率略高，并给出了合理的物理解释，具有科学价值和参考意义。

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二维SiSnF₂中非磁性缺陷的影响和量子尺寸效应

刘文超，罗朝波，谢紫彤，彭向阳

物理学报, 2025, 74(6):066401

doi: 10.7498/aps.74.20241503

cstr：32037.14.aps.74.20241503

一般认为拓扑绝缘体对非磁性缺陷是高度免疫的，但是在器件应用的介观尺度上还缺乏验证。本文以SiSnF₂单层条带为例，研究了不同缺陷浓度和尺寸对拓扑绝缘体电子输运的影响。第一性原理计算发现，SiSnF₂在大于2%的拉伸应变下转变为拓扑绝缘体。用遗传算法拟合了有效紧束缚模型的参数，计算了拓扑绝缘体SiSnF₂条带输运性质，发现边缘态也可能被随机空位缺陷破坏。对于长18.8 nm、宽8.2 nm的条带，在没有缺陷时，电流集中在条带边缘，电导为拓扑边缘态的理想值2e²/h。当缺陷浓度为1%时，边缘电流已被明显扰动，但背散射仍受到有效抑制，电流绕过缺陷向前传输。当浓度为5%时，边缘电子经散射深入条带内部，与另一边缘发生散射，破坏了拓扑边缘态，使电导降为0.6e²/h。因此，缺陷导致的由拓扑绝缘体到普通绝缘体的转变是渐变而不是突变。研究发现了明显的输运量子尺寸效应，增大条带宽度可减小边缘间电子散射，增强拓扑边缘态的稳定性；而增大长度会增大电子的局域性和边缘间电子散射，降低拓扑边缘态的稳定性。

图4 (a) 用来计算SiSnF₂输运的构型，其中，中间散射区是SiSnF₂锯齿条带，两端连接由SiSnF₂锯齿条带构成的左右电极，所示红色矩形是条带内部的结构单元；(b)，(d)，(f)分别是随机缺陷浓度为0%，1%，3%时散射区SiSnF₂条带的结构图；(c)，(e)，(g)分别对应图(b)，(d)，(f)在激发能取E = 0.002 eV时的局域电流分布，箭头表示局部电流方向，图中的红色圆圈指示缺陷的位置

同行评价

作者研究了SiSnF₂ 单层纳米带中不同缺陷浓度和尺寸对拓扑绝缘体电子输运的影响，利用遗传算法拟合有效紧束缚模型具有一定的创新性。论文逻辑严谨，计算结果可靠，能够反映单层SiSnF₂材料的基本拓扑输运性质。

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纳米颗粒表面活性剂对微孔喉中束缚液滴释放行为的影响

李品贤，郭峰，骆政园，温伯尧，白博峰

物理学报, 2025, 74(6):064703

doi: 10.7498/aps.74.20241272

cstr：32037.14.aps.74.20241272

微孔喉结构内束缚液滴释放是提高原油采收率的关键。纳米颗粒表面活性剂能够增强纳米颗粒在油水界面上的吸附稳定性，进而显著影响束缚液滴的释放过程，对于发展纳米驱提采技术具有重要意义。本文通过微流控可视化实验与荧光技术，系统研究了纳米颗粒表面活性剂对微孔喉中束缚液滴释放行为的影响。在纳米颗粒表面活性剂作用下，微孔喉结构中束缚液滴存在破碎释放与直接释放两种释放状态；获得了微孔喉内束缚液滴释放状态相图，结合液滴受力分析建立了束缚液滴释放状态的临界转变理论模型；通过对比分析液滴长度随液滴释放的临界流量与毛细数的变化，获得了纳米颗粒表面活性剂对液滴释放行为的影响规律；结合荧光实验进一步阐明了纳米颗粒表面活性剂诱发界面黏弹性而抑制微孔喉内束缚液滴释放的作用机制。

图3 干净油水界面下单个液滴的束缚、破碎释放和直接释放相图，图中的水平虚线从上至下分别为L/w₁ = 7.7 (受限液滴额外受到孔隙壁面的摩擦阻滞作用)，L/w₁ = 5 (由于通道高度有限，液滴被微通道挤压成饼状液滴)，L/w₁ = 4.1 (液滴破碎释放与直接释放的尺寸界限)，序号①，②，③，④分别对应(3)式、(6)式、(8)式、(10)式的曲线形式

同行评价

本文结合微流控实验、荧光成像技术和理论建模，系统研究了纳米颗粒表面活性剂对微孔喉内束缚液滴释放行为的影响。文章实验设计合理，数据详实，提出了新的理论模型并验证了实验结果的可靠性。研究具有较高的科学价值，尤其在微流控和界面科学领域具有一定的创新性。

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基于CIMI模型的高空核爆电子环向分布演化过程模拟研究

罗哲楷，孙强，谢伦，濮祖荫，宗秋刚，刘鹰，周前红，傅绥燕

物理学报, 2025, 74(6):069401

doi: 10.7498/aps.74.20241259

cstr：32037.14.aps.74.20241259

高空核爆过程会向内磁层注入大量相对论性电子，形成人工辐射带，这些高能电子可能对航天器造成显著影响。本文利用CIMI模型(comprehensive inner magnetosphere-ionosphere model)模拟研究了核爆注入的电子由局地集中分布向环向均匀分布演化的过程，揭示了人工辐射带形成过程中电子团表现出的螺旋包围、环向膨胀与扩散均匀的行为特征。对初始时刻集中在L = 1.1—2.2、环向覆盖1个时区左右的核爆电子进行的数值模拟表明，核爆注入电子主要通过螺旋包围过程演化至环向均匀分布，扩散作用的贡献相对较小。电子注入后，在地球磁场的约束下做自西向东环绕地球的漂移运动。外侧电子漂移速度更快，因此注入电子团会在环向上剪切拉伸，以螺旋线结构包围地球。此外，研究还发现螺旋结构的形成过程伴随有电子的环向膨胀，主要由漂移过程中能量色散和投掷角色散机制驱动。不同能量和投掷角的电子漂移速度不同，因此逐渐环向分离，造成环向分布范围扩展，填充螺旋结构的间隙。在通过形成螺旋结构与环向膨胀包围地球后，核爆注入的高能电子进一步通过扩散作用演变为环向均匀分布的结构，形成相对稳定的人工辐射带。

图2 0.761 MeV电子通量的空间分布随时间的演化过程 (a)—(l)不同时刻电子微分通量在赤道面上的分布，图中XY平面为从地球北侧看向磁赤道面的俯视图，太阳位于图片左侧；图(f)中红色虚线表示注入电子在漂移过程中形成的螺旋线结构

同行评价

本文利用CIMI模型模拟了高空核爆向地球内辐射带中注入的高能电子的漂移和扩散演化过程，该研究提升了对高空核爆产生的人工辐射带电子演化的认识，研究方法可靠，结果符合预期。

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具有吸引作用的活性布朗粒子的团簇行为和自发速度对齐

陈健丽，李佳健，艾保全

物理学报, 2025, 74(6):060501

doi: 10.7498/aps.74.20241746

cstr：32037.14.aps.74.20241746

在活性布朗粒子系统中，速度的自发对齐是可实现的，但其机制及影响因素尚需进一步研究。本文主要探讨了具有吸引性相互作用的活性布朗粒子系统中的团簇行为和自发全局速度对齐现象。吸引性相互作用和自推进作用的耦合导致粒子趋向于与周围粒子速度对齐。通过数值模拟，本文发现自推进作用与吸引性相互作用之间的竞争显著影响团簇的形成及其结构，系统中会出现网状团簇、块状团簇、粒子离散分布或形成不稳定团簇，并进而影响自发速度对齐程度。其中，块状团簇结构最有利于自发速度对齐的实现。随着自推进作用在竞争中逐渐占优，中低填充分数系统中速度对齐程度呈现增加-稳定-下降的趋势，而高填充分数系统则表现为先稳定后下降的趋势。系统形成单一块状团簇时，能够实现自发全局速度对齐。