封面文章
专题：无序合金的序调控
熊浩智，王云江
物理学报, 2025, 74(8):086101
doi：10.7498/aps.74.20250097
cstr：32037.14.aps.74.20250097
多主元合金概念的提出颠覆了传统物理冶金的理念，极大地拓展了材料设计空间。合金相图从热力学角度揭示成分、热力学与结构之间的关系，对指导材料优化具有重要意义。传统实验方法测定相图费时耗力，且面临着测量条件、成分控制、高温高压等因素限制，系统评估相图和热力学性质困难。在此工作中，我们以典型等原子比镍钴铬合金为原型材料，采用元动力学、动态概率增强采样和扩展系综模拟相结合的方法，克服原子尺度模拟的时间尺度限制，系统地绘制了镍钴铬在高温、高压条件下的温度-压力相图，并计算了不同热力学条件下该材料体心立方晶体与液体相变的自由能面。基于自由能路径，量化了晶化和熔化相变过程中，激活能、激活体积、激活熵与温度、压力的关系，从而揭示了压力和温度分别通过影响激活体积和激活熵，进而影响熔化和晶化动力学的物理机制。该研究为理解多主元合金的热力学与相变动力学提供了理论支持，探索了其在极端条件下结构稳定性。
图1 等原子比镍钴铬高温、高压相图的多温-多压-多伞模拟 (a)不同热力学条件下液相与体心立方相的自由能差ΔGL→BCC，黑色实线表示固液共存线；(b)不同压力下液相与体心立方相的自由能差ΔGL→BCC随温度的变化
同行评价
本文采用元动力学（metadynamics）和动态概率增强采样（OPES_EXPAND）相结合的方法，系统研究了等原子比镍钴铬多主元合金在高温高压条件下的相图与相变动力学。研究通过克服传统分子动力学模拟的时间尺度限制，成功预测了BCC相在高温高压下的稳定性，并定量分析了激活能、激活熵、激活体积等关键动力学参数对相变过程的影响。该方法在增强采样技术的应用上具有显著创新性，为多主元合金在极端条件下的热力学与动力学研究提供了新思路，对材料科学领域具有重要参考价值。
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专题：无序合金的序调控
宋倩倩，张博召，丁俊
物理学报, 2025, 74(8):086102
doi：10.7498/aps.74.20250128
cstr：32037.14.aps.74.20250128
多主元合金，亦称为高熵合金，作为一种新型合金材料，因其优异的力学性能和热稳定性在多个领域展现出巨大的应用潜力。本文采用分子动力学模拟方法，以3种典型的体心立方结构多主元合金——TaWNbMo，TiZrNb和CoFeNiTi为研究对象，系统研究了合金中的原子局域晶格畸变特征及其影响因素。通过冯·米塞斯应变和体积应变作为描述符，定量分析了合金中原子应变的分布及其与晶格畸变的关系。研究结果表明，晶格畸变越大，冯·米塞斯应变和体积应变的分布范围越广，且应变值显著增大。进一步分析发现，合金中的原子半径差异、化学短程有序结构以及温度均显著影响原子应变。具体而言，原子半径差异越大，体积应变越大，而化学短程有序结构的形成有助于减小晶格畸变和原子应变。温度的升高则会导致晶格振动加剧，从而增大原子应变。本文的研究为理解高熵合金的微观力学行为提供了新的视角，并为其在高温和极端环境下的应用设计提供了理论支持。
图1 不同合金体系的三维原子分布模型及其原子应变的分布 (a) TaWNbMo，TiZrNb和CoFeNiTi的三维原子分布模型；(b) 3种合金体系的冯·米塞斯应变和体积应变的分布
同行评价
文章讨论了典型多主元合金（高熵合金）的原子局域晶格畸变特征及其影响因素，并通过两个特征参量——冯·米塞斯应变和体积应变——讨论其与晶格畸变之间的关系。研究发现，晶格畸变与两特征参量之间有单调的相关性，进而讨论了原子半径差异、化学短程有序结构及温度对晶格畸变的影响。文章在多主元合金（高熵合金）其性能调控与微观结构关联缺乏有效证据的背景下，提供了一种可实现的讨论多主元微观信息的有效途径。
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专题：无序合金的序调控
路圣晗，陈颂阳，崔广鹏，周丹，蔡伟金，宋旼，王章维
物理学报, 2025, 74(8):086103
doi：10.7498/aps.74.20250141
cstr：32037.14.aps.74.20250141
中熵合金因其独特的强塑性协同效应，在高应变速率服役的结构材料领域展现出广阔应用前景。本研究聚焦于NiCoV中熵合金体系，通过引入高熔点钨元素(原子含量为5%)进行合金化设计，采用真空电弧熔炼结合热机械处理工艺制备了(NiCoV)95W5合金。基于分离式霍普金森压杆实验平台，系统揭示了该合金在2000—6000 s–1高应变速率下的动态响应机制与变形机理。研究发现：合金展现出优异的应变速率敏感性(m = 0.42)，当应变速率从准静态(10–3 s–1)提升至动态(6000 s–1)时，屈服强度显著提升162% (720→1887 MPa)，这一强化效应源于高应变速率下晶格畸变诱导的声子拖曳作用显著增强。通过显微分析，揭示了该合金体系在高应变速率下的多尺度协同变形机理：2000 s–1时以位错平面滑移为主导，当速率增至4000 s–1时形成高密度位错缠结网络并激发部分析出相协同变形，而在6000 s–1条件下则通过诱发变形孪晶实现加工硬化的存续。本研究阐明了W元素掺杂的NiCoV中熵合金动态力学行为与变形机制，为设计具有优异动态力学响应的新型结构材料提供了参考。
图1 (NiCoV)95W5合金动态压缩变形的显微组织演变示意图
同行评价
文章聚焦于具备优异准静态力学性能的NiCoV中熵合金的动态力学研究，通过掺杂难熔W元素以抵抗NiCoV中熵合金动态变形过程中的热软化，揭示面向高速服役的(NiCoV)95W5合金宽应变速率范围内的变形机理，具有创新性。
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王帅，康如威，李勇，肖宏宇，王应，冉茂武，马红安
物理学报, 2025, 74(8):080701
doi：10.7498/aps.74.20250028
cstr：32037.14.aps.74.20250028
金刚石是一种用途极为广泛的极限功能材料，本研究在6.5 GPa压力条件下，利用温度梯度法研究了合成腔体中添加三硫化二硼(B2S3)时金刚石大单晶的合成。随着B2S3的添加，所合成金刚石的颜色由典型的黄色变为了浅蓝色，而且金刚石的生长速率也随之降低。拉曼(Raman)测试表明所制备样品为单一的sp3杂化金刚石相，但对应的Raman特征峰均趋于向低波数移动。借助傅里叶显微红外光谱(FTIR)测试结果，分析发现金刚石内部氮杂质浓度逐渐降低。此外，利用霍尔效应测试表征了所合成金刚石的电输运性能，结果表明B2S3可将(111)晶向金刚石电阻率降低至45.4 Ω·cm。然而，当合成体系中同时添加0.002 g B2S3和除氮剂时，对应金刚石晶体的电阻率锐减至0.43 Ω·cm，该研究为金刚石在半导体领域中的应用提供了重要的实验依据。
图1 金刚石样品光学照片 (a) 无添加剂；(b)添加0.01 g B2S3；(c) 添加0.03 g B2S3；(d) 添加0.002 g B2S3+钛/铜
同行评价
金刚石是公认的终极半导体材料，未来有广阔的应用前景。文章研究了添加三硫化二硼时金刚石大单晶的合成，采用Raman散射研究了其结构变化，测试了材料的电阻率，研究结果对于金刚石材料的应用具有参考意义。
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汪润婷，王旭东，梅锋，肖连团，贾锁堂
物理学报, 2025, 74(8):084205
doi：10.7498/aps.74.20250021
cstr：32037.14.aps.74.20250021
本文研究了人工规范场调控下超导量子比特-SSH (Su-Schrieffer-Heeger)拓扑光子晶格耦合体系中的单光子散射。通过解析计算单光子散射系数，揭示了人工规范场对SSH拓扑晶格上下能带中的单光子散射具有完全不同的调控作用，包括上能带全透射和下能带全反射。其次，本文进一步证明人工规范场调控下单光子散射相对于晶格动量和上下能带具有高度的对称性。反过来，发现人工规范场调控下单光子反射系数可以不依赖晶格耦合强度，只依赖晶格的拓扑特性，可用于探测光子晶格的拓扑不变量。最后，本文将人工规范场调控下的单光子散射推广至超导量子比特-拓扑光子晶格不同耦合构型中。这些结果为拓扑光子晶格中光子输运的调控提供了新的视角和方法。
图1 反射系数R随δ的变化 (a)—(c) 单光子能量为E+时，反射系数R随δ的变化； (d)—(f)单光子能量为E-时，反射系数R随δ的变化；其他参数设置为Δ= 0，k = π，Ja = Jb = J = 1. 人工规范场相位θ具体取值为 (a)，(d) θ = 0；(b)，(e) θ = π；(c)，(f) θ = π/2
同行评价
文章提出了基于人工规范场调控的超导量子比特-SSH拓扑波导耦合系统操控单光子散射的理论方案。通过求解定态薛定谔方程，作者获得了散射振幅的精确表达式。具体来说，作者发现单光子的反射系数具有丰富的对称性特征，这与SSH波导能带的结构密切相关。尤其是，通过调节人工规范场的相位，反射系数在拓扑相变点附近表现出突变行为，揭示了系统的拓扑敏感性。这一发现为拓扑光子学领域提供了新的调控手段，具有潜在的实验应用价值。 此外，作者还探讨了基于单光子散射特性进行拓扑探测的方法。结果表明，系统的反射系数在拓扑相变点附近出现突变，这为拓扑性质的探测提供了有效手段。作者进一步推广至不同耦合构型（如BA构型），发现在特定条件下，单光子表现出相反的散射行为，进一步证实了人工规范场对该系统中单光子散射行为的调控作用。 这些研究成果为拓扑光子学和量子信息处理提供了新的视角和调控手段。
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