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亮点文章《物理学报》2024年第9期

已有 278 次阅读 2024-5-17 11:52 |系统分类:论文交流

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三维空间轨道角动量全息

贾谊成，张福荣，张景风，孔令军，张向东

物理学报, 2024, 73(9):094202.

doi: 10.7498/aps.73.20231822

光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中。然而，目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息，即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内。如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白。本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度，实现了三维空间轨道角动量全息技术。换言之，在我们实现的三维空间轨道角动量全息中，目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态，还要求在正确的空间位置来探测物体的图像。此外，还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术，并指出该复用技术可用于信息加密。与传统的二维轨道角动量全息技术相比，三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度，即成像的空间位置。因此，基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级。我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性。

图1 用于实现三维空间OAM全息的全息图设计方案。通过将目标图像与二维Dirac梳状采样阵列相乘即可获得能够保留OAM特征的全息图；然后通过在保留OAM全息图上添加OAM态的螺旋相位分布，生成具有OAM特征选择性的全息图；最后，使用FZP对OAM选择性全息图进行编码，即可获得用于三维空间OAM全息的全息图。这里，FZP的“焦距”(f_FZP)控制着重构出的全息图像在三维空间中的位置

同行评价

论文通过同时利用光的 OAM 自由度和重构图像所在的空间位置自由度作为信息载体，实现了三维 OAM 全息。设计了使用采样阵列、OAM 态和 Fresnel 波带板三者编码的三维 OAM 全息，并从原理上证明了三维 OAM 全息的可行性，从而实现了三维 OAM 多路复用全息技术。由于三维 OAM 全息比传统的二维 OAM 全息利用了更多的自由度，因此三维 OAM 全息具有更高的信息容量和安全性，可用于全息加密。本论文的工作拓展了 OAM 全息的研究领域，为全息加密提供了新的途径，具有很好的学术价值。

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特邀综述

等离子体刻蚀建模中的电子碰撞截面数据

陈锦峰，朱林繁

物理学报, 2024, 73(9):095201.

doi: 10.7498/aps.73.20231598

半导体芯片是信息时代的基石，诸如大数据、机器学习、人工智能等新兴技术领域的快速发展离不开源自芯片层面的算力支撑。在越来越高的算力需求驱动下，芯片工艺不断追求更高的集成度与更小的器件体积。作为芯片制造工序的关键环节，刻蚀工艺因此面临巨大的挑战。基于低温等离子体处理技术的干法刻蚀工艺是高精细电路图案刻蚀的首选方案，借助等离子体仿真模拟，人们已经能够在很大程度上缩小实验探索的范围，在海量的参数中找到最优工艺条件。电子碰撞截面是等离子体刻蚀模型的关键输入参数，深刻影响着模型预测结果的可靠性。本文主要介绍了低温等离子体建模的基本理论，重点强调电子碰撞截面数据在数值模拟中的重要作用。与此同时，本文概述了获取刻蚀气体截面数据的理论与实验方法。最后总结了刻蚀相关原子分子的电子碰撞截面研究现状，并展望了未来的研究前景。

图2 (a)以CHF₃为原料气体的电感耦合等离子体刻蚀腔室；(b) 表面刻蚀部分；(c) 等离子体内部以及晶圆表面发生的主要物理化学过程

同行评价

电子碰撞截面是等离子体刻蚀模型的关键输入参数，深刻影响着模型预测结果的可靠性。本文主要介绍了低温等离子体建模的基本理论，重点强调电子碰撞截面数据在数值模拟中的重要作用，综述了获取刻蚀气体截面数据的理论与实验方法，最后总结了刻蚀相关原子分子的电子碰撞截面研究现状，并展望了未来的研究前景。论文对从事等离子体刻蚀的学者具有指导价值。

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基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

杨浩智，聂梦娇，马光鹏，曹慧群，林丹樱，屈军乐，于斌

物理学报, 2024, 73(9):098702.

doi: 10.7498/aps.73.20240216

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy，SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点，适用于活细胞的长时程超分辨成像。采用二维晶格结构光作为照明光，可以实现更快的成像速度和更低的光毒性，但同时也增加了系统的复杂性。为了解决此问题，本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM ，DMD-Lattice-SIM)，通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生，且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像，相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法，图像采集时间减少了约44.4%。同时，在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM，JSFR-SIM)的基础上，本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM)，先在频域对原始图像进行预滤波处理；然后，在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理。与传统频域图像重构处理对比，该方法在512 ×512 像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%，对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值。

同行评价

该论文在硬件系统上设计了一种基于DMD投影的晶格结构光照明显微成像系统，实现了超过衍射极限约一倍的空间分辨率。软件上使用空频域联合处理的重构方式并结合GPU加速，进一步提高了图像的重构速度。

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原子层沉积金属氧化物缓冲层制备高性能大面积钙钛矿太阳电池

瞿子涵，赵洋，马飞，游经碧

物理学报, 2024, 73(9):098802.

doi: 10.7498/aps.73.20240218

研制具有较大活性面积的钙钛矿太阳电池对领域面向产业化的发展具有重要意义。当前，大面积钙钛矿太阳电池的性能与小面积钙钛矿太阳电池之间仍存在较大差距。本文提出一种在透明导电薄膜衬底上预先原子层沉积TiO₂薄层的策略，有效避免了衬底局部突起与钙钛矿吸光层直接接触导致的漏电现象，提升了小面积器件制备工艺的重复一致性。改善的电子输运和光管理过程也提高了小面积器件的效率。更重要的是，本文基于原子层沉积的TiO₂开展了0.5 cm²大面积钙钛矿太阳电池的研究，通过优化TiO₂层的厚度，研制出光电转换效率高达24.8%的冠军器件(第三方认证效率24.65%)，器件的制备工艺也表现出较好的重复性。此外，原子层沉积了TiO₂缓冲层的电池器件在氮气氛围下存储1500 h后仍然能够保留初始性能的95%以上。总之，在粗糙衬底上预先原子层沉积TiO₂薄层可以有效抑制局部漏电通道的产生，有利于制备高性能的大面积钙钛矿太阳电池。

图6 有无TiO₂层的钙钛矿太阳电池在氮气氛围中长期放置稳定性

同行评价

面向钙钛矿太阳电池的产业化，本文提出了用ALD生长TiO₂+溶液法SnO₂作为电子传输蹭的方法，避免了衬底粗糙度造成的漏电等现象，研制出了光电转换效率高达24.8%的冠军器件（第三方认证效率24.65%），方案对钙钛矿太阳电池产学研领域具有借鉴意义。

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中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算

曹嵩，殷雯，周斌，胡志良，沈飞，易天成，王松林，梁天骄

物理学报, 2024, 73(9):092501.

doi: 10.7498/aps.73.20240088

中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收，当前束流功率已经达到140 kW。为进一步提高靶站慢化器输出中子强度，已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划。靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照，会产生较强的辐照损伤，影响着这些部件的使用寿命。本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面，并分析了NRT (Norgett-Robinson-Torrens )模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected，ARC)模型对材料离位损伤的影响。在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom，DPA)以及氢、氦的产额。计算结果表明，钨靶受辐照后产生的NRT-dpa，ARC-dpa，H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y (1 y = 2500 MW·h)，2.39 dpa/y，5110 appm/y (atom parts per million，appm，每百万原子中产生该原子的个数)和884 appm/y。同样也计算了靶容器、慢化器反射体容器和质子束窗的辐照损伤值，根据这些部件的辐照损伤值预估了各自的使用寿命。这些结果对分析中国散裂中子源二期靶站关键部件的辐照损伤情况，构建合理的维护方案有着十分重要的意义。

图8 靶体ARC-dpa的空间分布(x-y平面) (a) p+ARC-dpa；(b) n+ARC-dpa；(c) total+ARC-dpa

同行评价

高产额的中子源必然是高功率的，这种情况下，窗、靶及外围的慢化体等材料是否能够耐受长时间的照射，就成了决定源的使用寿命的关键问题。因此，对于窗、靶的寿命进行定量计算，毫无疑问是非常重要的。本文结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数以及氢、氦的产额，根据计算结果对靶站关键部件的寿命进行了分析和评估。这些计算与分析对CSNS二期功率升级后的运行和维护有重要的意义。

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镱原子超精细诱导5d6s ³D_1,3→6s²¹S₀ E2跃迁及超精细常数的精确计算

赵国栋，曹进，梁婷，冯敏，卢本全，常宏

物理学报, 2024, 73(9):093101.

doi: 10.7498/aps.73.20240028

在镱原子中，利用5d6s ³D₁→6s²¹S₀跃迁探索宇称破缺效应已经得到了深入的研究。但是5d6s ³D₁态与基态6s²¹S₀之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁很大程度上影响了宇称破缺信号的探测。因此，很有必要精确计算5d6s ³D₁态与基态6s²¹S₀之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁的跃迁概率。本文利用多组态Dirac-Hartree-Fock理论精确计算了5d6s ³D₁→6s²¹S₀ M1跃迁和超精细诱导5d6s ³D₁_,3→6s²¹S₀ E2跃迁的跃迁概率。计算时详细分析了电子关联效应对跃迁概率的影响。此外，还分析了不同微扰态和不同超精细相互作用对跃迁概率的影响。本文计算的³D_1,2,3和¹D₂ 态的超精细常数与实验测量结果符合得很好，从而证明了本文所用计算模型的合理性。结合实验测量的超精细常数和本文理论计算所得的核外电子在原子核处的电场梯度，重新评估了¹⁷³Yb原子核电四极矩Q = 2.89(5) b，评估结果与目前被推荐的结果符合得很好。

图1 5d6s ³D₁→6s² ¹S₀ M1跃迁及5d6s ^1,3D₂→6s² ¹S₀ E2跃迁的跃迁概率随虚轨道扩展的变化

同行评价

Yb原子在精密测量物理中是一个重要的研究对象，也是研究宇称不守恒的重要体系。然而，对于此类重原子体系，其超精细能级结构的精确计算，尤其是激发态的精确计算，是一个具有挑战性的难题。作者利用开源软件Grasp2018研究了Yb原子的5d6s ³D₁→6s²¹S₀M1跃迁和超精细诱导下的5d6s ^1,3D₂→6s²¹S₀ E2跃迁，给出了可与其他结果相符合的跃迁概率和激发态的超精细常数，同时确定了¹⁷³Yb的原子核电四极矩。这些结果是对Kozlov等CI+MBPT结果的独立检验，对研究原子中宇称破坏效应有参考价值

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电场方向对一维断裂纳米通道连接处水桥结构的影响

孟现文

物理学报, 2024, 73(9):093102.

doi: 10.7498/aps.73.20240027

电场影响纳米通道内的水分子的电偶极矩取向，进而影响纳米通道内的水分子的传输。为了有效发掘水分子在纳米通道内的传输特点，必须研究更复杂的纳米通道结构。最新一种构造复杂纳米通道的方式是构造断裂纳米通道。在研究断裂纳米通道内的水分子的动力学特点时，通常是在零电场或单一电场方向下进行的，电场方向对断裂纳米通道内的水分子的影响机理尚不明确，这制约了部分场控分子器件的设计。为了探究该问题，本文采用分子动力学模拟方法，系统研究了电场方向从0°变化到180°的过程中，电场方向对完整纳米通道以及断裂长度分别为0.2和0.4 nm的断裂纳米通道内的水分子的占据数、传输、水桥、电偶极矩偏向等性质的影响。结果表明，在1 V/nm的电场强度作用下，这三种纳米通道内的水分子的占据数、传输等差别主要集中在电场方向与管轴夹角为90°时，此时完整纳米通道内能形成稳定的水链，断裂长度为0.2 nm的纳米通道的连接处能形成不稳定的水桥，而断裂长度为0.4 nm的纳米通道的连接处不能形成水桥。此外，模拟发现当电场极化方向与管轴夹角为90°时，增大电场的强度，断裂纳米通道连接处的水桥更容易断裂。

图1 模拟框架图，包括2片石墨烯，1个断裂纳米通道(断裂长度标记为L)。水分子用红白球表示，石墨烯及断裂纳米通道用青色表示，电场方向与+z方向的夹角定义为θ

同行评价

本文运用分子动力学模拟的方法，研究了电场方向调控下低维断裂碳纳米管内水分子传输的特点，发现了相对于完整碳纳米管内的水分子，断裂碳纳米管内的水分子更容易受到电场方向调控的特点，为有效调控低维碳纳米管内水的传输提供了一种可能路径。

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低杂波注入对剥离气球模的作用

樊浩，陈少永，牟茂淋，刘泰齐，张业民，唐昌建

物理学报, 2024, 73(9):095204.

doi: 10.7498/aps.73.20240130

基于BOUT++代码研究了托卡马克高约束模等离子体中低杂波(LHW)注入对边缘台基区剥离气球模(P-B模)线性和非线性特性的影响。模拟中分别考虑了LHW驱动的常规主等离子体电流和刮削层螺旋电流丝(HCF)产生三维扰动磁场对P-B模的作用。线性结果表明，LHW驱动的主等离子体电流通过降低平衡的归一化压强梯度和磁剪切，使得线性环向模谱整体向高模数和低增长率的方向移动。非线性模拟表明，由于线性模谱的展宽，LHW驱动的主等离子体电流对P-B模不同模式具有整体的抑制效果，可以降低边缘局域模(ELM)造成的台基能量损失；LHW驱动HCF产生的三维扰动磁场可以通过增强不同模式之间的耦合，促进主模之外的其他模式增长来降低ELM造成的能量损失。研究发现，HCF产生的三维扰动磁场促进增长的P-B模式集中在较高模数，当P-B模的主导模式远离此模数区间，ELM能量损失降低更明显。研究结果有助于深入理解LHW控制ELM实验中的物理机制。

图9 P-B模非线性模式演化，分别对应未加入A_//HCF (a)，以及300 A HCF (b)，450 A HCF (c)，600 A HCF (d) 产生的A_//HCF下的模拟，图中红色虚线为ELMsize

同行评价

该文通过数值模拟研究了LHW驱动电流和HCF在缓解ELM方面的作用。文中用较成熟的代码BOUT++，GENRAY，Corsica的TEQ模块计算剥离气球模（P-B模）线性和非线性特性，LHW驱动和等离子体平衡。LHW驱动电流缓解ELM已经在实验中被观察到，但其物理机制仍然没有被完全理解，因此相关的理论模拟研究工作是很有意义的。该项研究给出定性的物理理解，为LHW缓解ELM提供了部分理论依据。该文同时考虑LHW驱动的HCF和主等离子体电流对P-B模的作用，比前面的研究更进了一步。

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二维硼结构中条带状空位长程有序分布的理论研究

徐诗涵，何长春，杨小宝

物理学报, 2024, 73(9):096101.

doi: 10.7498/aps.73.20231927

在二维硼结构中，有序分布的高浓度空位可以增强其结构的稳定性，并对材料性能产生显著影响。根据最近的实验进展，本文重点关注二维硼结构中空位呈条带状分布的体系，提出有效模型系统研究结构稳定性随空位分布的变化。结合第一性原理计算结果，对空位不同近邻作用参数进行拟合，预测了不同空位浓度的稳定结构，发现在该体系中空位不同近邻存在竞争，导致长周期分布的趋势，揭示了不同近邻作用的相互竞争导致长周期结构稳定存在的关键机制。

同行评价

该文结合第一性原理和模型计算研究了二维硼结构中空位呈条带状分布的体系，预测了多种空位浓度的稳定结构，发现在该体系中空位导致长周期分布的趋势。该文结果对于二维硼结构具有重要的科学意义。

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微波离子推力器中磁场发散区电子加热模式研究

付瑜亮，张思远，杨谨远，孙安邦，王亚楠

物理学报, 2024, 73(9):095203.

doi: 10.7498/aps.73.20240017

在微波离子推力器的磁场结构设计中，一般认为增大磁镜区的面积能够约束更多电子，有利于提高能量利用率；减小发散区面积能够减少电子在壁面的损失，有利于降低放电损耗。随着一体化仿真研究深入，发现利用Child-Langmuir鞘层的特性可约束电子，使其在鞘层与磁镜间往复运动获能。对此，本文设计了适用于1 cm磁阵列微波离子推力器的磁场结构，并对其初始放电和束流引出过程进行了一体化仿真，对比阐明了电子在磁场发散区受Child-Langmuir鞘层、天线表面鞘层和磁镜共同约束下的获能模式。该获能模式可提升磁场发散区的电子温度，促进电离，提升栅极前等离子体密度，进而提升束流密度。仿真结果表明，在氙气流量0.3 sccm (1 sccm= 1 mL/min)，微波功率为1 W，栅极电压φ_sc/φ_ac = 300 V/–50 V条件下，磁阵列微波离子推力器的电流密度较2 cm微波离子推力器提升57.9%。本文从理论上对磁场发散区电子加热模式进行了验证，研究结果将为微波离子推力器优化设计提供理论依据，促进微波离子推力器性能提升。

图7 电子温度分布对比

同行评价

作者研究了微波离子推力器中磁场发散区电子的加热模式，对推力器性能优化设计提供重要帮助。

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基于空间分辨法分析时间低相干光自聚焦效应

单翀，孔令豹，崔勇，季来林，赵晓晖，李福建，饶大幸，赵元安，隋展，邵建达

物理学报, 2024, 73(9):090601.

doi: 10.7498/aps.73.20240138

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性，在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注。然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大。同时，传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中，多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生，这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响。本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦，通过调节入射激光能量，在避免前表面损伤的前提下，诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤。随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理，并得到对应细分位置的非线性数值。最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分，得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值。测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强。本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法，同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制，为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考。