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亮点文章 | 《物理学报》2024年第10期

已有 262 次阅读 2024-5-30 21:45 |系统分类:论文交流

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一维合成维度水基声子晶体

胡晨阳，梁家洛，郑日翌，陆久阳，邓伟胤，黄学勤，刘正猷

物理学报, 2024, 73(10):104301

doi: 10.7498/aps.73.20240298

水下声学在水下通信、水下定位和导航等方面具有广泛的应用。借助拓扑物理的概念，研究水基声子晶体中的拓扑态为水下声波的创新性调控提供了一种全新的手段，既有基础研究价值，又有重要的应用前景。本文设计了一种一维的双层铁栅水基声子晶体，通过把层间的相对横向平移量等效成一个合成维度，实现了合成二维狄拉克点。相对平移量的改变导致二重简并能带打开带隙。伴随着带隙的打开、闭合以及再次打开，能带发生翻转，也就是发生拓扑相变，从一种能谷相变化到另一种能谷相。在不同能谷相声子晶体构成的界面处，能谷陈数保证界面态的确定性存在。数值仿真与实验测量结果吻合良好，都展示了不同能谷相声子晶体的体能带以及它们之间的界面态色散。本文提出的水基声子晶体结构简单，借助合成维度的概念，为在低维实空间体系中研究高维体系拓扑特性提供了一种有效的途经，有望为拓扑功能性水声器件的设计提供新思路。此外，可以把实空间体系拓展到二维甚至是三维，并引入更多的合成维度，用于研究更高维度体系的拓扑态及其输运特性。

图2 一维合成维度水基声子晶体的体能带 (a) 三维能带结构，黑色五角星表示狄拉克点；(b) 不同的S下能带结构随k_x的变化，蓝色和红色点表示S = 0.3，黑色点表示S = 0.5，紫色实线表示水线，A和B分别表示k_x = π/a时上下两条能带的本征态；(c) 态A，B关于S的拓扑相图；(d)，(e) S = 0.3和S = 0.7时的实验测量(彩色图)和数值仿真(黑色点)体能带

同行评价

作者利用双层结构之间的层间相对平移构成一个合成维度，在一维水基声子晶体中实现了合成二维狄拉克点，这一创意非常独特。通过改变相对平移实现不同的能谷相，实验观测到由不同能谷相构成的界面处存在着界面态。该工作为水基声子晶体拓扑态的研究提供了新思路和新路径，在拓扑水声器件的设计中具有一定的指导意义。

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基于玻璃毛细管的大气环境MeV质子微束的产生与测量

万城亮，潘俞舟，朱丽萍，李鹏飞，张浩文，赵卓彦，袁华，樊栩宏，孙文胜，杜战辉，陈乾，崔莹，廖天发，魏晓慧，王天琦，陈熙萌，李公平，Reinhold Schuch，张红强

物理学报, 2024, 73(10):104101

doi: 10.7498/aps.73.20240301

本文采用玻璃毛细管产生了大气环境中工作的2.5 MeV质子外束微束，并对束斑直径及能量分布随玻璃毛细管与束流方向之间角度(倾角)变化进行测量。测量结果表明，在玻璃毛细管轴向与束流方向一致时(倾角为0°)，产生的微束中存在保持初始入射能量的直接穿透部分以及散射部分，其中直接穿透的质子占比最大，束斑直径也最大。随着玻璃毛细管倾角的增大，当其大于几何张角时，束斑直径变小，产生的微束全部为能量减小的散射部分，直接穿透质子消失。我们对质子在玻璃毛细管内传输时的内壁散射过程进行了模拟计算及离子轨迹分析，发现大角度的散射部分决定了形成的外束微束斑外围轮廓，而束斑中心区域由不与毛细管内壁产生任何作用的直接穿透离子构成，其大小由玻璃毛细管出口直径以及几何容许张角决定。采用玻璃毛细管产生的外束微束具有产生简单廉价，微束区域定位简单的特点，有望在辐射生物学、医学、材料等领域得到广泛应用。

图1 外束微束产生装置及测量终端示意图，虚线框为外束微束测量终端

同行评价

质子和重离子微束在生物、材料、能源、微孔膜制备等有重要应用。作者介绍了大气环境中微束的产生方法，即利用玻璃毛细管产生2.5 MeV质子微束并测量了束斑大小与入射束流准直程的关系。利用SRIM计算程序模拟了质子在玻璃表面的散射过程，分析了质子在玻璃毛细管中的轨迹及对微束的影响，发现玻璃毛细管出口部分的几何角以及内壁表面粗糙度对微束直径和强度分布有比较大的影响。论文书写清楚、数据详实、结论可靠。

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Al⁺光钟态“幻零”波长的理论计算

魏远飞，唐志明，李承斌，黄学人

物理学报, 2024, 73(10):103103

doi: 10.7498/aps.73.20240177

本文使用组态相互作用加多体微扰理论方法对Al⁺光钟态3s²¹S₀和3s3p ³P₀的“幻零”波长进行了理论计算。3s²¹S₀态的“幻零”波长为266.994(1) nm，3s3p ³P₀态的“幻零”波长为184.56(7) nm，174.4(1) nm，121.5(1) nm和119.7(2) nm。精确测量这些“幻零”波长，有助于高精度确定光钟态相关跃迁的振子强度或者约化矩阵元，进而降低Al⁺光钟黑体辐射频移评估的不确定度。同时，对这些“幻零”波长的精密测量，对研究Al⁺原子结构具有重要意义。

图1 3s²¹S₀态和3s3p ³P₀态的静态极化率随态求和计算中所考虑激发态最高主量子数n的收敛趋势

同行评价

本文使用组态相互作用加多体微扰理论方法对Al⁺钟跃迁上下能级的幻零波长进行了理论计算，为进一步实验精确测量提供了理论指导，有助于提升Al⁺钟跃迁相关跃迁振子强度和约化矩阵元的评估精度，从而进一步提升光钟的精度。Al⁺光钟是目前世界上精度最高的光钟，进一步提升其精度对于基础物理研究和时频相关工程应用具有非常重要的意义。

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低对称性能谷光子晶体中的拓扑光传输

陈鸿翔，刘墨点，范智斌，陈晓东

物理学报, 2024, 73(10):104205

doi: 10.7498/aps.73.20240040

能谷光子晶体是研究拓扑光子学的重要平台之一，基于能谷光子晶体的新型光波导支持抗散射传输的能谷依赖边界态，提高了波导中的急弯传输效率，为光信息高效传输提供了新思路。另一方面，对称性在拓扑学和光子晶体研究中具有重要的物理意义和研究价值。例如，能谷光子晶体在破缺空间反演对称性的情况下表现出类量子能谷霍尔效应。目前，大多数能谷光子晶体具有C₃对称性，而具有更低对称性的能谷光子晶体是否能够支持拓扑光传输仍然需要研究。本文通过调整能谷光子晶体的原胞形貌，构建了低对称性能谷光子晶体，并研究了其边界态的传输特性。研究结果表明，相对于C₃对称性能谷光子晶体，低对称性能谷光子晶体的光子禁带变窄，但其边界态仍然能够实现单向激发以及抗散射传输。这一发现丰富了拓扑光子结构的多样性，为在低对称性结构中寻找拓扑保护光传输行为提供了指导。

同行评价

作者通过调整原胞形貌，提出了一种低对称性能谷光子晶体，并实现了边界态的单向激发和抗散射传输，旨在说明低对称性能谷光子晶体仍然具有拓扑光传输行为。该工作具有创新性，内容充实、逻辑清晰。

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面向单分子检测的纳米孔传感特异性增强技术

潘钦杰，赵灿东，陈琪，何毓辉，缪向水

物理学报, 2024, 73(10):108702

doi: 10.7498/aps.73.20240159

目前，基于纳米孔的传感器已经成为了分析生物标志物的重要工具，包括但不限于核酸，蛋白质以及其他在生命活动中发挥重要作用的分子。作为一种创新的单分子检测技术，纳米孔传感本身并不具有特异性，通过表面官能化以及分子探针技术可以提升纳米孔传感对样本中的目标生物标志物的响应灵敏度。本文首先介绍了纳米孔传感的原理、分类，然后讨论了纳米孔表面改性的方法以及近年来纳米孔传感中待测分子特异性增强技术的发展和应用，特异性增强技术主要包含表面官能化以及分子探针两种形式，其中表面官能化以官能化分子类别分类，分子探针以载体形式分类。最后，本文总结了纳米孔传感仍然存在的若干挑战，并对纳米孔未来发展提出了若干建议。

同行评价

纳米孔是近十年较为热门的生物单分子探测技术，其位点甄别和精准读取一直是大家较为关心的方向，在生物医学、药物机理、疾病早期筛查诊断等方面有着广泛的应用前景。作者全面介绍了纳米孔传感的原理和类别，主要总结了表面官能化以及分子探针在纳米孔传感中应用的最新进展，并对纳米孔的未来发展和挑战提出建议。论文选题新颖、总结及时。

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基于深度学习的微纳光纤自动制备系统

刘鸿江，刘逸飞，谷付星

物理学报, 2024, 73(10):104207

doi: 10.7498/aps.73.20240171

在微纳光纤拉锥制备过程中，对直径的大范围、高精度和动态实时性测量是实现低损耗传输和色散调控的关键。针对现有传统制备方法直径调控范围小、操作复杂及耗时长等问题，本文基于深度学习神经网络算法实现了微纳光纤自动检测系统。利用计算机视觉中的图像分割方法，通过制作高质量多尺度微纳光纤数据集，使用基于小目标检测改进的YOLOv8−FD算法对微纳光纤直径进行自动检测。在数据集中获得了平均均值精度高达mAP^IoU=50 = 0.975和mAP^IoU=50—95 = 0.765的性能参数。实验结果表明，该系统可实现微纳光纤直径462 nm—125 μm范围，误差2.95%以内的测量和自动化制备，并随着光纤直径增长，误差逐渐缩小，且该系统光学成像单个像素分辨率为65.97 nm，平均检测时间为9.6 ms。本文工作适用于对微纳光纤的高精度实时测量和自动精确制备，为低损耗传输和色散可调的微纳光纤器件发展提供新的思路。

同行评价

论文演示了一种通过深度学习神经网络算法对微纳光纤图像进行处理并得出其直径的检测方法，该方法用于微纳光纤的拉锥制备装置，从而实现对光纤直径的实时测量，对微纳光纤制备及应用的实际研究很有帮助。

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间接驱动相关条件下的大空间尺度对流受激拉曼侧向散射

曾嘉乐，练昌旺，季雨，闫锐

物理学报, 2024, 73(10):105202

doi: 10.7498/aps.73.20240045

利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM，对神光III原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究。模拟结果表明，在该参数条件下，真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程。入射光的焦斑大小是影响对流受激拉曼侧向散射的关键因素：在光强保持不变的条件下，真空腔和充气腔中受激拉曼侧向散射的对流增益会随焦斑增大而增大，而在功率保持不变的条件下，会随焦斑增大而减小。因此改变焦斑尺寸是调控受激拉曼侧向散射对流增益的有效途径。

图6 真空腔模拟结果 (a) SRS散射光光强的空间分布(焦斑直径取200 μm，与Case I对应)，白色长虚线区域为SRSS光强较大的区域，白色短点虚线区域为入射光所在区域；(b) SRS散射光光强的空间分布(焦斑直径取1200 μm，与Case II对应)；(c) SRBS频谱(D = 200 μm时与Case I对应，D = 1200 μm时与Case II对应)；(d) SRSS频谱

同行评价

本文对惯性约束聚变中的激光等离子体不稳定性其中一种受激拉曼侧向散射进行了模拟研究，研究结果基本符合理论预期，对于惯性约束聚变研究具有一定的科学意义和价值。

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基于SnS₂/In₂O₃的气体传感器及其室温下高性能NO₂检测

陈进龙，陶然，李冲，张健磊，付琛，罗景庭

物理学报, 2024, 73(10):106801

doi: 10.7498/aps.73.20231554

NO₂是一种有毒气体，能与空气中的其他有机化合物发生反应，造成空气污染并对人体有很大的危害。因此，需要一种气体传感器来检测NO₂。然而，传统的NO₂传感器很难在室温(25 ℃)下工作。本研究报告了SnS₂/In₂O₃的室温(25 ℃) NO₂气体传感，采用热注入法和水热法制备了In₂O₃量子点和SnS₂纳米片。凭借SnS₂独特的二维结构，在其上装饰In₂O₃，复合增强了其传感性能，产品采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)进行表征。结果表明，SnS₂/In₂O₃传感器对体积分数为1×10^–6 NO₂的响应为26.6，响应和恢复时间分别为146 s和243 s。由于异质结结构增加了活性位点的数量，加速了气体的传输，促进了电荷转移和气体解吸，提高了NO₂气体传感性能。这种优异的传感性能在NO₂检测中具有广阔的应用前景。

同行评价

本文提出了一种新的基于SnS₂/In₂O₃纳米结构敏感材料的室温气体传感，突破了室温下传统检测极限，在电化学气体传感器的材料方面有创新，这项工作对于NO₂的低浓度检测必不可少，具有应用价值。文中图表清晰，有较强的说明性。

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基于微尺度光学偶极阱的一维单原子阵列的实验制备

刘岩鑫，王志辉，管世军，王勤霞，张鹏飞，李刚，张天才

物理学报, 2024, 73(10):103701

doi: 10.7498/aps.73.20240135

光学偶极阱俘获的中性原子阵列是多体物理、量子计算、量子模拟等领域的重要实验平台。本文详细介绍了制备包含40个铯原子的一维均匀单原子阵列的实验过程，包括偶极阱阵列的产生装置、原子阵列荧光成像以及偶极阱阵列均匀性优化。偶极阱阵列的非均匀性主要是由声光偏转器(AOD)衍射效率的非线性和多频率射频信号在功率放大过程中的互调效应引起。测量偶极阱光强和受俘获原子光频移的起伏并反馈优化施加于AOD多频率射频信号的相位和振幅，将偶极阱阵列的强度均匀性优化为2%。另外，实验测量了偶极阱阵列内原子的振荡频率、装载率和寿命的均匀性。结果显示，振荡频率均匀性为2%；单原子平均装载率为58%，阱中原子的光谱一致性为3%；单原子暗阱平均寿命约为6(1) s，不同原子寿命的起伏为8%。

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同行评价

中性原子阵列是目前研究量子计算和量子模拟的重要物理系统，这篇文章主要介绍了作者在中性原子阵列系统搭建的实验进展，这些实验为进一步的量子模拟或量子信息处理和计算打下了基础。

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基于微纳光纤双模式干涉的亚波长聚焦光场及光捕获应用

吴婉玲，王向珂，虞华康，李志远

物理学报, 2024, 73(10):100401

doi: 10.7498/aps.73.20240181

本文报道了一种基于微纳光纤中双模式干涉的亚波长聚焦方法。利用微纳光纤中两种特定导模在微纳光纤端面处的干涉效应，在微纳光纤端面出口处获得了具有单焦点或多焦点的聚焦光场，并可通过调节两个模式之间的相位差、功率比分别实现聚焦光场的焦深、焦斑相对强度调谐，从而实现对纳米颗粒可调谐的选择性捕获。根据聚焦光场中不同焦点处所对应的捕获刚度和势阱深度的不同，可以对不同大小的纳米颗粒实现分类。这种微型化全光纤的亚波长聚焦方法，将可应用于操纵纳米颗粒、超分辨率光学成像和纳米光刻等领域。