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[转载]CPB2021年封面文章集锦

已有 312 次阅读 2021-12-31 11:54 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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      High-resolution bone microstructure imaging based on ultrasonic frequency-domain full-waveform inversion

Yifang Li(李义方), Qinzhen Shi(石勤振), Ying Li(李颖), Xiaojun Song(宋小军), Chengcheng Liu(刘成成), Dean Ta(他得安), and Weiqi Wang(王威琪)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (1):  014302

    骨骼组织超声成像一直是医学超声领域的研究难点。骨骼组织为异质化多孔复杂介质,超声传播存在严重的声速不均匀、相位畸变及衰减等问题,给骨组织超声成像带来挑战。传统的脉冲回波成像模式采用均匀背景声速设定,在没有声速分布的先验知识下,很难对不规则的骨内边界和骨微结构准确成像。为了克服传统方法的局限性,本文提出了一种超声计算机断层扫描(USCT)骨定量成像方法。该方法利用频域全波形反演(FDFWI),通过求解频域全波方程得到正演仿真声场。通过最小化仿真和测量声场之间的损失函数,利用从低频到高频离散分量依次迭代求解反问题。迭代算法采用拟牛顿法(L-BFGS)优化求解,获得骨骼组织声速和密度参数图像。通过骨管状仿体、单腓骨、胫骨-腓骨等数值模型验证本文成像方法性能。与高分辨率X射线外周计算机断层扫描术(HR-pQCT)相比,本文所提出的FDFWI方法能够清晰、准确地重建波长尺度的骨微结构信息。通过仿真证明,全波反演USCT能够重建高分辨率(亚毫米)骨骼超声图像,有望为骨组织基础病变的精确诊断提供超声影像学方法。


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     Evolution of domain structure in Fe3GeTe2

Siqi Yin(尹思琪), Le Zhao(赵乐), Cheng Song(宋成), Yuan Huang(黄元), Youdi Gu(顾有地), Ruyi Chen(陈如意), Wenxuan Zhu(朱文轩), Yiming Sun(孙一鸣), Wanjun Jiang(江万军), Xiaozhong Zhang(章晓中), and Feng Pan(潘峰)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (2):  027505

    近年来,二维磁性材料因其独特的物理特性而备受关注,由二维磁性材料堆垛的异质结器件为自旋电子学器件在纳米尺度上的小型化提供了可能。与块体磁性不同,二维铁磁材料的磁性对其厚度具有强烈的依赖性。研究二维磁性材料中磁畴结构随厚度的变化规律,对于更好地理解二维磁性具有重要意义。

    本文对二维铁磁材料Fe3GeTe2的畴结构和磁化翻转随厚度的变化进行了较为系统的研究和讨论。研究表明,随着Fe3GeTe2厚度的增加,磁畴由圆形畴转变为树枝状畴再转变为迷宫畴,该过程伴随着矫顽力的减小和磁滞回线由矩形逐渐变为倾斜。这种变化起源于随着Fe3GeTe2厚度的增加,能量由交换相互作用能主导转变为偶极相互作用能主导。本文的研究有助于我们更加深入地理解二维磁性,并有望推动基于二维磁性材料的磁畴操控技术发展和自旋电子学器件应用。


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    Transport property of inhomogeneous strained graphene

Bing-Lan Wu(吴冰兰), Qiang Wei(魏强), Zhi-Qiang Zhang(张智强), and Hua Jiang(江华)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (3):  030504

    近年来,非均匀应力导致的赝磁场在理论以及实验研究方面受到了广泛关注。与磁场类似,赝磁场也能形成边缘态以及赝朗道能级。但由于赝磁场保持体系的时间反演对称性,对应的边缘态以及赝朗道能级的输运性质与真实磁场中的情况可能截然不同。研究这些差异性有助于理解赝磁场中量子态的性质,对于后续更好地应用赝磁场具有重要意义。

    本文仔细研究了具有非均匀应力的类石墨烯体系中量子态的输运特性。我们发现,赝磁场中的边缘态在无序下并不具有“拓扑”相关的鲁棒性,即它的输运是有能量耗散的。其次,赝朗道能级的非零斜率使得它能在体内形成一维导电通道。由于真实磁场与赝磁场中量子态在输运特性方面的巨大差异,我们提出了一种通过外磁场调控的开关效应。这一效应对于赝磁场中的边缘态以及赝朗道能级都是适用的。本文的研究有助于更加深入地理解赝磁场,并有望推动基于赝磁场的器件研究。


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     Quantization of the band at the surface of charge density wave material 2H-TaSe2

Man Li(李满), Nan Xu(徐楠), Jianfeng Zhang(张建丰), Rui Lou(娄睿), Ming Shi(史明), Lijun Li(黎丽君), Hechang Lei(雷和畅), Cedomir Petrovic, Zhonghao Liu(刘中灏), Kai Liu(刘凯), Yaobo Huang(黄耀波), and Shancai Wang(王善才)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (4):  047305

    过渡金属二硫族化合物材料2H-TaSe2的电荷密度波形成机制一直以来都受到人们的密切关注,但仍是一个并悬而未决的问题。现在提出的多种理论猜测,如电声子耦合、费米面嵌套、鞍点散射、激子相凝聚等等,虽然能解释部分特征,但是都不能对这个材料中发生CDW相变作出令人信服的阐述。因此,研究此准二维材料的全空间布里渊区电子结构,对于理解这个相变发生具有重要意义。

    利用角分辨光电子能谱技术,能够有效地研究材料的全部能带特征。在本文中,作者细致研究了2H-TaSe2的全空间电子能带结构,观测到了位于布里渊区中心一直以来未曾报道过的能带,并且发现这个位于费米能之下的能带由于表面化学式弯曲形成了量子限制效应,进而形成量子化的能带。通过变光子能量实验发现,这个量子化的能带具有很好的三维特征。区别于通常的量子阱态具有很好二维特性,这里的量子态特征只在色散比较快的kz方向比较明显,也就是只在具有很强的三维轨道特征能带上出现。进一步的变温实验发现这里量子化之后的能带在CDW转变附近有能量移动。本文的研究或许能够帮助理解2H-TaSe2家族材料一直以来的的CDW机制问题以及提出新的理解思路。


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  NBN-doped nanographene embedded with five- and seven-membered rings on Au(111) surface

Huan Yang(杨欢), Yun Cao(曹云), Yixuan Gao(高艺璇), Yubin Fu(付钰彬), Li Huang(黄立), Junzhi Liu(刘俊治), Xinliang Feng(冯新亮), Shixuan Du(杜世萱), and Hong-Jun Gao(高鸿钧)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (5):  056802

    纳米石墨烯具有丰富多样的结构和电子性质,在未来信息器件中有重要的应用前景。对于石墨烯基纳米材料,细微的结构变化也会引起其物理和化学性质的显著改变,因此探索全新结构的纳米石墨烯有助于推动石墨烯纳米结构的研究及应用。将非六元环嵌入到六角结构的纳米石墨烯中,可以有效调控其电子结构,但是由于缺乏可行的合成方案,包含非六元环的石墨烯纳米结构在实验上很难可控地获得。

    本文报道了利用表面合成法成功制备氮硼氮掺杂,同时包含五元环和七元环的纳米石墨烯(NBN-575-NG)。该纳米石墨烯由特殊设计的前驱体分子在Au(111)基底上加热后脱氢环化生成,其产率高于95%。原子力显微镜图像清晰地分辨了NBN-575-NG中的五元环和七元环;扫描隧道谱和密度泛函理论计算均表明其具有良好的半导体性。电子态密度分布图显示,NBN-575-NG在引入非六元环和NBN杂质元素后仍然具有良好的非局域电子态特性。本工作扩充了现有纳米石墨烯的种类,为制备包含非六元环的石墨烯纳米结构提供了参考。

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   Emergent O(4) symmetry at the phase transition from plaquette-singlet to antiferromagnetic order in quasi-two-dimensional quantum magnets

Guangyu Sun(孙光宇), Nvsen Ma(马女森), Bowen Zhao(赵博文), Anders W. Sandvik, and Zi Yang Meng(孟子杨)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (6):  067505

    近年来,由于特殊价键固体(VBS)态的发现及其可能存在的低温退禁闭量子相变点,关于SrCu2(BO3)2材料的理论和实验研究受到科学家的广泛关注。对于其中的相变类型、临界物理特性等基本问题的探讨目前仍存在很大争议。Shastry Sutherland(SS)模型是描述该材料低温相变最理想的模型,然而SS模型上存在几何阻挫,无法实现量子蒙特卡洛(QMC)的大规模计算模拟,也无法给出令人普遍信服的数值结果。于是我们提出了一个没有阻挫的三维checker-board J-Q(CBJQ)模型,它能够描述SS模型中plaquette-singlet(PS)到antiferromagnetic(AFM)相的相变。CBJQ模型上的量子蒙特卡洛计算结果(Phys. Rev. Lett. 124, 206602 (2020))让我们相信三维CBJQ能够描述SrCu2(BO3)2中的量子临界特性。同时,二维CBJQ模型上发现的PS到AFM相是一个出现了涌现对称性的特殊一级相变(Nat. Phys. 15 678 (2019))。这些结果推动着我们去深入探索CBJQ模型,尝试了解系统从二维向三维过渡时会发生的变化,探讨SrCu2(BO3)2上能够观测到退禁闭量子临界或者临界点涌现对称的可能性。

    本工作通过量子蒙特卡洛数值计算,我们给出了包含温度和相互作用的完整相图,同时发现在PS、AFM和顺磁相三相点附近的区域内所有的相变都是一级相变。随层间相互作用增大涌现对称性逐渐消失,转变为传统一级相变。但考虑到真实实验材料下层间相互作用非常弱,仍然非常有可能处于存在涌现对称性的相变区间。这一计算结果完善了SrCu2(BO3)2 的相图,为实验更深入地研究SrCu2(BO3)2、继续探索存在涌现对称性的特殊相变提供了充足的数据支持和动力,我们有理由相信,SrCu2(BO3)2上极有可能观测到超越郎道范式的新的量子相变类型。

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    Superconductivity in an intermetallic oxide Hf3Pt4Ge2O

Chengchao Xu(徐程超), Hong Wang(王鸿), Huanfang Tian(田焕芳), Youguo Shi(石友国), Zi-An Li(李子安), Ruijuan Xiao(肖睿娟), Honglong Shi(施洪龙), Huaixin Yang(杨槐馨), and Jianqi Li(李建奇)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (7):  077403

    探索合成具有独特晶体结构和化学特性的新型超导体,是进一步推动超导研究的基础,也有助于人们更好地理解超导机理。本文报道了一种通过固相反应合成的新型金属间氧化物Hf3Pt4Ge2O及其超导电性。Hf3Pt4Ge2O晶体呈面心立方结构(空间群Fm-3m),晶格常数a = 1.2411 nm,其化学元素计量比和原子结构由电子显微镜和X射线衍射技术测定。通过电阻率、磁化率和比热测量,证实其在4.1 K时具有超导电性且表现为第II类超导特性。金属间氧化物Hf3Pt4Ge2O体系显示出一种有趣的结构特征,即外来氧原子可以被容纳在三元金属间化合物骨架的间隙位置。本文作者还成功合成了Hf3Pt4Ge2O1+δ (-0.25<= δ <= 0.5)系列样品,并得到了超导转变温度Tcδ的依赖关系。此外,第一性原理计算也支持原子结构和电子结构的合理性。综上,本文的研究结果展示了一个具有独特晶体结构和化学特性的全新的超导体家族,有望引起人们在此类金属间化合物体系中进一步寻找新超导体以及与5d电子相关的新奇物理的研究兴趣。

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    Stabilization of formamidinium lead iodide perovskite precursor solution for blade-coating efficient carbon electrode perovskite solar cells

Yu Zhan(占宇), Weijie Chen(陈炜杰), Fu Yang(杨甫), and Yaowen Li(李耀文)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (8):  088803

    与混合阳离子钙钛矿相比,甲脒碘化铅钙钛矿(FAPbI3)具有更低的带隙,也没有易挥发的甲胺基团,因而成为钙钛矿光伏的研究热点。通常把甲胺盐酸盐(MACl)作为添加剂加入到前驱体溶液中制备高效率FAPbI3钙钛矿太阳能电池。但是,即使稳定的钙钛矿前驱体溶液能够有效降低生产成本,但目前对FAPbI3钙钛矿前驱体溶液的稳定性的研究很少。本工作分别把MACl或氯化铯 (CsCl) 作为添加剂加入到钙钛矿溶液中,研究不同时间老化后的前驱体溶液对基于刮涂方法制备的FAPbI3钙钛矿薄膜质量的影响。结果表明,虽然两种添加剂都能很好地获得高质量的FAPbI3薄膜,但是MACl作为添加剂的钙钛矿溶液显示出较差的老化稳定性。这可能是由于老化过程中MACl分子的分解。而用CsCl代替MACl可以有效解决这一问题。即含有CsCl添加剂的钙钛矿溶液显示出良好的老化稳定性,即使溶液老化超过一个月,仍能制备出高质量的纯相FAPbI3钙钛矿薄膜。我们的研究成果表明,非常需要开发一种不含MACl的FAPbI3钙钛矿前体溶液,以经济高效地制备钙钛矿薄膜。

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    Strain-dependent resistance and giant gauge factor in monolayer WSe2

Mao-Sen Qin(秦茂森), Xing-Guo Ye(叶兴国), Peng-Fei Zhu(朱鹏飞), Wen-Zheng Xu(徐文正), Jing Liang(梁晶), Kaihui Liu(刘开辉), and Zhi-Min Liao(廖志敏)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (9):  097203

    应变传感器在许多领域有着广泛的应用,原子级厚度的应变传感器易于集成到各种纳米器件中,有望用于新一代电子皮肤,帮助需要健康监测、康复训练和智能假肢的人。

    本工作在单层WSe2中实现了高灵敏的应变传感,灵敏因子比目前商用应变传感器高100倍,比基于石墨烯的应变传感器高10倍。单层WSe2中巨大的应变灵敏因子得益于一个新原理,即应变可以产生贝里曲率偶极矩,造成额外的载流子散射,从而显著改变电导信号。本工作将为高性能原子级厚度的应变传感器研制提供新思路。

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    Widely tunable single-photon source with high spectral-purity from telecom wavelength to mid-infrared wavelength based on MgO:PPLN

Chang-Wei Sun(孙昌伟), Yu Sun(孙宇), Jia-Chen Duan(端家晨), Guang-Tai Xue(薛广太), Yi-Chen Liu(刘奕辰), Liang-Liang Lu(陆亮亮), Qun-Yong Zhang(张群永), Yan-Xiao Gong(龚彦晓), Ping Xu(徐平), and Shi-Ning Zhu(祝世宁)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (10):  100312

    通讯波段的高频谱纯度可预知单光子源在量子信息领域具有重要的应用,特别是中红外波段单光子源还可以应用到长距离量子通信、成像和气体测量等领域。一般来说,高频谱纯度光子源常使用窄带滤波的方法制备,这将大大降低单光子源的预知效率。因此在实验上如何制备高频谱纯度且保持高的预知效率的单光子源一直是一个亟需解决的关键问题。

    本文利用扩展相位匹配原理,在极化周期20.35μm、长度25 mm的单块掺镁铌酸锂晶体中实现了1644 nm到4922.9 nm的宽调谐的高频谱纯度和高预知效率单光子源。整个过程中,在宽带滤波片的滤波效率大于80%的情况下可将光谱纯度提升至0.95以上。本文除了从理论上进行数值模拟,还对实验制备的光子源进行联合谱强度测量(JSI)和二阶关联测试(g2(0)),实验结果与数值模拟结果吻合的很好。本文的研究有助于获得高品质的中红外波段单光子源和推动中红外量子信息技术的发展。

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    Electronic structures and topological properties of TeSe2 monolayers

Zhengyang Wan(万正阳), Hao Huan(郇昊), Hairui Bao(鲍海瑞), Xiaojuan Liu(刘晓娟), and Zhongqin Yang(杨中芹)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (11):  117304

    二维拓扑材料由于其深刻的物理内涵和非常广阔的应用前景吸引了凝聚态物理领域研究人员的极大关注。拓扑电子态是一种全新的量子物态,体系的表面态或边界态的电子输运特性由系统体态电子结构的拓扑性质决定。拓扑材料除了具有有趣的电输运特性以外,它的热电性能往往也非常显著。寻找实验室易于制备、观测的拓扑材料并探究其电子态及拓扑行为是当前拓扑材料研究领域的重点。通过对二维材料结构的设计,以及对材料电子结构和性质进行可控调制,可以为实现拓扑非平庸体系提供有效的思路。

    我们的工作是基于密度泛函理论以及Wannier函数方法,研究了二维单层TeSe2体系的电子态和拓扑特性,探讨了α-TeSe2,β-TeSe2,γ-TeSe2三种构型的稳定性。为了能够在该体系中实现量子自旋霍尔效应,对γ-TeSe2 费米能级之上1 eV附近的特征能带进行双轴应变调控。在压缩应变从1 %到6 %的过程中,可以调控出非零的全局特征能隙,且随着应变增加能隙呈现先增加后减小的趋势,在3.5 %压缩应变时,体系具有最大的0.14 eV的全局非平庸能隙。这一非单调能隙变化现象是由Se的pz轨道与Te的pxpy轨道相互作用减弱及局部能带色散减小相互竞争决定的。这一能隙的拓扑非平庸特性由Z2拓扑数以及边界态的计算来表征。体系的拓扑机制属于没有能带翻转的非狄拉克型的一类,不同于以往发现的许多量子自旋霍尔效应体系。施加正应变时,体系为拓扑半金属。

    本研究展示了γ型二硒化碲的拓扑特性,拓宽了人们对量子自旋霍尔系统的认识,为量子自旋霍尔绝缘体的实验观测和实际应用提供了新的候选材料。同时,基于这一机制,人们可以从更多的非狄拉克型半导体材料中寻找可以实现量子自旋霍尔效应的体系,这需要进一步地不断探索。

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    Topological Dirac surface states in ternary compounds GeBi2Te4, SnBi2Te4 and Sn0.571Bi2.286Se4

Yunlong Li(李云龙), Chaozhi Huang(黄超之), Guohua Wang(王国华), Jiayuan Hu(胡佳元), Shaofeng Duan(段绍峰), Chenhang Xu(徐晨航), Qi Lu(卢琦), Qiang Jing(景强), Wentao Zhang(张文涛), and Dong Qian(钱冬)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (12): 127901

    三维拓扑绝缘体是拓扑量子材料中体能带结构简单且拓扑表面态最具代表性的模型化拓扑材料。它可以和其他量子体系,例如超导材料和磁性材料等构成界面强耦合的异质结构,从而产生新奇物态或者新量子效应,在拓扑量子器件的研究中具有重要地位。为了更好地发挥拓扑表面态的作用,寻找具有比最典型的三维拓扑绝缘体Bi2Se3更大体能隙的三维拓扑绝缘体材料是研究人员重点关注的问题之一。在本工作中,研究者利用角分辨光电子能谱(ARPES)和时间分辨角分辨光电子能谱(tr-ARPES)研究了一类Bi基三元化合物(GeBi2Te4,SnBi2Te4 and Sn0.571Bi2.286Se4)的体态能隙和狄拉克表面态,以及表面态电子的超快时间弛豫。

    本实验通过trARPES直接测定了费米能级以上的非占据态信息,发现GeBi2Te4和SnBi2Te4的体能隙(在ARPES的探测深度内)要比DFT计算能隙大。同时,它们都具有狄拉克圆锥表面态,这和DFT计算给出的拓扑非平庸特性相符。其表面态中电子的超快弛豫过程和Bi2Se3非常类似。在非化学计量比Sn0.571Bi2.286Se4化合物中, 本实验直接观察到了狄拉克圆锥,在这类DFT很难计算的非化学计量比材料中直接利用实验确定了其拓扑特性。进一步的tr-ARPES发现,该体系和另外两种三元化合物明显不同,Sn0.571Bi2.286Se4的能隙很有可能超过Bi2Se3,成为现阶段能隙最大的三维拓扑绝缘体。本研究工作为基于三维拓扑绝缘体的研究工作提供了全新的模型体系。

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