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亮点文章 | 《物理学报》2024年第6期

已有 228 次阅读 2024-4-10 11:35 |系统分类:论文交流

封面文章

用于多通道单分子定位的高精度图像配准方法

林丹樱，龚振权，黄黎琳，聂梦娇，于斌，屈军乐

物理学报, 2024, 73(6):068701.

doi: 10.7498/aps.73.20231695

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制，在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用。多通道单分子定位采用多个成像通道，可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像，也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度。但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析，因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节；且由于单分子定位精度高，其对多通道图像配准精度的要求也很高。现有技术一般采用基于控制点的配准方法，且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对，以实现高精度图像配准，对样品或实验设备要求高，难以直接推广。为此，本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除，发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法，通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选，以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对，从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响，同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计，以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形。结果表明，采用该方法只需要3次迭代，就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除，从而实现更准确的变换模型参数估计，将配准精度提高一个数量级，在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度。

图5 平行线模拟样品的超分辨重构结果比较 (a)不同情形数据的重构图像：1-无误差数据；2-有误差未配准数据；3-AT配准数据；4-2PF配准数据；5-PWL配准数据；6-LWM配准数据；7-LWM+EMP-FRE配准数据；(b)—(d)图(a)中3个白色方框处对应的截面轮廓曲线

同行评价

本文针对单分子定位技术中采用随机分布的荧光珠样品作为基准物进行图像配对时，由于荧光控制点定位不准确导致多通道图像配准精度较低这一问题展开优化研究。本文最大的亮点与创新性在于通过LWM（局部加权平均）和EMP-FRE（剔除误匹配点-检测控制点基准配准误差）两种方法的结合，将迭代次数和匹配精度进行了一个数量级的提升，从而将其能够更好地应用于多通道单分子定位的图像配准中。

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特邀综述

非互易拓扑光子学

王子尧，陈福家，郗翔，高振，杨怡豪

物理学报, 2024, 73(6):064201.

doi: 10.7498/aps.73.20231850

拓扑光子学的提出与发展为从根本物理原理上解决传统光学器件易受干扰的问题提供了新思路，基于拓扑保护的新型鲁棒光场调控极大地提高了光学器件的传输效率和稳健性。其中，基于时间反演对称性破缺的非互易拓扑光子学及其手性拓扑态是拓扑光子学的重要分支，其拓扑特性由非零陈数或陈矢量表征，表现出超越互易拓扑光子学的严格拓扑保护鲁棒性。本综述将重点介绍非互易拓扑光子学在探索新奇物理现象(手性/反手性边界态、反常非互易拓扑边界态、三维光学陈绝缘体、磁性外尔光子晶体等)和构建非互易鲁棒拓扑光学器件(单向光波导、宽带慢光延迟线、任意形状拓扑激光器、大轨道角动量相干光源等)等方面取得的显著成果。最后对非互易拓扑光子学的发展现状、潜在挑战以及可能取得的突破进行了展望。

图4 (a) 手性边界态的多重布里渊区缠绕产生宽带拓扑慢光^[104]; (b) 拓扑频率路由^[77]; (c) 三维光学陈绝缘体手性表面态的单向鲁棒传输^[51]; (d) 基于第二陈数的拓扑单向光纤^[45]; (e) 形状任意非互易拓扑激光器^[57]; (f) 基于二维非互易拓扑光子晶体的拓扑涡旋激光器^[107]; (g) 手性腔量子电动力学^[53] ([45] Lu L, Gao H, Wang Z 2018 Nat. Commun. 9 5384; [51] Liu G G, Gao Z, Wang Q, et al. 2022 Nature 609 925; [53] Owens J C, Panetta M G, Saxberg B, et al. 2022 Nat. Phys. 18 1048; [57] Bahari B, Ndao A, Vallini F, et al. 2017 Science 358 636; [77] Wang Y N, Wang H X, Liang L, et al. 2023 Nat. Commun. 14 4457; [104] Chen F J, Xue H R, Pan Y, et al. 2023 arXiv: 2208.07228 [physics.app-ph]; [107] Bahari B, Hsu L, Pan S H, et al. 2021 Nat. Phys. 17 700)

同行评价

该综述对非互易拓扑光子学领域的研究进展和现状进行了全面系统的总结。在总结大量文献的基础上，内容全面详实，引用结果及文献真实可靠，整体结构合理，逻辑清晰，语言通顺，有利于读者全面了解该领域的发展脉络及前沿现状，具有较大的学术参考价值。

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综述

半导体缺陷的电子结构计算方法研究进展

李晨慧，张陈，蔡雪芬，张才鑫，袁嘉怡，邓惠雄

物理学报, 2024, 73(6):066105.

doi: 10.7498/aps.73.20231960

半导体材料的掺杂与缺陷调控是实现其应用的重要前提。基于密度泛函理论的第一性原理缺陷计算为半导体的掺杂与缺陷调控提供了重要的理论指导。本文介绍了第一性原理半导体缺陷计算的基本理论方法的相关发展。首先，介绍半导体缺陷计算的基本理论方法，讨论带电缺陷计算中由周期性边界条件引入的有限超胞尺寸误差，并展示相应的修正方法发展。其次，聚焦于低维半导体中的带电缺陷计算，阐述凝胶模型下带电缺陷形成能随真空层厚度发散的问题，并介绍为解决这一问题所引入的相关理论模型。最后，简单介绍了缺陷计算中的带隙修正方法及光照非平衡条件下掺杂与缺陷调控理论模型。这些工作可以为半导体，特别是低维半导体，在平衡或非平衡条件下的缺陷计算提供指导，有助于后续半导体中的掺杂和缺陷调控工作的进一步发展。

同行评价

半导体缺陷计算，特别是半导体缺陷形成能的修正方法在过去十多年取得了较大的进展，但目前在国内的期刊中尚没有对于该领域有完整的综述论文，此篇进展报告很好地填补了该空缺。该进展报告涵盖了缺陷计算领域在过去十几年中发展的新方法、新理论，为国内的读者提供了更加通俗易懂的解释。

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综述

Kagome超导体AV₃Sb₅ (A = K，Rb，Cs)的掺杂效应

李永恺，刘锦锦，张鑫，朱鹏，杨柳，张钰琪，吴黄宇，王秩伟

物理学报, 2024, 73(6):067401.

doi: 10.7498/aps.73.20231954

Kagome材料为研究电子关联效应、拓扑物态、非常规超导电性和几何阻挫等新奇物理现象提供了良好的平台。最近，Kagome超导体AV₃Sb₅ (A = K，Rb，Cs)在凝聚态物理领域引起了广泛关注和研究，国内外多个课题组通过化学掺杂对其物性进行有效调控，为进一步理解和认识该体系材料提供了巨大帮助。本文综述了AV₃Sb₅掺杂研究的最新进展，对这一快速发展材料体系的掺杂效应进行了总结，以促进Kagome超导体AV₃Sb₅的进一步探索和研究。具体地说，回顾了CsV₃Sb₅中Nb，Ta，Ti和Sn的原子掺杂，以及Cs，O等元素表面掺杂对材料量子效应和电子能带结构的影响，讨论了掺杂对物性调控的物理机制。为进一步理解和研究该材料体系的电荷密度波、时间反演对称性破缺、超导电性等丰富量子效应提供相关基础。

图12 (a) CsV₃Sb₅的能带结构，不同颜色代表了不同轨道能带的特征；(b)母体和Cs处理后样品在Γ点附近的ARPES强度的比较^[70]；(c)在T = 120 K沿ΓKM方向测得的ARPES强度与波矢、结合能的依赖关系；(d)与(c)相同，但是Cs处理后的样品；(e) CsV₃Sb₅随空穴掺杂含量变化的相图^[71]( [70] Nakayama K，Li Y K，Kato T，et al. 2022 Phys. Rev. X 12 011001；[71] Song Y，Ying T，Chen X，et al. 2021 Phys. Rev. Lett. 127 237001)

同行评价

本文对具有Kagome结构的AV₃Sb₅超导化合物的最新进展进行了综述，讨论了Nb，Ta，Ti和Sn等元素的替代对其电子结构、CDW态和超导电性的影响，具有参考价值。

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综述

钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响

王静，高姗，段香梅，尹万健

物理学报, 2024, 73(6):063101.

doi: 10.7498/aps.73.20231631

基于钙钛矿太阳能电池材料独特的光电特性，特别是光电转换效率在初期短时间内的快速提升，使其成为当前光伏领域中最富吸引力的光吸收材料之一。然而，近年来转换效率的增长步入缓慢阶段，同时材料的长期稳定性也成为商业化应用的关键挑战，这些问题背后的物理机制与材料缺陷密切相关。为进一步提高电池效率和结构稳定性，必须深刻理解和精准地掌握这些缺陷的特性。本文全面回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响，包括传统刚性模型缺陷、非常规性缺陷、复合型缺陷、离子迁移和缺陷对载流子寿命的影响，论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性，并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望。

图2 卤化铅钙钛矿电池材料中的12种本征缺陷^[22]。V_M表示M空位，M_i表示M间隙，M_N表示被M取代的N位，其中M和N表示APbX₃中的离子( [22] Xue J, Wang R, Yang Y 2020 Nat. Rev. Mater.5 809 )

同行评价

本文全面总结和分析了钙钛矿太阳能电池材料缺陷对器件性能与稳定性的影响，回顾了钙钛矿材料中各类缺陷对光伏性能和稳定性的影响，论述了缺陷与材料结构稳定性之间的紧密关联性，并对未来关于缺陷的研究方向进行了展望。

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综述

分子体系自由能地貌图的变分分析及AI算法实现

杜泊船，田圃

物理学报, 2024, 73(6):068702.

doi: 10.7498/aps.73.20231800

精确描述复杂分子体系的自由能地貌图是理解和操控其行为，并进一步实现分子设计制造工业化的重要基础。刻画高维空间自由能地貌图的主要挑战是其往往在不同时空间尺度上具有多个层次，每个层次都可能有不止一个亚稳态被相应的自由能垒分开，且跨越路径有可能不止一条。另外很多体系涉及非线性行为，这使得理论解析和直接使用分子模拟都有很大困难。针对这些挑战，多年来研究者们发展了多种多样的增强采样方法，但往往需要很多经验选择和操作，从而一方面使得研究进程较为缓慢，另一方面也让误差控制成为困难。变分虽然在物理、统计和工程中已经被广泛应用并取得巨大成功，但在复杂分子体系中的应用却随着神经网络的发展刚刚开始。本文将对这些探索性工作的主要方向、进展和局限进行简要总结，也对将来的可能发展给出展望，希望能够激发更多对基于变分的分子体系自由能地貌图人工智能算法的关注和努力，促进大分子药物、分子生物机器等实践应用的发展。

图1 自编码器神经网络架构示意图，蓝色部分表示编码器(encoder)函数f(·)，橙色部分表示解码器(decoder)函数g(·)，维度最低的绿色表示中间隐藏层(z)，对自编码器，损失函数是输出()与输入x_i的差别的函数(也可以加正则化项，如参考文献[58] (5)式所示)，每一个输入数据点对应隐藏层空间的一个点([58] Marquardt D W 1963 J. Soc. Ind. Appl. Math. 11 431)

同行评价

精确描述复杂分子体系的自由能地貌图是理解和操控其行为，并进一步实现分子设计制造工业化的重要基础。作者提出了基于变分算法的神经网络方法及其在分子体系自由能地貌图方面研究的前景。通过调查和查阅对相关探索性工作的主要方向、进展和局限进行了简要总结，展望了未来人工智能在大分子药物、分子生物机器中的应用，该综述展现了该研究领域的兴趣和意义。

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溶液法制备二维钙钛矿层提高甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池稳定性

刘思雯，任立志，金博文，宋欣，吴聪聪

物理学报, 2024, 73(6):068801.

doi: 10.7498/aps.73.20231678

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究，但CH(NH₂)₂PbI₃(FAPbI₃)固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展。特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性，表界面的缺陷与薄膜稳定性具有强相关性，缺陷的处理结果是提高长期稳定性的关键因素之一。除了界面工程，还有在表面叠加二维钙钛矿层的策略用于界面钝化。然而二维钙钛矿层的制备方法多数具有局限性。本文采用全溶液法的制备工艺，通过在FAPbI₃钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式，驱动了表面二维(2D)钙钛矿的形成，以减少薄膜表界面缺陷，成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池。与此同时，2D钙钛矿中长链分子的疏水性本质上提高了钙钛矿层对水分的容忍度。结果表明，含2D钙钛矿层的未封装器件在相对湿度(RH)为60%的室温环境空气中连续工作近1000 h后仍保持初始效率的80%以上。这种方法构建的2D钙钛矿层在不影响载流子传输性能的同时显著提高了薄膜与器件的长期稳定性，符合高质量钙钛矿太阳能电池的要求与发展趋势，是一种极具发展潜力的策略。

图4 电池器件的光电性能分析 (a) 钙钛矿太阳能电池的器件结构图；(b) 3D钙钛矿与2D-3D钙钛矿器件的J-V曲线；(c)—(f) 20组钙钛矿器件的光伏性能参数统计图

同行评价

文章描述了创新性采用全溶液法制备工艺，通过在FAPbI₃钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式，驱动了表面二维钙钛矿的形成，成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池。作者重点研究了提升甲脒基钙钛矿薄膜的稳定性，对采用该方法制备的混合维钙钛矿太阳能电池进行了全面表征，证实了创新性方法对光电功能层薄膜的稳定性与器件的光电转换效率的实质性提升，对钙钛矿太阳能电池发展意义较大。

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基于GaN/(BA)₂PbI₄异质结的自供电双模式紫外探测器

张盛源，夏康龙，张茂林，边昂，刘增，郭宇锋，唐为华

物理学报, 2024, 73(6):067301.

doi: 10.7498/aps.73.20231698

紫外探测器作为智能光电系统的重要组成部分，近年来在诸多领域应用广泛，其中自供电异质结光电二极管的研究显得尤为重要。本文制备并讨论了一种双模式运行的GaN/(BA)₂PbI₄异质结紫外光电二极管。通过金属有机化学气相沉积法在蓝宝石上沉积GaN薄膜，再在GaN薄膜表面旋涂(BA)₂PbI₄薄膜，用于构建平面异质结探测器。当在+5 V偏压驱动、光强为421 μW/cm²的365 nm紫外光照射下，响应度(R)和外量子效率(EQE)分别为60 mA/W和20%。在自供电模式下，上升时间(τ_r)和衰减时间(τ_d)分别为0.12 s和0.13 s。这些结果共同证明了基于GaN/(BA)₂PbI₄异质结的自供电紫外光电二极管拥有旷阔的发展前景，为智能光电系统的发展提供了新的思路。

图4 GaN和(BA)₂PbI₄的电流-电压特性曲线.

同行评价

本文介绍了一种基于GaN/(BA)₂PbI₄异质结的光电二极管紫外探测器，实现了自供电模式下的运行和双模式探测。本工作对紫外光电探测器件的设计制造以及智能光电系统的发展具有一定贡献。

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高频率分辨的金刚石氮-空位色心宽频谱成像技术

申圆圆，王博，柯冬倩，郑斗斗，李中豪，温焕飞，郭浩，李鑫，唐军，马宗敏，李艳君，伊戈尔∙费拉基米罗维奇∙雅明斯基，刘俊

物理学报, 2024, 73(6):067601.

doi: 10.7498/aps.73.20231833

高分辨率宽频谱测量技术在天文学、无线通信、医学成像等领域具有重要应用价值。金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy，NV)色心因其高稳定性、高灵敏度、实时监测、单点探测以及适用于长时间测量等特性已成为频谱分析仪备受关注的选择。目前，基于NV色心作为探测器的宽频谱分析仪能够在几十GHz频带内进行实时频谱分析，然而其频率分辨率仅达到MHz水平。本文通过搭建结合连续外差技术的量子金刚石微波频谱成像系统，利用磁场梯度对NV色心谐振频率进行空间编码，成功获取了900 MHz—6.0 GHz范围内完整的频谱数据。在可测频谱范围内，系统进一步采用连续外差的方法，同时施加谐振微波和轻微失谐的辅助微波对NV色心进行有效激发，增强了NV磁强计对微弱微波信号的响应。该方法使系统在可测频谱范围内实现了1 Hz的频率分辨率，并能够对间隔为1 MHz扫频步进的多个频点的频率分辨率进行单独测量。以上研究结果表明基于NV色心的宽频谱测量可实现Hz级频率分辨，为未来的频谱分析和应用提供了有力的技术支持。

图4 叠加磁铁在不同位置相对应的微波频谱图像

同行评价

本文通过搭建结合连续外差技术的量子金刚石微波频谱成像系统，利用已知磁场梯度对NV 色心谐振频率进行空间编码，成功获取了900 MHz—6.0 GHz范围内完整的频谱数据。高分辨率宽频谱测量技术在多个科学研究领域都有着重要的应用价值。文中的研究结果表明基于NV 色心的宽频谱测量可实现Hz级频率分辨，为未来的频谱分析和应用提供了有力的技术支持。

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Mn₃Sn薄膜磁相变的输运表征

谭碧，高栋，邓登福，陈姝瑶，毕磊，刘冬华，刘涛

物理学报, 2024, 73(6):067501.

doi: 10.7498/aps.73.20231766

六角笼目(Kagome)相拓扑反铁磁材料近年来引起了人们极大的研究兴趣，这主要是因为它们拥有众多独特的性能，例如虽然净磁矩跟反铁磁材料一样接近零，但确有与铁磁性材料强度相当的磁电、磁光和磁热效应，极具应用价值。以上的这些特性绝大多数都与其磁结构紧密相关，然而人们却发现其磁结构对于生长条件和材料成分非常敏感。因此，开发一种简单、普适的Kagome相拓扑反铁磁材料磁结构相变测量方法，对于大多数难以获得高能中子衍射等先进实验手段的实验室来说，无论是材料的生长优化还是物理现象机理的理解都具有重要的意义。本文采用脉冲激光沉积方法在()取向的Al₂O₃单晶衬底上成功外延制备了高质量()取向的六角Kagome相Mn₃Sn薄膜，并系统地测量了不同温度下该Mn₃Sn薄膜的磁性和磁输运特性。结果发现，该Mn₃Sn薄膜的磁化曲线、霍尔电阻率曲线和磁电阻曲线在其三类磁相变温度中的某些或全部均表现出一定的异常特征。这些特征可以作为该六角Kagome相Mn₃Sn薄膜中磁相变的证据，甚至用于测量这些磁相变的温度。本工作有助于进一步推动六角Kagome相拓扑反铁磁材料在自旋电子器件中的应用。

图5 (a)—(c)不同温度下磁电阻(MR)随磁场(H)的变化；(d) MR随温度的变化

同行评价

作者采用PLD制备出高质量()取向的Mn₃Sn薄膜，利用变温磁滞回线和反常霍尔效应研究了Mn₃Sn的相变温度，作为中子衍射探究磁结构的重要补充，具有较大意义。

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基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

张云杰，王旭阳，张瑜，王宁，贾雁翔，史玉琪，卢振国，邹俊，李永民

物理学报, 2024, 73(6):060302.

doi: 10.7498/aps.73.20231769

在连续变量量子密钥分发系统中，同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术。本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序，采用时域差拍探测方式和峰值采集技术，实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发。通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐，无需借助软件算法实现数据的对齐。本文采用了加拿大滑铁卢大学 Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法。该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩，以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率。计算过程中无需假设信道为线性信道，无需额外噪声的估算。密钥分发系统重复频率为10 MHz，传输距离为25 km，平均安全密钥比特率为24 kbit/s。本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步，减小了系统的复杂度和计算量，在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积，有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性。

图6 各平移热态正交分量的一阶矩和二阶矩的测量值 (a) 平移热态ρ₀^th测量值；(b) 平移热态ρ₁^th测量值；(c) 平移热态ρ₂^th测量值；(d) 平移热态ρ₃^th测量值

同行评价

文章基于四态离散调制协议，设计并实验实现了一种基于硬件同步的连续变量量子密钥分发系统。通过巧妙设计系统的时序，可基于硬件层面实现数据帧同步，避免了软件层算法的使用。该方法降低了系统对AD采样速率的需求和计算量，能够有效地降低功耗，成本和体积，增强连续变量量子密钥分发系统的实用性。

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基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器

张逸飞，刘媛，梅家栋，王军转，王肖沐，施毅

物理学报, 2024, 73(6):064202.

doi: 10.7498/aps.73.20231657

金属纳米颗粒低聚体不仅具有等离激元共振效应实现光场亚波长范围内的局域化和增强，还可以通过泄漏光场相互干涉实现法诺共振和连续态中的束缚态，从而使得电磁场更强的局域和增强。本文采用金纳米低聚体超构表面作为石墨烯/硅近红外探测器的天线，实现了光响应度2倍的增强；通过调节纳米金属低聚体间夹角，发现当该夹角为40°时，光电流达到最大值，对应法诺共振最大的透射率，此时天线不仅汇聚光场能量还定向发射给探测器；当该夹角为20°时，光电流出现一个低谷，此时能量局域于低聚体内，金属损耗减弱了等离激元增强效果。该工作通过时域有限差分法仿真和实验相结合研究了低聚体超构表面光电耦合效率的动态过程，为提高光电探测效率提供了一种重要的途径。

图2 纳米天线阵列SEM表征图 (a)纳米天线结构示意图；(b)一个周期单元结构和参数示意图；(c)，(d)纳米天线SEM 表征图，阵列的周期d = 1750 nm，同一周期中每个纳米颗粒之间的间距为100 nm，θ分别为0°和40°

同行评价

该工作研究了金属纳米颗粒构造的“类分子”对石墨烯-硅近红外探测器性能的影响和及其优化，作者进行了较为系统的实验和FDTD模拟工作，所得结果对等离器件应用有积极意义。

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基于实稳定方法的原子核单粒子共振相对论Hartree-Fock模型

杨威，丁士缘，孙保元

物理学报, 2024, 73(6):062102.

doi: 10.7498/aps.73.20231632

利用坐标空间的实稳定方法，在相对论 Hartree-Fock (RHF)理论框架下发展了原子核单粒子共振态结构模型。具体以¹²⁰Sn的低激发中子共振态为例，探讨了交换项在影响共振能量、宽度以及自旋-轨道劈裂等性质中的作用。相较于一般的相对论平均场(RMF)理论，RHF中交换项的引入改变了核介质中有效核力的动力学平衡机制，进而影响共振态单粒子势的描述。对于一般的宽共振态，这可能导致相对更低的共振能量和更小的共振宽度。此外，对¹²⁰Sn共振态中νi_13/2与νi_11/2自旋伙伴态，还分析了交换项对其自旋-轨道劈裂的相关效应。与束缚态情形相比，共振态中自旋伙伴态的波函数可能存在显著区别，单粒子有效势与能量也相应发生改变。结果表明，不仅自旋-轨道相互作用，单粒子有效势中其他成分也是影响共振态自旋-轨道劈裂的重要因素。

图4 (a)不同CDF有效相互作用下¹²⁰Sn中子νj_15/2共振态的径向大分量波函数；(b)对中子νj_15/2共振态，PKO3与PKDD有效相互作用下类薛定谔方程中单粒子有效势和单粒子能级，其中实线是总的势场，虚线为直接项贡献，阴影区域为交换项产生的影响

同行评价

本文将密度依赖的相对论Hartree-Fock理论拓展应用于原子核中单粒子共振态性质的研究，通过采用坐标空间的实稳定方法，发展了原子核单粒子共振RHF模型，以¹²⁰Sn原子核为例，阐明了交换项对共振态结构的影响。该方法可以较为方便地实现原子核单粒子共振态中特征量的提取，对于研究原子核中单粒子共振的相关性质、原子核稳定性和衰变特征等具有一定的理论价值。

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基于超级电容器的充放电电路系统研制及其在EAST限制器探针测量中的应用

张问博，刘少承，廖亮，魏文崟，李乐天，王亮，颜宁，钱金平，臧庆

物理学报, 2024, 73(6):065203.

doi: 10.7498/aps.73.20231697

EAST限制器探针安装在低场侧限制器，在环向上共有两个阵列，可以同时工作在悬浮电位测量、离子饱和流测量和扫描单探针模式。当朗缪尔静电探针运行在离子饱和流测量模式时，需要为其提供稳定的偏压。本文采用大容量电容器为探针提供偏压，相比于其他磁约束聚变装置上使用的9 V干电池组，大容量电容器具有电压设置灵活、易于维护和环保等优点。为此，研发和测试了整套超级电容器的充放电控制电路。本文还基于Python语言开发了超级电容器充放电控制电路的控制软件，通过该软件可以实现对电路的远程控制和自动控制。经实验测试，电容器充放电控制电路可以在长脉冲放电条件下为探针输出稳定的偏压，适用于磁约束聚变的复杂电磁环境。通过将超级电容器充放电控制电路应用于EAST限制器探针诊断，测量了2.45 GHz和4.6 GHz两种低杂波加热条件下刮削层等离子体离子饱和流、悬浮电位、电子温度和密度等特征参数的三维分布，发现2.45 GHz低杂波加热时刮削层电子密度较高，而双波协同加热时刮削层电子密度最高。这一系列测试与物理实验充分验证了超级电容器充放电控制电路的可靠性和稳定性。

图1 超级电容器充放电控制电路设计图

同行评价

本文研发和测试了基于超级电容器的静电探针所需的偏压电源，用以取代维护成本较高且污染环境的干电池组，出色地完成了EAST托卡马克的静电探针的诊断运行任务，具有明显的创新性。

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紧凑型冷原子高分辨成像系统光学设计

沈晓阳，成一灏，夏林

物理学报, 2024, 73(6):066701.

doi: 10.7498/aps.73.20231689

对真空腔内的冷原子进行高分辨成像通常需要原子与像平面之间保持较大的距离，这不利于成像系统在光学元件密集的冷原子实验中实现。设计了一套显著降低原子与像平面距离的高分辨成像系统，实现了1 μm的分辨率与50倍的放大率。仿真结果表明，通过改变透镜间距，可以适应0—15 mm厚度范围的真空窗口。该成像系统由数值孔径为0.47的显微物镜和有效焦距为1826 mm的远摄物镜组合而成。结合成像波长为470—1064 nm的仿真结果，该系统可以对钠、锂、铯等不同种类的原子进行高分辨成像。