基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体的拓扑界面传播特性

晶格缺陷(包括旋错和位错等)广泛存在于各种材料,并呈现出优异的物理和力学性能.在经典波动体系,晶格缺陷态首先应用于二维光学系统,实现了晶格缺陷激发的谷极化界面态和束缚态.本文设计了一种三维弹性声子晶体,其单胞在第一布里渊区的K-H方向线性简并.打破单胞的镜像对称性,该三维弹性声子晶体沿第一布里渊区K-H方向的简并线打开而形成完全带隙,激发出谷极化量子霍尔效应.将晶格缺陷态引入具有谷极化量子霍尔效应的三维弹性声子晶体,晶格畸变导致单胞谷极化拓扑相反转而形成界面,实现了弹性波在三维弹性声子晶体的稳健界面传播.基于晶格缺陷的谷极化三维弹性声子晶体拓扑界面态的实现,突破了传统经典波动系统拓扑波导设计的局限性,为三维复杂拓扑波导器件设计提供了良好的技术支撑.     

非厄米拓扑声学中新奇物态的研究进展

声波作为信息和能量的载体,在国民经济发展和国家安全建设中有着重要的作用.近些年来,声学与其他学科进行深度交叉,产生了许多新兴的研究热点.其中,非厄米拓扑声学的研究是一个快速发展的前沿领域,得到了科研人员的广泛关注.非厄米拓扑声学利用声学结构探索和发现非厄米拓扑物理的内涵,一方面,可以利用宏观经典平台较为便利地构建和表征新奇的物态;另一方面,可以加深认识并丰富声波调控的手段,以期反哺声学器件设计.本文综述了近期该领域取得的研究进展,重点介绍了非厄米性调制的声拓扑态、非厄米性单独引起的声拓扑态和声学非厄米趋肤效应三个方面的工作.最后,我们对非厄米拓扑声学研究面临的挑战作了简单讨论,并展望了未来可能的研究方向.     

面向声学操控和声学反演的拓扑声学与多相孔隙介质声学

<正>拓扑声学属于声学和凝聚态物理学研究中的新兴研究领域,是研究声波在特殊拓扑结构中传播的学问.它是基于物质拓扑态的概念,在凝聚态物理学中发展起来的,后来扩展到包括声学和光子学等其他学科.人们可以利用某些声学介质的拓扑性质,设计声超常材料以实现声学操控.可以说,拓扑声学是声学与拓扑学交叉融合的结果,是近代声学前沿研究热点之一.多相孔隙介质声学是研究声波与由多种物质组成的孔隙介质相互作用和应用的学问.     

声学超材料的非互易性研究进展

声学超材料的非互易性在声学整流、声拓扑和隔声降噪等领域具有重大的应用前景,引起了广泛的关注和研究.然而,互易性是线性系统中波动方程的基本性质,它源于系统的时间反演对称性.要打破系统的互易性,实现声波的非互易性是极其困难的.本文总结了声波非互易性的研究成果,主要从基于非线性介质、动态分量、磁弹性相互作用等实现声波非互易性的3种方法出发,给出了相应的原理、发展历程以及存在的问题.最后,指明了声波非互易性在未来研究的重要方向,以期为相关研究提供有效参考.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

缺陷对石墨烯纳米带金属度的弱化作用

通过在石墨烯纳米带(graphene nanoribbon, GNR)中引入一对跳跃参数相等的零模(即一对零模态的C–C键)构建金属石墨烯纳米带模型,在金属GNR模型的基础上建立单空位缺陷浓度为1.429%和2.857%的石墨烯纳米带模型,并基于密度泛函理论探究缺陷位置对其金属度的影响.研究表明:零模C–C键引入后, GNR表现出比未引入之前宽得多的金属带,其金属带宽由91.49 me V增加为452.92 meV.在金属GNR中,缺陷所处位置对引入单空位缺陷的难易程度影响较大.在GNR超晶胞中引入一个单空位缺陷时,缺陷对距离较近的零模C–C键产生的影响远强于较远的零模,这导致GNR几何结构对称性被破坏,局域的电荷转移加剧.当缺陷位置接近纳米带边缘时, GNR的电子特性容易发生改变,部分GNR带隙被打开,缺陷模型完成从金属向半导体的转变.在缺陷浓度为2.857%的GNR中,由于缺陷位置的对称设置, GNR在几何构型和电荷转移情况方面保留了其原始对称性,最大程度地保证了两零模间的跳跃幅度,使GNR保持金属性不变.石墨烯纳米带缺陷模型的金属带宽均低于仅引入零模C–C键的GNR模型金属带宽,...     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。     

含整体单极子的黑洞外部时空中的陀螺自转轴的进动效应

早期宇宙中真空相变可导致诸如单极子、宇宙弦一类的拓扑缺陷,这些缺陷的出现与局域或整体对称破缺有关。单极子和宇宙弦的出现可能会在宇宙中引起一些重要的、可观测的效应,也许对星系的形成产生影响。近来人们对单极子的研究十分感兴趣。Barriola和Vilenkin得到了在O(3)中整体单极子引力场。我们研究了现实局域单极子引力场。文献[8]讨论了在宇宙相变过程中由于整体单极子的形成而导致的量子引力粒子产生效应。文     

拓扑超导与马约拉纳费米子

拓扑超导体是由具有配对能隙的体态以及由马约拉纳(Majorana)费米子所组成的无能隙表面态所构成的,其中马约拉纳费米子的反粒子就是它自身.马约拉纳费米子态是研究非阿贝尔统计的理想平台,能构成容错型拓扑量子计算的拓扑量子比特,具有丰富的物理意义和巨大的潜在应用价值.因此,近年来拓扑超导体和马约拉纳费米子的研究在凝聚态物理领域吸引了许多关注.本文综述了在凝聚态物理领域内实现拓扑超导的不同方法,从零维到一维马约拉纳费米子态,即马约拉纳费米子束缚态到马约拉纳费米子边缘态,进行综合的阐述.这些马约拉纳费米子态分别是局域化的和传播的量子态,但仍保持着非阿贝尔统计规律和拓扑特性.对不同的材料系统,从一维的量子线到二维的材料平台,从混合系统到本征材料系统,都会进行详细的介绍和讨论.最后还总结了证明拓扑超导体的可能存在性的相关理论和实验结果,并展望实现拓扑量子计算的前景和手段.     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

LaTe_(2-δ)中电荷密度波及空位序调制结构扫描透射电子显微镜直接观察

高角环形暗场扫描透射电子显微技术(HAADF-STEM),不仅可以分辨晶体结构的空间原子分布,还可以直接显示晶体内原子种类的分布和缺陷结构;针对强关联材料,可以明确区别电荷密度波、空位序、离子序调制,对理解微观结构缺陷、局域对称性破缺具有重要意义.本文首先对稀土碲化物LaTe_(2-δ)体系结构调制进行了系统的透射电子显微镜分析,指出LaTe_(2-δ)中,除了q=(1/2)a*的公度电荷密度波调制,受缺陷掺杂调节的系列调制波矢为q=(1/2-α)a*的非公度电荷密度波调制,还存在调制波矢q_2=1/5(3a*+b*CDW)的超结构.高精度原子分辨HAADF-STEM实空间直接观察澄清,q_(CDW)和电荷密度波元激发伴随的单层Te原子层晶格畸变密切相关,q2调制结构的形成归结为单层Te原子层中的Te空位有序.HRTEM结果分析表明,LaTe_(2-δ)中,空位序的形成完全抑制了该体系的电荷密度波转变,两种调制结构以相分离的形式存在.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.     

声振动对秀丽隐杆线虫转向行为的影响

秀丽隐杆线虫是一种典型的模式生物,且其神经系统对光、电、热梯度以及化学药物等有反应.本文报道了声振动对线虫转向行为影响的研究.建立了一套实时的声波作用线虫的电脑成像系统,实现拍摄并统计分析指定区域内多条线虫的行为;基于粒子追踪与形状分析算法,量化线虫行为;利用OFV-5000模块化激光测振系统测量培养基在声波作用下的振动;通过改变声波的位移振幅及频率等参数探讨声振动对线虫转向行为的影响.定义声感系数来衡量线虫转向行为受声振动影响的大小.实验结果表明:秀丽隐杆线虫可以感受到声振动,并且对声振动具有一定的适应性;相对于野生型线虫N2,机械力感觉神经元存在缺陷的突变体线虫mec-4,mec-7对声振动的响应减弱,表明机械力感觉神经元参与了对声波的感应;对于同一频率的声波,位移振幅的增加刺激了线虫的转向行为;但在固定位移振幅下,随着频率的升高,线虫的转向行为呈现先增强后减弱的趋势.本文的工作为进一步探究声波对线虫神经系统的作用并用于治疗神经系统疾病奠定了理论及实验基础.     

电子散射对Woods-Saxon α粒子波函数的检验

α粒子的敲出和拾取反应,一直被认为是研究原子核的α粒子集团结构的有力手段之一。在这些反应的理论处理中,α粒子在核内的束缚态波函数是很重要的。为得到这个波函数,通常的作法是假定α粒子在核心提供的Woods-Saxon位阱中,做独立粒子运动;势阱的深度,由α粒子的分离能决定。这样求得的α粒子波函数可写为     

热声振荡器的二端口网络模型及起振条件

热声发动机的起振过程是发生在非均匀声介质中的自激振荡过程, 揭示各影响因素之间的耦合关系是热声学基础研究的重要课题. 将热声发动机视为由主动网络与被动网络组成的热声振荡器. 相应地, 推导了组件对应的二端口Y参数, 采用负阻模型和反馈模型分别描述了驻波和行波热声发动机, 并给出了对应的二端口网络拓扑, 应用Nyquist失稳判据获得了热声振荡器的起振条件. 模型预测的起振参数, 特别是起振频率及模态特征与文献实验报道相符; 此外, 通过拓扑图论证了驻波热声发动机起振于负阻状态、热声——斯特林发动机存在高频模态. 该方法通过考察热声系统的频域响应, 实现了以解析方式反映发动机运行参数和系统结构对起振模态、起振温度的影响; 能避免使用经验频率设计热声系统, 在系统设计阶段提供热稳定性校核的途径.     

质量起源和自然性问题

粒子物理中粒子质量的起源是一个很重要的基本问题.在粒子物理的标准模型中,粒子通过电弱对称破缺机制得到质量.近年来希格斯粒子的发现对于检验以及人们更深入地理解电弱对称破缺机制起到了里程碑的作用,但是理论中仍旧有一些重要的问题亟待解决,其中最关键的是如何稳定电弱对称破缺的能标,即所谓的自然性问题.为了解决这一问题,需要引入新物理来屏蔽高能标物理对希格斯粒子的质量修正.其中有两大类新物理模型可以解决希格斯的自然性问题:第一类是超对称模型,这类模型是通过费米和玻色子之间的对称性来消除希格斯质量的二次发散;第二类是复合希格斯模型,这类模型是通过希格斯的束缚态的特性来降低希格斯对高能标物理的敏感度.在超对称模型中,每一个标准模型场都会有一个超对称伴随子,这使得整个理论非常复杂,而复合希格斯模型却可以非常简单地解决自然性问题.本文首先综述标准模型中的希格斯机制以讨论希格斯的自然性问题;然后一般性地讨论超对称模型及其唯象;最后主要集中讨论复合希格斯模型,基于复合希格斯粒子物理模型,对解决希格斯自然性问题的理论挑战、研究现状以及解决方案进行详细阐述.     

量子非局域、量子纠缠及其可能揭示的新物理

爱因斯坦等人提出的EPR佯谬和Bell隐变量理论揭示了量子力学两个相互关联的重要特性:非局域性和量子纠缠.它们使得微观量子系统之间可以建立非局域的超越经典的关联.非局域性和量子纠缠是量子力学最本质的特征.这些性质的发现不仅为解决量子力学的基本问题提供了可能,同时也揭示了量子力学不同于其他力学的根本所在,为研究量子力学与经典力学、相对论之间的关系与融合提供了新的洞察.量子非局域性和量子纠缠还提供了研究多体物理(新的拓扑相)的新工具.     

量子格点系统的平衡时间尺度

平衡时间尺度问题是理解量子系统平衡化过程的一个重要的问题,此问题尚无一个广泛适用而又准确的解答.本文研究了量子格点系统的局域平衡时间尺度问题,通过平衡与纠缠熵的关系,给出一种新的平衡的判据,相对其他判据, Rényi熵的计算更简单,能与信息的传播相联系.对平衡时间上界,我们沿用观测上时间平均平衡这个判据.由于这个判据与观测对应,因此定义准确,但计算比较复杂.通过适当地假设系统的初始状态,我们给出了一个新的结果.由于对系统哈密顿量没有限制,此结果适用范围很广.此结果给出的平衡时间与具体观测相关,正比于能隙坐标下观测算符与初始密度矩阵乘积分布的二阶Rényi熵.当观测限于一个小区域时,平衡时间上界可被限制得很小.对于平衡时间下界,通过计算短程相互作用、指数衰减相互作用、长程相互作用系统的局域二阶Rényi熵变化率,我们给出了这些系统平衡时间新的下界.本文得到的平衡时间上下界对于理解量子系统平衡化具有重要意义.     

水声超材料研究进展

水声材料的应用是潜艇等水下航行器实现声隐身及提升声探测性能的关键所在.近年来,随着声学超材料的蓬勃发展,各种类型的水声超材料也被提出.相比空气声,水中声波波长更长,传播损耗却小得多,故水声比同频率空气声更难以控制;此外,水介质的密度和声阻抗比空气介质大得多,常规金属不能再被视为刚性而变成弹性体,且水对结构的流体负载不能忽略,故水声超材料的设计和性能预测更为复杂.本文综述了近年来水声超材料的发展历程,主要针对吸收型、去耦型、聚焦型三类与潜艇声隐身和声探测密切相关的水声超材料,对其分类、基本特性、物理机理、研究动态等进行了详尽归纳和总结,并对其发展中面临的难题和趋势进行了探讨和展望.相比传统材料,水声超材料展现出众多超常声学特性,但仍存在低频宽带声波调控能力有限、不能有效兼顾大静压等环境要素、加工制造工艺不足等问题.未来研究中应着力克服上述不足,朝着低频宽带、全向、大平面尺度、亚波长厚度、轻量化、大耐压及多功能复合、环境适应性等方向发展,以更好地实现工程化应用.     

热声发动机及其驱动脉管制冷机研究进展

热声驱动脉管制冷作为一种可用热能驱动的完全无运动部件的新型制冷方案已成为制冷与低温领域的研究热点. 回顾了热声学的发展历史, 针对热声发动机及其驱动脉管制冷机研究中的关键技术, 综合评述了热声学理论和实验研究的最新进展与典型样机, 并指出了该研究领域今后的发展方向和工业应用的前景.