致密天体等离子体中线性波的传播特性

利用在相对论量子力学框架下建立的磁流体动力学模型,研究了致密天体等离子体中线性波的传播特性,旨在考察相对论效应和量子效应对致密天体等离子体基本物理过程的影响,揭示其相对论量子物理的本质。文章从包含相对论效应和量子效应的磁流体动力学方程和麦克斯韦方程组出发,首先推导出致密天体等离子体的色散方程;然后在无外磁场,外磁场平行于波矢量和垂直于波矢量三种特殊情况下,研究不同模式线性波的色散关系。研究发现相对论效应和量子效应对线性波在致密天体等离子体中传播的色散关系有修正,当选取脉冲星磁层等离子体特征参数做数量级估算时,相对论量子修正项比较显著。     

中子星辐射引力红移的量子真空极化修正

测量中子星表面辐射谱的引力红移被认为是探究这类致密天体基本物理特性最为直接有效的手段. 但是,脉冲星、磁星这些强磁化中子星表面的辐射红移不仅源于引力的作用, 还需要考虑星体表面的磁化等离子体以及由超强磁场所诱导的量子电动力学(quantum electrodynamics, QED) 真空极化效应对辐射的电磁作用. 运用Gordon有效度规理论研究磁化等离子体以及QED真空极化效应对星体辐射的影响. 计算结果表明, 一般情况下对辐射引力红移的修正起主要作用的是星体表面的磁化等离子体, 但在某些特定情况下, 还必须考虑QED真空极化效应的作用.     

磁电子漂移波的非线性演化

论文采用布热津斯基流体方程[1] ,研究非磁化非均匀等离子体中存在耗散效应情况下的非线性磁化电子漂移模 .首先导出扰动磁场和扰动温度的非线性耦合方程组 .采用Stenflo方法 ,得到描述振幅演化的类Lorentz模的非线性方程组 .对方程组的数值研究表明 ,在参数空间的不同区域可以出现有序和混沌结构 .     

原子团簇吸附/掺杂转角双层石墨烯的量子反常霍尔效应实验研究

<正>我校物理电子工程学院孙海斌博士2018年获批国家自然科学基金面上项目:原子团簇吸附/掺杂转角双层石墨烯的量子反常霍尔效应实验研究,项目编号:11874317.量子反常霍尔效应是当前凝聚态物理和材料物理领域的一大研究热点,它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生,能够极大地克服摩尔定律的极限,     

填充磁化等离子体波导的导波场分析

文章对填充磁化等离子体波导中的导波场进行了详细的分析,给出了有限磁场下波在填充磁化等离子体波导中的传播理论,推导出作为普遍严格的在磁化等离子体波导中电磁波的波动方程及场分量的表达式,并且对所得到的结果进行了验证,这对进一步研究磁化等离子体波导中的电磁波传播特性和微波等离子体激发的准分子激光器奠定了理论基础。     

基于激光烧蚀的等离子体羽辉膨胀动力学机制研究

重点讨论了脉冲激光烧蚀技术中,在考虑等离子体电离效应时等离子体的空间动力学演化特征.首先将等离子体视为可压缩理想气体,根据局域质量守恒和动量守恒,给出了在柱面坐标系下的等离子体压力与空间数密度的变化规律.在此基础上,结合适当的边界条件,用解析法进行求解,得到了在考虑等离子体电离效应时的一组新的动力学演化方程.分析结果表明,电离度会使等离子体的速度沿各个方向都得到加速,等离子体的内部速度具有自相似表达形式.     

内爆加载下界面不稳定性和湍流混合数值模拟研究

本文采用可压缩多介质黏性流动和湍流数值模拟代码MVFT,研究了球形汇聚几何中内爆加载Air/SF_6扰动界面导致的界面不稳定性和湍流混合的演化规律和物理机制.结果表明,这种条件下会发生复杂的波系演化,进而导致界面不稳定性和湍流混合也具有复杂的演化规律.冲击波首次加载Air/SF_6扰动界面后诱发Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性;然后扰动界面向心加速运动,此时会发生Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性;接着扰动界面逐渐转为向心减速运动,此时发生SF_6加速Air的致稳效应,它会抑制界面不稳定性和湍流混合的发展,使湍流混合区(TMZ)宽度增长速度逐渐减小,当RT致稳机制逐渐增强并占绝对主导时,湍流混合区宽度出现负增长.当透射冲击波聚心反弹后,对湍流混合区形成的是一个准等熵斜波-冲击波-泰勒波的二次加载过程,沿重/轻介质方向产生的是加载-加载-卸载效应.准等熵斜波加载也会对RT致稳机制有贡献.反射冲击波加载又会诱发RM不稳定性,而泰勒波加载会诱发RT不稳定性,二次加载产生的反射波聚心又反弹,进而重复准等熵斜波-冲击波-泰勒波的加载过程.汇聚几何所特有的Bell-Plesset (BP)效应会促进界面不稳定性和湍流混合发展.在球形汇聚几何中内爆加载所诱发的界面不稳定性和湍流混合发展过程中, RM不稳定性、RT不稳定性、BP效应和RT致稳机制存在互相竞争机制.湍动能分布显示湍流混合区发展沿径向是不对称的,不同方向湍动能分量和能谱结果表明湍流混合区发展还具有强的各向异性.     

量子系统中纯态和混合态量子芝诺效应研究

当不稳定量子系统被频繁地测量时,此系统的状态保持不变,量子芝诺效应就会发生.现实存在的量子系统由于与环境相耦合而不可避免地处于混合态.然而,人们对量子芝诺效应的研究基本上只针对纯态量子系统.故研究量子系统中混合态量子芝诺效应将更加具有实际意义.可以证明,量子系统中纯态和混合态均存在量子芝诺效应.     

一维等离子体非分裂场PML吸收边界条件研究

研究了一维截断磁化等离子体介质新型完全匹配层(NPML)吸收边界条件(ABC),根据磁化等离子体电磁散射理论公式,对麦克斯韦偏微分方程中对空间偏导的变量进行坐标拉伸,由于变量Jx和Jy在数学表述形式上不存在对空间的偏导,因此不需要对它们进行坐标变换,即Jx和Jy在等离子体和NPML中具有相同的表达式,计算及仿真结果表明:该吸收边界只把对空间偏导的变量进行坐标拉伸,操作简单,避免了PML方法在截断普通介质时采用的复杂的场分裂形式,同时比单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界截断磁化等离子体介质更加简单,编程复杂度大大降低.通过对一维算例进行仿真分析,计算结果与解析解相符,证实了该算法的有效性.     

二维空变等离子体光子晶体带隙特性研究

采用磁化等离子体时域有限差分(FDTD)算法,研究了二维空变磁化和非磁化等离子体光子晶体(PPC)的禁带特性. 建立了二维空变等离子光子晶体的模型,以微分高斯脉冲为激励源,引入UPML吸收边界,计算分析了二维垂直入射的等离子体频率随空间呈脉冲形式变化的周期函数对禁带的影响. 结果表明在空间上通过改变等离子频率的变化速率可以实现对等离子体光子晶体禁带宽度的控制.      

Magnetic reconnection from a multiscale instability cascade

Magnetic reconnection, the process whereby magnetic field lines break and then reconnect to form a different topology, underlies critical dynamics of magnetically confined plasmas in both nature and the laboratory. Magnetic reconnection involves localized diffusion of the magnetic field across plasma, yet observed reconnection rates are typically much higher than can be accounted for using classical electrical resistivity. It is generally proposed that the field diffusion underlying fast reconnection results instead from some combination of non-magnetohydrodynamic processes that become important on the 'microscopic' scale of the ion Larmor radius or the ion skin depth. A recent laboratory experiment demonstrated a transition from slow to fast magnetic reconnection when a current channel narrowed to a microscopic scale, but did not address how a macroscopic magnetohydrodynamic system accesses the microscale. Recent theoretical models and numerical simulations suggest that a macroscopic, two-dimensional magnetohydrodynamic current sheet might do this through a sequence of repetitive tearing and thinning into two-dimensional magnetized plasma structures having successively finer scales. Here we report observations demonstrating a cascade of instabilities from a distinct, macroscopic-scale magnetohydrodynamic instability to a distinct, microscopic-scale (ion skin depth) instability associated with fast magnetic reconnection. These observations resolve the full three-dimensional dynamics and give insight into the frequently impulsive nature of reconnection in space and laboratory plasmas.     

Alfvén波与等离子体的共振相互作用

采用粒子模拟（ PIC）方法,研究沿背景磁场传播的Alfven波与均匀磁化等离子体共振相互作用的过程。模拟结果表明：共振加热过程中,在平行和垂直于背景磁场的方向上,质子温度均得到增加,且垂直方向上的温度增加更为明显,等离子体温度呈现各向异性;同时,不同的波频率影响波粒子加热效果,并且一定范围内,共振加热期间,共振波频率越大,加热效果越好。而经过随机加热后,粒子动力学温度的最大值与波频率无关,仅仅与波的相速度相关。     

多参数耦合的射流过程不稳定性数学模型

基于线性不稳定性理论,针对可压缩无黏气体介质中的可压缩黏性液体圆柱形射流过程的不稳定性,建立了多参数耦合数学模型,得到了具有普遍形式的射流扰动控制方程的分析解以及描述射流自由表面三维扰动发展的色散关系,最后给出了色散关系的数值求解方法。     

相对论等离子体的结构因子

介质的结构因子是二体密度关联函数的时空傅时叶变换，通过裸粒子格林函数的泛函公式表示结构因子，并将给出相对论非磁化和磁化等离子体结构因子的解析表式。     

可压缩平板边界层的二次亚谐不稳定性

用二次稳定性理论研究可压缩平板边界层中三维扰动的产生及其非线性演化过程，揭示可压缩边界层转捩的内在机制．结果表明，可压缩边界层在较宽的波数带内存在亚谐不稳定性，其特性与不可压缩边界层相似；二次亚谐波在很宽频率和雷诺数范围内不稳定，其增长率和幅值放大因子都远大于初始波，二次亚谐共振是可压缩边界层转捩的内在机制．     

波在周期磁化均匀等离子体中的反射

采用分层介质方法处理周期磁化均匀等离子体层,研究了电磁波射向周期磁化等离子体层时电磁波的反射特性,分析了等离子体电子密度,电子碰撞频率以及外加磁场等因素对电磁波反射的影响,得出一定条件下等离子体密度和电子碰撞频率下等离子体对电磁波的反射特性。     

磁化等离子体中的涡旋湍流和反常扩散

研究磁化等离子体中短波漂移阿尔芬波涡旋结构．采用涡旋气体动力学模型，估计出等离子体涡旋湍流谱，并求出反常扩散系数．研究结果表明，涡旋湍流产生的反常扩散系数与扰动场振幅的平方根成正比．     

磁流体力学平衡位形计算及其不稳定性模拟

论述了托卡马克等离子体磁流体力学平衡位形重建与计算及其不稳定性计算与分析模拟研究中的主要技术,介绍该领域计算机模拟与仿真研究的进展与主要成果,对环流器二号托卡马克装置上典型的偏滤器位形的平衡重建及磁流体稳定性进行了模拟。     

修正Mathieu方程的数值求解方法

针对圆极化强激光与无自旋等离子体相互作用中得到的修正Mathieu方程,提出一种数值求解方法,并将计算结果与WKB近似结果进行对比,分析了该方程所反映的物理过程的稳定性问题.     

有界量子等离子体中的孤波

基于量子流体力学模型,研究柱坐标系下有界量子等离子体的孤波传播性质.利用约化摄动法,得到描述有界量子等离子体孤波的拟KdV方程.通过分析发现:当边界参数R比较小时,孤波振幅随时间衰减,且随着R的减小振幅衰减变快;R趋近于+’时,量子等离子体波呈现孤立波特性.