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.     

声子极化激元的电子能量损失谱研究进展

声子极化激元是晶体中的光学支声子与电磁波耦合形成的元激发,具有独特的中远红外介电响应、低损耗等特性,在波导、超透镜、增强的能量感应与传输等方面展现了巨大的应用潜力,因此近年来发展迅速.声子极化激元的主要实验研究手段是扫描近场光学显微镜技术,但由于缺乏合适的光源,目前在远红外波段的研究严重受限.此外,光子与声子之间大的动量失配问题也限制了光学显微镜激发大动量的声子极化激元.本文介绍了近年来扫描透射电子显微镜电子能量损失谱技术在研究声子极化激元方面的主要进展.相比于近场光学方法,电子能量损失谱具有大动量转移、宽频激发与探测、高空间分辨能力、高激发探测效率、多模式激发等优点,并且能在自支撑样品上测量,避免衬底影响.因此,基于此,研究人员取得了一系列重要研究成果,该方法已成为近场光学方法很好的补充.本文简要总结以上研究进展,并对下一步的研究前景进行了展望.     

Kekulé调制声子晶体中的赝表面狄拉克涡旋拓扑态

近年来,拓扑学的概念被引入到声学系统,声学超材料以及声子晶体中的拓扑效应被广泛研究.其中,声学拓扑边界传输模式具有低损耗、背向散射抑制的特性和良好的鲁棒性,在声信号探测、噪声控制等方面拥有较大的应用潜力.近期,高度局域在狄拉克涡旋处的零维拓扑束缚态在多种物理系统中被发现,成为相关领域的研究热点.但是现有研究中的声学结构大多受限于二维空间,自由空间中亚波长尺度的狄拉克涡旋拓扑态亟待探索.本文基于声赝表面波实现了自由空间中的类马约拉纳束缚态,即通过在硬质基板上排布蜂窝晶格阵列的空气圆柱孔,并在系统中施加一个与格点位置相关的Kekulé调制,产生了局域在结构表面和涡旋中心的声学拓扑束缚态;证明了这种拓扑束缚态的频率固定在狄拉克频率处,且不受Kekulé调制幅度的影响.此外,进一步分别引入粒子空穴对称性保护和破缺的缺陷,验证了这种特殊的拓扑束缚态在粒子空穴对称性保护时对缺陷具有较好的鲁棒性.本研究在基于声能局域和捕获的新型声学功能器件的设计方面具有潜在的应用前景.     

智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

高温超导体的超快光谱学

高温超导机理至今仍是物理学的未解之谜,是凝聚态物理学皇冠上的明珠.在众多以光学手段研究超导体的方法之中,超快光谱是最精湛的观测方法之一和最强有力的调控手段之一.它能够在电荷、晶格、自旋、轨道等自由度与超导体全方位地相互作用,并能探测其激发态,能够在准粒子的超快过程、晶格相干性的调控、电子-声子耦合强度的观测、界面超导体系的探测等方面实现一些其他实验方法所不能实现的研究.本文结合具体实例介绍高温超导体的超快动力学和超快光谱学的进展,展示该方法在准粒子激发态、玻色子相干态、激光诱导的超导、界面超导等研究中的特色和独到优势,并对该领域进行展望.     

InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜导热系数测试

采用3ω方法在100~320 K温度范围内测试了不同周期长度的InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜的导热系数. 结果表明对于周期性超晶格结构, 随着温度的升高, 热传导能力下降; 比较周期长度不同的超晶格结构的测试结果, 发现导热系数会随着周期长度的增大而减小, 并在某一周期长度取得最小值, 但随着周期长度的进一步增大, 导热系数又出现上升趋势, 表明在长周期超晶格结构中界面热阻是影响声子传输的主要因素. 理论计算表明, 对于短周期的超晶格结构, Bragg反射是造成产生最小值的原因之一, 由于声子穿透率的下降, 造成导热系数随着周期长度的增大而减小. 理论与实验研究结果表明, 随着周期长度的增大, 声子的传输规律由声子的波动性过渡到粒子性, 这对实现声子的剪裁具有重要意义, 为设计超晶格结构提供理论基础.     

自旋波声子耦合对反铁磁体红外吸收谱的影响

在磁有序物质中,由于交换作用常数受离子间距离变化的影响,其中存在自旋波和声子耦合。大多数非金属反铁磁体是离子晶体,因此,对这类反铁磁体,辐射场在激发一个光频支声子的同时通过自旋波和声子耦合有可能再激发两个自旋波和一个声子,从而茌晶格红外吸收带的高频边缘外形成附加吸收峯。本文利用这种辐射跃迁过程解释了Nio红外光谱的0.24电子伏附加吸收     

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.     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.     

关于同伦正则单态

同伦单态在文献[1]和[2]中被提出以后已成为同伦论的一个经典论题.本文引进同伦正则单态的概念,它严格介于同伦单态与同伦等价之间,并且在某种意义下刻划了同伦等价的一个特征.本文在点标拓扑空间的范畴Top~*中讨论,所有基点与常值映射均用*表示.范畴C的一个射j:E→A称为正则单态,如果存在两个射f,g:A→B(对某个B)使得j是f与g的等化子,即fj=gj,且对满足fh=gh的任意射h:X→A,存在唯一的射k:X→E使得jk=h.在Top~*的同伦范畴HTop~*中也就有了正则单态的概念.我们定义一个稍有差别的同伦正则单态的概念如下:     

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.     

纳米尺度下润湿的分子动力学模拟

表界面润湿一直是表面科学领域的热门研究课题,了解润湿性和界面结构之间的相关性是研究表面润湿的关键.从经典分子动力学和从头算分子动力学出发,介绍了纳米尺度下的润湿,主要包括以下几方面:(1)原子尺度界面上的润湿;(2)润湿与晶格常数的关系;(3)具有地形表面的范德华(vdW)层状材料的润湿;(4)Wenzel态到Cassie态的转变机理研究;(5)氨基酸侧链疏水性的表征;(6)离子溶剂化的亲憎水性和传输选择性的微观机理.     

氧气退火对(In+Nb)共掺杂TiO_2陶瓷的介电性能的影响

以固相法制备的(In_(1/2)Nb_(1/2))_(0.05)Ti_(0.95)O_2陶瓷为研究对象,研究了氧气退火对晶体结构、显微组织以及介电性能等的影响,探讨了产生高介电常数的起源.结果表明氧气退火降低了(In_(1/2)Nb_(1/2))_(0.05)Ti_(0.95)O_2陶瓷的介电损耗.在介电温、频谱上观察到3种介电弛豫过程.采用普适弛豫定律,分析了局域化电子与缺陷团簇的偶极极化、极化子跳跃极化和界面极化对介电弛豫的贡献,提出了在(In+Nb)掺杂TiO_2的高介电陶瓷材料中极化子跳跃极化对高介电有贡献.     

激光晶体BeAl_2O_4:Cr~(3+)中Cr~(3+)的激发态行为

一、引言 BeAl_2O_4:Cr~(3+)是70年代兴起的一种激光晶体,它不仅具有与掺Cr~(3+)红宝石类似的R线激光输出,而且可在振动边带(700nm—800nm)上实现连续调谐,是一种很有前途的终端声子激光材料。本文报道了我们对BeAl_2O_4:Cr~(3+)中不同分立发光中心的研究工作,同时利用在BeAl_2O_4:Cr~(3+)中,电子与声子的耦合很强的特点来研究晶格弛豫过程。晶格弛豫是多年来人     

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。     

准晶

准晶(Quasicrystal)是准周期性晶体(Quasiperiodic crystal)的简称。晶体中原子的排列呈三维周期性的关系,可以用一种单胞在空间中的无限重复来描述。因此,晶体的平移对称可以用14种Bravais空间点阵概括.受此制约,晶体只能有1、2、3、4、6次旋转对称,5次和6次以上的旋转对称都是不允许的。这是很明显的,五角形的平移不能布满一个平面。准晶中的原子分布也有长程序,但是它的位置序无周期性,因此可以有5次或其他的“不允     

关于半子物理意义的一点注记

半子(meron)解是规范理论中拓扑量子数为半整数的一类经典解.阿尔法罗(Alfro)、富比尼(Fubini)和富蓝(Furlan)在他们得到的双半子解的基础上给出了单一半子和反半子的解.我们发现半子和反半子在x_4=0的超面上的行为和一个磁单极是一样的.现简单讨论如下,以期有助于阐明半子的物理意义.     

杂化钙钛矿太阳能电池中缺陷与界面钝化层的研究进展

近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率和低廉的制备成本引起了科研工作者的广泛关注,但钙钛矿薄膜中出现的大量缺陷严重制约了电池性能与工作稳定性的进一步提升.本文一方面总结了钙钛矿晶体中各类缺陷的形成过程与物理性质,并分析了各类缺陷对太阳能电池工作的影响;另一方面从界面钝化层出发,综述了以Lewis酸、Lewis碱、有机胺与铵盐、聚合物、金属氧化物、三维钙钛矿、石墨烯和无机盐等材料作为界面钝化层的钝化机制与钝化效果.通过对现有研究成果的分析,总结出有效的界面钝化思路与策略,为钙钛矿太阳能电池界面钝化领域的工作提供一定的参考.