基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究进展

光频标(光钟)在时间及长度定义、基本物理常数及其随时间变化的测量、相对论检验、甚长基线干涉仪、测地学以及全球卫星导航定位等领域都有广泛的应用.一台光频标由超稳激光、光梳和囚禁的离子或原子组成.其准确度受到多普勒频移、塞曼频移、斯塔克频移、碰撞频移、黑体辐射频移等的影响.其中黑体辐射频移是对于系统误差影响较难评估也较难控制的一项,而铝离子在目前所有正在发展的光频标里面是黑体辐射频移最小的一个,其不确定度仅有4.0×10~(-19),因此铝离子光频标是很有前途的一种光频标.本文将分别介绍光频标的3个组成部分,以及当前基于量子逻辑技术铝离子频标的基本原理和华中科技大学的最新研究进展.     

闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中激子态及带间光跃迁

基于有效质量近似,运用变分方法研究闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中的激子态及带间光跃迁随闪锌矿GaN/AlGaN量子阱结构参数的变化关系,考虑电子与空穴在其量子阱中的有限势效应.数值计算结果显示出当量子阱的尺寸增加时,基态激子结合能和带间光跃迁能降低,而当闪锌矿GaN/AlGaN量子阱中垒层材料AlGaN中Al含量增加时,基态激子结合能和带间光跃迁能增加.     

量子盘的电偶极跃迁

介绍盘形量子点模型并对其电偶极跃迁进行了研究.在柱坐标系下求解电子本征波函数和本征能量,并在此基础上得出了选择定则、跃迁几率、跃迁速率和吸收系数.简介了量子盘模型向量子阱、量子线的过渡.     

D维量子阱中激子的声学极化子效应

考虑了无限高势垒量子阱,计算得出了零维、一维、二维和三维量子阱中激子-声学声子耦合导致的激子基态能量移动.结果表明,激子的声学极化子效应随材料带宽的增大而增大.     

等离激元微腔中的量子阱太赫兹光吸收

利用Zubarev’s格林函数方法研究了强太赫兹电场作用下微腔中的双量子阱激子光吸收特性.将腔场和太赫兹场处理为光子,根据哈密顿量得到运动方程.研究考虑了失谐、太赫兹场耦合常数以及电子数的衰减率.研究发现,在强太赫兹场作用时,光谱呈现丰富的非线性效应,如出现复制峰和Autler-Townes分裂.该研究为微腔-量子阱系统量子光学响应提供了一个简单、方便的全量子理论处理方法.     

四极质谱离子轨迹建模与仿真

以四极质谱的理论为出发点,阐述了离子运动轨迹的高可靠数值计算模型. 结合仪器研发的实际需要,着重讨论四极质谱离子轨迹仿真系统的设计与实现,并应用该系统对四极离子阱中的高阶场、偶极激发和空间电荷效应进行了仿真论证,结果表明了仿真系统的有效性.      

纤锌矿GaN/AlN无限量子阱中激子能量

利用改进的LLP变分法计算了纤锌矿GaN/AlN无限量子阱中激子的基态能量和结合能,并对闪锌矿GaN/AlN量子阱和纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子的基态能量和结合能进行了对比.结果表明:纤锌矿GaN/AlN无限量子阱材料中激子基态能量和结合能随着量子阱宽度增大而降低,当阱宽较小时急剧下降,阱宽较大时缓慢下降,最后趋近GaN体材料的三维值;考虑极化子效应时激子的基态能量和结合能明显低于裸激子的基态能量和结合能,电子-声子相互作用对激子能量的贡献较大;纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子基态能量小于闪锌矿GaN/AlN量子阱中激子的基态能量,纤锌矿GaN/AlN量子阱中激子的结合能大于闪锌矿GaN/AlN量子阱中激子的结合能,且随着阱宽的增大,两种阱中基态能量和结合能的差距越来越小.     

铟离子5s21S0-5s5p3P0参考用跃迁频率的精密测量

报道了建立铟单离子(¹¹⁵In⁺)光频标实验系统的实验进展。单个离子囚禁在Paul-Straubel型离子阱中,利用激光边带冷却技术将其冷却至最低振动能态。为了探测和测量铟离子参考用跃迁5s²¹S₀-5s5p³P₀的频率,使用一台Hz量级超窄线宽激光作为探测激光,用以获得量子跳跃信号。用一台以商用铯原子钟为基准的飞秒光频梳作为测量工具,对其频率进行了20次的精密测量,相对不确定度为5.0×10^-14。     

行波控制下囚禁离子的质心运动

研究了一个受大失谐外加行波场周期驱动的两离子系统,采用数值计算和计算机模拟的方法分析了初始条件、阱频强弱以及相互作用时间对质心运动的影响,作出了囚禁离子质心的相空间轨道图,从中发现外部参数和离子的初始条件是囚禁离子质心做规则运动以及混沌运动的外部影响因素.     

量子点量子阱结构中激子的极化效应(英文)

考虑激子与体纵光学声子的相互作用,采用变分法研究了量子点量子阱结构中澈子的极化效应.以CdS/HgS量子点量子阱结构为例进行数值计算,得到了激子的基态能量和束缚能.研究结果表明,声子对澈子束缚能的贡献随着阱宽的增加而增加,极化子效应不能忽略.激子的基态能量和束缚能明显依赖于量子点量子阱结构的核半径和壳层厚度,量子点量子阱结构的尺寸对激子-声子相互作用有重要的影响.     

电感耦合式射频离子源放电与引出特性实验

为研究电感耦合式射频离子源性能受离子束流、功率强度、工质流量和栅间电压的影响,以束流直径11 cm射频离子源为对象,完成了射频离子源点火起弧关键物理参数的设计和选择,设计并搭建了电感耦合式射频离子源性能试验系统,通过试验研究了射频放电中离子束流、射频功率、工质流量、栅间电压之间的规律。结果表明:射频离子源试验系统设计合理,能够可靠稳定地工作,真空度低于1. 0×10~(-3)Pa的氩工质条件下离子束能量大范围独立可调,在100～1 500 eV范围引出80～460 mA的离子束流,当工质流量一定时,离子源离子束流随射频功率的增大以1 mA/W比率增加,射频功率一定时,离子源束流强度随工质流量增大,在20 sccm时,离子源束流强度至稳定值或者略微增加,合理控制离子源工作参数可以提高离子源工作性能和效率。     

Science Letters： Radio frequency heating： a potential method for post-harvest pest control in nuts and dry products

The multi-billion dollar US tree nut industries rely heavily on methyl bromide fumigation for postharvest insect control and are facing a major challenge with the mandated cessation by 2005 of its use for most applications. There is an urgent need to develop effective and economically viable alternative treatments to replace current phytosanitary and quarantine practices in order to maintain the competitiveness of US agriculture in domestic and international markets. With the reliable heating block system, the thermal death kinetics for fifth-instar codling moth, lndianmeal moth, and navel orangeworm were determined at a heating rate of 18℃/min. A practical process protocol was developed to control the most heat resistant insect pest, fifth-instar navel orangeworm, in in-shell walnuts using a 27MHz pilot scale radio frequency (RF) system. RF heating to 55℃ and holding in hot air for at least 5min resulted in 100% mortality of the fifth-instar navel orangeworm. Rancidity, sensory qualities and shell characteristics were not affected by the treatments. If this method can be economically integrated into the handling process, it should have excellent potential as a disinfestation method for in-shell walnuts.     

考虑电荷交换的RF共振离子引出方法的模拟

为较全面地了解 RF(radio frequency)共振离子引出方法的特性 ,使之更好地用于原子蒸气激光同位素分离(AVL IS) ,用 PIC- MCC方法对其进行了模拟。等离子体中带电粒子在电磁场中的运动用 PIC方法模拟 ,而各粒子间的碰撞用 Monte Carlo方法来模拟 ,碰撞类型主要考虑对目标同位素离子损失影响最大的电荷交换。模拟得出了离子引出时间和碰撞损失率与引出系统的各种参数之间的依赖关系。结果表明 ,为使目标同位素离子快速而低损耗地引出 ,应该采用较大的 RF共振电压幅度和较小的极板间距 ,并且采取措施增加电子温度 ;对于原子蒸气的密度的大小 ,则应在分离产率和碰撞损失率之间权衡。     

射频阱中离子运动规律的分析

在考虑空间电荷效应后对射频阱的势函数进行了修正，并通过解Ｍａｔｈｉｅｕ方程得到了离子在射频阱中的运动规律。     

基于随机森林模型判别矿井涌(突)水水源

快速准确判别矿井涌(突)水水源对保障矿井安全生产有重要意义。近年来人类的活动对不同含水层的影响与日俱增,为提高矿井涌(突)水水源判别的准确性,提出选取地下水中7种常见离子浓度,和能够充分反映人类活动痕迹的硝酸根离子浓度及化学需氧量作为水化学判别指标,采用随机森林模型进行矿井涌(突)水水源判别。为验证选取指标和判别方法的有效性,以大孤山铁矿为例,将数据输入随机森林模型进行100次交叉验证,并将验证结果与支持向量机模型和极限学习机模型进行比较。结果表明,随机森林模型预测结果稳定性较强,预测正确率不容易波动;随机森林在建模过程中参数拥有宽广的适应范围。树的棵数为50时,训练误差趋于稳定,改变树的棵数对预测结果没有实际影响,而其余二者对参数选取较为敏感;随机森林的参数可以通过袋外数据(OOB)错误率简单地得到,而其余二者参数调整时需要通过交叉验证的方式才可以取得;随机森林对训练样本进行验证,正确率可达100%,对测试样本进行验证,正确率可达97.38%,两项精度均优于支持向量机与极限学习机;随机森林模型拥有更高的预测精度和鲁棒性,在矿井涌(突)水水源判定方面有较好的应用前景。     

驱动电流密度对低压容性射频鞘电势及离子动能的影响

研究了离子轰击被加工材料表面的能量与射频驱动电流密度之间的关系，在Lieberman的低压容性射频等离子鞘模型基础上，考虑Bohm速度对应的鞘前电势差，将鞘前电势差与Lieberman的鞘内电势合并，发展了Lieberman的模型，并推出了总电势差与驱动电流密度的关系式，利用总鞘电势差计算了经时间平均的鞘电场加速后离子获得的动能，由于鞘电势差和平均离子动能及其增幅随电流密度的增加而增加，因此射频驱动电流密度对鞘电势差及平均离子动能起激励作用，通过实验，测量了时间平均鞘电势差及驱动电流密度值，实验结果与理论结果吻合较好，因此验证了理论分析的正确性。     

火烧油层注气加热过程的模拟计算研究

在火烧油层的注气加热过程中,需要根据点火需求优化注气参数。考虑了空气在井筒、油层的流动及换热过程,包括空气进入油层的混合过程、水蒸发进入空气和湿空气降温后凝结为水的组分及相态变化、油层之间的导热过程,建立了相应的瞬态模型,提出了基于龙格库塔法的求解方法。利用该模型及求解方法进行了模拟注气验证,并用于油田的实际火烧油层点火过程的监测系统。研究表明：点火过程中加热带扩展速度非常有限（6 d 后加热带半径仍小于0.6 m）,并且受油层中含水率影响较大,加热带温度主要受电加热器功率和注气速度影响,受注气时间长短影响较小。点火过程中应保持电加热器功率和注气速度稳定。     

油页岩注蒸汽原位开采数值模拟

注高温蒸汽是一种有效的油页岩原位加热开采方法。参考美国绿河地区某油页岩原位电加热开采项目,采用CMG油藏数值模拟软件建立油页岩原位加热开采的数值模型,将其中的电加热井改为注高温蒸汽井,求解油页岩的温度场、干酪根浓度和产油量,对比电加热和蒸汽加热的优缺点,并讨论注入蒸汽速率和加热范围这两个主要因素对油页岩原位开采的影响。结果表明:与电加热相比,注蒸汽加热时油页岩层温度更高,干酪根分解更快,页岩油产量峰值到达时间更早;随注入速率增大、加热范围减小,干酪根热解反应加快,页岩油产出结束较早。