揭开南海海平面下神秘巨浪的面纱

什么是内波 在两种不同性质流体交界面上运动的波称做界面波,在海上看到的浪,就是空气与海水界面间运动的界面波.当流体内部密度垂直分布呈现层化构造时,流体层化界面受到扰动时也会出现波动,由于这种波发生在流体内部,因此称作内波.     

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...     

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.     

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.     

云南马厂箐铜矿床氦同位素组成研究

众所周知,氦同位素对示踪地壳现代流体(如地下水、温泉、地热体系、海底热液、火山气体和天然气等)中有无幔源组分加入十分灵敏.但是,在示踪地壳古流体(如成矿流体)方面,则因长期以来难以评估氦在扩散丢失过程中所产生的同位素分馏,以及难以扣除原地放射性衰变对流体初始氦同位素组成的影响,而一直未发挥出应有的作用.只是80年代末至90年代初以来,随着对这些问题认识程度的加深,一些学者才先后以矿床中的矿物流体包裹体为测定对象,研究了部分成矿古流体的氦同位素组成,从而开拓了氦同位素在成矿古流体研究中的应用.这些工作主要包括对秘鲁Casapalca Ag-Pb-Zn-Cu矿床和Pasto Bueno W-贱金属矿床、韩国Dae Hwa W-Mo矿床以及一些洋中脊热水沉积黄铁矿等的研究.不过,至今国际上被研究过的矿床和矿种都极其有限.     

量子陀螺仪

我们在地球上度过的每一天并不全是 2 4小时。地震和云系会悄悄干扰地球的旋转 ,使地球的自转时间增加或减少零点几秒。目前测量方法的灵敏度还不足以测出地球自转速度的变化 ,即使这些变化是由大的震动造成的。最近 ,加利福尼亚大学实验物理学家研制的一种新型装置也许能跟踪测量地球每天旋转时间的细微差异。科学家们用超低温氦 -3制成了一种陀螺仪 :这种无摩擦的超流体随着地球旋转轴心的方向变化发出或强或弱的信号。1 997年 ,这个研究小组将超流体氦 -3挤压穿过单层有孔薄膜时 ,他们首次发现了量子哨音。这一次 ,他们在环形容器的里外…     

华北地块南缘钼矿床黄铁矿流体包裹体氦、氩同位素体系及其对成矿动力学背景的示踪

以华北地块南缘东秦岭钼矿带的金堆城、东沟、石家湾和三道庄等钼矿床为例, 报道了东秦岭钼矿带成矿流体氦和氩同位素组成, 通过氦、氩和铅同位素的综合研究, 探讨了成矿流体来源、演化及其与秦岭造山带中-新生代陆内碰撞造山过程的耦合关系. 华北地块南缘东秦岭钼矿带钼矿床黄铁矿流体包裹体的3He/4He比值在1.38~3.64 Ra之 间, 40Ar/36Ar比值为295.68~346.39, 指示成矿流体系由不同性质和组成的两个端元流体混合而成, 即与壳幔混合成因斑岩体同源的高温深源流体和富含地壳放射成因氦但具有空气氩同位素组成特征的低温大气降水. 东秦岭钼矿带矿床铅同位素组成、斑岩体和区域地层岩石含矿性资料共同揭示, 矿床成岩成矿物质来自深部, 为下地壳和上地幔混合源.华北地块南缘钼矿床的形成可能与秦岭造山带碰撞造山后的陆内造山和伸展过程相伴的壳幔相互作用有关, 与钼矿化有关的斑岩属同熔型花岗岩类, 而非简单的陆壳重熔型花岗岩类或S型花岗岩, 因此具有深刻的深部和区域地球动力学背景.     

石墨烯中热波传递的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,通过向扶手椅型和锯齿型单层石墨烯施加持续时间为1 ps的局部热脉冲,研究了其瞬态导热规律和特性.模拟结果表明,热脉冲在石墨烯中激发出两道以不同速度传递的波,一道波具有宏观动量,传播速度等于声速,是系统受热膨胀形成的声波(第一声);另一道波无宏观动量,传播速度约为声速的1/3,是晶格无规则振动形成的热波(第二声).热脉冲激发的声波是纵波,能量传递只有纵向分量,而热脉冲激发的热波是由面内横向晶格振动形成,只有横向能量分量.热量传递表现出的各向异性说明,在热脉冲传递过程中系统处于非平衡状态.另外,统计得到热脉冲能量传递距离与时间的关系约为2 1.80????t,说明热脉冲能量在石墨烯中是以弹道-扩散的方式传递的,弹道输运越强,热波现象越显著.热波波峰区域的能量传递为弹道输运,而在高温扩散区和热波衰减部分的能量传递则为扩散输运.     

分子超薄膜

分子超薄膜不同于传统的薄膜材料,它们的厚度在1—100nm的尺度范围．其制备方法也不同子一般的无机薄膜与高分子薄膜.它们是由具有两亲性质的分子所形成的分子集合体系,其基本结构十分相似于生物膜．人们可以借助于超分子化学和配位膜化学的概念,精心设计、合成具有不同结构的两亲配体及其金属配合物,充分利用过渡金属和稀土金属的性质,极有可能用配位、互补、偶联和杂化等方法去构筑具有光、电、磁、热、声等特殊功能的分子超薄膜．     

热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.     

氦的奇异结晶过程

氦,具有许多特殊的物理性质.它是物理学工作者们热心研究的对象.氦有两种同位素:~4He和~3He,在通常的氦气中,绝大部分是~4He,只有极少的~3He.在~4He、~3He液体中,都发现了超流现象,这是一种宏双量子效应,它们的粘滞性、热传导,比热等都与一般物质不同。从结晶学角度来看,氦的结晶过程也是非常奇特的.熔体冷凝而发生结晶,晶体加热升温而熔化,这     

GaAs/Al_(0.3)Ga_(0.7)As短周期超晶格中负微分电导效应的观察

1970年,Esaki和Lsu提出了半导体超晶格的概念,旨在获得一个全新物理范畴的电子性质.由于超晶格中电子态之间的耦合,导致微带形成,载流子在这些微带中的输运将展现出新的物理现象,例如,Esaki和Lsu所预言的负微分电导效应.然而,后来在超晶格中载流子纵向输运实验上所观察到的低温条件下的负微分电导效应是由于高场畴或者级连共振隧穿引起的.最近,Sibille等人在GaAs/AlAs短周期超晶格中在室温条件下观察到Esaki-Lsu所预言的负微分电导效应.在本文中,我们给出了GaAs/Al_0.3Ga_0.7As短周期超晶格在300K和77K温度下的微带输运实验结果,两个温度下的实验数据均表现出清楚的负微分电导效应,而且77K温度下的微带电导明显地大于300K下的微带电导,这与理论的预言是相符的.     

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.     

力电耦合主动超材料及其弹性波调控

超材料是实现新奇弹性波调控功能的关键所在.其中,被动超材料最先被研究者关注,目前已实现了波动阻隔、负折射、波聚焦、绕射隐身等反常波动效果,因此被动超材料在低频减振降噪、结构健康监测和波动能量收集等方面有着广泛的应用前景.然而,被动超材料在制备完成后,其等效属性和波控功能很难再根据实际需求进行调节,限制了其在真实工作环境中的应用.近年来出现的力电耦合超材料能够实现波动性质的主动调节,突破了被动超材料的限制,因此受到越来越多的关注.力电耦合超材料在微结构材料组分和拓扑构型之外引入多物理场耦合效应来改变等效属性,并能通过外部电场控制实现特定的非常规属性或者材料属性的主动甚至自适应调节.本文首先介绍力电耦合超材料的基本概念.然后,根据外部电场作用方式的不同将力电耦合超材料分为两类;并从等效属性的电场调控机理、耦合电场/微结构设计和波控功能等方面,对力电耦合超材料的研究现状和发展趋势进行了详尽的介绍和讨论.最后,针对波动控制的功能拓展、宽低频实现机理、动态均匀化以及高效数值预报等方面,对未来力电耦合超材料的研究方向与应用领域进行展望.     

重力波的分形特性

人们对于海洋表面的波都很熟悉,当这些波的波长大于1.7cm时被称作为重力波,因为重力(不是表面张力)提供了使它们得以形成的基本的恢复力.类似的波若是发生在两层不同密度且下重上轻的流体界面上,就不为人所熟悉了.如果在一不可     

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.     

弹性板波超材料研究进展

超材料指具有超越天然材料性能的人工材料,因其独特的物理性质及广泛的应用领域而受到人们的关注.固体中的弹性波被广泛应用于无损检测、无线通讯、无源传感等领域,具有重要的应用价值.不同于流体声波,固体中的弹性波由于存在纵波与横波的耦合及模式转换,更难以进行精确操纵,这就给超材料的应用提供了很好的舞台.本文以弹性波中极具代表性的板波作为焦点,较为系统地回顾了板波超材料的发展历史、主要研究进展及其在未来信息功能器件发展方向的潜力.     

海洋内孤立波斜相互作用的Mach效应特性实验

当海洋工程结构物或水下航行器在海洋中遭遇异常大振幅内波时可造成损害甚至失事,海洋内孤立波斜相互作用的Mach效应是一种特殊海洋现象,也是异常大振幅内孤立波的重要成因.为了在实验室模拟具有海洋跃层环境中的内孤立波斜相互作用并控制Mach效应的产生,首先将两只直立无底圆柱筒放置在淡/盐水分布的两层流体环境中,淡/盐水混合区模拟海洋密度跃层,保持筒底与筒外水体的交换,以方便形成筒内外混合区的高度差;再将两柱筒平稳迅速移出,利用柱筒内外淡/盐水混合区高度差的重力塌陷扰动形成两列内孤立波,其在交汇区发生斜相互作用,并借助高清图像处理技术结合几何射线方法完成测量.实验结果表明:两列内孤立波斜相互作用性质取决于分层环境、两柱筒之间距离以及两列内孤立波的波幅和相位,上述方法可有效控制分层流实验水槽中Mach效应的产生.进一步分析表明:两列内孤立波相互作用的Mach效应将导致波幅显著增强,传播速度明显增大,且传播方向受两者振幅大小的控制,振幅相差越大所产生Mach效应的临界夹角越大.此外,通过内孤立波斜相互作用的Mach效应实验结果与Kd V,BO和MCC三种理论模型的比较,实验验证了Mach效应对非线性理论模型的适应性.     

高温高压下稀盐酸溶液电导率的测定

超临界流体具有低粘度、高扩散性、宽的密度范围以及很强的溶解能力等特殊性质.由于其溶解能力随压力和温度的变化,能在非常宽广的范围内调节,所以一种超临界流体能担当多种流体溶剂的作用.目前超临界流体成为化学界、工程界和地学界研究的热点.尽管超临界流体有广泛的应用前景,但对其性质还知之甚少,主要原因是研究超临界流体必须具备特殊的高温高压设备和专门的测量装置.Ｆｒａｎｔｚ等人[1]报道了超临界ＨＣｌ的电导率和分解常数.他们实验的温度范围为100～700℃,压力范围为005～04ＧＰａ.与Ｆｒａｎｔｚ的活塞圆筒式压力设备不同,我们的…     

波在饱水孔隙粘弹介质中的传播

弹性体及粘弹性体中波的传播问题已有较广泛的研究,取得了很多有价值的结果,但对于饱含液体的孔隙介质中波的传播问题研究得尚少。近年来此方面已有一些显著进展。Biot对饱水孔隙介质的力学曾进行了很多研究,假定介质为理想弹性体与孔隙流体为可压缩的,建立了运动方程组,证明了此时存在两种P波和一种S波。笔者视介质为弹性的,流体为不可压缩的,建立了方程组,研究了平面谐波的传播情形,证明对应变波而言此时只有一种P波和一种S波,与通过此种介质波将遭受阻尼和弥散,并给出了计算二种波的相速度和阻尼常数的公