主动光钟的研究进展

主动光钟是一种在腔反馈条件下以工作于原子跃迁谱线的光频受激辐射直接作为量子频率标准的新型原子光钟,有望将传统光钟稳定度提高2个量级,从而推动光钟的技术进步,应用更趋广泛.本文简述了光钟的发展历程及目前的关键技术瓶颈;介绍了主动光钟的基本原理;讨论了主动光钟的几种实验方案,包括坏腔二能级、三能级激光型主动光钟、四能级主动光钟和法拉第主动光钟等方案,详细分析了这些方案的实验原理和结果;除了介绍基于铯原子气室的法拉第原子滤光器实现主动光钟的实验研究结果,同时还简单描述了用魔术晶格囚禁冷锶原子实现基于689 nm超窄法拉第原子滤光器的主动光钟方案,以及工作于好腔条件下的法拉第光钟.最后,将这几种方案进行了综合分析与对比,展望了主动光钟进一步发展的前景和潜在应用.     

反常原子

随着粒子物理学、激光光谱学与基于加速器的原子物理学的发展,在实验上已相继发现了里德伯原子、电子偶素与μ子素、μ子原子与强子原子,以及最近才产生的反氢原子等一系列的反常原子.通过对这些反常原子的理论与实验研究,极大地丰富了人类的知识宝库.本文综述了这些反常原子的产生(或发现)过程,它们所具有的独特性质、应用及其在科学上的重大意义.     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.     

二维磁性材料的第一性原理计算

二维磁性材料具有低维体系独特的电子特性、丰富的可调控特性和优异的磁响应性质,在逻辑计算、信息存储等领域具有广阔的应用前景.自从实验上成功合成原子层厚度的具有本征磁性的二维层状材料CrGeTe₃和CrI₃以来,二维磁性材料得到了理论计算和实验上的广泛关注.第一性原理计算能够预言材料的结构和性质、辅助实验探索物理现象本质并可进一步设计具有优异性能的新材料.本文首先介绍了磁性材料的基础理论和第一性原理计算方法,接着结合四类典型的二维磁性材料介绍理论计算的研究进展,包括二维磁性绝缘体CrGeTe₃和CrI₃、二维磁性金属Fe₃GeTe₂、二维内禀磁性拓扑材料MnBi₂Te₄和二维高温量子反常霍尔绝缘体LiFeSe.最后对二维磁性材料的第一性原理研究的未来发展方向作了展望.     

GaN掺Cr材料的局域电子结构和磁性

运用原子团模型研究了稀磁半导体GaN掺Cr的局域电子结构和磁性, 计算采用基于密度泛函理论的离散变分方法. 计算结果表明Cr原子的磁矩随掺杂浓度有明显的变化, 变化趋势和实验结果吻合. 在包含两个Cr原子的体系中, Cr原子之间是铁磁性偶合, 每个Cr原子的磁矩与相同浓度下掺杂一个Cr原子的磁矩相近. 对于不同的掺杂浓度, Cr原子与最近邻N原子之间均为反铁磁偶合, Cr原子的3d电子与N原子的2p电子之间有很强的杂化, 这与晶体的能带计算方法得到的结果一致.     

同轴光子晶体中异常群速度现象

研究了同轴准一维光子晶体中光子带隙和光子晶体缺陷态的电磁波群速度. 实验结果表明, 在准一维光子晶体中, 存在群速度超光速现象; 在光子晶体缺陷态, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 呈现“慢波”. 传输线等效模型和传输矩阵模拟分析也表明, 同轴准一维光子晶体在禁带频域, 存在群速度超光速现象; 在同轴光子晶体中引入缺陷后, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 模拟计算结果与实验结果很好吻合.也表明     

Al-Dy,Dy-Zr和Al-Dy-Zr体系的热力学优化

与Al3Sc类似,Al30Dy7Zr3化合物也具有L12结构,有望利用其来提高Al合金的高温强度.因此,了解Al-Dy-Zr体系富Al角的相关系极为重要.本文将C15_Laves相处理成计量比化合物,重新优化了Al-Dy二元相图;采用包含16个原子的特别准随机结构(SQS_16)来模拟Dy1-xZrx(x=0.25,0.5,0.75)hcp_A3固溶体,通过第一原理方法计算了其0 K下的混合焓.根据该计算结果以及文献中评估的相图对Dy-Zr二元系进行了热力学优化;最后,结合3个边界二元系的热力学描述,将第一原理计算与相图计算(CALPHAD)方法相耦合优化了Al-Dy-Zr三元系富Al角相图.计算的相关系数与实验结果符合得很好,证明该热力学描述是合理的.     

计算氢分子间电子相关能的理论方法

计算某种相对取向下的两个氢分子之间的相互作用能,如果只是确定平衡点的位置和势阱深度,可以选用从头计算法中精度较高的理论,在估计位置附近算几个点即可.若要进一步研究体系的状态方程,则必须计算数百个点,以便得到全程的相互作用势曲线.此种情况下,以自洽场计算结果为基础,进一步考虑电子相关能及色散能是一个很好的途径.本文提出了一种计算氢分子间电子相关能的理论方法。     

C2H2, C2H4和C2H6在强激光场中的场致电离

运用HOMO场致电离模型, 分别计算了C2H2, C2H4 和C2H6分子在不同强度激光场中的隧道电离几率, 得到了3种分子发生场致电离的理论计算电离阈值.利用飞行时间质谱, 进行了C2H2, C2H4和C2H6分子在脉宽为100 fs, 波长为800 nm, 激光功率密度为1013～1014 W/cm2的激光脉冲下的电离实验, 得到了3种分子在强场发生电离的实验电离阈值.实验结果与计算结果符合得较好, 说明HOMO场致电离模型可以较好地模拟多原子分子在强激光场中的电离行为.     

稀土元素对镁合金结构及力学性能的影响

通过第一性原理方法, 计算了稀土镁合金的晶格常数、弹性模量、体模量、剪切模量、杨氏模量和各向异性参数等性能, 研究了稀土元素对镁合金的结构及力学性能的影响. 结果表明: 固溶体中固溶原子和溶剂原子之间的最近邻原子间距增大, 固溶体的体模量减小; 固溶原子的4f电子对固溶体的性能有较大的影响, Eu及Yb处出现的晶格常数和力学性能的反常来源于固溶原子的特殊的4f电子层结构; 方向性共价键是固溶体脆性增加的原因.     

亚波长微纳光学的前沿研究(二)*

结合薄膜光学、导波光学和衍射光学制备的亚波长微纳结构器件,具备制作新型功能光学元件的潜力,是当今光学领域备受关注的研究热点。笔者介绍了亚波长导模共振结构应用于可调谐滤波器、彩色图像再现,及其周期性孔阵列结构制备的可调谐滤波器。这些研究展示了微纳米尺度的光学结构不同于宏观尺度的新特征,及其在新技术的广阔前景和科技创新中的重要作用。     

精密度的追求

锁模飞秒激光产生的光频梳完全革新了光频率的计数技术。有了它们，只需要一步就可以将光学频率和微波频率连接起来，它们还提供了长期缺失的光学原子钟的钟表机构。通过扩展时间和频率的度量衡学的极限，它们使基本物理定律新的检验成为可能。通过用铯原子钟的微波频率对氢原子和其他原子的光学共振频率的精密比较，将确定基本物理常数可能的缓慢变化的灵敏度极限。光学高次谐波的产生将频梳技术扩展到极端紫外，开启了精密激光光谱学新的光谱领域。频梳技术也通过对超快激光脉冲的电场的控制成为阿秒(attosecond)科学的关键。     

高温超导小型化交叉线自均衡线性相位滤波器

利用高温超导薄膜制作的高温超导滤波器同时具备极低插损和陡峭带外截止特性,但对电路加工工艺要求很高.为了便于采用常规光刻工艺加工交叉线高温超导自均衡线性相位滤波器,本文采用一种特殊结构的多曲折线谐振器.结合自拟的线性相位滤波器耦合矩阵在35.1mm×6.6mm、具有极低表面电阻、厚度为0.5mm、介电常数为23.5和LaAlO3作为衬底的微带线YBCO/LaAlO3/YBCO双面高温超导薄膜上设计并制作了八级高温超导小型化交叉线自均衡线性相位微带线滤波器,在77K时测得其中心频率为2513.5MHz,带宽为15MHz,群时延起伏15ns的有效带宽占通带的70%以上。     

DNA损伤修复的单分子水平研究进展

外源或内源的DNA损伤在生物体内持续发生。DNA损伤修复的缺陷与很多疾病甚至癌症等息息相关,而生物细胞进化出一系列精密的修复机制以耐受或切除这些损伤。单分子技术区别于常规的生化、分子生物学等手段,可以在体外和活细胞内研究DNA修复相关生物分子的动态反应特征,从而对DNA修复机制进行更充分的剖析。文章围绕常见的DNA损伤及其修复类型,阐述了近年来利用原子力显微镜、磁镊、光镊等单分子操控技术,以及全内反射荧光显微镜、光激活定位显微镜和超分辨显微示踪等单分子荧光成像技术在DNA修复机制研究中取得的进展,梳理了利用单分子技术解决的长期存在的关于DNA修复难题,并展望了单分子技术联合其他交叉学科技术在研究DNA修复机制方面的前景。     

Research Progress on High-Density Optical Storage Materials for Blue-Green Laser Recording

The key for the development of high -density optical storage technology nowadays is to develop short wavelength (blue-green laser) recording media and devices. Based on the progress achieved in the key program of National Natural Science Foundation of China "high-density optical storage materials using blue -green laser recording", the chemical composition, microstructure, storage performance and related mechanisms of some kinds of novel high density optical storage materials are presented in this paper. The research method and clew for super high -density optical storage materials and technologies are highlighted.     

甚短距离光互连集成电路

甚短距离光互连高速集成电路技术把光电子器件和高速集成电路紧密结合起来, 可提供多条高速并行信号通道, 在短距离内传输达到上百Gb/s甚至Tb/s的总带宽. 本文介绍了甚短距离光互连高速集成电路基本结构, 从甚短距离光传输系统应用研究、光源与探测器、高速光电芯片封装技术和关键高速电路等几个方面, 介绍了国内外该领域的最新研究进展. 最后对甚短距离光互连集成电路应用前景进行了展望.     

耦合反馈激光混沌振幅调制全光逻辑门及光电复合逻辑门研究

理论研究耦合反馈半导体激光器混沌同步及其在光学数字逻辑门中的应用, 构建了三种基本的全光XNOR, NOR, NOT 门以及光电复合NOR 光学数字逻辑门的物理模型, 定义了这些逻辑门的计算原理和方法. 基本物理方法是, 让外部光注入到2 个激光器中产生激光混沌输出, 通过两激光器激光的相互耦合及反馈实现混沌同步. 在此基础上, 利用光的外部调制方法让两相互耦合激光分别在振幅调制下控制混沌同步或非同步, 实现了全光逻辑门的功能与计算. 然后联合激光的外部调制和激光器电流调制, 控制混沌同步或者非同步, 实现了光电复合逻辑门的功能与计算. 另外, 详细地数值分析了激光混沌再同步与再非同步对逻辑输出影响等问题, 结果证明了该方案的科学合理性与可行性.     

聚光集热系统统一MCRT建模与聚光特性

针对太阳能热发电站中各种聚光集热系统及其光能聚集与光热转换复杂过程,提出了一种新的统一建模方法以及与其对应的自编程统一蒙特卡罗光线追迹(MCRT)计算方法.即根据系统组成特性与光子传播简化计算原则,将其细分为由不同数量表面组成的各个子系统层次,采用统一的4阶方程与层次/表面编号形式、表面特征与光学参数变量等建立统一的系统几何模型与光学模型,设计开发具有统一求解交点、统一光学事件判断与计算、统一计算考核等通用模块的统一MCRT计算方法与程序.在此基础上,将该统一MCRT建模方法与程序应用于3种典型聚光集热系统,计算考核结果表明,该方法与程序具有较好的通用性和较高的准确性,所获得聚光特性进一步或可有效用于指导各种太阳能聚光集热系统应用选型或设计计算.     

用于超导量子比特直流特性测试的级联低通滤波器

设计并制作了用于超导量子比特直流特性测试的级联低通滤波器, 该滤波器由LCR滤波器和铜粉滤波器级联而成. 滤波器在77 K温度下的截止频率为120 kHz, 衰减率为−40 dB/decade, 10 MHz以上迅速衰减至−60 dB以下. 频率响应优于单一的LCR滤波器或铜粉滤波器, 能在低温下有效抑制高频噪声.     

块体金属玻璃过冷液相的高热稳定性与非晶形成能力的原子机制

过去几十年里,从原子尺度理解块体金属玻璃形成过冷液相特性与微结构的关系吸引了材料学家和凝聚态物理学家极大的关注,是此类先进工程金属材料得到实际开发应用的关键之所在。本文综述了前期有关块体金属玻璃有序原子团簇结构随热处理或微量元素添加,演化及其对过冷液相热稳定性、晶化行为和玻璃形成能力影响的研究成果;并聚焦在块体金属玻璃过冷液相中的两类不同原子团簇,即类二十面体原子团簇和类晶体原子团簇。这两类原子团簇的共同存在是块体金属玻璃高热稳定性和纳米晶化的重要因素。通过微合金可以调控过冷金属液相中原子团簇的结构和体积分数,从而进一步推进它们的实际工程或功能性运用。