射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化

针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求,研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法。首先,通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析,获得了结构改进基础;其次,应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径;再次,结合传力路径和壳体结构的安装使用要求,获得了最佳的点阵材料优化设计域;最后,通过点阵材料优化设计,获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案。与原结构进行对比,优化方案质量减小31.5;动力学方面,结构模态整体提升,较好避开了推力器工作时的振动频率范围;受载条件下结构最大应力降低达59~67,应力分布更加均匀,结构变形也相应减小,结构刚度有所提升。优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性。

材料拓扑空间及其一些性质

根据灰关系理论和点集拓扑不原理，提出了材料拓扑空间概念并谁了它的一些性质。

拓扑超材料中弹性波模式分离及能量聚集

在凝聚态物理系统中的拓扑超材料,由于其反常的物理现象,在信息处理与能量应用方面展现出巨大的潜力.近些年来,受凝聚态物理中拓扑现象的启发,经典波动系统中的力学拓扑现象受到越来越多的关注.弹性波作为振动的重要载体,广泛存在于工程与自然环境中.作为一种矢量波,弹性波相对于声波与电磁波等标量波展现出更复杂的多分量传输特性,在调控与应用方面存在诸多困难.在本研究中,将以拓扑超材料为基础,围绕弹性波分解与力学应用展开.首先利用设计的声子晶体实现了双重狄拉克锥,并通过在声子晶体中引入几何扰动,实现了弹性波面内和面外模式的拓扑相分离;通过不同拓扑相的组合,构造了具有不同波传输特性的拓扑边界态,实现了弹性波面内和面外模式的分离;进一步地,基于耳语回廊(whispering gallery)模式引发的能量局域化,弹性波面内和面外分量的能量实现了分区域聚集,为振动能量高效俘获提供了思路.弹性波模式分离及其引发的能量聚集均采用实验进行了验证.阐明了拓扑超材料在弹性波分量调控与能量应用中蕴含巨大潜力,对振动信号处理与能量俘获等应用具有积极意义.

基于拓扑/二维量子材料的自旋电子器件

拓扑材料和二维材料等新型量子材料,为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机.这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面,从而改善器件表现,更由于它们丰富的相互作用和耦合关系,能提供新奇物理现象和新的物性调控机制,在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值.拓扑材料和二维材料,尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究,取得了丰硕的成果,兼顾了启发性与及时的实用性.本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果:首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破;其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用;最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.

汽车多材料控制臂拓扑优化方法

为进一步提高汽车控制臂轻量化水平,提出了一种壳/填充结构多材料拓扑优化方法。采用两组设计变量建立材料插值模型:对第1组设计变量进行两步滤波,利用归一化密度梯度范数将壳区域与填充区域分离;第2组设计变量用于分配填充区域多种材料。为避免填充材料过度聚集,通过映射函数的隐式方法将局部体积约束扩展为多材料填充问题。控制臂优化算例结果表明,材料插值模型能有效识别壳特征和实现局部体积约束,控制臂主体质量较原钢制控制臂减轻13.2%,转向和制动工况下应力水平分别降低55.0%和39.7%,获得较好的轻量化效果。

复合材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计

以NACA2418标准翼型前缘为研究对象,提出一种基于离散材料优化(DMO)法的复合材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计方法。将离散材料优化(DMO)法与拓扑优化相结合,设计一种机翼前缘柔性机构来实现自适应连续变形,选定机翼前缘上10个离散点的实际位移与目标位移的偏差为目标函数,采用统一拓扑和多相材料优化的材料插值方案建立数学模型,最后用OC优化准则求解。利用MATLAB编程获得机翼前缘的拓扑结构,使用CATIA对拓扑结构进行三维建模,最后将得到的三维几何模型导入Hyperworks软件进行仿真分析。结果表明,机构可实现机翼前缘0°到9.3°的连续偏转,验证了该方法的可行性。

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。

拓扑量子材料光电探测器研究进展

物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.

磁性拓扑材料中贝利曲率驱动的非常规电输运行为

近年来,磁性拓扑材料特别是磁性Weyl半金属越来越多地被发现,为研究拓扑输运行为提供了重要载体.磁性拓扑半金属材料具有动量空间的强贝利曲率,显著增强了电子的常规横向输运行为,也使得曾经被忽略或无法观测的输运效应逐渐浮现出来,导致当前广泛采用的经典输运方程不能准确地描述磁性拓扑电子的输运行为.本文从半经典输运方程出发,介绍磁性拓扑材料中新近出现的非常规电输运行为,内容涉及化学掺杂、磁场调制拓扑电子态、贝利曲率相关的线性正磁电阻及磁场线性依赖的输运行为.这些行为为磁性与拓扑相互作用下的电输运行为提供新的理解和思考.最后,对非常规电输运的发展进行总结和展望.

大跨度无支撑甲板拓扑-尺寸-材料联合优化设计

提出了一种加筋板概念-详细联合设计框架,以开展空间约束下的大跨度无支撑甲板刚度、变形及动态振动性能拓扑-尺寸-材料综合优化研究。应用加筋板拓扑设计域降维处理策略解决了大跨度甲板三维实体单元断连及计算效率低的问题。提出了兼顾迭代效率和逼近全局最优解的三段式延拓(TSC)法并应用于大跨度甲板的应变能、多工况位移及一阶动态频率的概念设计。通过480个加筋板刚度最大化算例证明了TSC法的有效性。提出了尺寸/材料一体化设计方法,并联合自动化技术对大跨度甲板概念结构进行了详细设计以便工程化制造,即曲形T形梁的截面尺寸、面板厚度及材料弹性模量组合优化。结果表明:与传统大跨度甲板相比,通过加筋板概念-详细联合设计框架高效获得的曲形大跨度无支撑甲板具备空间及性能(刚度、变形、动态振动)的双重优势。

拓扑量子材料的合成、性质及应用

拓扑量子材料因其潜在的奇妙物性和在电子器件上的应用,已成为凝聚态物理领域研究的前沿和焦点。目前在拓扑量子材料中,拓扑超导材料和拓扑磁性材料是两类极具吸引力的体系。尽管对这些材料的研究已取得很大进展,然而对其合成、性质及应用,尤其是在合成方面,仍缺乏系统性的综述。因此,本文重点介绍了两类典型拓扑量子材料的实验制备,并简要介绍了他们潜在的物理性质及应用。最后,我们对拓扑量子材料体系的研究现状和未来发展提出了自己的思考。

拓扑量子材料用于能源转化与存储的研究进展

拓扑量子材料具有非平庸的拓扑表面态,并且对于材料的杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,因此在能源转化与存储领域中备受关注。简要介绍了拓扑量子材料的分类及相应的能带结构,同时结合近十年来拓扑量子材料在能源转化与存储领域中的应用发展,阐述了拓扑量子材料在水分解、电池、超级电容器和乙醇氧化等应用领域中的研究进展。总结了拓扑量子材料在能源转化与存储领域中现存的挑战,并对未来的新应用进行了展望。

拓扑材料BaMnSb_(2)的红外光谱学研究

对于新型拓扑材料BaMnSb_(2),研究了从7 K到常温下温度依赖的宽频红外光谱特性.随着温度的降低,绝对反射谱中等离子体极小值有着明显的蓝移,表明载流子浓度存在随温度变化的行为.在光电导谱的实部中存在两段随着频率线性增加的响应,它们的线性外延不经过原点,表明BaMnSb_(2)的费米能级附近有打开能隙的Dirac型色散.此外,在低温下还发现了一段不随频率变化的光电导,且无法用传统的Drude-Lorentz模型拟合.因此本文引入了一个恒定的光电导分量,得到了满意的拟合结果.通过计算和分析,我们认为恒定光电导分量可能来自于拓扑材料BaMnSb_(2)的表面态响应.

拓扑材料中的平面霍尔效应

平面霍尔效应(planar Hall effect,PHE)是当前凝聚态输运中研究的热点之一.近年来,平面霍尔效应,尤其是拓扑材料中的平面霍尔效应,引起了人们的广泛关注和研究,并取得了很大的进展.不同于普通霍尔效应,平面霍尔效应中的横向电流、磁场和电场可以出现在同一平面,无法用洛伦兹力解释,其很大程度上依赖于磁电阻的各向异性.本文从理论和实验两个角度介绍拓扑材料中平面霍尔效应的研究进展,深入分析了导致线性和非线性平面霍尔效应的各种外禀和内禀机制,并讨论尚待解决的相关问题和未来的发展方向.

拓扑半金属及磁性拓扑材料的单晶生长

拓扑材料因具有新奇物理特性受到广泛关注,这些材料一方面为基础物理研究提供了新的平台,另一方面在以拓扑物理为基础发展的器件研究方向上展现出潜在应用价值.凝聚态领域对于拓扑材料相关物理问题的研究主要通过两种方式开展:一是在已知的拓扑材料中不断挖掘新的实验现象和物理问题;二是不断预言和探索发现新型拓扑材料体系并开展合成.无论哪种方式,高质量单晶的获得都至关重要,它为角分辨光电子能谱、扫描隧道显微谱和磁场下的量子振荡等实验研究提供了前提保障.本文总结了拓扑材料的分类和发展,基于本研究组近些年开展的工作介绍了助溶剂法、气相输运法这两种拓扑材料单晶生长中常用的方法,并详细介绍了拓扑物性研究领域几类典型的拓扑材料及其生长方法,如拓扑绝缘体/拓扑半金属、高陈数手性拓扑半金属和磁性拓扑材料等.

拓扑材料中的超导

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.

中国科学家首次用新方法预测出大批拓扑材料

中国科学院物理研究所一组科研团队研发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法,应用此方法在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料,并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。该成果于北京时间2月28日在线发表于国际权威学术期刊《自然》上。这一成果意义重大。它改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式,将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”上。

共振非弹性X射线散射在量子材料领域的应用

共振非弹性X射线散射(resonant inelastic X-ray scattering,RIXS)是一种先进的基于同步辐射和自由电子激光光源的光进光出的谱学探测手段.在过去的十几年,RIXS的能量分辨不断被提高,其对凝聚态物质的研究也从最初的晶体场分裂和电荷转移激发,发展到产生于包括电荷、自旋、轨道、晶格4个量子自由度的集体激发行为及相关的序参量.本文总结了近几年高分辨软X射线RIXS在量子材料领域,如铜基和镍基高温超导材料等离子激发及磁激发的研究,量子材料中的集体轨道激发、激子激发和高阶磁激发,以及对磁性金属和拓扑磁性材料中磁激发的探测.

中国科学家首次用新方法预测出大批具拓扑性质材料

由中国科学院物理研究所研究员组成的科研团队及南京大学物理学院相关科研团队,独立发展出快速计算晶体材料拓扑性质的新方法,并用各自的方法在晶体材料库中找到了数千种具有拓扑性质的新材料。这一成果改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式,将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。