低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.

中国的表面物理

以中国科学院表面物理国家重点实验室为主线,回顾了表面物理在中国的发展历程,致敬为中国表面物理做出贡献的老一辈科学家.通过回顾历史可以看出,中国表面物理蓬勃发展,不仅做出了很多国际先进水平的工作,也培养了大批青年人才,他们已经成为国际凝聚态物理研究的重要力量.

多能级系统中的动力学解耦

动力学解耦技术能有效地抑制由低频环境噪声导致的退相干过程,因此在量子信息领域获得了广泛的应用.传统的动力学解耦方案通过对简单的二能级体系,如量子比特,施加特定的π脉冲序列来实现解耦效果.随着量子计算研发的深入,对于像超导量子比特这种天然的多能级系统,研究者不再局限于二能级子空间,而是提出和实现了一系列基于多能级体系的量子调控手段和量子算法.目前对于如何抑制这些体系中的退相干尚缺乏深入研究.本文利用较易在实验中实现的紧邻能级间的π脉冲,构建了多种针对多能级系统的动力学解耦序列.结果表明这些序列可以很好地消除准静态噪声的影响.此外,通过计算滤波函数,还分析了这些序列及其拓展方案对于高斯噪声的抑制作用,并结合控制函数对滤波效果给出了物理解释.研究结果对于多能级体系中的相关噪声研究,包括噪声功率谱密度和关联性的刻画以及退相干的抑制等,均具有启发意义.

锁相放大技术在大学光谱实验教学中的应用

目前大学物理实验中的光谱测量实验通常为针对氢氘灯、钠光灯等强信号的测量。在实际应用中,往往需要测量微弱的光信号。传统测量微弱光信号主要利用电荷耦合器件的长时间积分来实现,然而昂贵的价格使其不能大规模应用于本科实验教学。锁相放大技术是利用互相干方法在嘈杂背景环境中提取微弱信号,在半导体材料光谱测量技术上可以对微弱透射光信号进行探测。结合其相对低廉的价格,有望在本科光谱实验教学方面发挥优势。结合锁相放大技术和光谱测量技术搭建了半导体吸收光谱教学实验平台,向学生介绍基于锁相放大技术的微弱信号光谱测量方法。并利用实验结果分析半导体材料吸收系数随入射光子能量变化的规律,从而得出材料的禁带宽度。

一维超冷原子动量光晶格中的手征对称性破缺拓扑相

对称性在理解物质的拓扑态方面具有关键作用.过去人们认为手征对称性保证了一维晶格的量子化Zak相位及其对应的非平庸拓扑相.本文展现了在一维手征对称性破缺的情况下,晶格系统仍具有量子化Zak相位和非平庸拓扑相.具体而言,在超冷原子动量晶格系统中有效地模拟了一个链长为26、手征对称性破缺的Zigzag模型,其中相等的次近邻耦合强度能够在保留空间反演对称性的同时破坏手征对称性.通过测量原子的时间平均波包位移来获得系统的拓扑不变量,并得到了其对应的量子化的Zak相位.此外,还观测到系统随着最近邻耦合强度比例的变化会从非平庸拓扑相转变为平庸拓扑相.本文不仅为对称性及拓扑相的相关研究提供了一个完全可控的平台,还可以通过控制格点间耦合强度和原子间相互作用,探索例如Tasaki,Aharonov-Bohm caging模型中的平带拓扑以及引入相互作用研究的非线性拓扑现象.

黑磷中基于热驱动金属扩散诱导的相变

二维(2D)材料具有原子级平整、可范德华堆叠集成的性质,同时蕴含了丰富的物理现象与优异的电学性质,对其相变行为的研究一直是凝聚态物理与材料科学领域的前沿。本研究中,我们在黑磷(BP)中首次实现了基于热驱动金属扩散诱导的阶段式可控相变。通过对BP-In界面的热退火处理,我们观察到了从BP纯相到BP/InP混合相,再到InP纯相的阶段式相变现象。利用透射电子显微与拉曼光谱等表征技术,我们对诱导相变产生的机制进行了深入剖析,揭示了BP-In中热驱动的金属扩散行为是诱导相变发生的主要原因。通过对热驱动中影响能量供给的两个自由度(温度与时间)的精准调控,得到了阶段式相变过程中两个关键的阈值温度(相变启动与实现纯相转变)分别为300与350℃。本研究为2D材料体系中相变工程相关的研究提供了新的思路,也为拓展BP在电子学与光电子学器件中的应用提供了更多的可能性。

基于自旋体系的量子机器学习实验进展

机器学习因其在模式识别等问题上的优势已经被广泛应用到各个研究领域,然而其运算能力在一定程度上受到经典计算机算力的制约.近年来,随着量子技术的高速发展,量子计算加速的机器学习在诸多量子体系中进行了初步实验验证,并在某些特定问题上展示出了超越经典算法的优势.本文主要介绍两类典型的自旋体系-核磁共振体系和金刚石氮空位色心体系,并回顾近年来量子机器学习在这两类体系上的一些代表性实验工作.

热电偶试验系统误差的纠正方法

热电偶在现代电测温控系统及仪表中应用非常广泛,标定和掌握热电偶的热电势温度特性非常重要。采用K型、E型热电偶为研究对象,试验发现,随温度的改变,热电势的测量结果与参考值相比,有延迟性。为了减小延迟性给标定热电偶的温度特性带来的误差,分升温和降温两个过程测量热电偶的热电势,然后取平均值,结果显示该方法很好地消除了由于延迟性导致的系统误差。

石墨烯电极聚亚苯基分子结输运指数衰减因子调节

本文研究不同边缘形貌石墨烯纳米带电极之间,分别连接1、2或3个低聚亚苯基环分子结的电子输运性质.使用第一性原理结合非平衡格林函数计算,本文发现对所考虑的分子结输运电导都呈现随分子长度指数衰减的规律,且衰减因子的敏感依赖于电极石墨烯纳米带边缘形貌和分子-电极连接构型敏感.这一结果表明可以用改变纳米带边缘形貌、分子长度和连接方式来有效地调节通过分子结的电流,这为石墨稀电极分子器件设计提供可能的理论指导.

电子态调控促进氢气无损耗纯化中CO的光致富集和氧化

随着选择性氧化(PROX)的快速发展,将氢气中残留的微量CO去除以达到质子交换膜燃料电池的使用氢要求,成为氢气纯化中迫切需要解决的问题.光催化氧化可将氢气流中的CO浓度降低至1×10^(-6)以下.本质上,该反应是光生·OH与痕量CO在氢气中反应.在该过程中,虽然·OH会不可避免地与H2发生碰撞而形成氢自由基(·H),但是环境中的H2会与之结合并通过氢交换促进自由基间的有效碰撞而结合成H2,避免氢气损耗.相比于现有的氢气纯化方案,光催化CO氧化可发展成为一种不损耗氢气的纯化技术.该技术虽然具有应用前景,但·OH的非选择性碰撞严重降低了其利用率以及整个氢气无损耗纯化反应过程中的光子利用率,因此,提出可行方案来促进·OH的产生及其与CO的碰撞成为研究重点.本文采用密度泛函理论结会Climbing image-nudged elastic band方法研究水分子在TiO_(2)上的反应过程.在普通TiO_(2)(101)晶面上形成*OH的势垒为0.57eV;而采用Mg来取代TiO_(2)的5c-或者6c-Ti位点后,势垒分别降至0.25和0.2 eV,并且*OH吸附在相邻Ti位点上的自由能比·OH高.除了促进光致·OH的产生,Mg掺杂所形成的位点还能促进发生在半导体-助催化剂界面秒级别的电子转移,进一步提高光子利用率.而且,Mg掺杂降低了TiO_(2)中Ti4+的电子云密度,促进了CO分子中碳5σ轨道上的负电荷转移至半导体阳离子,同时增强了半导体中阴离子向CO分子转移负电荷的能力,由此可以增强所形成的Mg掺杂TiO_(2)(Mg-TiO_(2))与CO的静电作用,实现该气体在半导体附近的富集.因此,Mg掺杂不仅可以促进羟基自由基的产生,还可以通过静电作用促进CO在Mg-TiO_(2)表面的富集,提高自由基对目标反应的碰撞概率.在光催化CO氧化反应中,Mg-TiO_(2)展现出比普通TiO_(2)更优的性能;并且随着CO浓度降低,Mg掺杂带来的CO富集效应愈加显著,进而表现出更好的催化性能.在光催化氢气无损耗纯化反应中,基于Mg-TiO_(2)催化剂的光催化固定床反应可将流速为1 L/min的H2气流中CO/H2的比浓度降低至<1×10^(-6),并展现出高效的光子利用.与其它将CO/H2比浓度降低至10-6的方法相比,本文催化剂气时空速可达600000 h^(-1),远高于PROX的5000 h^(-1)以及CO甲烷化的7500 h^(-1).综上,本工作揭示了电子态调控对CO光致富集和氧化的促进作用,对氢气无损耗纯化的光子利用效率提升和商业化具有借鉴意义.

光源尺寸对迈克耳孙干涉条纹可见度的影响

在大学物理中,通过迈克耳孙干涉仪,学生可观察到点光源和扩展光源产生的各种类型干涉图案,并且理解非定域干涉与定域干涉的形成条件及特点,加深对光的波动性的认识。分析光源尺寸对可见度的影响有助于更好地理解非定域和定域干涉。为此,我们将扩展光源等效为无数个不相干的点光源,得到了可见度公式,数值模拟结果展示了可见度随尺寸的变化。据此容易理解光源尺寸的变化怎样导致条纹观测区域的改变。同时,分析结果还表明,要在观察屏上得到干涉条纹,光源的尺寸应小于某个临界值。

借助AI智能工具提升理工类专业研究生英语学术论文读写能力的行动研究

在当今全球化趋势下,英语是学术交流的主要语言,英语能力成为研究生的必备技能之一。然而,由于语言障碍和知识结构等问题,许多非英语专业研究生在英语读写方面存在一定的困难。为此,研究旨在通过教学行动研究的方式探索借助AI智能工具提升理工类专业研究生英语论文读写能力的可行性以及应用效果。研究结果表明,借助AI智能工具不仅可以帮助理工类专业研究生提高学术英语阅读水平,而且可以有效解决他们面临的语法用词问题,更好地调整论文的结构以及生成可用的语句和语篇框架,提高其写作能力和写作质量。希望本研究能够为国内高校理工类专业研究生英语读写能力教学的提升提供一定的参考和借鉴。

薄膜材料虚拟仿真实验的建设与教学实践——磁控溅射镀膜和原子力显微镜(AFM)在氢化纳米硅薄膜制作过程中的应用

为解决薄膜材料物理实验在大学物理实验教学中实验仪器昂贵,实验过程高危等困难,设计与建设了“磁控溅射镀膜和原子力显微镜(AFM)在氢化纳米硅制作过程中的应用”虚拟仿真实验.此虚拟仿真实验项目借助3D技术,真实还原并模拟了实验场景与过程,人机交互程度高,可操作性强.通过三年的教学实践与网络平台推广,取得了良好的教学效果以及学生的一致好评.

运用对称双扭摆实验学习耦合振动规律

为了以刚体转动为背景引导学生学习耦合振动规律,设计了力学上类似于固定端/弹簧/质块/弹簧/质块/弹簧/固定端系统的对称双扭摆实验.应用拉格朗日方程推导了对称双扭摆耦合转动的简正模式和简正频率,通过控制初始条件观测了对称简正模、反对称简正模和拍等特殊耦合转动现象.运用智能手机和Tracker软件测量了转角的时间演化数据,并通过数据拟合验证了理论预期.

应用信息技术培养创新型人才实验教学模式的思考与实践

文章提出面向大面积学生的设计性、研究性、开放性实验教学模式是激发学生学习热情、挖掘学生学习潜能、培养学生自主学习能力、培养大面积创新型人才的有效模式;信息技术是突破实验教学中设备、师资力量、课时等的困扰,实质性地实施该教学模式的重要保证.以南方科大物理实验教学为例阐述实施该模式的教学实践和教学效果.

水合物研制、结构与性能及其在能源环境中的应用

天然气水合物是与能源和环境相关的物质,可以进行甲烷等能源气体的存储和提取,也可以用于对二氧化碳等废气的封存.天然气水合物主要分为三种结构:sI, sII和sH,在本文中对其稳定性、水笼类型和大小以及可俘获气体进行了论述.中子衍射技术是研究水合物的重要手段之一,有着独特的优势.如中子的穿透性可以研究在高压状态下压力腔体内的大块样品;中子对于轻元素的敏感性可以很好地确定水合物当中的碳、氢、氧元素.通过中子衍射和非弹散射可以得到水合物中H/D原子的位置、各向异性振动因子、不同温度压力下的客体分子的水笼占据率、客体分子在水笼中的无序分布、原子核密度分布(通过最大熵方法);通过时间分辨中子,可以检测水合物形成及分解过程的热力学和动力学过程.而利用非弹中子可以得到气体分子平移和旋转振动模式以及分子的量子态转变.通过二氧化碳气体注入对天然气水合物的开采可以实现能源气体甲烷的开采和废气二氧化碳的水合物封存,在减小地质灾害和开采成本上有着独特的优势.

量子计算研究现状与未来发展

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议:注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。

基于STEM-EELS方法在纳米尺度上测量表面声子强度

单色仪和球差校正器的装备使得透射电子显微镜同时具备高空间和高能量分辨率。基于扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)方法可以实现在纳米尺度上测量材料的声子结构,这为研究表界面和缺陷的声子行为及其与微观结构之间的关系提供了强有力的手段。本文测量了六方氮化硼(h-BN)纳米片体内、表面、表面附近真空中声子信号的强度,利用多种拟合方法探究了其衰减行为并做出理论解释。对比了各种拟合方法的优缺点,讨论了它们的适用范围,提出了一套简单的经验公式来拟合真空中信号强度的衰减行为,并与其他拟合方法对比。

对大学物理实验教学的思考、改革与实践

大学的基础物理教学,分为理论课教学和实验课教学,两种教学是独立运行的。理论课教学是以知识传授为主,培养学生的理论思维方法;实验课教学则是要求学生掌握一些基本的技术,以动手为主,培养学生形成理论结合实际的思维,使学生具备初步的研究和应用开发能力。这些年来物理教学出现的问题是学生毕业后在研究和应用开发上感到无从下手,没有思路。

FeS2/C复合材料的制备及其结构与形貌分析

以草酸亚铁、硫脲和升华硫为主要原料,采用水热法制备FeS_2/C复合材料。优化了草酸亚铁、硫脲和升华硫的摩尔比,分别探讨了硫脲、升华硫和抗坏血酸的加入量对FeS_2/C复合材料的组成、结构和形貌的影响,并且探讨了柠檬酸、蔗糖、聚乙二醇3种不同的碳源对制备得到的FeS_2/C复合材料的影响,由此对碳源含量和种类进行优化和选择。