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揭示热反射实验中热物性参数的本征关系

陈韬，江普庆

物理学报, 2024, 73(23):230202.

doi: 10.7498/aps.73.20241369

热反射技术是测量块体和薄膜材料热物性的重要工具，但参数间复杂的相互关系为数据解析带来挑战。本文以频域热反射法(FDTR)为例，利用奇异值分解(SVD)对热反射信号进行了深入分析，系统地揭示了不同变量之间的关联，并提出了热反射实验中的关键组合参数。这种方法不仅厘清了变量间的关系，还明确了实验中可提取的最大参数数量。作为应用实例，本文对铝/蓝宝石样品进行了测量和信号分析，发现相较于常规仅拟合衬底热导率和界面热导两个参数的做法，最佳拟合FDTR信号能够同时确定金属膜热导率、衬底热导率、衬底比热容和界面热导四个参数。拟合结果与文献参考值和其他方法测量结果进行了对比，验证了该方法的有效性。本研究深化了对热反射现象的理解，为热表征技术和材料研究的进一步发展提供了有力支持。

图1 频域热反射法实验系统示意图

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论文通过奇异值分解（SVD）技术对热反射实验中不同参数的敏感性系数进行了分析，并提出组合参数帮助实际测量，这是一个技术性强且具有挑战性的研究主题。文章结构合理，数据分析详尽，具有较高的学术价值和应用潜力。

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非线性光纤中Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou现象的稳定性分析

胡智，李金花，李萌萌，马佑桥，任海东

物理学报, 2024, 73(23):235201.

doi: 10.7498/aps.73.20241380

稳定性是影响Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou(FPUT)现象实验观测的一个十分重要的因素，针对文献中FPUT现象稳定性分析贫乏的问题，本文主要通过数值模拟方法研究非线性光纤中影响FPUT现象稳定性的主要因素。本文采用的初始条件为实验上比较容易实现的正弦扰动平面波加上白色噪声，发现增加扰动振幅及扰动信号与泵浦光之间的相位差均可极大程度的影响FPUT现象的稳定性。结果表明: 1) 当扰动振幅从零逐渐增加时，所观察到的FPUT现象的稳定性逐渐增强; 当扰动振幅增加至临界值，FPUT现象的稳定性增至最强; 当扰动振幅大于该临界值，FPUT现象的稳定性开始逐渐减弱。2) 当扰动频率位于传统调制不稳定性区域时，随着扰动信号与泵浦光之间相位差从0增加至π/2，FPUT现象的稳定性先减弱，当相位差增加至某临界值，FPUT现象的稳定性减至最弱，当相位差大于临界值，FPUT现象的稳定性又出现逐步增强的规律。当扰动频率位于非传统调制不稳定性区域时，与传统情况不同，FPUT现象的稳定性随扰动信号与泵浦光之间的相位差的增加而增强。以上结果表明，在FPUT现象的实验中，为观察到更稳定的FPUT现象，扰动振幅的值不能太小，且扰动信号与泵浦光之间相位差也要适宜。

图1 非线性光纤中扰动平面波随传输距离的时空和相应的频谱演化(1%噪声)，参数为Ω= 1.5，φ0 = 0.5π (a)，(b)δ= 0.01; (c)，(d)δ= 0.1; (e)，(f)δ= 0.25

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本文基于标准非线性薛定谔方程（非线性光纤系统）研究了Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou（FPUT）现象的稳定性。 基于具有随机噪声（白噪声）初始调制的数值模拟，本文揭示了扰动振幅及扰动信号与泵浦光间相位差对 FPUT 现象稳定性的影响。FPUT循环现象是非线性物理的起源，具有非常重要的研究价值。目前一直是国际上的研究热点和重点，然而国内研究并不多。该论文的结果将会是该课题研究的重要补充。

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高速钝锥对不同类型来流扰动的三维感受性

万兵兵，胡伟波，李晓虎，黄文锋，陈坚强，涂国华

物理学报, 2024, 73(23):234701.

doi: 10.7498/aps.73.20241383

来流扰动感受性是边界层转捩的起始阶段，能决定边界层扰动以何种路径触发转捩。目前二维感受性研究较为充分，但现实来流扰动往往以非零角入射，导致空间扰动在圆锥周向上存在分量，造成感受性呈现三维特征，该问题研究偏少。前期仅研究了低频慢声波入射的三维感受性，对于不同类型扰动的三维感受性问题还未做系统性研究。本文采用高精度三维数值模拟技术和线性稳定性理论，开展有入射角的不同频率快/慢声波、熵波和涡波的钝锥三维感受性研究。结果发现，入射慢声波能够激发边界层第一和第二模态; 快声波很难激发不稳定模态; 熵波和涡波在低频条件下难以激发第一模态，但在高频下可激发第二模态。扰动入射角可造成感受性因周向位置而异，体现在主导扰动形式的差异和边界层扰动幅值的差异。不同扰动类型、频率下这种差异表现出不同的规律，入射正面、背面和侧面都有可能是最强感受性。导致这些现象可能是上游头部和入射正面扰动的共同作用结果。

图10 不同来流高频扰动波的三维感受性数值模拟

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本文采用高精度三维数值模拟技术和线性稳定性理论，开展有入射角的不同频率快/慢声波、熵波和涡波的钝锥三维感受性研究，属于流体动力学流动稳定性的前沿课题。钝锥三维感受性研究属于流动稳定性的最初始阶段，决定了后续高超声速飞行器的层流到湍流的转捩位置、气动力载荷和气动热分布。由于三维感受性问题研究的超高难度和复杂度，这个问题始终缺乏深入精细研究，而工程上又急需该问题的研究结果作为指导。本文的研究在理论上开拓了流动稳定性研究的最新进展，在工程应用上对于高超声速钝锥飞行器的飞行稳定性转捩的预测和热防护具有重要的指导意义。

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褶皱状单层GeSe各向异性的能带漏斗效应

刘俊杰，左慧玲，谭鑫，董健生

物理学报, 2024, 73(23):236801.

doi: 10.7498/aps.73.20241155

褶皱结构引起的周期性连续变化应变为调控二维材料电子和光电性质提供了重要手段。然而，关于褶皱状二维材料的形成机理及其对相关物性的调控研究仍缺乏理解。本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法，系统研究了褶皱状单层GeSe能带结构随波长和位置的变化规律。结果表明，由于各向异性的力学性质和褶皱引起的周期性连续变化应变，褶皱状单层GeSe表现出各向异性的能带漏斗效应，激子会定向聚集在褶皱的谷区域，且聚集能力随着波长的减小而增强。此外，当波长减小至106 nm，锯齿型褶皱状单层GeSe的能带漏斗消失，而扶手椅型褶皱状单层GeSe的能带漏斗依然得以保持。这些结果为褶皱状单层GeSe在激子输运中的应用提供了理论基础，并为设计高性能基于二维材料的光电器件提供了新策略。

图3 (a) 锯齿型褶皱状单层GeSe和 (b) 扶手椅型褶皱状单层GeSe在不同波长下单个周期内带边的分布情况

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应变是调控二维材料性质的一个重要手段，本文通过对单层GeSe应变的调控，发现了其各向异性的褶皱波长的变化，可以改变能带漏斗效应对激子的聚集能力，可以在不需要p-n结的的情况下实现激子的定向聚集，为设计基于二维材料的光电器件提供了新道路。

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磁性原子链中的拓扑超导相竞争

崔娜玮，高嘉忻，董慧薷，李传奇，罗小兵，肖进鹏

物理学报, 2024, 73(23):237301.

doi: 10.7498/aps.73.20241095

穿过磁性原子环的磁通能够诱导拓扑超导，这种方法既不需要自旋轨道耦合也不需要螺旋磁序，为实现低维拓扑超导提供新的思路。本文介绍了在二维s波超导表面环状沉积铁磁序磁性原子链模型，阐述了在此模型中磁通诱导拓扑超导的原理。同时考虑实际实验，磁性原子链打破了二维衬底表面的空间反演对称性，带来了Rashba自旋轨道耦合，进而导致原子链螺旋磁序的出现。研究了Rashba自旋轨道耦合和螺旋磁序对拓扑超导态的影响。结果发现，自旋轨道耦合对原有拓扑态具有破坏性的影响，而螺旋磁序只是推动了相变点在参数空间的转移，不破坏原有拓扑态。

图1 (a)磁性原子以铁磁序次近邻沉积在空心圆筒s波超导表面的示意图；(b)不引入超导时正常态磁性原子链能带。(c)，(d)引入超导配对后的能带，V= 0.4，JS= 0.5，Δ= 0.1，Φ= 0.04π，黑色箭头表示自旋 (c)当化学势落于能隙σJS之间时，超导态有能隙，μ= 0.1；(d)图化学势落于σJS以外，超导态无能隙，μ= -2

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超导和磁性的关系一直以来是凝聚态物理前沿研究中的热点问题，而在两者同时存在时探索可能存在的拓扑量子态更是近年来的研究热潮。文中通过在常规s波超导体上次近邻沉积磁性原子环，并在环形中加上磁通，来研究其中的拓扑非平庸量子态。作者发现，在上述装置中存在有拓扑非平庸量子态的参数区域，进一步考虑自旋轨道耦合大小和磁性原子螺旋磁矩扭角对体系特性的影响，作者得到结论当自选轨道耦合较大时会破坏磁通诱导的拓扑态，而螺旋磁序则几乎不会破坏原有的拓扑态。此项研究具有一定的理论意义，同时对实验上在超导中观测拓扑非平庸量子态也有一定的指导作用。

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稀释制冷技术

郑茂文，郭浩文，卫铃佼，潘子杰，邹佳润，李瑞鑫，赵密广，陈厚磊，梁惊涛

物理学报, 2024, 73(23):230701.

doi: 10.7498/aps.73.20241211

稀释制冷机作为一种可以获取10 mK以下极低温度的制冷技术，广泛应用于量子计算、凝聚态物理等领域，已经成为极低温区的主流技术。目前国际上干式稀释制冷机的研究和应用已经较为成熟，但是对其他类型的稀释制冷机研究较少，研究工作还不够全面系统。本综述围绕稀释制冷技术的研究现状，系统介绍了其根本机理和制冷原理，梳理了稀释制冷机的多种实现形式，讨论了各种形式的优缺点和研究进展。基于地面应用的典型稀释制冷机，结合实际情况，系统总结并分析了影响其制冷性能的内在、外在因素，为稀释制冷技术研究提供技术参考。

图1 浓相、稀相分离示意图

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随着量子技术的发展，极低温区制冷的需求日益增加，因此加快研制高性能稀释制冷机势在必行。本文围绕稀释制冷技术的研究现状，系统性介绍了其根本机理和制冷原理，梳理了稀释制冷机的多种实现形式，讨论了各种形式的优缺点和研究进展，对稀释制冷机技术研究和优化具有一定的参考意义。

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功函数对月球表面附近尘埃充电和动力学的影响

刘志贵，宋智颖，全荣辉

物理学报, 2024, 73(23):239501.

doi: 10.7498/aps.73.20241281

月球表面的带电尘埃对太空任务的顺利实施构成严重威胁，对尘埃的充电和动力学的进一步研究有助于月球探测任务的顺利实施。本文研究了具有不同功函数的尘埃颗粒在月球表面的充电和动力学。重新计算了与4种尘埃颗粒功函数相关的表面充电电流，并得到了它们在不同太阳天顶角下的充电和动力学结果，揭示了尘埃颗粒充电和动力学结果对功函数的依赖性。结果显示具有较小功函数的尘埃颗粒能够达到较大的平衡态，且需要更长时间才能达到这些平衡态，其中包括尘埃颗粒能够稳定悬浮的平衡高度，能够携带的表面电荷量以及流经尘埃颗粒表面的充电电流。结果表明，当太阳天顶角在0°—90°范围内变化时，平衡态与功函数之间都呈现明显的反比关系。尘埃颗粒在临界太阳天顶角下不能发生稳定悬浮，且该角度的大小与功函数也呈反比关系。

图1 悬浮尘埃颗粒的平衡态 (a) 平衡高度；(b) 平衡电荷数

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文章应用轨道限制理论计算月面附近具有不同功函数的尘埃的充电以及悬浮动力学过程，得到了在不同太阳天顶角情况下，尘埃表面电荷量和悬浮位置与功函数的依赖关系。尘埃充电的轨道限制理论已经较为合理的解释了不同等离子体环境中尘埃颗粒的充电。研究结果在航天器的防尘设计和防静电保护方面以及提高对天体表面尘埃环境的认识具有一定的科学意义。

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基于纠缠态表象的双模耦合谐振子量子特性分析

陈锋，任刚

物理学报, 2024, 73(23):230302.

doi: 10.7498/aps.73.20241303

量子谐振子模型在量子光学和量子信息中具有十分重要作用，一直以来是相关领域研究的热点问题之一。在单模谐振子和双模纠缠态表象的基础上，构造了一种新的双模耦合谐振子模型。与以往报道的双模耦合谐振子不同，本文提出的模型不仅具有新耦合系数的坐标和动量两个耦合项，而且其能量本征值和波函数不需要消除耦合项便可直接求解，这简化了有关的量子计算。此外，进一步分析了双模真空态在此谐振子作用下，输出量子态的非经典特性，如正交压缩性质、相空间Q函数、粒子数空间分布和量子纠缠等。研究表明，此双模耦合谐振子对输入真空态具有很强的耗散作用。输出光场不仅呈现超泊松分布和强关联的特性，而且光子具有较高的量子纠缠度。因此，本文提出的双模耦合谐振子是成为实现连续变量量子纠缠态的典型方案之一。

图5 量子态|τ〉中光子分布概率 (a)ω= 0.5，t= 0.5；(b)ω= 0.5，t= 2.5；(c)ω= 0.1，t= 0.5；(d)ω= 2.5，t= 0.5

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作者构造了一种具有连续双模纠缠性质的谐振子，并独辟蹊径地采用纠缠态表象求解了此谐振子的能级和Fock空间波函数。纯耗散系统的研究对量子纠缠态是有物理意义的，这是一篇有创意的论文。

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基于机器学习和第一性原理计算的Janus材料预测

张桥，谭薇，宁勇祺，聂国政，蔡孟秋，王俊年，朱慧平，赵宇清

物理学报, 2024, 73(23):230201.

doi: 10.7498/aps.73.20241278

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion)，是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键。磁性斯格明子根据其拓扑产生机制，可以由非中心对称结构诱导的DMI (Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生。二维Janus结构具有两个不同面的原子层，可以形成垂直内建电场，打破中心空间反演对称性。因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础。本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据，以其元素组分信息为特征描述符，构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型，基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测，并采用十折交叉验证法对模型进行了评估。梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力。最后，基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测，筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构，并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证。本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型，加速了二维Janus结构磁性的探索。本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00072中访问获取。

图6 磁矩分类预测：四种模型在十折交叉验证上的混淆矩阵　(a)随机森林；(b)梯度提升决策树；(c)极端梯度提升；(d)极端随机树

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二维Janus材料是目前的研究热点之一。本文作者采用机器学习的方法从82018种尚未发现的六角晶系ABC型材料中筛选出了4024种结构稳定且具有高磁矩的Janus材料，并采用第一性原理的计算方法进行了验证。该工作工作量大，具有较高的创新性及学术价值。

《物理学报》2024年第23期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/23