物理学-材料与拓扑

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本研究聚焦于扭转双层石墨烯(tBG)在大角度扭转(θ=21.8°)下的低能物理,揭示了谷间Umklapp散射在驱动非常规带拓扑中的关键作用。研究通过构建对称性约束的有效k·p模型,分析了不同堆叠构型(D6和D3对称性)下的电子响应差异。结果表明,D6构型呈现出带隙光谱并伴随手性层间耦合,而D3构型则表现出半金属行为,具有二次带交叉。研究进一步发现,手性反转在不同扭转区域的界面处诱导了拓扑域壁态,这些态以反向传播的伪自旋模式形式表现出来,源于类似Jackiw-Rebbi机制的手性反转效应。这种拓扑态在未扭转双层石墨烯中不存在,且通过原子级模拟验证了其对对称性破缺扰动的鲁棒性。研究还探讨了扭转诱导的手性与拓扑之间的相互作用,提出了一种在扭转范德瓦尔斯材料中设计域壁态的新途径。作者通过数值紧束计算和分析模型,确认了这些拓扑态在多种对称性破缺扰动下的稳定性,并指出其在大角度tBG系统中的普遍适用性。研究结果为手性传输工程提供了新的理论基础和实验可能性,对扭转电子学(twistronics)领域具有重要意义。

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本研究对核废料固定材料锆石(zirconolite)的四种多型结构(2M、4M、3O和3T)在高压条件下的行为进行了比较分析。研究采用同步辐射粉末X射线衍射(XRD)技术,结合密度泛函理论(DFT)计算,探讨了这些材料在高达30 GPa压力下的结构稳定性。对于zirconolite-2M,研究提出了一个新的三斜晶系结构(空间群P1),命名为zirconolite-2TR,取代了之前报道的单斜结构(空间群C2/c)。通过Rietveld精修和DFT计算,证实了三斜结构的动态稳定性,并在14.7 GPa时发现其向单斜结构(空间群C2/c)的相变,与文献中报道的高压结构有所不同。相比之下,zirconolite-4M、3O和3T在研究压力范围内未发生相变。研究还测定了各结构的线性压缩率和室温压力-体积状态方程,发现四种结构的体积模量接近170 GPa,压缩性主要受CaO8和ZrO7多面体刚度的控制。研究结果揭示了锆石材料在高压下的晶体化学和物理性质,为核废料储存材料的设计提供了重要参考,特别是在深层地质储存库的构建中具有实际意义。研究强调了高压研究在理解核废料固定材料长期结构稳定性和辐射损伤模拟中的重要性。

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本文研究了对称性对耦合旋转分子马达性能的影响,特别是在不同旋转对称性下,恒定驱动力和随对称性变化的缩放驱动力对马达输出功率的作用。研究背景源于分子马达在纳米工程和生物系统中的重要性,例如ATP合酶(F型ATP合酶)作为细胞能量转换的核心机制,其Fo和F1组分具有不同的对称性。作者通过数值模拟和理论分析,采用Fokker-Planck方程描述马达的动态行为,探讨了耦合强度和对称性匹配/失配对马达性能的影响。主要发现包括:在恒定驱动力和强耦合条件下,对称性匹配会导致输出功率显著下降,因为马达的能量势垒重叠使得跨越势垒更加困难;而在缩放驱动力下,输出功率对对称性不敏感,但过强的上游马达驱动力会导致下游马达输出功率下降,甚至出现“断裂”现象,即两马达失去有效耦合。此外,研究表明在两种驱动力方案下,输出功率均在中等耦合强度时达到峰值,强调了灵活耦合的重要性。结论指出,这些发现不仅揭示了生物分子马达(如ATP合酶和细菌鞭毛马达)的设计原理,还为合成纳米马达和基于结构的药物设计提供了指导,同时对光合效率提升和ATP合酶相关疾病研究具有潜在应用价值。作者通过分析对称性失配的功能性,提出进化可能通过调整对称性来优化马达功能,为非平衡统计系统的研究提供了新框架。

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本研究聚焦于六氨镁硼氢化物(Mg(NH3)6(BH4)2),一种潜在的氢存储材料,其含氢量高达16.8wt%,同时也被认为是固态电池中Mg2+导电电解质的候选材料。由于NH3分子在晶体结构中的位置和行为存在不确定性,其晶体结构长期未能得到准确解析。本文通过同步辐射X射线衍射(XRD)技术,揭示了室温下晶体结构中NH3分子的取向无序特性,并提出只有在假设NH3分子存在取向无序的情况下才能准确解析室温结构模型。此外,当样品冷却至120 K时,观察到额外的布拉格峰,表明NH3分子的取向自由度被冻结,导致晶体结构发生单元胞扩展。通过对结构解析的深入理解,研究团队进一步完成了室温下红外(IR)光谱中振动模式的全面赋值。研究还探讨了两种合成路径(液态和气态氨处理),发现液态氨处理能更高效地转化为六氨相。此外,研究了加热和氢气压力对材料结构稳定性的影响,发现5 bar氢气压力不足以阻止材料在150-175°C分解。本研究为Mg(NH3)6(BH4)2作为氢存储材料的进一步研究提供了重要的结构信息和理论支持,同时为理解氨分子在复杂金属氢化物中的动态行为提供了新见解。

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本研究通过一个简单的一维双带模型,探讨了多带系统中通过角度分辨光电子发射光谱(ARPES)提取自能时所面临的复杂性,特别是在电子-声子耦合的影响下。研究背景聚焦于多带系统中自能作为一个矩阵而非标量的问题,这使得传统的单带分析方法不再适用。作者采用了一个包含电子-声子耦合的模型,比较了Holstein(局部自能)和Peierls(非局部自能)两种耦合类型的影响。主要方法包括使用动量平均(MA)变分近似计算格林函数和自能矩阵,并通过数值模拟和解析方法分析光谱权重和ARPES强度。研究发现,在多带系统中,自能矩阵的各个元素与不同Wannier轨道的偶极矩阵元素共同作用,导致ARPES强度成为一个复杂的函数,难以直接提取自能矩阵的详细信息。特别是对于Peierls耦合,自能矩阵表现出显著的动量依赖性,而传统ARPES分析假设自能为局部量时会得出错误结果。此外,光学矩阵元素的动量依赖性进一步复杂化了数据解释,尤其是在不同布里渊区间的强度调制中。作者还指出,即使光谱切面呈现洛伦兹峰,也不能保证自能是局部的。结论表明,在复杂量子材料中,ARPES数据的解释需要高度谨慎和理论支持,否则可能得出过于简化或错误的结论。这项研究强调了多带系统中自能矩阵和光学矩阵元素之间复杂相互作用的重要性,并呼吁进一步研究以解决这些问题。

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电荷密度是量子模拟中的基本量,但其精确计算仍是主要瓶颈。本研究提出了一种深度学习框架——等变原子贡献网络(EAC-Net),用于高效且准确地预测电荷密度。通过引入原子-网格耦合机制,EAC-Net 结合了基于网格和基于基函数模型的优点,在精度和效率上实现了同步提升。研究在多种系统(包括非晶固体、分子液体、表面结构和金属合金)上对 EAC-Net 进行了评估,发现其预测误差通常低于 1%,表现出一致的高精度。此外,基于 Materials Project 的 CHGCAR 数据集训练的 EAC-mp 模型达到了与现有大型电荷密度模型相当的先进精度,同时提供了原子分解的电荷密度,具有跨多样材料系统的强大零样本预测能力。EAC-Net 还在训练分布之外表现出良好的泛化能力,支持下游应用,如结构扰动下的非自洽能带结构计算。通过连接局部化学环境与全局电荷分布,EAC-Net 提供了一个可扩展的通用框架,加速电子结构预测,并在高通量材料筛选和机器学习驱动的模拟流程中具有潜在应用价值。研究还探讨了模型在自旋极化系统中的表现,尽管自旋密度预测误差较高,但仍能定性重现高频和对称性破缺特征,表明其在磁性系统中的应用潜力。总之,EAC-Net 以其高效性、准确性和泛化能力,为材料科学研究提供了一个实用工具,并为未来构建通用电荷密度预测基础模型奠定了基础。

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本研究提出了一种通过整合通用机器学习原子间势(uMLIP)与随机结构搜索(RSS)方法,加速三元手性无机晶体材料发现的高通量预测流程。手性晶体因其独特的拓扑特性和非线性光学响应等奇异性质而备受关注,但现有数据库中此类材料极为稀缺。研究团队针对三元体系(A1-3M1-3X1-3、A1-3M1-3B1-3和M1-3X1-3S1-3)进行了大规模变组成分晶体结构预测,覆盖了元素周期表中的大部分元素。通过对65个Sohncke空间群的约束,随机生成了约2000万种手性结构,并利用uMLIP进行高效结构优化和稳定性筛选,最终通过第一性原理计算验证,确认了超过120种新的手性无机晶体。这些材料展现出潜在的功能应用,包括拓扑特性、非线性光学和超导性。特别值得注意的是,研究发现了如P21-BiAs2Cl和P213-Pd3SbB等材料,前者表现出由贝里曲率偶极子和量子度规驱动的内在非线性霍尔效应,后者具有接近费米面的六重简并点和显著的磁阻效应。本研究显著扩展了手性功能材料的候选库,并验证了一种可扩展、高效的预测发现策略,为复杂材料体系的探索提供了新范式。

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本研究提出了一种使用单一波长(514 nm)拉曼光谱仪通过角度分辨偏振拉曼光谱(ARPRS)技术,从块体晶体到薄层确定黑磷(BP)晶体取向的方法。黑磷作为一种各向异性的二维材料,其物理性质和器件性能高度依赖于晶体取向,传统的取向技术如透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)复杂且不易用于常规表征。本文通过结合厚度相关的干涉效应和各向异性的光学指数,开发了一种可靠的取向测定框架,适用于不同厚度的黑磷样品。研究首先在厚黑磷晶体中验证了区分晶轴(a)和(c)的方法,并通过TEM和电子背散射衍射(EBSD)直接测量进行校准,确认了该方法对厚样品和超薄样品的适用性。研究进一步探讨了薄层黑磷的厚度依赖行为,发现拉曼强度比在不同厚度范围内呈现三种不同的取向模式,尤其是在中间厚度范围(40-150 nm)内由于干涉效应导致的取向复杂性。通过理论模拟和实验数据的对比,研究阐明了拉曼强度比沿锯齿形(zigzag)和扶手椅(armchair)轴的变化规律,并提出了一种在中间厚度范围内通过联合分析Ag1和Ag2模式解决取向歧义的策略。最终,本研究提供了一种简单、非破坏性且与标准拉曼设备兼容的黑磷取向表征方法,为器件制造中利用黑磷各向异性特性提供了实用工具,具有潜在的高通量和在线表征应用前景。

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本研究探讨了相关量子材料中价态转变与晶格的强耦合特性,重点分析了单轴应力对 Yb(In 1−xAgx)Cu4 系列化合物价态转变温度及其交叉温度的影响。研究背景基于电子与晶格自由度之间的强相互作用,这种相互作用使得电子性质对外界应力和应变高度敏感,尤其是在价态转变等相变过程中可能导致非线性晶格响应和临界弹性现象。实验中,研究团队通过对纯 YbInCu4 及 Ag 掺杂样品(x=0.2)施加沿 [110] 方向的单轴应力,测量了杨氏模量随温度和应力的变化,以追踪价态转变温度(TV)和交叉温度(T′V)。主要发现表明,单轴应力对 TV 和 T′V 的调制效果远不如静水应力有效。通过对应力诱导应变的对称性分解分析,研究指出价态转变主要受对称性保持的体积应变(εA1g)驱动,而对破反对称性应变(εB1g 和 εB2g)几乎无响应。定量比较显示,单轴应力实验中 εA1g 应变的幅度仅为静水应力实验的三分之一,从而解释了单轴应力调制效率较低的原因。这一结果支持了价态转变的临界端点可能表现出临界弹性的理论预测,即转变主要由体积变化驱动,而非各向异性应变。研究结论进一步验证了价态转变作为等结构相变的特性,并为探索相关电子系统中的临界弹性现象提供了新的材料实例和实验依据,同时为通过表面敏感测量技术研究此类转变提供了可能性。

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本研究对典型重费米子金属CeB6和非常规超导体ZrB12在室温下的宽频范围(40-35000 cm−1)动态电导率和介电常数光谱进行了深入分析。研究背景聚焦于这些材料中复杂的电子和晶格不稳定性,特别是与Jahn-Teller(JT)效应相关的集体动力学行为。通过实验测量和模型拟合,研究分离并分析了Drude型电导成分和过阻尼激发,发现200 cm−1以上的额外吸收带与CeB6和ZrB12中硼团簇(B6和B12)的协同JT动力学密切相关。结果表明,参与集体JT模式形成的非平衡电子(热电子)在电荷传输中占主导地位,其比例在CeB6中约为63%,在ZrB12中高达77%,而Drude型电子的比例分别不超过37%和23%。此外,研究还讨论了ZrB12中额外的Drude型成分,提出其可能源于滑动电荷密度波(CDW)对远红外电导率的贡献。对于CeB6,研究通过提出局部化模式的情景,解释了霍尔效应和光学总和规则分析所得导电电子浓度之间的显著差异。结论指出,协同JT不稳定性是这些材料中电子行为和电导率光谱异常的重要来源,并为理解重费米子系统和非常规超导体的电子结构提供了新视角。后续低温光学测量将进一步揭示弱局域化现象和局部化状态形成的机制。

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本研究对聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-N-异丙基甲基丙烯酰胺) [P(NIPAM-co-NIPMAM)] 共聚物微凝胶的内部结构进行了全面探究,结合小角中子散射(SANS)、动态光散射(DLS)和核磁共振(NMR)实验以及多尺度模拟,揭示了其温敏行为的微观机制和内部构型。研究背景聚焦于温敏微凝胶作为智能聚合物材料,其体积相转变温度(VPTT)随温度变化而发生可逆体积变化,在药物递送、诊断和组织工程等领域具有广泛应用前景。然而,微凝胶内部结构对其功能性和响应性至关重要,亟需明确其单体分布是否为随机或嵌段结构。研究通过合成等摩尔比的共聚物微凝胶,包括选择性氘标记的样品,系统分析了其随温度变化的溶胀行为和内部结构演变。实验结果结合单体分辨的微凝胶模拟,比较了随机、嵌段及壳层结构等多种模型,发现嵌段结构模型与实验形貌因子最为吻合,表明NIPAM和NIPMAM单体倾向于形成局部同聚物域而非均匀随机分布。13C-NMR实验进一步证实了NIPAM嵌段的显著存在,而NIPMAM则呈现更随机的分布环境。原子级分子动力学模拟揭示了这种嵌段结构的分子基础,指出单体局部环境的氢键能力差异可能驱动了嵌段结构的形成。研究结论表明,P(NIPAM-co-NIPMAM)微凝胶的内部结构呈现出非预期的嵌段组织特性,这种特性可能普遍存在于其他共聚物微凝胶中,为优化材料响应性和功能设计提供了新思路。尽管研究未能精确确定域的大小和空间分布,但其发现对重新理解共聚物微凝胶的结构和性能具有重要意义,未来可通过更高分辨率技术进一步探索。

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本研究深入探讨了磁性材料中共振非弹性X射线散射(RIXS)中的圆二色性(CD),定义了RIXS-CD为入射右旋和左旋圆偏振光子与非偏振(总)出射光子散射幅度之差。研究采用杂质近似方法,忽略不同原子间散射事件的干涉,并对几种常见的反铁磁和交替磁结构进行了对称性分析,提出了通用研究方法。通过基于第一性原理获得的真实晶体场参数的原子模型进行数值计算,支持了理论分析。研究发现,与X射线磁圆二色性(XMCD)等一阶光谱技术不同,RIXS-CD对时间反演对称性破缺不敏感,因此在低对称性的正常(无序)状态材料中也存在RIXS-CD。在反铁磁材料中,RIXS-CD对Néel矢量反转保持不变;而在交替磁和铁磁材料中,时间反演状态下的RIXS-CD光谱通常是独立的,除非存在连接两种状态的哈密顿量幺正对称性。研究还表明,RIXS-CD在杂质近似下对入射和出射波矢的依赖可分解为各向同性部分和各向异性部分,前者仅依赖于入射波矢并由伪矢量表征,后者由三阶张量描述。通过对选定材料(如MnO、NiF2、MnTe)的数值模拟,验证了对称性分析结果,并探讨了磁有序态与顺磁态的区别以及多畴结构对RIXS-CD的影响。研究结论指出,RIXS-CD在多种结构中普遍存在,但对如磁子等传播激发的解释需谨慎。

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本研究提出了一种新型的伸展性生物杂化水凝胶,由细菌细胞分裂蛋白FtsZ的活体聚合物驱动。研究背景源于自然界中活性生物聚合物作为力生成器的能力,作者将FtsZ蛋白嵌入聚丙烯酰胺(PA)基质中,利用GTP驱动的FtsZ丝状体自组装成动态踏车结构,产生内部伸展应力。这种应力导致复合FtsZ-PA水凝胶网络的可逆软化、膨胀和流化,与传统的收缩性生物聚合物系统形成对比。研究方法包括通过显微粒子追踪观察非高斯波动,利用流变学测量确认刚度和粘度的浓度依赖性降低,并通过透射电子显微镜(TEM)分析结构重塑。此外,理论建模揭示了内部丝状体活性导致的负机械介电常数,为材料科学中活性软物质力学的动态编程提供了新范式。关键发现包括FtsZ丝状体作为内部机械致动器的作用,其活性显著降低水凝胶的刚度和粘度,并在低交联密度下表现出明显的结构伸展性和流化行为。研究还通过激光多普勒测速(LDV)分析确认了活性水凝胶中独特的流体动力学模式。结论表明,FtsZ基水凝胶为探索由活体聚合物驱动的活性软材料提供了一个多功能模型系统,为自适应生物材料、软机器人和合成活性物质的模块化、可重构系统设计开辟了新途径。潜在应用包括组织工程、药物递送和自愈合材料等领域。

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本文研究了一维拓扑物质在准周期无序条件下的相变行为,提出了一种新颖的再入拓扑相变现象。研究背景聚焦于拓扑绝缘体在强无序下的不稳定性问题,尤其是在一维系统中,强无序通常会导致拓扑性质的破坏。然而,本文通过构建一个双腿梯模型,结合准周期现场无序和交错通量,揭示了无序不仅可以破坏初始拓扑相,还能在适当条件下诱导新的拓扑相。研究方法包括通过哈密顿量描述无自旋费米子系统,分析准周期无序和磁通量对系统能隙和拓扑性质的影响,并利用Thouless电荷泵浦机制验证拓扑相变的特性。关键发现表明,随着准周期无序强度的增加,系统首先从初始拓扑相转变为平凡相,随后通过能隙关闭点进入另一拓扑相,这种再入拓扑相变伴随着拓扑输运方向的反转。此外,引入交错通量后,能隙关闭点分叉为两条无隙临界线,在两个拓扑相之间形成一个平凡有隙相。研究还通过偏振、电荷泵浦量和局部Chern标记等拓扑不变量,确认了两种拓扑相的本质差异。结论指出,这种无序诱导的再入拓扑相变为一维系统中的拓扑物理提供了新的视角,不仅具有重要的理论意义,还可能在鲁棒拓扑输运技术应用中发挥作用,同时为进一步探索无序和通量对相互作用诱导拓扑的影响提供了方向。

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本文研究了无序手性活性材料中的奇异弹性现象。手性活性材料在自然界中广泛存在,如细胞骨架、细菌鞭毛旋转集群和自旋海星胚胎等,这些材料因微观尺度上的扭矩注入而打破了时间反转和镜像对称性。近年来,研究发现手性活性材料可能表现出一种新型的弹性响应,称为“奇异弹性”。然而,目前对奇异弹性的微观理解仅限于有序结构(如超材料晶格设计),而对于自然或生物系统中常见的无序结构仍缺乏探索。为此,本文提出了一种无序“奇异固体”的最小通用模型,基于微极(Cosserat)弹性理论并考虑局部活性扭矩的影响。研究发现,奇异弹性作为内部粒子旋转的非线性效应自然浮现。通过将该固体浸入活性自旋溶剂(“奇异流体”)中研究其粘弹性行为,发现了动态不稳定区域以及在过阻尼固体中仍能传播的体波区域。研究方法包括使用泊松括号形式主义推导弹性张量,发现弹性张量中的奇异模量与活性扭矩密度成正比。此外,本文还分析了奇异固体在单轴压缩下的弹性响应和奇异粘弹性中的位移波传播特性,揭示了奇异固体-流体耦合对波传播和不稳定性的显著影响。结论指出,奇异弹性作为活性扭矩的非线性效应出现,且在无序手性活性固体中普遍存在,预期在多种生物和合成材料中可观察到奇异弹性的特征。本研究为进一步探索生物材料中的“奇异”性质提供了理论基础。

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本研究结合实验和理论方法,深入探讨了六方晶系化合物EuIn2As2的磁性和电输运性质。EuIn2As2被预测为一种轴子绝缘体和交替磁体,但实验表明其费米能级位于价带而非拓扑能隙内,导致磁性性质占主导地位。研究通过磁化和电输运测量,证实了先前通过X射线和中子衍射实验识别的破螺旋反铁磁态的存在。特别值得注意的是,在该状态下观察到场诱导的亚铁磁转变,表现为磁阻中的显著滞后现象。当磁场相对于晶体c轴倾斜15°时,磁阻呈现急剧上升。通过理论计算解释了这一现象:施加磁场导致低电阻率反铁磁畴壁转变为高电阻率畴壁,这是由于砷的p轨道引起的费米面片在畴壁中的相互作用面积减少所致。研究还揭示了EuIn2As2在不同磁场强度和方向下的复杂磁结构演变,包括从破螺旋态到扇形结构的转变,以及磁场诱导的Lifshitz相变。此外,异常霍尔效应(AHE)的符号随磁场方向变化,表明其源于As原子的p轨道与Eu的4f磁矩的相互作用导致的偏散射。EuIn2As2为研究复杂磁结构及其对电输运的影响提供了新的案例,拓展了非共线反铁磁体中畴壁散射和拓扑性质相互作用的理解。结论指出,磁场诱导的磁阻滞后主要源于畴壁的电子散射,而非体相磁结构的变化,为进一步研究此类材料的磁电耦合机制奠定了基础。

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本文通过分子动力学模拟方法,系统研究了碳纳米弹簧(以螺旋大分子形式存在的石墨烯螺旋体和螺旋纳米带)的结构转变和力学行为,重点分析了除拉伸/压缩之外的其他变形模式,包括弯曲和扭转。碳纳米弹簧由于其手性结构,在纳米技术应用中具有独特潜力。研究基于平面coronene和kekulene分子衍生的螺旋结构,探讨了其在不同几何特性下的结构缺陷和螺旋反转缺陷的形成机制。结果表明,碳纳米弹簧在轴向压缩下表现为类似铰接弹性杆的行为,临界力以下保持直线形状,超过临界力后发生侧向屈曲和断裂;弯曲变形可导致不可逆的折叠结构,由范德瓦尔斯相互作用稳定;扭转变形则可能引发螺旋反转缺陷,使部分纳米弹簧呈现相反手性。此外,研究发现碳纳米弹簧的轴向热膨胀系数(约5×10^-5 K^-1)远高于许多金属和合金,表明其在宽温度范围内作为纳米传感器的应用潜力。研究还揭示了快速松弛高度拉伸纳米弹簧时可能形成的结构和螺旋反转缺陷,以及缺陷对弹性和导电性等性能的影响。这些发现为设计宽温域纳米传感器提供了重要理论依据,并深化了对碳纳米弹簧力学行为的理解。

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本文提出了一种新型二维碳同素异形体——β-虹膜石墨烯(β-Irida-graphene,简称β-IG),并通过密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)模拟系统研究了其作为钠离子电池(SIB)负极材料的潜力。研究背景源于钠离子电池作为锂离子电池替代品的需求,但钠离子较大的离子半径导致传统电极材料中扩散缓慢和结构应变等问题。β-IG由3、4、6、8和9元碳环组成的多样化多边形晶格构成,表现出优异的热稳定性、动力学稳定性和机械稳定性,在300 K下结构完整无损。其电子结构显示出金属行为,有助于高效电子传输。研究发现,钠离子在β-IG表面的吸附能量约为-2.0 eV,表明吸附过程在能量上是有利的,且Bader电荷分析显示钠原子向β-IG转移约0.87 |e|的电荷,呈现显著的离子特性。钠离子扩散势垒低至0.22-0.29 eV,扩散系数高达5.85×10^{-6} cm2/s,表明其具有优异的离子迁移率。此外,β-IG的理论比容量达到554.5 mAh/g,优于许多已报道的二维材料,且其开路电压(OCV)稳定在平均0.23 V,有助于避免钠枝晶形成。综上所述,β-IG在结构稳定性、电子导电性、离子迁移率和储钠容量等方面表现出色,被认为是下一代钠离子电池负极材料的潜力候选者,为先进碳基电极材料的设计提供了新的可能性。

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本研究开发并展示了一种湿驱动的直接空气捕获(DAC)系统,用于在不同规模(50 mL烧瓶、12 L台式和840 L小型试点)下培养蓝藻和微藻。研究背景在于,传统的CO2供应方式(如通过化石燃料来源的浓缩CO2)在浅层赛道池中效率低下,且阳光充足的微藻培养地点往往远离CO2来源,增加了运输成本和环境影响。研究采用Purolite A501阴离子交换树脂珠作为吸附剂,封装在网袋中,直接浸入含蓝藻或微藻的碱性培养基中,证明其生物相容性并能快速释放空气捕获的CO2。在烧瓶规模试验中,A501支持了工程化蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803(生产月桂酸的菌株)的快速生长(190 mg L−1 d−1)。台式系统(1g系统)每日可输送约2 g CO2到无生物的碱性培养基中,在有蓝藻存在时每日输送约0.5 g CO2,支持了Synechocystis的旺盛生长(39 mg L−1 d−1),但受限于吸附剂输送的CO2量。小型试点系统(100g系统)在亚利桑那州梅萨的4.2 m2户外赛道池中每日可输送约100 g CO2到无生物培养基中。然而,在户外培养野生型Synechocystis sp. PCC 6803时,蓝藻分泌的胞外多糖等物质覆盖吸附剂珠,导致其容量下降至约25%,通过清洗协议(0.1%过氧乙酸、0.04%漂白剂、1 mM HCl和NaHCO3离子交换)可部分恢复至约70%,但CO2输送动力学仍慢3-4倍。户外试验中,吸附剂珠在300多天的湿干循环中发生显著机械断裂,研究推测这是由于湿干循环中的水分梯度引发的机械应力及生物污损堵塞孔隙导致的水分传输减少所致。红外光谱和热重分析显示,CO2捕获所需NR4+官能团随使用时间延长显著减少。技术经济和生命周期分析表明,若通过避免生物污损的方式(如将CO2输送至介质循环流)保持无生物性能,可实现每日生产500桶生物燃料的小型首创生物炼制厂的可行性,产品包括高价值的蓝藻色素蛋白复合物(藻蓝蛋白,50美元/kg)、蛋白质补充剂(6美元/kg)和生物燃料(2.5美元/加仑汽油当量)。研究结论指出,湿驱动DAC在降低CO2捕获和输送成本、支持生物基燃料和材料生产方面具有潜力,但需进一步开发抗生物污损和耐碱性吸附剂材料。

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本研究提出了一种基于电子密度拓扑分析的新方法,用于加速在常压和非常压条件下发现晶态电极材料(electrides)。电极材料是一类电子密度高度局域化于间隙位置的物质,因其独特的电子结构和潜在的工业应用(如超导体、离子导体等)而备受关注。研究中采用了量子力学中的拓扑准则,特别是非核吸引子(NNA)的存在,作为判断电极材料特性的主要标准,并结合晶体结构预测方法(XtalOpt进化算法)进行多目标搜索。通过将NNA的定位和量化作为进化结构搜索中的主要目标,研究团队在20 GPa压力下对Ca5Pb3系统进行了全面的晶体结构预测。此系统先前已被理论预测在压缩条件下可能呈现电极特性。研究成功预测并实时筛选出多个未知的低焓相,其中包括新发现的P4/mmm结构,该结构在拓扑分析中显示出显著的NNA特征,电子密度值(ρNNA)高达0.15 e/Å3,几乎是已知P63/mcm相的两倍,且在6.5 GPa以上成为热力学上更优选的相。此外,P4/mmm相在20 GPa下表现出动态稳定性,并具有接近费米能级的伪带隙,符合许多已知电极相的特征。研究还揭示了Ca簇(如Ca6八面体)与NNA形成的结构-性质关系,这种关系被多目标搜索策略有效利用以预测新的电极相。作者提出,该方法克服了先前计算方法的局限性,如对参数选择的敏感性和无法生成数据库外新结构的问题,为探索复杂相图和发现新电极候选材料提供了可靠的工具。结论表明,这种基于拓扑描述符指导的进化算法策略可广泛应用于不同压力条件下的电极材料发现,为晶态电极材料的结构-性质关系研究提供了实验上可行的路径。

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本研究探讨了在光照影响下,非扭转莫尔石墨烯-六方氮化硼(G-hBN)异质双层材料的拓扑性质和准能带结构。研究背景源于对扭转莫尔材料在光照下展现的丰富拓扑特性和有趣的能带结构的兴趣,同时希望找到一种更容易合成的实验平台,以揭示莫尔材料与光耦合的物理机制。研究通过理论模型和数值计算,分析了圆偏振光对G-hBN异质双层的影响,采用Floquet理论构建了时间周期性驱动下的有效哈密顿量,并计算了准能带结构和谷陈数的变化。结果表明,圆偏振光能够显著改变低能带的陈数,诱导拓扑相变,并通过调整驱动频率和强度实现能带间隙的调控和能带的扁平化,这种扁平化效应暗示了电子间强关联的产生。研究还绘制了拓扑相图,展示了陈数随驱动参数变化的多种拓扑转变。此外,非扭转莫尔材料在光照下的现象与扭转莫尔材料有相似之处,表明非扭转平台同样具有高度可调性。结论指出,光照为从非扭转G-hBN系统中获得拓扑材料提供了一种有前景的方法,且其结果与更难合成的扭转莫尔材料相似,对未来电子应用具有潜在价值。未来的研究方向包括探索不同类型光照、磁场、压力及缺陷与周期性驱动的相互作用。

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本研究首次系统探讨了聚(偏氟乙烯-三氟乙烯) (P(VDF-TrFE)) 与聚乳酸 (PLA) 共混薄膜的结构-性能关系,旨在评估其在功能性应用中的潜力。研究通过溶液浇铸法制备了厚度约40微米的自支撑薄膜,并系统性地改变了P(VDF-TrFE):PLA的比例。热分析表明,当P(VDF-TrFE)含量为25%时,PLA的结晶度最高,而傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示50:50比例的共混物中电活性β相比例最高。这些发现与拉伸强度测试和形貌分析一致,表明分子有序性和相分布显著影响力学性能。其中,25:75比例的共混物由于PLA结晶度和聚合物链排列的增强,表现出优异的机械强度;而50:50比例的共混物在拉伸模量和电活性相发展之间达到了平衡,使其成为传感器和3D打印应用的理想候选材料。当P(VDF-TrFE)含量较高时,PLA结晶度降低,导致薄膜更柔软、更具柔韧性,适用于柔性电子应用。研究通过差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和机械测试等多种表征手段,揭示了共混比例对结构-性能关系的影响。结果表明,通过简单的成分控制,可以有效调控半结晶聚合物共混物的力学和功能特性,为可持续应用(如3D打印、可穿戴电子和软机器人)开辟了新途径,并为电活性生物聚合物集成奠定了基础。研究强调了相相互作用在生物降解基质中的重要性,建立了结晶度、电活性响应和机械完整性之间的联系,为下一代多功能高性能聚合物复合材料的发展提供了支持。

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本研究揭示了通过固态有机硝酸盐合成法制备的氧缺陷Hf_xZr_{1-x}O_2纳米颗粒(x=1至0.4,尺寸5-10纳米)的巨大介电响应。研究背景聚焦于HfO_2和ZrO_2及其固溶体作为硅兼容铁电材料在电子存储和逻辑器件中的应用潜力,尤其是在纳米尺度下铁电性质的出现机制仍存争议的情况下。研究方法包括使用X射线衍射(XRD)确认样品中正交相(o-phase)的主导地位,并通过电物理测量分析压实纳米粉末的有效介电常数和电阻率随温度和频率的变化。关键发现包括:有效介电常数在38-88°C范围内呈现显著峰值,低频(~4 Hz)下介电常数最大值从x=1时的1.5×10^3增加到x=0.4时的1.5×10^5,而高频(~500 kHz)下则显著降低;介电常数和电阻率的温度依赖性呈现镜像对称关系,符合Heywang屏障模型结合可变范围跳跃导电模型的描述。此外,Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)理论和密度泛函理论(DFT)计算表明,氧空位诱导的化学压力和表面屏蔽效应使小尺寸Hf_xZr_{1-x}O_2纳米颗粒可能呈现铁电特性。结论指出,这些结果对于开发基于Hf_xZr_{1-x}O_2纳米颗粒的硅兼容铁电纳米材料具有重要意义,尤其是在纳米电子器件领域可能产生广泛应用。

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本研究深入探讨了两种化学性质不同的聚苯乙烯-二乙烯基苯基离子交换吸附剂——伯胺类和永久带电的强碱性季铵(QA)类材料(带有碳酸氢根或碳酸根反离子)在H2O和CO2吸附行为中的独特相互作用。通过同时进行的热重分析、量热分析、气体分析及分子建模方法,评估了它们在稀释CO2分离(如直接空气捕获,DAC)中的性能。研究发现,QA基吸附剂对水和CO2的结合强度显著高于胺类吸附剂,但其在中等温度下易发生降解,限制了其与热摆再生方法的兼容性。然而,QA基吸附剂在低温湿气驱动的再生路径中表现出独特的高效性。量热法测量的水吸附焓与Clausius-Clapeyron方法推导的总等温吸附焓均显示出单层-多层吸附行为,QA基材料在初始强吸附位点处的水吸附焓略高。分子建模进一步支持这一观察,显示QA基材料在低水含量(λH2O = 1 mmol/mmol site)下具有更高的水吸附能量和更密集的电荷分布。混合气体实验表明,水不仅影响CO2的结合,CO2也通过反离子依赖的水合状态影响水的吸附,QA基材料的湿气摆动响应性导致水合诱导的CO2释放和干燥诱导的CO2吸收,这是低能耗CO2分离的重要特性。总体而言,伯胺基吸附剂依赖较弱的氢键和CO2-胺相互作用,而QA基吸附剂则利用水与QA-反应性阴离子对之间更强的静电耦合,为CO2分离提供了不同的途径。本研究为理解介孔聚合物吸附剂中H2O-CO2共吸附动力学提供了机制框架,可为DAC等稀释CO2分离过程的吸附剂设计和评估提供指导。

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本研究提出了一种基于光子带隙(PBG)的二维光子晶体(PC)生物传感器设计,利用拓扑域壁缺陷实现光捕获,以显著提高传感灵敏度。研究背景聚焦于光子晶体在生物传感领域的应用,特别是在微量生物流体样本中检测疾病标志物方面。通过数值求解麦克斯韦方程,模拟了具有拓扑域壁线缺陷的局部光腔模式的光子晶体,用于光学生物传感。研究方法包括将硅方块替换为细硅条,优化缺陷区域的介电分布,使分析物结合区域与最大场强区域重合,从而将灵敏度提高近16倍。关键发现包括:通过调整缺陷区域的几何形状,传感器的灵敏度达到约3000 nm/RIU(针对薄分析物层)和超过8000 nm/RIU(针对背景生物流体),远超以往设计。此外,研究分析了两个相邻域壁缺陷的光学模式杂化及其与传输水平和频率偏移的相关性,提出了三种高灵敏度芯片设计,每种芯片包含三个域壁缺陷,能够在单次光谱测量中完全区分三种分析物结合及其组合。结论指出,存在灵敏度、传输水平和光谱独立性之间的基本权衡,提出了有效去杂化策略以实现光谱独立性,同时保持可接受的传输水平。本研究为开发具有高灵敏度和低检测限的三维光子晶体生物传感器提供了设计指导。

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本文研究了分散且具有吸收特性的光子时间晶体(PTCs)中点偶极子的耗散功率,揭示了时间调制如何在宽带频率范围内实现偶极子发射到吸收的转换,并避免了异常点(EPs)的干扰。研究背景基于光子时间晶体通过周期性时间调制开启动量带隙的能力,这种带隙通常仅在参数共振条件下出现,限制了放大效应的频率范围,并伴随异常点导致分析复杂化。作者通过引入材料色散和吸收,克服了这些限制,提出了一种新的调制机制。研究方法包括使用Drude-Lorentz模型描述三维介质的极化密度动态,结合Maxwell方程和Floquet形式主义求解电磁场,分析嵌入PTC中的点偶极子耗散功率。关键发现表明,色散动量带隙允许在宽带频率窗口内抑制偶极子辐射并将其转换为吸收,这种效应在弱调制强度到低调制频率的范围内普遍存在,且适用于不同材料平台。此外,吸收消除了色散动量带隙中的异常点,简化了调制增益效应的分析。研究还展示了通过调制等离子频率或共振频率,可以实现耗散功率的宽带抑制或显著增强(高达20倍)。结论指出,这些发现为光子时间晶体中的量子效应研究铺平了道路,特别是在时间变化介质领域中具有潜在的应用前景,如迫使多级发射器保持激发态或提升能量阶梯。

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本研究通过第一性原理计算,揭示了二维双层半导体在弯曲波动作用下形成一维极化域和一维平带电子态的机制。以六方氮化硼(hBN)双层为例,研究表明一维正弦形变诱导了非均匀剪切模式,形成了独特的局部堆叠和垂直极化区域,类似于扭转莫尔系统中观察到的滑动诱导铁电性。此外,类似的滑动诱导极化模式也出现在双壁氮化硼纳米管中,因内外管曲率差异而产生。波动还生成了剪切诱导的一维莫尔图案,扰动了电子态,将其限制为一维量子阱状带,在调制方向上动能被抑制,而在其他方向上呈现色散性(即一维平带)。这种电子限制归因于莫尔图案导致的切向极化所产生的调制剪切形变势。研究进一步探讨了波动双层中一维极化域的形成机制及其与挠曲电极化的协同作用,发现总势差可达0.5 eV,对功能层的光学性质和激子扩散有显著影响。同时,一维平带的出现为研究强关联物理提供了平台,并可能应用于高性能器件如量子级联激光器和光电器件。作者提出了一种新的研究路径,称为“曲率电子学”(curvatronics),为二维双层材料中诱导奇异现象提供了替代方案,拓展了扭转电子学(twistronics)的应用范围。本研究不仅限于hBN,还预期适用于其他二维半导体如过渡金属硫化物。

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本研究通过理论方法探讨了单层BC3的电子结构,发现其具有源于石墨烯范霍夫奇异性分裂的各向异性多谷特性,这种特性对热电材料设计具有重要意义。研究背景聚焦于热电能量转换作为一种环保技术的重要性,以及寻找由无毒、地球丰富元素组成的高性能热电材料的需求。BC3作为石墨烯的变体,通过硼原子部分替代碳原子,形成了带隙和各向异性多谷的电子结构,为热电转换提供了有利条件。然而,体相BC3由于层间耦合呈现金属特性,且需要电子掺杂以利用其导带边缘特性。为解决这些问题,研究进一步分析了碱金属插层BC3的电子结构,发现钾插层能有效抑制层间转移,保留单层BC3的有利电子结构,同时引入电子载流子,增强热电功率因数。锂和钠插层则未能有效抑制层间耦合。此外,通过引入现场能量偏移的模型计算,验证了分裂范霍夫奇异性的策略能够显著提高热电功率因数。研究结果表明,钾插层BC3在300K下功率因数峰值可达10-20μW K^{-2}cm^{-1},与高性能热电材料相当,但其热导率较高,需通过纳米结构化等方法进一步优化热电优值。结论指出,利用范霍夫奇异性分裂的策略为热电材料设计开辟了新可能性,未来需进一步研究第一性原理下的弛豫时间及降低热导率的方法。

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本文系统研究了多层结构中的等离子体激元,特别关注层间隧穿效应的影响。研究背景基于多层结构中层间耦合产生的独特等离子体模式,尤其是在二维范德瓦尔斯材料(如石墨烯和过渡金属硫化物)中的可调电子性质。通过引入库仑特征向量基,并利用Kac-Murdock-Szegő Toeplitz矩阵,作者成功推导了长波限下耦合与非耦合系统中等离子体模式的解析解。主要方法包括在层间无隧穿时,分析N层系统中N-1个反相声学模式(线性色散,ωα∝q)和一个同相经典模式(平方根色散,ω1∝√q);在层间隧穿存在时,研究反相模式因特定带间跃迁而产生的等离子体间隙,而同相模式不受影响。关键发现表明,反相模式在无隧穿时为电中性激发,类似于Pines的恶魔模式,但在多层系统中可通过带间跃迁进行调控。此外,研究还扩展至体极限(N→∞),揭示了体等离子体色散与三维各向异性系统的相似性。结论指出,这些解析结果广泛适用于范德瓦尔斯异质结构及其他层状材料,为光电子学和等离子体器件工程提供了潜在应用价值。

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本研究聚焦于X射线诱导的229Th时钟异构体在CaF2晶体中的猝灭现象(X-ray-induced quenching, XIQ),探讨了其温度依赖性及其与宿主晶体余辉(afterglow)的关联。229Th的异构态(229mTh)具有极低的核激发能量(约8.356 eV),是唯一可通过真空紫外(VUV)激光激发的核能级,为构建核时钟提供了可能性。本文通过在日本SPring-8同步辐射设施上开展的实验,系统研究了X射线照射下229Th:CaF2晶体中异构体猝灭的温度依赖性,发现猝灭速率与X射线通量和温度密切相关,较高通量和温度会增强猝灭效应,而低温可有效抑制猝灭,延长异构体寿命。研究还揭示了异构体产率、猝灭寿命与晶体余辉在温度变化中的相似趋势,表明猝灭过程与晶体中电荷载流子动态密切相关。提出了一种猝灭机制模型,认为X射线激发的电子在晶体中迁移并被Th位点捕获,通过电子-核耦合引发的内转换(internal conversion, IC)过程导致异构体去激发。模型中猝灭速率与电子密度、扩散速度及温度相关,拟合数据得到激活能为0.033(6) eV。这一机制连接了核衰变与固态物理中的电荷载流子动态,为核物理与固态物理的交叉研究提供了新视角。研究结果为优化固态核时钟性能提供了指导,并为探索核-宿主耦合机制开辟了新途径。

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本文提出了一种新颖的三维裂纹元素方法(CEM),旨在高效模拟准脆性材料中的瞬态动态裂纹扩展。研究背景聚焦于工程领域中疲劳和裂纹问题对结构完整性的挑战,尤其是在安全关键应用中,精确预测裂纹扩展寿命至关重要。动态裂纹扩展涉及裂纹尖端速度和应力场的快速演化,受到惯性效应、应力波发射和瞬态相互作用的显著影响,特别是在冲击、爆炸和地震等高加载率条件下。传统的数值方法如扩展有限元法(XFEM)、内聚区模型(CZM)和近场动力学(PD)在模拟复杂断裂行为方面取得了进展,但三维动态裂纹分支的复杂形态和高计算成本仍是一个挑战。本文提出的CEM方法引入了一种先进的元素分割算法,支持元素级的裂纹增长,包括裂纹分支,并基于分割元素的演化拓扑结构推导了计算三维断裂能量释放率的新公式。当元素级的断裂能量释放率超过临界阈值时,相应元素被去激活,从而自然地表示三维裂纹模式,无需额外的形态处理。研究通过一系列基准测试验证了方法的准确性和鲁棒性,展示了其在单裂纹扩展和复杂裂纹分支场景中的优越性能。此外,所有三维模拟均采用NVIDIA GPU加速,显著提高了计算效率,证明了该方法在工业高性能计算(HPC)环境中的适用性。结论指出,CEM为三维动态断裂建模提供了一种可扩展、高效的解决方案,未来研究将扩展至准静态断裂问题的隐式计算框架,以应对长期退化和亚临界裂纹增长等问题。

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本文提出了一种计算框架,用于优化由等离子体纳米颗粒阵列组成的宽带吸收材料的设计。研究背景聚焦于纳米光子学中光吸收控制的挑战,特别是在太阳能收集、热发射控制和光电器件增强等应用领域。作者针对多颗粒相互作用、高曲率几何、宽带频率响应需求、形状导数计算复杂性以及优化景观的非凸性等关键问题,提出了三种 последовательные策略。首先,通过参数化积分方程形式避免了传统的形状导数计算;其次,开发了一种形状自适应的降阶基方法(RBM),利用Neumann-Poincaré算子的本征函数及其伴随问题来处理奇异性并加速计算;最后,提出了一种基于弱耦合假设的物理信息初始化策略,以提高基于梯度的优化算法性能。关键发现包括:该框架在多种几何配置下实现了精确高效的设计,数值实验验证了方法的计算优势。此外,该框架具有灵活性和可扩展性,可应用于其他材料系统和边界条件。结论指出,该方法为宽带吸收器的优化设计提供了有效工具,并为未来在周期性超材料和三维散射问题中的应用奠定了基础,同时强调了需要进一步研究复杂几何形状和吸收性能与颗粒体积之间的权衡。

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神经辐射场(NeRF)相关的分割方法主要关注对象语义,仅依赖RGB数据,缺乏对材料内在属性的感知。这种局限性限制了材料感知的准确性,而材料感知在机器人技术、增强现实、仿真等领域至关重要。本文提出了UnMix-NeRF框架,将光谱分解技术集成到NeRF中,实现了高光谱新视角合成与无监督材料分割的联合建模。该方法通过漫反射和镜面反射分量对光谱反射率进行建模,其中学习到的全局端元字典代表纯材料的光谱特征,而每点的丰度值则捕捉了材料的分布情况。在材料分割方面,UnMix-NeRF利用沿学习端元预测的光谱特征进行无监督材料聚类。此外,该框架还支持通过修改学习到的端元字典进行场景编辑,实现基于材料的灵活外观操控。大量实验验证了该方法在光谱重建和材料分割方面的优越性,超越了现有方法。研究结果表明,UnMix-NeRF在提升材料感知精度和场景编辑灵活性方面具有显著潜力,为计算机视觉及相关应用领域提供了新的技术路径。其项目页面为:https://www.factral.co/UnMix-NeRF。

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本研究聚焦于费曼积分基的构建,旨在解决传统逐项积分(IBP)约化方法中出现的奇异系数问题。在标准IBP约化中,部分积分的约化会导致系数在维度调节器ε趋于0时出现奇异性,这种奇异性不仅掩盖了散射振幅的结构,还增加了数值评估的复杂性。本文提出并探讨了构建无奇异系数费曼积分基的方法,具体包括两种通用算法。第一种算法基于顺序D=4 IBP约化,通过迭代地将IBP关系投影到有限部分来构建基。第二种算法在局部环内执行高斯消元,禁止对ε的除法,但允许对ε的多项式进行除法(在ε=0处有限)。研究以两个两圈积分示例(平面和非平面双盒积分族)为对象,验证了两种算法的应用效果。此外,本文还探讨了将有限费曼积分纳入这些基的可能性。在一个具体示例中,构建的无奇异基为散射振幅提供了更简洁、更紧凑的表示形式。研究结果表明,无奇异费曼积分基的构建不仅简化了积分约化和振幅表达,还为高能物理中复杂计算提供了新的工具和视角,具有重要的理论和应用价值。

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本文研究了在散射介质中光传播的简单辐射传输方程(RTE)的逆问题,旨在重建散射系数。为此,作者从碰撞扩展的第二项中提取信息,即通过单次碰撞散射的光,分析RTE的解。研究表明,通过适当的光源和测量方式,可以通过代数公式获得RTE的散射系数,相较于传统的X射线变换反演方法,这种方法的重建稳定性得到了显著提升。此外,作者将这些定理扩展到多频率设置中,即光子在碰撞后会改变频率的情况,并讨论了该理论在三维图像重建中的潜在应用。研究背景在于光学断层成像技术的发展需求,特别是在生物医学成像和材料检测领域中,如何在散射介质中准确重建内部结构是一项重要挑战。作者提出的方法通过利用单次散射光的信息,克服了传统方法在强散射环境下的局限性,提供了更可靠的图像重建手段。关键发现包括通过代数公式实现散射系数的直接计算,以及多频率设置下的理论适用性扩展。结论指出,该方法不仅提高了重建的稳定性,还为三维成像技术的发展开辟了新的可能性,尤其是在需要高分辨率成像的复杂介质中具有重要应用前景。