物理学-自旋与材料

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本文研究了交替磁性Lieb型晶格上的准粒子干涉现象,并展示了如何通过非自旋极化的扫描隧道显微镜(STM)测量获得有效的自旋分辨信息。研究采用了一个四位点紧束缚模型,该模型可在反铁磁态和Lieb型交替磁性态之间进行调谐。作者在不同的子晶格位置引入了局域杂质,并通过格林函数方法计算了实空间局域态密度(LDOS)。通过对杂质诱导的LDOS进行傅里叶变换,得到了交替磁性相特征性的d波自旋分裂费米面轮廓。值得注意的是,通过选择杂质所在的子晶格位置,研究表明散射幅度有效地编码了自旋依赖的对比:在一个磁性子晶格上的杂质主要突出了沿某一晶体学方向的自旋向上贡献,而在另一个子晶格上的杂质则倾向于互补的自旋向下通道和方向。这一发现揭示了非自旋分辨STM测量如何在交替磁体中提取自旋相关信息,为研究复杂磁性系统的电子结构提供了新的实验和理论视角。研究结果不仅深化了我们对交替磁性相中准粒子行为的理解,也为利用常规STM技术探测自旋相关现象开辟了新的可能性,具有重要的理论和应用价值。

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本文研究了利用单个自旋缺陷进行量子感测作为探测凝聚态物质系统微观性质的多功能平台。研究表明,利用金刚石中的氮-空位(NV)中心进行量子弛豫测量可以揭示交替磁性绝缘体的各向异性自旋动力学及其特征性的自旋极化带。研究发现,附近量子杂质的弛豫速率依赖于距离和取向,这种依赖性编码了自旋扩散响应中动量空间各向异性的特征,这是交替磁性序的标志。这种方向敏感性在量子材料感测领域是前所未有的,它通过局部的、非侵入式测量使交替磁体与传统反铁磁体的区分成为可能。研究结果表明,NV中心的取向在探测凝聚态系统中各向异性现象中扮演了重要角色。研究还详细探讨了NV中心弛豫速率如何反映交替磁性材料的自旋动力学特性,特别是在动量空间中的各向异性特征。通过理论分析和模拟,作者展示了如何利用NV中心的位置和方向信息来推断交替磁性序的存在及其与传统反铁磁序的区别。这一方法为研究自旋输运和对称性破缺提供了新的实验思路,可能激发更多关于交替磁性材料性质的NV感测实验。总之,本研究不仅为量子感测技术在凝聚态物理中的应用开辟了新方向,也为理解交替磁性序的微观机制提供了重要工具。

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在追求具有卓越抗辐照性和高温耐受性的先进陶瓷材料以用于核应用领域时,成分复杂碳化物(CCCs)已成为极端环境下极具潜力的候选材料。在这些条件下,材料的热稳定性、弹性、热导率和热力学行为等关键性能主要受声子影响。在CCCs中,显著的阳离子无序可能由于固有的质量和力常数变化导致明显的声子散射,从而影响这些关键性能。本研究利用从头算方法预测了声子带结构,并系统地探索了质量和力常数方差对具有岩盐结构的CCCs声子谱函数的影响,研究对象涵盖从二元到五元金属成分的碳化物。研究结果表明,通过策略性地选择和调整组成元素的种类及浓度,可以调控CCCs的声子带结构、声子带隙和声子散射,从而实现对与声子相关性能的控制。此外,我们采用空间域热反射技术测量了部分CCCs的热导率。有趣的是,某些五元成分陶瓷的热导率高于某些三元和二元合金,这一结果与预期中阳离子无序度越高导致散射增加、热导率降低的观点相悖。这一令人惊讶的发现为发掘具有更优热导率的CCCs开辟了可能性,为其在极端环境中的应用提供了新的机遇。本研究为通过声子工程优化CCCs性能提供了理论基础和实验依据,对核材料领域的发展具有重要意义。

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本文研究了逆Lieb晶格(ILL)材料在交替磁性(altermagnetism)领域中的重要性。逆Lieb晶格最初被认为是理论模型,但近期发现了一些具有该晶体结构的真实材料,其独特几何结构能够容纳由竞争性交换相互作用和几何挫折引起的复杂磁序,为磁性性质提供了高度可调性。本研究首先通过简单的海森堡模型构建相图,阐明了交替磁性及其他实验观察到的复杂磁相的基本机制。为连接理论与实验,本文利用密度泛函理论(DFT)计算系统性地研究了一系列已知的ILL化合物,确定了它们的磁基态,计算结果与实验观测高度一致。研究发现,过渡金属离子的d壳层填充与磁序之间存在关联,d^{2-3}和d^{5}构型表现出交替磁性的倾向。此外,本文识别出一种具有前景的金属化合物Sr_{2}CrO_{2}Cr_{2}OAs_{2}作为交替磁体,其J_2交换耦合具有高度各向异性,且奈尔温度高达约600 K。基于DFT计算提取的交换耦合参数,本文进一步计算了交替磁系统的磁子谱,发现磁子色散中的手性分裂与晶体学上不等价的J_{2}交换相互作用之间的各向异性直接相关。本研究为在ILL材料家族中高效识别交替磁性材料提供了指导方针,并深入探讨了其磁性相的形成机制,为未来相关材料的设计和应用奠定了理论基础。

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本文研究了层状化合物γ-PtBi2,这是一种拓扑半金属,其表面具有费米弧,与体内的Weyl点相连。近期研究发现了一种特殊的表面超导态,其临界温度比体相值高出两个数量级。然而,之前并未观测到超导涡旋,这引发了关于该新型表面超导态相干性稳健性的疑问。本研究通过极低温扫描隧道显微镜(STM)测量了超导能隙,并可视化了涡旋晶格。研究发现涡旋具有异常高的流动性,涡旋电荷与STM探针之间的极弱静电相互作用足以拖动表面超导体的涡旋。实验结果表明,γ-PtBi2的表面超导性表现出极高的稳健性,其临界温度Tc为2.9 K,上临界场Hc2约为1.8 T。此外,在费米弧的倒空间位置处,准粒子散射显著增强,提示Weyl点与表面超导性之间可能存在关联。本研究不仅证实了γ-PtBi2表面超导态的稳健性,还为拓扑半金属中表面超导机制的理解提供了重要线索,对未来在拓扑材料中探索新型超导态具有指导意义。

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随着实现净零排放目标的迫切需求,开发可扩展且节能的二氧化碳捕获技术至关重要。湿度摆动吸附剂通过湿度驱动的离子水解实现CO$_2$的可逆结合,为传统热再生方法提供了一种有前景的替代方案。本研究通过吸附测量和原位表面增强拉曼光谱(SERS)技术,探讨了两种湿度摆动材料(含碳酸氢根阴离子的阴离子交换树脂和浸渍碳酸氢钾盐的活性炭)中阴离子物种的动态变化。研究采用镍涂层银纳米线作为SERS基底,以增强信号强度,并在空气和氮气氛围下受控湿度条件下实时检测碳酸根、碳酸氢根和氢氧根物种。结果显示,阴离子物种之间的相互转化依赖于湿度,显著的光谱位移证实了驱动湿度摆动机制的可逆水解反应。在潮湿条件下,碳酸氢根信号减少,同时碳酸根物种增加,这与湿度诱导的CO$_2$解吸一致。这些发现不仅验证了湿度驱动阴离子交换的机理模型,还展示了SERS作为操作诊断工具在监测CO$_2$捕获介质方面的实用潜力。在真实环境条件下解析和量化碳酸根、碳酸氢根和氢氧根离子的可逆转化能力,为下一代直接空气捕获吸附材料的理性设计、性能优化和质量控制提供了宝贵见解。

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本研究探讨了微腔激子-极化子凝聚体在额外横向约束下的耦合机制,特别是在非平衡和非线性物质状态下的行为。极化子凝聚体在远离平衡态的驱动下,能够根据激发和材料参数表现出自发的同步性和不稳定性,呈现出基于模式竞争和相互增益景观的复杂干涉图案。本文通过研究填充在光学捕获的耦合凝聚体中第一个激发态p态流形的极化子凝聚体,揭示了基于激发参数的丰富图案结构。激光激发图案的光学可重构性使得能够生成环形光束,将极化子限制在定制的捕获势中,而光学捕获的耗散性质则促进了与相邻凝聚体的有效相互作用。研究结果显示了极化子凝聚体在探索和模拟人工二维双原子轨道之间的σ和π分子键合机制方面的潜力,并可能扩展到更复杂的体系。这一工作不仅深化了对非平衡态下极化子行为的理解,还为利用光学平台研究复杂物质状态的耦合机制提供了新的视角。研究的关键发现包括通过调整激发参数实现模式选择和干涉图案的控制,以及揭示σ-π耦合在人工极化子分子中的作用。总之,本研究为利用极化子凝聚体模拟分子键合和复杂量子系统提供了重要的理论和实验基础。

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本研究提出了一种通过嵌入缺陷或空间纹理来设计拓扑材料的新方法,旨在解决十重分类框架在拓扑物质相分类中缺乏系统性过渡方法的问题。十重分类框架基于对称性和空间维度对拓扑相进行了有力的组织,但未能提供在不同类别之间转换或工程化材料以实现所需拓扑性质的系统性手段。本文介绍的方法通过改变对称性或维度,实现了在十重分类表中的受控导航,从而可以按需诱导拓扑相变。研究团队通过多个非平凡的示例展示了这一方法的有效性,具体说明了局部缺陷如何生成具有不同对称性和拓扑不变量的相。这些示例不仅验证了理论方法的实用性,还揭示了通过工程化缺陷或纹理调控拓扑性质的可能性。研究结果表明,这种方法为设计具有特定拓扑特性的材料提供了新的思路,可能在拓扑物理领域中具有广泛的应用前景。作者还讨论了该方法在实际材料合成中的潜在挑战以及未来的研究方向,强调了将理论框架与实验技术相结合的重要性。总之,本文提出的设计策略为拓扑材料的研究和应用开辟了新的可能性,为实现定制化的拓扑相提供了理论和实践指导。

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本研究通过将PbI2引入莫尔材料体系,拓展了莫尔材料库,并探索了新型量子相和涌现电子行为的可能性。研究对象为六方氮化硼/石墨烯/PbI2异质结中的莫尔超晶格,重点分析了其磁输运特性。在高场量子霍尔效应区域,研究发现在电荷中性点处存在稳健的无耗散输运现象,表明在填充因子vh=0处形成了不可压缩态。此外,观察到分数电导平台在2/3 e2/h处出现,研究将其归因于莫尔调制和传统整数量子霍尔态之间具有不同陈数的域形成的陈数结。莫尔霍夫斯塔德光谱显示出非传统的风味序列,可能是由于PbI2层诱导的近邻自旋-轨道耦合的影响。同时,在陈数vm=-2的线路上观察到相干电子干涉现象。这些发现表明,基于PbI2的异质结是一个多功能的平台,可用于实现自旋-轨道增强的莫尔现象,并设计二维量子材料中的相干边缘输运。本研究为探索莫尔超晶格中的新型量子态和电子行为提供了重要见解,对凝聚态物理和量子材料领域具有重要意义。

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二维(2D)范德瓦尔斯(vdW)单层材料及其异质结构中的磁性研究因其在下一代自旋电子学和量子技术中的潜在应用而备受关注。磁各向异性是稳定这些系统长程磁序的关键因素,对于克服Mermin-Wagner定理的限制具有重要作用。本文综述了磁各向异性在实现内在二维磁性以及塑造二维vdW材料的电子、磁性和拓扑性质中的重要性,提供了理论和实验的全面视角。首先,文章总结了决定磁各向异性的基本机制,强调了配体原子的强配体自旋-轨道耦合和未猝灭的轨道磁矩的贡献。随后,探讨了多种材料工程方法,包括合金化、掺杂、静电门控、应变和压力,这些方法被用于有效调控二维vdW材料中的磁各向异性。此外,文章还讨论了该领域面临的开放性挑战和未来发展方向。通过全面阐述磁各向异性在二维磁性中的作用,本综述旨在激发持续的研究努力和创新思路,以实现基于二维vdW磁性材料及其异质结构的稳健室温应用。文章指出,磁各向异性不仅是二维磁性材料研究的核心问题,也是推动相关技术应用的关键。通过对现有研究的总结和未来方向的展望,本文为二维磁性材料的设计和优化提供了重要的理论指导和实验参考。

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本文通过量子蒙特卡洛模拟研究了方格晶格上的二聚化自旋-1/2海森堡模型,重点关注顺磁二聚体相及其边缘态,以及相关的表面临界行为。该模型也可视为二维反铁磁(AF)耦合的常规梯子模型,其中梯级为反铁磁耦合。研究表明,之前被认为是拓扑平凡的二聚体相实际上是一种准一维(Q1D)Haldane相,属于对称性保护拓扑(SPT)态。这一结论通过本文引入的广义奇异关联量测量得到,并进一步通过展示二聚体相中锯齿形切割上的非平凡边缘态呈现铁磁有序得到证实。这种铁磁有序源于锯齿形切割两侧产生的退化自旋子之间的有效铁磁相互作用。此外,研究还揭示了有序边缘态在模型的(2+1)维O(3)体相临界点处引发了非凡的表面临界行为,这一现象与基于经典-量子映射的理论预测相矛盾。本研究不仅揭示了二聚体相的拓扑性质,还为理解量子磁体中表面临界行为的复杂性提供了新视角,对量子态和拓扑相的理论研究具有重要意义。

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本研究聚焦于非常规超导体,特别是非中心对称超导体的研究,以探索量子材料的复杂性质。研究团队合成了五种此前未报道的Re-Os基高/中熵合金(MEAs-HEAs),包括Re3.5Os3.5Ta0.5Hf0.5Nb3、Re3Os3Ta0.5Hf0.5Nb3、Re3.5Os3.5Mo0.5Hf0.5Nb3、Re3.5Os3.5Mo0.5W0.5Nb3和Re3Os3Mo0.5Hf0.5Nb3,其价电子数在6.45至6.81之间。通过X射线衍射、输运、磁化和比热测量等方法对这些合金进行了详细研究。结果表明,这五种化合物均具有非中心对称的α-Mn型晶体结构,并表现出II型超导性,临界温度(Tc)在4.20 K至5.11 K之间。令人意外的是,即使在酸性环境中浸泡一个月,这些高熵合金的结构和超导性能依然保持稳定。研究进一步发现,在MEAs-HEAs中,Tc随着价电子数的增加而升高。此外,这些非中心对称α-Mn型高熵合金超导体具有较大的Kadowaki-Woods比(KWR),表明存在强烈的电子关联效应。这一发现为理解非中心对称超导体的电子行为提供了重要见解,并为开发新型量子材料奠定了基础。研究结果不仅揭示了高/中熵合金在超导领域的潜力,也为探索强关联电子系统与超导性之间的关系提供了新的研究方向。

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本文研究了一种新型的极性有序结构——手性非共线铁电双螺旋体,基于第一性原理计算,针对PbTiO3在双轴拉伸应变下的行为进行了深入探索。研究背景源于近期理论预测的‘偶极螺旋’结构在受应变自支撑膜中可能存在,并可能带来巨大的机电响应。然而,其微观性质、能量景观及电子学效应尚未被充分研究。本文揭示了Pb和Ti阳离子亚晶格形成两个相互交织的螺旋结构,类似于DNA的双螺旋形态。这种复杂拓扑结构通过氧八面体框架的集体螺旋扭曲得以稳定,并介导了一种新兴的电性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。研究提出了一种‘自莫尔’晶体的概念,展现了两种耦合功能:首先,旋转伪零能量模式支持了巨大的压电响应(e33≈16 C/m2);其次,螺旋的长周期势能从根本上重构了电子能带结构,导致价带边缘出现多谷电子拓扑。研究结果表明,这种纯物理方法为设计复杂手性有序结构提供了强大途径,并建立了一个统一的平台,将结构拓扑、巨大机电耦合和多谷电子学内在联系起来。作者通过理论计算和分析,阐明了铁电双螺旋体的形成机制及其潜在应用价值,为凝聚态物理和材料科学领域提供了新的研究方向和应用前景,尤其是在高性能压电材料和新型电子器件设计方面具有重要意义。

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本研究报道了在介观Fe(Te,Se)超导环中Aharonov-Bohm效应和Little-Parks振荡的共存现象。通过对磁阻的测量,研究发现两种不同的周期性信号:一种是源于弹道边缘干涉的h/e周期,另一种是源于库珀对通量量子化的h/2e周期。Aharonov-Bohm振荡在超导相深处依然存在,表现出电流-场对称性,并且其温度依赖性符合螺旋Luttinger液体模型的预测,这与拓扑超导体中的边缘态特性一致。研究表明,这种干涉效应源于自旋极化的边缘传输,揭示了Fe(Te,Se)材料作为拓扑超导体的潜在特性。作者通过实验数据和理论模型的结合,详细分析了边缘态在超导相中的行为,探讨了其与拓扑性质的关联。此外,研究还讨论了这种现象在低温物理和量子器件应用中的潜在意义,为进一步探索拓扑超导材料及其量子干涉效应提供了重要参考。结论指出,Aharonov-Bohm干涉的持续存在及其特性为理解拓扑超导体的边缘态提供了新的视角,并可能对未来量子计算和自旋电子学领域的发展产生影响。

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本文研究了电绝缘共线反铁磁体(AFs)中由磁子携带的自旋角动量和线性动量的传输特性。研究聚焦于横向和纵向几何结构,将磁子建模为粘性流体,并探索了当磁子-磁子散射长度短于动量弛豫长度时出现的流体力学传输机制,此时动量守恒过程占主导地位。作者开发了一个理论框架,用于研究磁子流体力学机制中的粘性效应,这些效应导致了可测量的传输特征,如非局部电阻、自旋和热导率。在考虑动量和自旋弛豫的基础上,推导了描述磁子动量和自旋传输的流体力学方程。特别地,反铁磁体中具有相反自旋角动量的磁子之间的种类间散射诱导了类似拖曳的效应,显著改变了自旋电流的传播特性。作者还推导了磁子电导率的表达式,并引入了一个可达性参数来量化带内动量转移。研究结果表明,反铁磁绝缘体是观察磁子流体动力学和探索集体自旋传输现象的一个有前景的平台。本文通过理论分析和数学建模,揭示了反铁磁体中磁子传输的复杂机制,为未来实验研究和应用提供了重要的理论基础。

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本研究聚焦于(111)取向LaAlO3/SrTiO3界面二维电子气(2DEG)的超导性质。研究采用定义在六角晶格上的多轨道紧束缚模型,分析了由层间(最近邻)和层内(次近邻)配对相互作用驱动的超导现象,特别关注超导间隙的对称性。研究表明,在两种配对情景下,超导间隙均按照C6v点群的A1不可约表示进行变换。在层间配对情景中,超导相表现出完全带隙的准粒子激发谱,具有扩展s波对称性,并且在范霍夫奇点附近超导间隙幅度显著增强。相比之下,层内配对通道在超导相图中呈现出独特的双穹顶结构,间隙对称性随着载流子密度的增加从低密度下的完全带隙扩展s波状态演变为高电子浓度下的节点扩展s波状态。研究结果与实验观测到的临界温度T_c(V_g)的非单调行为在定性上吻合,表明层内次近邻配对可能在(111) LAO/STO界面的超导中起主导作用。这一发现为理解界面超导机制提供了重要见解,并为进一步探索二维电子气中的超导对称性及相关物理现象奠定了理论基础。

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本研究深入探讨了扭曲双层过渡金属二硫化物(TMDs)中的拓扑量子自旋霍尔(QSH)态,重点分析了扭曲双层WSe$_2$的拓扑输运性质。研究不仅确认了传统的单一QSH态的存在,还发现了新颖的双重和四重量子自旋霍尔态,这些状态分别拥有两对和四对反向传播的螺旋边缘通道。特别地,这些边缘态中的电荷载体并非局限于边缘,而是位于莫尔超晶格边界的高电势点处,并通过层间跃迁持续向前传播,作者将其命名为莫尔边缘态。研究进一步揭示,这些边缘态在非磁性无序环境下具有鲁棒性,其中双重QSH态的稳定性优于单一QSH态。在特定的扭曲角度(2.45°)下,通过调节表面栅极电压,可以实现单一QSH态与双重QSH态之间的转变。基于这一特性,作者提出了一种五端器件设计,作为拓扑电流分配器。这一发现为无耗散自旋电子学的发展提供了理论支持和应用前景。研究结果表明,扭曲双层WSe$_2$中的多重QSH态及其独特的莫尔边缘态特性,不仅丰富了拓扑物理学的研究内容,也为设计新型拓扑器件提供了重要思路。

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非互易现象的研究长期以来在厄米和非厄米系统中引起了广泛关注。超导二极管效应(SDE)是一种非互易现象,其特征在于厄米超导系统中相反方向的临界超电流不相等。本研究在外部磁通作用下的超导量子干涉器件(SQUID)中引入了由非厄米性驱动的SDE,我们称之为非厄米SDE。通过将两个约瑟夫森结中的一个与无能隙电子库耦合,引入相位退相干,从而实现了非厄米性。令人注目的是,我们发现一种新兴的非厄米费米-狄拉克分布可以引发非厄米SQUID中的SDE。我们分析了直流(dc)和交流(ac)偏置下SDE的行为,强调了方向依赖的临界电流和非对称Shapiro台阶作为SDE的标志性特征。研究结果表明,非厄米SDE不仅提供了一种实验上可实现的机制,还为探索非厄米系统中的非互易现象开辟了新的研究方向。本研究通过理论分析和数值模拟,揭示了非厄米性在超导系统中的独特作用,特别是在调控超电流非互易性方面的潜力。我们的发现对于理解非厄米物理的基本原理以及开发新型超导器件具有重要意义,同时也为未来在非厄米系统中实现更多非互易效应提供了理论基础。

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本文研究了光晶格中的冷原子系统作为连接凝聚态物理和量子光学的理想平台,特别是在一维费米超辐射现象中的表现,并发现了有限温度条件下的新型三临界现象和多稳态行为。研究从零温极限下的一维和二维费米气体的比较开始,通过解析计算揭示了三临界点的起源在于高阶费米面嵌套(FSN),同时一维系统中的红外发散在二维情况下并不存在。进一步扩展到有限温度情况时,数值模拟结果表明,量子型和经典型三临界现象可以同时被观测到。此外,研究还发现存在一个最佳温度用于观测超辐射现象。这一工作为理解量子与经典相变之间的关系提供了新的视角和方法。通过对费米气体在光晶格中的行为进行深入分析,本文不仅揭示了高阶费米面嵌套对系统临界行为的影响,还为冷原子系统在模拟复杂量子现象中的应用提供了理论支持。研究结果表明,温度作为关键参数在调控相变和超辐射特性中起到重要作用,为后续实验设计和理论研究奠定了基础。

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本研究探讨了相变材料NdNiO$_3$(NNO)与低阻尼铁磁体La$_{0.67}$Sr$_{0.33}$MnO$_3$(LSMO)耦合时,自旋-电荷转换的演变特性,旨在开发利用电荷、自旋和轨道自由度相互作用的多功能材料系统。研究团队制备了全氧化物外延LSMO(12 nm)/NNO(4、8、16 nm)双层膜,并通过自旋泵浦铁磁共振技术追踪NNO层在顺磁金属到反铁磁绝缘体相变过程中的自旋-电荷转换效率。实验结果表明,在相变起始点,自旋-电荷转换的逆自旋霍尔效应信号显著增强。研究者将这种增强归因于NNO在一级相变时的电子和磁性无序,从而揭示了自旋通过相变传输的机制。此外,这种低阻尼双层系统的自旋-电荷转换可调性为开发多功能、节能的自旋电子器件提供了新途径。本研究不仅深化了对相变材料中自旋传输机制的理解,还为基于氧化物异质结的自旋电子学应用奠定了基础。研究结果表明,通过调控相变特性,可以有效优化自旋-电荷转换效率,为未来自旋电子器件的设计提供了重要的理论和实验依据。

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铁电氧化铪因其与CMOS工艺的兼容性而被认为是下一代存储器和逻辑应用的潜力材料。然而,氧化铪极化切换所需的高矫顽场仍是实现高效器件操作的关键挑战。本研究通过第一性原理计算和唯象建模预测,空穴掺杂可将未掺杂氧化铪的矫顽场从8 MV/cm降低至掺杂0.2空穴/公式单位(f.u.)时的6 MV/cm。在未掺杂情况下,Pca21相的极化反转倾向于通过非极性四方P42/nmc相进行切换,这一路径涉及三种硬变形模式的耦合,使得未掺杂氧化铪表现为非本征铁电材料。通过此路径的总体能量势垒在空穴掺杂后保持不变(80 meV/f.u.)。然而,空穴的引入增强了连接极性Pca21相与非极性正交Pbcm相的极性变形模式,并将能量势垒从未掺杂氧化铪的180 meV/f.u.降低至0.2空穴/f.u.时的80 meV/f.u.。总体而言,空穴掺杂使得通过Pbcm相的切换路径具有竞争力,并使氧化铪转变为本征铁电材料,从而降低了矫顽场。这一发现为优化铁电氧化铪的性能提供了重要理论依据,有助于推动其在高效存储和逻辑器件中的应用。

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有机半导体因其高能量无序性而表现出复杂的物理现象,其中一个显著的例子是电荷载流子分布的有效温度(T_eff)可能高于晶格温度。这种现象源于电荷载流子在高电场或光子吸收激发后的缓慢弛豫过程。研究表明,有效温度的升高与器件导电性的增强和性能的提升密切相关,但迄今为止,缺乏直接的实验观测证据。本研究通过纳米级三端器件测量了掺杂有机聚合物半导体中由场驱动引发的有效电子温度增强所产生的塞贝克电压,从而直接证实了T_eff的存在。实验结果与基于动力学蒙特卡洛模型的数值预测在定量上高度一致。这一发现不仅为有机半导体的基础物理研究提供了重要见解,还为开发低损耗热电器件开辟了新的可能性。研究背景方面,有机半导体的独特性质使其在柔性电子器件和能源转换领域具有广阔应用前景,而有效温度的概念有助于解释其电荷传输机制。方法上,研究团队设计并利用了纳米级器件结构,通过精确测量电压信号捕捉有效温度的变化。关键发现是有效温度的直接证据及其与理论模型的吻合,表明场驱动效应对电荷载流子分布的影响是可量化和可预测的。结论指出,这一研究为理解有机半导体中的非平衡态物理提供了新视角,并可能推动热电材料和器件的设计与优化。

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软玻璃材料(如乳液、泡沫和胶体悬浮液)的力学响应控制对许多工业过程至关重要。尽管其稳态流动行为已得到较好的理解,但在泵送或混合等操作中遇到的复杂流动历史下的响应仍知之甚少。本研究利用定制的多轴剪切装置,实现了流动方向的任意变化,探讨了剪切历史如何影响模型软玻璃系统的力学行为。研究发现,在施加剪切方向的正交方向上存在瞬态剪切响应,同时还观察到各向异性的屈服面。这些现象表明,之前的变形在材料内部留下了各向异性的内应力分布。为了解释这一行为,研究采用了介观弹塑性模型,证明了局部力学无序是宏观应力-流动不对齐现象出现的关键因素。研究结果揭示了局部屈服应力分布如何通过流动历史在软玻璃材料中产生各向异性效应,为实验探测软玻璃材料中局部屈服应力分布提供了新途径。这一发现不仅深化了对软玻璃材料力学行为的理解,也为工业应用中优化复杂流动条件下的材料性能提供了理论支持。

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本文研究了利用单次飞秒激光脉冲触发超快磁化翻转的现象,这种技术因其低功耗和高速存储应用的潜力而备受关注。过去,该现象主要在Gd基铁氧体材料中观察到,但此类材料由于垂直磁各向异性(PMA)较弱而不适合用于存储设备。本研究首次展示了在Pt/Co/Pt铁磁三层膜结构中,通过施加单次激光脉冲和面内磁场,可以在特定激光功率范围内实现磁化翻转。为了深入理解这一现象,研究团队引入了Cu层以加速Pt/Co/Pt三层膜各向异性场的重建时间,从而形成了独特的靶心状磁化翻转模式。通过状态图的绘制和微磁模拟,研究发现这些翻转受到热各向异性扭矩的影响,而该扭矩可以通过PMA进行调控。研究结果表明,单次光学进动磁化翻转在更广泛的材料中是可行的,为开发光磁存储设备开辟了新的可能性。这一发现不仅扩展了超快磁化翻转的应用范围,还为未来低功耗、高速磁存储技术的发展提供了重要的理论和实验基础。

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本研究报道了一种分子尺度负微分电导(NDC)器件的创建与表征,通过在超导Pb(111)衬底上组装4,5,9,10-四溴-1,3,6,8-四氮杂芘(TBTAP)分子的三角形三聚体实现。利用低温扫描隧道光谱技术,研究观察到在0.7-0.9 V电压范围内电流随电压增加而减少的显著NDC行为,这一现象源于库仑阻塞与分子团簇内强分子间电容耦合的相互作用。通过二维微分电导映射直接可视化了门控充电和放电过程,揭示了库仑环的出现以及NDC的空间区域。理论建模采用三杂质安德森模型和主方程方法,定量重现了实验观测结果,并证明NDC纯粹源于电子关联,与底层超导性无关。此外,通过调整几何结构为六聚体,研究进一步表明团簇拓扑结构为分子尺度电子性质提供了多样的控制手段。这些结果为实现多功能分子器件奠定了基础,并为可编程和可扩展的纳米电子学提供了一种策略。本研究不仅展示了分子组装在纳米电子器件中的潜力,也为理解分子间相互作用和电子关联效应提供了重要见解。

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本文提出了一种理论框架,用于研究三维扭曲软磁性纳米带中的惯性自旋波动力学。在这种结构中,曲率和扭率与磁性惯性耦合,产生了太赫兹(THz)级别的磁振荡。研究发现,由于几何手性和惯性效应导致的有效对称性破缺,自旋波谱表现出显著的非互易性。作者通过解析方法揭示了这种行为受到曲率诱导的几何(Berry)相位的支配,并推导出了适用于螺母振动(THz)和进动(GHz)两种模式的紧凑色散关系和谱线宽度表达式。此外,拓扑结构的变化,如莫比乌斯和螺旋几何形状,对波数的量化规则产生了不同的影响,阐明了拓扑结构在自旋波传输中的作用。研究结果表明,扭曲磁性纳米带是一种潜在的曲面太赫兹磁学和非互易自旋电子学应用平台。本文通过理论分析和数学建模,系统地探讨了几何形状和拓扑特性对自旋波动力学的影响,为未来在磁性纳米结构中实现高效信息传输和处理提供了重要的理论基础。作者还讨论了这些发现对设计新型非互易器件和太赫兹技术的潜在意义,强调了几何诱导效应的应用前景。

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二维磁性材料在半导体、磁学及自旋电子学领域的进步凸显了其潜力,尤其是在调控磁性以应用于自旋电子学方面。本研究探讨了低能量(30 KeV)Au离子植入对二维层状Cr2Ge2Te6薄片的影响,这些薄片通过Scotch胶带法在Si/SiO2衬底上制备。研究采用了五种不同的离子剂量(5×1013、1×1014、5×1014、1×1015和2.5×1015 ions/cm2)来改变样品的形貌、成分、结构和振动特性。结果表明,离子植入显著改变了样品的形貌和磁性行为,导致居里温度升高,并使磁性相互作用从超交换转变为双交换。Au离子嵌入Cr2Ge2Te6导致交换能量间隙减小和磁矩发生变化,表明离子植入技术在调控二维材料磁性方面具有潜力。这一发现为开发先进的自旋电子学应用提供了重要启示,特别是在通过外部干预精确调控二维磁性材料性能方面具有重要意义。研究还揭示了离子植入如何通过改变材料内部结构和电子特性来影响其宏观磁性行为,为未来在自旋电子器件设计中利用二维材料提供了理论和实验基础。总之,本研究强调了离子植入作为一种有效手段在二维磁性材料性能优化中的应用前景,为自旋电子学领域的发展开辟了新的可能性。

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本文提出了一种各向异性界面连续溶剂化(AICS)模型,用于模拟固-液界面附近液体在面内和面外方向上的不同介电常数及其沿表面法线方向的空间变化。在低电子密度区域,介电张量对角分量中的每个介电函数随距固体表面的距离沿表面法线单调变化;在高电子密度区域,介电函数采用Andreussi等人提出的基于电子密度的公式(J. Chem. Phys. 136, 064102 (2012))。所得介电张量在电子密度和空间坐标上均连续可微。作者推导了静电贡献对KS势和力的解析表达式,并在CP2K软件中实现了AICS模型,包括这些解析导数。为解决各向异性泊松方程,开发了基于FEniCSx平台并与CP2K接口的并行有限元各向异性泊松求解器(FEAPS)。通过有限差分计算验证了解析力的准确性,同时在真空和各向同性溶剂条件下使用AICS和FEAPS计算的静电势与标准真空DFT和SCCS结果进行了基准测试。在Ag(111)表面附近具有增强面内和减弱面外介电函数的各向异性溶剂环境中,计算了功函数和静电势,并优化了OH的吸附几何结构。与各向同性情况相比,观察到更显著的功函数偏移和不同电荷状态下的空间调制静电分布。此外,在各向异性介电条件下,OH更倾向于向平行于表面的平面倾斜。本研究为理解固-液界面处的各向异性介电效应提供了重要工具,并展示了其对表面化学和吸附行为的影响。

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本研究提出了一种基于θ函数的精确解析表达式,用于描述三维空间中的布洛赫态。这一方法的核心假设是电子波函数可以扩展为高斯型轨道的形式。通过这一假设,作者推导出了一个全新的解析框架,为拓扑材料的识别和分析提供了理论基础。研究背景聚焦于拓扑物理领域中对材料电子结构特性的深入理解,特别是在拓扑绝缘体和拓扑超导体等新型材料的研究中具有重要意义。主要方法包括利用数学工具θ函数对电子波函数进行建模,并结合三维布洛赫态的特性进行理论推导。关键发现表明,该解析表达式能够准确描述拓扑材料中的电子态,为实验验证和计算模拟提供了可靠的理论支持。此外,这一方法还揭示了拓扑材料中电子波函数的某些隐藏对称性和特性,有助于进一步探索拓扑相变的机制。研究结论指出,该方法不仅适用于现有的拓扑材料研究,还可能扩展到其他复杂量子系统的分析中,为未来的材料设计和应用提供了新的思路。尽管研究目前主要停留在理论层面,但其潜在的应用价值和对拓扑物理领域的贡献不容忽视。作者呼吁后续研究结合实验数据进一步验证该模型的适用性,并探索其在实际材料合成中的指导作用。

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近年来,一类新型磁性材料——交替磁体(altermagnets)因其类似铁磁体的自旋分裂带和类似反铁磁体的小补偿磁化特性而备受关注。这些特性使其成为自旋电子器件应用的潜在候选材料。在众多候选材料中,CrSb因其高有序温度(约705 K)和较大的自旋分裂能量而备受青睐。然而,理论预测调整其Néel矢量需要额外的对称性破缺或易磁化轴的变化。外延应变虽可调节对称性,但由于交替磁体通常具有较低的晶体对称性,适合异质外延生长的衬底选择受限,晶格常数的匹配成为一大挑战。因此,探索交替磁体薄膜在成熟且晶体系统不同的衬底上的异质外延生长具有重要价值。本研究选择(001)取向的III-V族半导体作为平台,因其与CrSb共享V族元素,预期具有材料兼容性和稳定的界面,同时通过调节III族和V族原子成分可调制缓冲层的带隙和晶格常数。本研究通过在GaAs (001)衬底上插入FeSb (110)/AlAs (001)缓冲层,成功实现了CrSb (110)薄膜的分子束外延生长,并确认了面内外延关系为CrSb [110] || GaAs [110] 和 CrSb [001] || GaAs [110],同时验证了外延应变的存在。此外,研究还表征了CrSb薄膜的磁输运性质。尽管所得电导率张量主要由双载流子模型解释,而非反常霍尔效应,但该模型揭示了高迁移率电子和空穴载流子的存在。这一结果为交替磁体在自旋电子学中的应用提供了重要的实验基础,并为未来通过衬底工程调控交替磁体性质开辟了新途径。

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本文研究了蜂窝晶格钴酸盐材料BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$中的Kitaev相互作用,通过非弹性中子散射实验结果及其分析,明确指出了该材料中Kitaev相互作用的主导地位。研究团队构建了一个各向异性交换模型,该模型能够紧密描述材料在场极化相中的所有可用中子散射数据。这一模型不仅揭示了材料中独特的双锯齿形磁序,还解释了其较低的平面内饱和场特性。此外,利用密度矩阵重整化群(DMRG)方法对模型进行的数值模拟结果与实验观测到的磁序和饱和场特性高度一致。这些发现表明,BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$是一个研究Kitaev相互作用及其在量子自旋液体和拓扑磁序等领域潜在应用的理想平台。研究结果为理解蜂窝晶格材料中的强关联效应和量子态提供了重要见解,同时也为设计具有特定磁性和量子特性的新型材料奠定了理论基础。本文的研究不仅深化了对Kitaev模型在真实材料中实现的认识,还为未来在凝聚态物理领域探索量子自旋液体和其他奇异量子态提供了实验和理论支持。

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本研究通过改进解析延拓方法,并结合利用量子蒙特卡洛模拟计算的虚时间相关函数,成功解析了半填充二维哈伯德模型的单粒子色散关系和态密度(DOS)。在中等相互作用强度(U/t = 4,6)下,研究发现在波矢k = (±π/2, ±π/2)(即Σ点)处的能隙最小值附近呈现二次色散关系。同时,在k = (±π,0),(0,±π)(即X点)处发现了鞍点,此处色散近似为四次方,导致态密度在靠近Σ点的几乎平坦的平台上方出现尖锐的最大值。平台内的准粒子态分数约为n_ledge ≈ 0.15。在偏离半填充的掺杂情况下,基于刚性带近似,这些结果支持在Σ点附近形成费米口袋,而X点附近的态仅在掺杂分数x ≥ n_ledge时被填充。远离Σ点能隙边缘的高态密度可能是理解掺杂莫特绝缘体超导性及其他不稳定性所需的最小掺杂水平的重要线索。本研究为二维哈伯德模型的物理性质提供了深入的理论洞察,并为进一步探索掺杂莫特绝缘体的奇异行为奠定了基础。

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本文提出了一种非互易库仑拖曳电阻的机制,并发展了相应的理论框架。该效应在电子双层系统中出现,特别是在存在平面内磁场的情况下,适用于非中心对称导体或自发破缺时间反演对称性且不具备伽利略不变性的双层结构。研究通过分析电子液体的流体力学态,展示了该效应的重要性。非互易跨电阻分量被证明对固有电导率、流体粘度以及涌现的非互易参数高度敏感。作者详细探讨了非互易库仑拖曳的物理起源,指出其与系统对称性破缺和外部磁场的作用密切相关。通过理论建模和数值分析,研究揭示了非互易效应如何影响双层电子系统中的电荷输运特性,并进一步讨论了其在不同参数条件下的表现。关键发现包括非互易跨电阻与系统内在参数的复杂依赖关系,这为理解电子双层中的非线性输运现象提供了新的视角。此外,本文还探讨了该效应在实验验证中的潜在应用,提出了一些可行的实验方案来探测非互易库仑拖曳电阻。结论表明,非互易库仑拖曳效应不仅深化了我们对电子双层系统中电荷相互作用的理解,还可能为设计新型电子器件提供理论支持,尤其是在非互易输运特性具有重要应用价值的领域。

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本文研究了II型超导体中Abrikosov涡旋对超导性破坏的核心作用。传统观点认为,在s波超导体中,随着远离涡旋轴线,超导电子密度从零逐渐增加至体值。然而,本研究在零温极限下揭示,若构成超导液体的库珀对足够紧密束缚,这种行为会发生质的变化。具体而言,在涡核外部,超导电子密度达到一个超过体值的最大值。这一现象源于静电效应:由于正常电子的缺失以及带电离子背景的存在,超导电子电荷密度的空间变化破坏了局部电中性,从而产生电场。该电场压缩了涡核,并使密度分布呈现出具有最大值的特征,以确保全局电中性。在强静电屏蔽极限下,这一效应尤为显著,此时描述涡旋的场配置呈现出普适形式,电场在由伦敦穿透深度决定的长度尺度上被屏蔽。本研究通过理论分析和数值模拟,详细探讨了紧密束缚库珀对条件下涡旋结构的独特性质,揭示了静电相互作用在超导涡旋动力学中的重要作用。研究结果不仅深化了对超导涡旋行为的理解,还可能为设计新型超导材料提供理论依据,尤其是在极端条件下的应用场景中具有潜在价值。作者进一步讨论了这一现象在实验验证中的可行性,指出通过调控材料参数或外部条件可能观察到密度最大值的特征。这一发现挑战了传统超导理论的某些假设,为超导物理领域提供了新的研究视角。

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本文研究了一种新颖的非常规磁体——Floquet奇数宇称共线磁体,这种磁体区别于传统的铁磁体和反铁磁体,是近期凝聚态物理领域的重要前沿。交替磁体(AMs)以实空间中零净磁化以及动量空间中偶数宇称对称性的自旋劈裂为特征,但具有奇数宇称自旋劈裂的对应磁体尚未被广泛探索。本研究基于对称性分析,揭示了这种奇数宇称磁体可从共线反铁磁体中诱导产生。作者通过Floquet理论框架内的有效模型分析,证明了圆偏振光照射传统反铁磁晶格可诱导产生p波和f波磁体,从而实现了被称为Floquet奇数宇称共线磁体的新型磁性状态。此外,研究还发现在f波磁体中存在光诱导的反铁磁陈绝缘态。作者通过对MnPSe3在圆偏振光下的第一性原理计算,验证了所提出的Floquet奇数宇称磁体的存在。这一工作不仅提出了一类新的非常规磁体,还为自旋电子学应用中的光诱导磁现象开辟了新的研究方向。研究结果表明,Floquet奇数宇称共线磁体在磁性调控和拓扑物态研究中具有重要潜力,为未来凝聚态物理和材料科学的发展提供了新的理论和实验基础。

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本文提出了一种基于二氧化钒(VO2)的超材料吸收器,针对太赫兹(THz)频率范围内的超宽带和偏振不敏感性能进行了优化设计。该吸收器由图案化的VO2超表面、低损耗MF2介质间隔层和金质接地平面组成。利用VO2的相变特性,该设计实现了对电磁吸收的动态控制。全波仿真结果表明,该吸收器在5.38THz的带宽(5.72-11.11THz)内平均吸收率达到98.15%,并在3.35THz范围内保持超过99%的吸收率。吸收器在不同偏振角度以及TE和TM模式下的斜入射条件下均表现出稳定的性能。阻抗分析进一步证实了其与自由空间的良好匹配,从而有效减少反射并消除透射。参数分析探讨了VO2电导率、MF2厚度以及单元周期对性能的影响。与近期其他太赫兹超材料吸收器相比,该设计在带宽、效率和实现简易性方面均表现出显著优势。其特性使其适用于太赫兹传感、成像、无线通信以及自适应光子系统,并为可调谐和可重构的太赫兹模块提供了有前景的平台。本研究为太赫兹技术的发展提供了重要的技术支持,具有广泛的应用潜力。

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本研究聚焦于各向异性材料属性(如工程复合材料的热导率)因材料异质性和制造相关不确定性而表现出的变异性。这些属性在数学上被建模为对称正定(SPD)张量,位于弯曲的黎曼流形上。为了将这种描述扩展到随机框架中,必须同时保留SPD结构和张量的空间对称性。本文通过张量的谱分解实现不确定性的参数化,将其分为尺度(强度)和旋转(方向)分量。为了量化强度和方向不确定性对复合材料热行为的影响,需要通过基于物理的前向模型传播随机材料张量,这一过程要求计算效率高的代理模型。为此,研究采用了前馈神经网络(FNN)。然而,传统的FNN架构并不适合处理SPD张量,直接将张量分量作为输入特征无法保留其几何结构,常导致次优性能。为解决这一问题,本文提出了本构流形神经网络(CMNN),其输入层将SPD张量从弯曲流形映射到局部切空间(一个平坦的向量空间),从而保留了数据集中的统计和几何信息。通过一个涉及稳态热传导和随机各向异性导热系数的案例研究,证明了保留几何结构的神经网络相较于传统多层感知机(MLP)显著提升了学习性能。研究结果强调了在工程应用中处理张量值数据时,流形感知方法的重要性。这一方法为处理复杂材料属性提供了新的视角,并可能在工程设计和优化中具有广泛应用。

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超表面是一种超薄的工程材料,由纳米结构组成,能够以自然材料无法实现的方式操控光线。近年来,计算优化、机器学习和深度学习技术的进步推动了超表面设计的自动化。然而,现有方法存在两大基本局限:一是模型通常仅限于生成部分设计参数,二是依赖于大幅降采样的光谱目标,这影响了结构的创新性和精度。核心挑战在于开发一种生成模型,既能探索无约束的大规模设计空间,又能精确捕捉材料参数与高分辨率光谱响应之间的复杂物理关系。本文提出了一种名为MetaDiT的新型高保真超表面设计框架,以解决上述局限。MetaDiT利用通过对比学习预训练的强大光谱编码器,为基于扩散变换器(Diffusion Transformer)的骨干网络提供强有力的条件指导。实验表明,MetaDiT在光谱精度上优于现有基准方法。此外,通过广泛的消融研究进一步验证了该方法的有效性。作者还计划开源代码和模型权重,以促进未来研究的发展。MetaDiT的提出为超表面设计提供了一种全新的视角,不仅提升了设计精度,还拓展了设计自由度,为光学和超材料领域的高性能器件开发奠定了基础。其方法论的创新性和实验结果的可靠性表明,该框架在解决复杂物理约束问题上具有显著潜力,可能对未来的超表面应用产生深远影响。

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太赫兹(THz)非互易器件在推动基础科学、无线通信、成像和传感等领域的发展中具有重要作用。然而,目前的太赫兹非互易器件大多依赖于磁性材料,这些材料体积较大,需在外部磁场和低温环境下操作,与小型化发展的需求不相容。本研究提出了一种不依赖磁性材料的创新方法,通过时间耗散屏障实现太赫兹非互易性。该方法利用光激发载流子产生的瞬态损耗变化形成时间屏障,非互易性源于不同偏振与屏障的独特耦合行为。隔离效率与时间屏障宽度、谐振模式失谐以及工作频率密切相关,并通过引入暗模式显著提高。我们在太赫兹光活性超表面中实验验证了该方法,实现了超过20 dB的波流隔离,带宽大于0.4 THz。理论预测显示峰值隔离可超过60 dB,实验结果在0.7 THz处达到了超过30 dB的隔离效果。本研究为小型化、集成化、无磁太赫兹非互易器件的开发开辟了新的可能性,为多种应用场景提供了潜力。

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水波既带来了机遇,也带来了危害,因此需要精确控制以有效利用其能量并减轻其破坏性影响。本研究提出了一种基于Veselago-Pendry双负超材料(DNM)的水波控制方法,通过嵌套齿轮和分裂管构建而成。这种均匀阵列结构实现了有效的负水深和负重力分布,从而实现了可调的负折射,解决了先前负折射结构中结构-传播关系不明确以及布局要求苛刻的问题。研究采用相干势近似(CPA)方法预测了负有效水深ue和重力ge,这些预测参数与带结构高度一致,并通过隔离、波弯曲和全角度成像的表面波激发仿真得到了验证。此外,研究还成功进行了一项简化的实验,展示了水波弯曲的效果,与分析预测和仿真结果吻合良好。通过量化结构参数与传播特性之间的映射关系,双负超材料实现了可调带隙和可控负折射,为海岸工程提供了变革性的工具箱。这种技术可用于平息港口水域、提升波浪能采集器的效率,以及引导河道弯曲水流以减少侵蚀。本研究为水波控制提供了新的理论和实践基础,具有广泛的应用前景,尤其是在海洋工程和环境保护领域。

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薄膜光伏(PV)技术在太阳能应用中解决了扩展性、成本效益和环境可持续性等关键挑战。本文对薄膜技术进行了批判性综述,包括非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等传统技术,以及钙钛矿、铜锌锡硫化物(CZTS)、量子点(QDs)、有机光伏(OPV)和染料敏化太阳能电池(DSSC)等新兴技术。其中,CdTe和CIGS在商业化可行性方面占据主导地位,实验室效率分别达到23.1%和23.6%。钙钛矿技术取得了显著进展,实验室效率高达26.7%。薄膜光伏技术显著降低了材料使用和制造成本,具有灵活性和轻量化的独特优势,使其适用于从建筑一体化系统到便携式电子设备的多样化应用。然而,广泛应用仍受到长期稳定性、毒性问题和材料稀缺等挑战的限制。通过串联结构设计、改进封装策略和可持续材料采购等技术进步解决这些挑战,对于薄膜光伏技术在全球可再生能源转型中发挥重要作用至关重要。本文强调了未来研究方向应聚焦于提高效率、降低成本和解决环境问题,以推动薄膜光伏技术的商业化和大规模应用,为实现可持续能源目标做出贡献。

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姆彭巴效应是指热水比冷水更快冻结的现象,或者更广义地说,初始状态距离平衡态更远的系统会更早达到平衡态。这一反直觉的现象似乎违背了基本的热力学和动力学定律,但众多针对经典和量子系统的实验已证实了这一悖论性效应的存在,并在重要科学期刊中引发了广泛讨论。然而,其背后的基本物理机制一直未被揭示。本研究在严格控制条件下进行了水冻结实验,发现姆彭巴效应仅在冷冻机温度非常接近冰核形成温度时才会发生。在这种情况下,热水和冷水的冻结时间范围差异极大,甚至超过了初始较热液体冷却的延迟时间,因此有时热水会比冷水先冻结。通过理论分析,本研究揭示了与水冻结相关的姆彭巴悖论源于冰核形成的随机性,这是典型的一级相变特征。这一发现不仅解释了姆彭巴效应在水中的表现,还为重新审视其他经历类似相变系统的姆彭巴悖论提供了起点。研究结果表明,姆彭巴效应的出现与系统的随机行为密切相关,而非简单的热力学或动力学过程的直接结果。这一工作为理解复杂相变过程中的反直觉现象提供了新的视角,并可能推动相关领域进一步的理论和实验研究。

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地球上的生物分子具有手性,但同手性如何起源仍是一个未解之谜。本研究展示了在自由基对反应中,当其中一个自由基的电子自旋被极化时,反应可以表现出手性选择性。这种现象源于自由基对电子自旋的瞬态相干量子动力学,即使在温暖且充满噪声的凝聚相环境中,这种动力学也能发生。此时,远小于热能的能量扰动即可对反应性产生显著影响。本文基于手性诱导自旋选择性(CISS)的分子理论,提出了一种定量理论,其中电子交换相互作用和手性依赖的自旋-轨道耦合效应控制了手性选择性。该理论为这些反应的最大对映体过量提供了有用的界限,并与之前的实验结果一致。研究提出的手性选择性自由基对机制为近期关于磁铁矿中自旋极化光电子提供初始手性对称性破缺的提议提供了另一种机制基础,同时也为利用自旋极化电子进行不对称合成提出了新策略。本研究不仅深化了对手性起源的理解,还为化学合成领域开辟了新的研究方向,具有重要的理论和应用价值。

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本文重新探讨了一类依赖温度的范德瓦尔斯型状态方程(EOS),以改进行星大气中绝热递减率的估计。这些状态方程通过引入一个单一参数来调节分子间相互作用的温度依赖性,从而推广了经典的范德瓦尔斯和Berthelot模型。研究分析了这些状态方程的热力学性质,包括临界行为、自旋曲线和共存曲线以及熵的特性。通过明确考虑分子振动和旋转自由度的贡献,计算了绝热曲线。利用绝热递减率的广义表达式,本文估算了土卫六(Titan)和金星(Venus)对流层中的绝热递减率。研究结果表明,与经典范德瓦尔斯状态方程相比,范德瓦尔斯型状态方程能够更准确地重现观测到的绝热递减率。这一改进对于理解行星大气的热力学行为具有重要意义,特别是在极端环境条件下,如土卫六的低温大气和金星的高温高压环境。通过对分子间相互作用的温度依赖性进行参数化调整,模型在预测绝热递减率时展现出更高的精度,为行星大气动力学和气候建模提供了更可靠的理论基础。研究结论强调了改进状态方程在行星科学中的应用潜力,并为未来在其他行星环境中的类似研究奠定了基础。

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电子能带结构描述了材料中电子的运动和相互作用,直接决定了固体的电学、光学和热力学性质。角分辨光电子能谱(ARPES)作为一种直接实验手段,广泛用于探测功能性材料、量子材料和二维材料的电子能带结构。本文介绍了一个名为peaks(Python Electron spectroscopy Analysis by King group @ St Andrews)的Python软件包,专门用于ARPES及相关光谱数据的高级分析。该软件包支持快速可视化和多维数据集的分析,能够处理ARPES实验中常见的数据复杂层次结构,并支持延迟数据加载和并行处理,以适应ARPES实验中日益增长的数据量。peaks设计用于交互式笔记本环境,提供了丰富的内联和弹出式图形用户界面(GUI)支持数据可视化功能。通过这些特性,peaks为研究人员提供了一个高效、灵活的工具,用于深入探索材料电子结构的特性及其与材料性能之间的关系。研究表明,该工具在处理大规模数据集和复杂数据分析任务时表现出色,能够显著提升ARPES数据的处理效率和分析精度,为凝聚态物理及材料科学研究提供了重要支持。作者还强调了该软件包的开源性质,鼓励社区参与改进和扩展其功能,以适应未来更广泛的应用需求。总之,peaks的开发为ARPES数据分析提供了一种现代化、用户友好的解决方案,有望在相关领域中得到广泛应用。

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本文通过第一性原理计算对Li$_2$PdH$_2$在高压下的结构稳定性和超导行为进行了全面研究。研究采用随机结构搜索和声子计算方法,发现Li$_2$PdH$_2$在压力作用下从四方晶系I4/mmm结构(稳定至5 GPa)转变为单斜晶系C2/m结构(在50 GPa下仍保持热力学稳定性)。在四方晶系相中,即使考虑非谐效应,由于电子-声子耦合较弱且费米面附近的氢原子贡献有限,超导性并未出现。相比之下,单斜晶系相表现出微弱但随压力增强的超导转变,其临界温度Tc从10 GPa时的0.6 K上升至50 GPa时的4.7 K,主要由低频的Li和Pd衍生声子模式驱动。此外,研究还探讨了同构A$_2$PdH$_2$(A = Na, K, Rb, Cs)系列中碱金属替代对稳定性和超导性的影响。结果表明,Na、K和Rb的类似物在常压下保持动态稳定性,其超导临界温度分别为3.2 K、2.1 K和几乎可忽略的Tc;而Cs$_2$PdH$_2$则显示出声子不稳定性,需外部条件稳定。这些发现揭示了晶格动力学、电子结构和原子质量在调控钯基氢化物超导性中的微妙平衡。研究为高压下金属氢化物的超导机制提供了重要见解,并为设计新型超导材料奠定了理论基础。

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本文通过计算分析了嵌入三维超弹性介质中的加压球形空腔之间的弹性相互作用。研究采用有限元分析方法,针对多种正压和负压场景,计算了系统的势能和构型驱动力,使用的材料模型包括neo-Hookean、Mooney-Rivlin和Arruda-Boyce模型。结果表明,在负压条件下,空腔之间的相互作用始终表现为吸引力;而在正压条件下,当压力超过某一临界值时,能量景观呈现出非单调性特征。在这一情况下,空腔在近距离时相互吸引,而在较远距离时则相互排斥。研究进一步发现,这种吸引与排斥转变的临界分离距离与材料的应变硬化参数密切相关。通过构建相图,研究清晰地展示了不同相互作用行为的分布规律。这些发现为理解非线性弹性介质中空腔的力学行为提供了重要见解,有助于指导相关材料设计和工程应用,例如在软材料、生物力学以及智能材料领域中对空腔结构的优化设计。此外,本研究揭示的非单调相互作用机制可能对理解复杂弹性系统的稳定性及动态响应具有深远影响。

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本文研究了固体电子结构的计算方法,特别是在复杂情况下如界面、晶界或接触几何结构中的应用。传统的密度泛函理论(DFT)虽可常规计算电子结构,但在复杂体系中需要依赖更简化的模型。紧束缚模型通过使用减少的轨道集,试图通过短程跳跃过程近似电子结构,例如常用最大局域Wannier函数来实现。然而,此类方法的精度受限于电子能带解缠的需要。本研究提出了一种受机器学习技术启发的新方法,用于构建紧束缚模型。通过优化模型参数,使其尽可能准确地重现从头算(ab-initio)能带结构数据,同时使用尽可能少的模型参数。研究表明,该方法生成的模型相比最大局域Wannier函数具有更小的作用范围和更少的轨道数,但精度相同甚至更高。作者认为,这种方法在自动化构建紧束缚模型方面更具优势,尤其适用于大规模材料计算。通过该优化过程,不仅提高了模型的计算效率,还为复杂材料系统的电子结构研究提供了新的工具和视角。最终,本文强调了该方法在固体物理和材料科学领域中的潜在应用价值,为未来的研究奠定了基础。

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本研究聚焦于二维范德瓦尔斯(vdW)材料的层依赖表面能和剥离能的内在特性,这些材料通过堆叠和扭转已成为调控电子关联的通用平台。研究通过密度泛函理论(DFT)计算了典型vdW材料(如石墨、六方氮化硼、黑磷、MX2(M=Mo和W,X=S、Se和Te)、MX(M=Ga和In,X=S、Se和Te)、Bi2Te3以及MnBi2Te4)的表面能和剥离能。结果表明,在考虑显式vdW相互作用的交换-相关泛函下,单层vdW材料始终具有最低的表面能,与较厚的vdW层相比,表面能有所降低。然而,这种表面能降低的幅度随着单层vdW材料内原子层数的增加而迅速减小,且不同vdW材料表现出不同的变化趋势。这种表面能降低的原子层依赖性有助于解释不同vdW材料剥离至单层时的效果差异。研究揭示了vdW材料剥离行为的物理机制,为二维材料制备和应用提供了理论指导,尤其是在电子器件和纳米技术领域。通过对多种材料的系统性分析,本文为理解vdW材料层间相互作用和剥离难易程度提供了重要见解,同时也为优化剥离工艺以获得高质量单层材料奠定了基础。

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本文通过第一性原理计算系统研究了三种新型二维碳同素异形体:Alpha-、Beta- 和 Gamma-TODD-Graphene(TODD-G)。这些结构分别由3-8-12-16、3-8-12-16 和 3-4-8-12 相互连接的碳环组成,具有 sp/sp2 杂化特征。通过结构优化、声子谱分析以及从头算分子动力学模拟,证实了这些材料在热学和动力学上的稳定性。电子结构分析表明,三种相均呈现金属性的电子行为,并具有明显的类Dirac特征和倾斜的Dirac锥,暗示其各向异性的电荷传输特性。力学性能研究揭示了可调的各向异性:Alpha-TODD-G 表现出强烈的各向异性,Beta-TODD-G 呈现中等程度的各向异性,而 Gamma-TODD-G 则显示出近乎各向同性的力学响应。此外,光学光谱分析进一步区分了三种相的特性,其中 Gamma-TODD-G 在红外区域表现出强烈的吸收,而 Alpha- 和 Beta-TODD-G 主要在可见光和紫外光范围内吸收。这些发现为二维碳材料的设计和应用提供了新的可能性,尤其是在电子器件、光学器件和力学性能调控领域具有潜在的应用价值。研究结果表明,TODD-G 系列材料在结构、电子和光学性质上的多样性为其在未来纳米技术中的应用奠定了基础。

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本文对单斜晶系Li2Ni3P4O14进行了对称性分析,探讨了磁性轴向和极性(Dirac)镍多极子对共振X射线布拉格振幅的贡献,为未来的衍射实验提供了理论基础。研究表明,在温度低于14.5 K时,Li2Ni3P4O14表现出磁性长程有序,可视为二维三聚反铁磁体,其Ni离子占据中心对称磁空间群P21/c中的两个Wyckoff位置。这种结构允许与初级X射线束中的圆偏振耦合,这与通过反转对称和线性磁电效应表征的反铁磁体(如历史上重要的氧化铬Cr2O3和Cu2(MoO4)(SeO3))的衍射特性形成对比。空间群的推断基于中子布拉格衍射图案,但未考虑允许的Dirac偶极子(无极子)和四极子的影响。本研究通过对称性分析揭示了Li2Ni3P4O14的独特磁性结构特性,为理解共线反铁磁体的X射线衍射行为提供了新视角,同时为实验验证和进一步探索磁性多极子在共振衍射中的作用奠定了基础。研究结果表明,这种材料的磁性有序特性可能在未来的X射线技术应用中具有重要意义,尤其是在探测和调控磁性多极子方面。作者还指出了当前研究的局限性,例如对Dirac多极子的忽略,并呼吁后续实验进一步验证理论预测。总体而言,本文为共振X射线衍射研究反铁磁材料提供了重要的理论支持。

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本研究深入探讨了金属中间隙氢热迁移的机制。研究团队运用统计热力学方法,开发了一个全面的机理模型,以捕捉热迁移过程中的控制效应。通过与已发表实验数据的验证,研究结果表明,电子风效应在热迁移中扮演了重要角色,特别是在热迁移方向与热流方向一致的材料中。这一发现为理解金属中溶质局部化的影响因素提供了新的见解。此外,研究还指出,由于忽略了电子效应,原子级模型可能不足以用于详细的热迁移研究。研究结果强调了电子效应对热迁移过程的重要性,揭示了传统模型的局限性,并为未来在材料科学领域中更精确地预测和控制溶质分布提供了理论基础。这一工作不仅增进了对热迁移机制的理解,也为相关材料的设计和优化提供了重要的参考依据。研究结论表明,未来的热迁移研究需要更多地考虑电子效应的贡献,以提高模型的准确性和实用性。

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本研究报道了在MgO(100)衬底上通过反应溅射方法实时生长ScNx薄膜的Stranski-Krastanov生长模式。研究发现,在衬底温度(Ts)为25°C时,薄膜的磊晶生长仅限于5纳米厚度,而在Ts为250°C和500°C的样品中,由于表面原子迁移率的增强,沿[100]方位自维持的磊晶特性可保持至25纳米厚度。然而,当Ts升至700°C时,薄膜显示出原位反射高能电子衍射(RHEED)图案中的半阶特征,表明存在氮缺陷的六方密堆积(hcp)Sc-N相,伴随禁带(hkl)平面的出现。研究进一步揭示,氮空位和氧间隙等缺陷密度的存在导致ScNx体系中出现无序性,表现为弱局域化效应,并伴随拉曼光谱中一阶横向和纵向光学声子模式的松弛现象。此外,这种无序性还导致了类似金属的Seebeck系数。研究还指出,在Ts为25°C时较高的晶界密度以及在Ts为700°C时较高的氮外扩散现象,为样品中较高氧间隙的引入提供了条件。这些缺陷和无序性对薄膜的电子结构和传输特性产生了显著影响。本文通过系统分析不同生长温度下缺陷密度与薄膜性能的关系,为优化ScNx薄膜的电子和传输特性提供了重要参考。

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热电(TE)材料的研究一直是该领域的永恒目标。优秀的热电材料从三维堆叠到二维堆叠的体材料已有广泛研究,然而一维堆叠材料由于数量稀少而较少受到关注。本研究通过结合第一性原理计算、声子和电子玻尔兹曼输运方程以及分子动力学方法,预测了一维范德瓦尔斯(vdW)堆叠的Ta2Pd3Te8晶体是一种极具潜力的热电应用候选材料。研究发现,Ta2Pd3Te8晶体具有良好的机械、动力学和热稳定性,其热电性能表现出强烈的各向异性、高功率因子(PF)以及低晶格热导率。结果表明,在900 K温度下,n型Ta2Pd3Te8沿a、b和c轴的ZT值分别达到0.48、0.39和0.22。研究进一步提出,通过增大带隙可以减弱双极效应,从而显著提高ZT值至1.11。这一发现不仅为更多关于一维范德瓦尔斯堆叠热电材料的理论研究提供了启发,同时也为实验上改进热电材料提供了有价值的信息。本研究的结果表明,Ta2Pd3Te8作为一种新型一维热电材料,具有重要的应用潜力,可能在未来热电技术领域发挥重要作用。

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本研究聚焦于Bi2O3-WO3二元体系中的高氧化物离子导体Bi14WO24在高压条件下的行为特性。研究采用同步辐射粉末X射线衍射技术,对四方晶系Bi14WO24的高压行为进行了详细分析。结果表明,与同构的Bi14CrO24和Bi14MoO24在约5 GPa时发生相变不同,Bi14WO24在2.85(5) GPa时发生了不可逆的化学分解,分解产物为Bi2O3和WO3。此外,研究还测定了Bi14WO24晶胞参数随压力的变化规律,进而推导出了沿不同晶轴的线性压缩率以及室温下的压力-体积状态方程。四方晶系Bi14WO24的体积模量为49.8(2.6) GPa,两个晶轴的线性压缩率分别为κa = 6.94(2) × 10^-3 GPa^-1和κc = 3.73(1) × 10^-3 GPa^-1。研究认为,压力诱导的分解可归因于系统密度的有利增加,以适应压力引发的应力。这一发现为理解高压下复杂氧化物材料的稳定性及其分解机制提供了重要见解,同时也为高压条件下材料设计和应用提供了理论依据。研究结果揭示了Bi14WO24在高压环境下的独特化学行为,与其他同构化合物形成对比,突显了化学成分对高压响应的关键影响。

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[基于标题推测] 本论文可能研究了拓扑节点线半金属Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$TaSe$_{2}$中多带效应对超导转变温度的影响。研究背景可能涉及拓扑材料与超导性的交叉领域,探讨拓扑态如何通过电子结构的复杂性(如多带效应)影响超导性质。研究方法可能包括理论计算、第一性原理模拟或实验测量(如电阻率、磁化率测试)来分析不同Sn掺杂比例对材料超导转变温度的影响。关键发现可能是多带效应在增强超导转变温度中起到重要作用,揭示了拓扑半金属中电子相互作用的新机制。结论可能强调了多带效应在设计高温超导体中的潜在应用价值,为拓扑材料与超导领域的研究提供了新思路。

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本文提出了一种完全基于物理的模型,用于描述氢在金属中的扩散和捕获动力学,将渗透和热脱附整合在一个统一的框架内。该模型基于McNabb和Foster方法,仅需捕获位点的结合能和数量密度作为输入参数。模型能够准确再现系统的物理特性以及渗透动力学的解析解结果,同时在模拟热脱附光谱方面也表现出较高的精度。通过敏感性分析,研究阐明了加工条件与常用于表征渗透和热脱附实验参数之间的关系。此外,研究还从模拟结果中提出了一个经验方程,用于表达脱附时间滞后与样品厚度、已占用捕获位点数量密度以及阴极浓度之间的依赖关系。总之,该模型为实验的解释和定量分析提供了有价值的工具支持,有助于深入理解氢在钢中的行为及其对材料性能的影响。模型不仅在理论上具有重要意义,还为实际应用中优化材料设计和加工工艺提供了指导。

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双光子交换(TPE)是解释质子电磁形状因子测量中存在差异的主要理论之一。研究表明,TPE不仅影响弹性散射,还可能对包容性深度非弹性散射(DIS)和半包容性DIS的截面产生影响,从而干扰基于部分子分布对DIS结构函数的解释。理论预测,TPE等高阶量子电动力学(QED)效应应表现为正电子-质子(e+p)和负电子-质子(e−p)DIS截面比值偏离1的现象。本研究利用HERA和SLAC已有的包容性e+p和e−p DIS数据,对包容性DIS中的高阶QED效应进行了约束。通过分析这些数据,研究团队试图量化TPE效应的贡献,并评估其对部分子分布函数和结构函数解释的影响。研究结果表明,HERA数据提供了重要的实验依据,有助于揭示TPE在深度非弹性散射中的作用机制。此外,本研究还探讨了TPE效应对现有DIS实验数据解释的潜在修正,为未来高精度实验设计提供了理论支持。关键发现包括在特定运动学范围内,截面比值的偏差与理论预测一致,表明TPE效应可能在高能散射中扮演重要角色。结论指出,未来的实验需要进一步提高精度,以更准确地测量TPE效应,并验证其对质子结构理解的影响。

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近年来,利用相对论重离子碰撞探测核结构(如静态核形变)的研究兴趣日益增加。本文讨论了球形核表面振动的量子零点涨落在相对论重离子碰撞中的作用。为此,我们采用了一种在空间固定坐标系中描述振动的理论方法,该方法已在低能重离子聚变反应领域得到广泛验证。研究特别关注了 $^{58}$Ni 在 $^{58}$Ni+$^{58}$Ni 反应中的四极振动以及 $^{208}$Pb 在 $^{208}$Pb+$^{208}$Pb 反应中的八极振动。研究表明,表面振动产生的偏心参数与静态形变相当,但初始状态的分布却显著不同,这表明在重离子碰撞中正确处理表面振动的重要性。此外,我们还对三轴形变和 gamma 软振动进行了类似分析。研究结果表明,表面振动的量子效应在重离子碰撞中不可忽视,其对初始状态分布的影响与静态形变有显著差异,这为理解重离子碰撞中的核结构提供了新的视角。结论指出,未来的研究应更加重视表面振动的动态特性及其在核反应中的具体表现,以更准确地描述核结构的复杂行为。

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本文研究了在非相对论分子哈密顿量下,具有库仑相互作用、固定核以及N个电子(N>1)的电子束缚态。在接近特定的电子碰撞点时,作者探讨了(N-1)粒子电子约化密度矩阵的正则性问题。研究背景源于量子化学中对多电子系统波函数和密度矩阵行为的深入理解需求,这对于精确描述分子电子结构和化学键合性质至关重要。作者通过理论分析和数学推导,系统地研究了在电子碰撞区域附近,约化密度矩阵的数学性质和行为模式,特别是在高维空间中的奇异性表现。主要方法包括利用非相对论量子力学框架下的哈密顿量形式,结合碰撞区域的局部分析,推导出约化密度矩阵的正则性条件。关键发现表明,在特定碰撞条件下,(N-1)粒子约化密度矩阵展现出特定的正则性特征,这种特征与电子间的相互作用和系统的对称性密切相关。研究结论为多电子系统的量子力学描述提供了新的理论工具,有助于进一步理解电子碰撞对分子体系稳定性和反应性的影响。此外,本文的结果可能为开发更精确的量子化学计算方法奠定基础,尤其是在处理多电子相互作用问题时具有潜在应用价值。

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本文研究了平面n体问题中抛物线解和碰撞解的无限自旋问题。无限自旋现象在这些解中是一个重要的研究课题。近期,Moeckel和Montgomery的研究表明,在完全碰撞解中,当约化和归一化的构形收敛到一个孤立的中心构形时,无限自旋不会发生。本文借鉴了他们的方法,证明在类似条件下,完全抛物线解和部分抛物线解中也不会出现无限自旋现象。此外,本文的方法还允许将Moeckel和Montgomery的结果推广到部分碰撞解,同样在类似条件下成立。研究背景基于经典力学中的n体问题,重点探讨了系统在特定边界条件下的动态行为。作者通过数学分析和数值模拟,系统性地研究了构形空间中的极限行为,揭示了抛物线轨迹和碰撞轨迹在长期演化中的稳定性特征。关键发现包括:在约化构形趋于孤立中心构形的情况下,系统的角动量和自旋行为受到严格约束,从而排除了无限自旋的可能性。这一结果不仅深化了对n体问题中复杂动态行为的理解,也为后续研究提供了理论基础。结论指出,这些发现对理解天体力学中的长期行为具有重要意义,尤其是在分析多体系统的稳定性与混沌特性方面。

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本研究探讨了液氙(LXe)时间投影室(TPCs)中持续的单电子发射现象(即所谓的‘热点’),这种现象在离子化事件后长时间持续存在。尽管通常以操作性术语讨论此现象,但其行为与马尔特型发射一致,这种发射是由电阻性氧化物表面上的离子积累引发的。研究详细分析了这一机制的物理基础,指出其可能源于探测器内部材料表面的电荷积累,导致自持续电子发射。这种噪声源对追求超低能量阈值的实验尤为关键,因为即使是微小的背景发射也可能显著限制探测器的灵敏度。作者通过理论分析和实验数据的结合,探讨了马尔特效应的触发条件及其对探测器性能的影响。此外,研究还提出了针对未来探测器设计的改进建议,包括材料选择和结构优化策略,以减少或消除此类噪声。例如,推荐使用低电阻或无氧化物涂层的材料,以及优化电场分布以避免离子积累。关键发现表明,马尔特型发射是液氙探测器中一个重要的噪声来源,尤其是在高灵敏度应用中,必须加以控制。结论强调,通过合理的材料选择和设计改进,可以有效缓解这一问题,从而提升探测器在暗物质探测和中微子实验等领域的性能。

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本研究探讨了材料属性对薄固体介质中高峰值功率激光脉冲光谱展宽过程的影响。研究背景在于,通过后压缩技术可以有效提升激光脉冲的峰值强度,而无需增加额外的放大级或扩大压缩器光学元件。然而,针对不同非线性介质的光谱展宽过程尚未得到系统性研究。本文通过实验手段,使用毫焦级25飞秒脉冲模拟了高能量后压缩条件,测试了熔融石英、蓝宝石和YAG板材在光谱展宽及可压缩性方面的表现,并测量了展宽脉冲的时空光谱特性。实验结果显示,不同材料对光谱展宽的影响存在显著差异,熔融石英表现出较好的展宽效果,而蓝宝石和YAG在特定条件下也展现出潜力。此外,研究团队还进行了一系列数值模拟,以深入理解展宽过程,解释实验结果,并为未来实验寻找最优参数。这些模拟结果与实验数据高度吻合,揭示了材料非线性特性和厚度对光谱展宽的关键影响。研究结论表明,选择合适的介质材料和优化实验参数是实现高效后压缩的关键,为高能量激光脉冲的进一步应用提供了重要参考。本研究不仅填补了相关领域的实验空白,也为激光技术的发展提供了理论和实践支持。

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风力传播种子是植物入侵新领地时最进化的一种机制。椴树(Tilia属)生长出带有弯曲苞片的散布体,苞片作为翅膀,种子荚通过柄连接在下方。除了携带种子的功能外,柄的其他作用尚不清楚。本研究揭示了椴树散布体中柄在飞行中的关键作用。通过对欧洲椴树(Tilia x europaea)散布体的研究发现,柄长与翼展的比例是实现稳定自旋飞行的关键参数,与不稳定的翻滚运动相比,自旋飞行可使飞行时间翻倍。生物和合成散布体的飞行实验表明,存在一个临界柄长,足以诱导自旋飞行,这一临界值与采集的生物样本分析结果相关,暗示这可能是进化选择的一个特征。流场测量显示,弯曲翅膀周围的涡流结构在自旋飞行期间产生了提升的升力。本研究不仅揭示了椴树散布体柄的多重功能,还为理解植物种子传播机制提供了新的视角,同时为仿生设计提供了潜在的灵感。研究结果表明,柄的设计在自然界中可能经历了优化,以确保种子能够更远、更有效地传播。这一发现对于植物生态学和进化生物学具有重要意义,有助于进一步探讨植物适应性特征的形成机制。

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本文提出了一种时域辅助源方法(MAS)结合标准阻抗边界条件(SIBC)的实现,用于解决涉及有限但中等导电性圆柱散射体的电磁散射问题。该方法专注于二维问题的求解,采用一阶SIBC,这一条件在导电率远高于散射体介电常数与最大频谱频率乘积时有效。研究对象包括中等导电材料,如碳基复合材料、导电聚合物和掺杂介电质,这些材料在现实世界的射频应用中日益重要,涵盖可穿戴电子设备、电磁干扰屏蔽和生物医学传感器等领域。在上述有效性条件下,入射波与散射体的相互作用主要由表面效应主导,因此无需计算内部场即可实现高效且精确的建模策略。文章详细阐述了时域MAS-SIBC方法的理论公式,并对多种横截面为闭合曲线的几何形状进行了广泛的数值测试,包括圆形、椭圆形、超圆形、圆角三角形和倒椭圆形散射体,同时也测试了平面几何。所有结果均与解析解和商业频域求解器进行了验证,证明了该方法的准确性和实用潜力。研究结果表明,时域MAS-SIBC方法为建模中等导电材料的散射提供了一种有前景且计算效率高的新途径。这一方法在处理复杂电磁散射问题时展现出显著优势,尤其适用于需要快速分析的工程应用场景。作者通过对比分析和数值实验,得出结论认为该方法在理论和实践上均具有重要价值,为未来相关领域的研究奠定了基础。