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物理  
  物理--2017, 46 (4)   发布日期: 2017-04-12

金属液滴因自身表面张力较大,在电解液中通常以球形方式存在,塑形能力及变形模式相对有限。近日,中科院理化所低温生物与医学研究组首次发现通过引入石墨基底,处于电解液环境中金属液滴由于与石墨间的电化学作用,其表面张力会大大降低,可被灵活自如地塑造成如三角形、方形、环形等各种锐利图案。该研究首次实现了在开放液体环境中的液态金属自由塑形,突破了原有的液态金属调控模式,在柔性电子器件、可变形智能机器的设计乃至先进制造方面有重要价值。另外,作者们还首次揭示出处于自由空间下的电控液态金属的蠕动爬坡能力,实现了逆重力的运动模式。新发现扩展了近年来兴起的液态金属柔性机器的理论与技术内涵,具体论文请参见Advanced Material,2016,28(41):9210-9217。

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二维材料和异质结构专题

从二维材料到范德瓦尔斯异质结 Hot!

於逸骏,张远波
2017, 46(4): 205-213     全文: PDF (3983 KB)   ( 下载: 419 )
摘要

二维材料领域经过了十三年的蓬勃发展,涌现出一大批新材料和新技术。文章将介绍二维材料领域的发展历史,一系列具有代表性的二维材料的重要性质,以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的相关研究工作。

一种新型二维材料:硼烯 Hot!

程鹏,陈岚,吴克辉
2017, 46(4): 214-221     全文: PDF (2774 KB)   ( 下载: 516 )
摘要

硼烯是硼元素的二维同素异形体,其结构和物理特性一直受到研究者的强烈关注。但由于现实中缺乏天然存在的硼烯,该领域的研究只能停留在理论上的描述。最近,作者所在研究组成功地制备出了单层硼烯薄膜,实现了学术界期待已久的突破,并对其原子结构和电子性质进行了深入的研究,为未来研制基于硼烯的电子器件提供了潜在可能。文章将从硼烯的理论研究开始讲起,着重介绍该新型二维材料的结构模型、实验制备过程及其电子结构表征等研究。

二维材料外延生长的原子尺度机理:特性与共性 Hot!

崔萍,张振宇
2017, 46(4): 222-232     全文: PDF (3517 KB)   ( 下载: 389 )
摘要

自首次从石墨中剥离出石墨烯以来,只有原子级厚度的层状(或二维)材料因其丰富奇特的物性占据着当今凝聚态物理和材料科学的中心舞台。不断扩大的二维材料家族,包括石墨烯、硅烯、磷烯、硼烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、甚至强拓扑绝缘体等,不仅每个成员有其鲜明的个性,如独特的物性与制备方法,而且整个大家族又有其共性,如单层材料与衬底之间、层与层之间几乎都是依赖弱的范德瓦尔斯力耦合在一起。对任一个二维家族成员的深层理解,都可能对真正走进这一大家族有普适性价值。文章首先介绍范德瓦尔斯层状材料非平衡外延生长中常常遇到的主要原子过程和相应的形貌演化;进一步讨论范德瓦尔斯相互作用在二维材料横向或垂直堆叠的异质结中的重要性。在原子尺度的生长机理之外,也围绕二维材料的物性优化与功能化简要介绍一些最新进展,具体例子覆盖光学、电学、自旋电子学、催化等领域。

前沿进展

北京谱仪BESIII精确测量Y(4260)粒子 Hot!

刘智青
2017, 46(4): 233-237     全文: PDF (1673 KB)   ( 下载: 475 )
摘要

利用北京谱仪BESIII实验采集的约9fb-1数据样本,BESIII测量了ee→ππJ/ψ过程的产生截面,并对在该过程中观测到的Y(4260)粒子的质量和宽度做了目前世界上最精确的测量。BESIII的测量给出Y(4260)粒子的质量在4.22 GeV/c2左右,比之前的测量偏低;宽度约44 MeV,比之前的测量窄很多。相比之前的实验,BESIII对Y(4260)粒子参数的精确测量给解释该粒子的理论模型提供了更强的约束。另外,BESIII实验在4.32 GeV/c2附近还观测到一个新粒子信号,信号显著性为7.6σ。新粒子的质量和宽度和之前观测到的Y(4360)粒子的质量和宽度在误差范围内吻合,有可能是同一个粒子。

研究快讯

外尔费米子的奇特热电性质

吴孝松,俞大鹏
2017, 46(4): 238-240     全文: PDF (1957 KB)   ( 下载: 314 )
摘要

世界由各种微观粒子组成。这些粒子可以分为两大类,玻色子和费米子。费米子组成了物质,而玻色子传递物质之间的相互作用。1928年,为了精确计算原子的能谱,狄拉克基于量子力学的原理,同时考虑电子的相对论性运动,提出一个波函数方程来描述电子的行为。这个方程后来被称为狄拉克方程。该方程的意义远远超出了狄拉克的初衷。它不但给出了自旋的理论解释,还暗示了反物质的存在。狄拉克方程将量子力学和狭义相对论结合起来,成为了量子场论的两大基石之一,用于描述费米子的行为。

物理攫英

萨哈罗夫、戈尔巴乔夫与削减核武器

姬扬 编译
2017, 46(4): 241-243     全文: PDF (1645 KB)   ( 下载: 229 )
摘要

1987年,萨哈罗夫(Andrei Sakharov)的公开发言促进了美苏的核裁军,销毁了数千枚弹道核导弹。 
1988 年1 月,萨哈罗夫和戈尔巴乔夫首次会晤。此前一年,他刚刚结束了七年的流放生活,从闭塞的高尔基回到了莫斯科。
当时,美苏的核裁军陷入了僵局,戈尔巴乔夫坚持要求,美国承诺其弹道导弹防御(BMD)计划遵守1972 年反弹道导弹(ABM)条约,里根拒绝了。萨哈罗夫公开表示,“星球大战计划”在军事上根本没用,戈尔巴乔夫应该抓住削减核武器的机会。两周后,苏联领导人认可了这个看法,打通了美苏核裁军的道路。

蓝雾之谜

杜光乐、叶方富 编译
2017, 46(4): 244-245     全文: PDF (1649 KB)   ( 下载: 600 )
摘要

为什么某些液体在降温时会变成蓝色已经困扰了科学家一个多世纪。正如Olive Henrich 和Davide Marenduzzo 所解释,解决这一“蓝雾”的谜团被证明是一项智力上的杰作,可能导致新型显示器件的产生。

高精度可移动原子钟

朱星 编译
2017, 46(4): 246-246     全文: PDF (1473 KB)   ( 下载: 381 )
摘要

任何一位戴手表的人都享受到在不同地点读出时间的便利,或者使用它去校准不同的钟表。与此类似的是,从事最高精度原子钟的工作人员也需要在边远地区获得时间和频率的信息。他们也需要比对世界各地不同实验室中同一时刻运行的时钟。这就需要原子钟能被移动到不同地区而仍能正常工作。然而,当需要将原子钟移动到没有实验室可控环境,而且将其尺寸减小到可以移动时,人们不得不在精确度和稳定性之间寻找折中方案。现在,德国国家计量研究院(PTB)的Christian Lisdat 等研制成功一台可移动原子钟,其频率不确定度达到7×10-17,相当于4 亿年的误差不超过一秒。中国武汉物理与数学研究所黄学人课题组也取得类似成果。他们的小型化原子钟达到类似的不确定度,近期内也可以移动。到此为止,可移动的原子钟的不确定度首次优于最好的微波频率铯钟的10-16,这是目前使用中的时间基准。这一指标与目前实验室光钟的不确定度10-18很接近。

光子制动太阳

徐仁新 编译
2017, 46(4): 247-247     全文: PDF (1355 KB)   ( 下载: 353 )
摘要

观测和理论研究表明,光子带走了太阳的角动量。这解释了为何太阳表面的转动要比其内部慢。很奇怪太阳表面的旋转会比内部慢。
如今,研究人员仔细地观测该现象并试图解释这一行为。研究团队使用新技术跟踪太阳外层的波动,得到转速差,并将减速归因于70 km 厚的太阳“表皮”处。他们的模型认为:从该层辐射的光子带走了角动量,使得自转减慢。这种减速机制适用于所有恒星,半径越大越显著。
太阳等离子体物质的自转速度跟纬度有关(赤道快、极区慢),还跟到中心的距离有关。几十年前人们就注意到核心与表面之间的速度差,但并未得到公认的解释。

物理学漫谈

从德尔斐箴言到自学习蒙特卡罗

孟子杨
2017, 46(4): 248-252     全文: PDF (2633 KB)   ( 下载: 335 )
摘要

那么问题来了,对于凝聚态量子多体系统,蒙特卡罗模拟发展到了什么程度呢?或者说,对于强关联电子系统,(量子)蒙特卡罗模拟算法,有什么瓶颈性的困难呢?兹事体大,这里的篇幅没法完全展开,在这篇文章中,笔者只希望讲述我们最近发展的“自学习蒙特卡罗方法” (Self-leaning Monte Carlomethod,SLMC)“三部曲,介绍我们如何通过自我观照、自我学习蒙特卡罗构型,设计出自学习蒙特卡罗方法,解决了凝聚态量子多体系统蒙特卡罗模拟中一些诸如临界慢化和接收概率低等瓶颈性的问题,推动领域的发展。

物理学史和物理学家

物理学家温毓庆的经历与成就

付森,李艳平
2017, 46(4): 253-256     全文: PDF (1945 KB)   ( 下载: 323 )
摘要

温毓庆,1920 年获得哈佛大学哲学博士学位,次年回国,先后在清华大学、北京大学、交通大学等高等学校任教,后从事无线电和密电破译工作,取得成果。近年其密码破译经历引起媒体关注,但由于军事、政治等因素,他的工作和经历记述不详。作者根据散见于日记、回忆录、档案和报刊中的资料及其博士论文等史料,以追记他的特殊经历与成就。

超导“小时代”

超导“小时代”之十八:瘦子的飘逸与纠结

罗会仟
2017, 46(4): 257-260     全文: PDF (2589 KB)   ( 下载: 221 )
摘要

还得接第十四节关于炼金术士的故事说起。1911 年,单质汞中发现超导之后,人们首先想到的就是寻找单质超导体。话说,超导单质还真不少,但临界温度高一点点的实在稀有, 常压下Tc 为9 K 的铌(Nb)已然算是佼佼者。为此,科学家费了九牛二虎之力,继而在铌的化合物中寻找超导体,其中NbO的Tc 为1.4 K, NbC 的Tc 为15.3 K,NbN的Tc为16 K。适当改变元素配比,可以在NbC0.3 N0.7里实现Tc=17.8K(1954 年) ,完成这项工作的是来自美国贝尔实验室的德裔科学家马蒂亚斯(Bernd Theodor Matthias)。这些工作启迪人们,在某金属元素和非金属元素的二元化合物里,有希望寻找到更高临界温度的超导体。鉴于这些材料结构和化学式相对简单,分子量也比较轻,故而基本算是瘦子超导家族的一员。铌的碳化物和氮化物都是立方结构,和我们日常吃的食盐NaCl 结构类似,称之为B1相。同在1954年,另一个具有A15 相的超导体V3Si 被G. F.Hardy和J. K. Hulm发现(Tc=17. 1 K),它和B1 相同样具有立方结构,但面内原子分布细节不同(图2)。马蒂亚斯很快就抓住机会,在铌的A15 相Nb3Sn 中发现了Tc=18. 1 K。从第一个A15 相的化合物Cr3Si 开始顺藤摸瓜,人们陆续不断发现了诸多A15 类超导体,来自V,Ta,Nb 和Si,Ge,Ga,Al,Sn等的组合,多达60 余种。特别是Nb3Al(Tc=18.8 K),Nb3Ga(Tc=20.3 K),Nb3Si (Tc=18 K),Nb3Ge(Tc=23.2 K)等,一再突破当时的超导温度记录(图2),其中不少出自马蒂亚斯之手。目前最高临界温度的A15 相化合物是2008 年发现的高压下Cs3C60, Tc=38 K。在1986 年以前,A15 相一度统治超导临界温度冠军地位长达32 年,瘦子的实力不容小觑。

物理学咬文嚼字

物理学咬文嚼字之八十五:重与轻

曹则贤
2017, 46(4): 261-265     全文: PDF (2286 KB)   ( 下载: 252 )
摘要

重感和下落是人的第一层感觉。物理文献中涉及重的词汇有weight,gravitation,gravity,graviton,gravitino,gravific particles,barometer,baryon等。相关讨论还会涉及levity,levitation,lepton和lightness等关于轻的概念。

书评和书讯

物理基本力学理论的三足鼎立:已完成的追求?——评《溯源探幽:熵的世界》

敖平
2017, 46(4): 266-268     全文: PDF (1437 KB)   ( 下载: 376 )
摘要

从上个世纪末以来,我一直工作在物理、生物、工程、医学等学科之间,对有意理解物理学核心内容的其他学科的研究者和学生,我总是一致地推荐两个领域:经典力学和统计物理。理由很简单:从伽利略(Galileo)和牛顿(Newton)开始的力学是所有科学的范本;热力学和统计力学是不同层次理论对接的范本,联系了微观和宏观两种描述。两个领域的风格很不一样。由于它们也是物理中的基本内容,在各个水平都有对应的优秀教科书,专业知识容易获取。但我一直在寻找一本外行读着有趣、内行开卷有益的读物。最近在上海一家新华书店遇到《溯源探幽:熵的世界》(冯端、冯少彤著, 2016) , 让我眼睛一亮,一口气读完。这确实是值得推荐的书,它在每个方面都有平衡的叙述:历史背景、重要人物、主要进展、应用例子、未决问题等。

读者和编者

Q&A 问与答

中国科学院物理研究所
2017, 46(4): 269-270     全文: PDF (1439 KB)   ( 下载: 275 )
摘要

Q:听说物质不止三态。那有几态啊? 
A:我们知道物质聚集状态有固态、液态和气态。把气体物质施以高温、高压、电磁场、放电、高能磁场、热核反应等作用,气态原子便电离成带电离子和自由电子。它们电荷相等,符号相反。这种状态是等离子体,物质的第四态。
将固态物质施以高压,非金属会变为金属,继续增大压力,物质中的电子会被挤出原子,形成电子气体而原子核则紧密排列,这是物质的第五态——超固态;继续增大压力,核外电子会被挤到核内,电子与质子结合形成中子,便是物质的中子态,这可能就是物质的第六态。 
2004 年,台湾大学发表了一份研究成果,他们观察到水分子等物质进入细胞膜时,会形成一种新的物质状态,称为“酯膜结构”。2005 年,美国布鲁克海文国家实验室用相对论重离子对撞击制造出“夸克胶子等离子体。”以上两个都有可能是物质的第七态。

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