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物理  
  物理--2021, 50 (5)   发布日期: 2021-05-12

封面故事:光学相干断层成像技术(OCT)是一种先进的光学成像技术,能够对半透明介质实现微米尺度的光学“解剖”,并兼具高扫描速率等优点,已经被广泛应用于医学领域。近期,南方科技大学李炜怡团队深度开发OCT的表征功能,将其推广应用于水处理技术领域,对膜蒸馏过程中的结垢现象开展了创新型探索。该研究开发了一系列数值算法,实现对结垢层演化的高精度定量解析。不但展现了结垢层生成过程中不同的动态效应,还首次揭示了结垢层的耗散结构,对于深刻理解膜蒸馏过程中传热与传质的高度非线性耦合效应具有重要意义,进而为推动膜蒸馏技术的发展提供有力武器。该系列工作发表于Water Research (DOI:10.1016/j.watres.2021.116809) 和Journal of Membrane Science (DOI:10.1016/j.memsci.2021.119257)。

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超构表面专题

非线性光学超构表面 Hot!

胡子贤,唐宇涛,李贵新
2021, 50(5): 285-292     全文: PDF (11051 KB)   ( 下载: 1327 )
摘要

非线性光学超构表面是一类由空间变化的超构功能基元组成的超薄非线性光学器件。通过合理选择超构功能基元的材料组成、空间对称性,人们可以在亚波长尺度上对超构表面上产生的非线性光波的偏振、相位、振幅等自由度进行多维度光场调控。文章介绍了在非线性光学超构表面上实现谐波、四波混频、太赫兹波辐射的设计与原理,并讨论了如何在非线性光学超构表面上实现非线性光的波束调控、全息成像、光学图像加密等功能。

非线性超表面新模式:时空编码数字超表面 Hot!

戴俊彦,崔铁军
2021, 50(5): 293-299     全文: PDF (9103 KB)   ( 下载: 1169 )
摘要

超表面是由亚波长结构组成的超薄人工表面,对电磁波具有突出的调控能力。近年来,因其在非线性效应增强方面的巨大潜力,超表面引起了人们越来越多的重视。具有现场可编程能力和时空信息调制能力的时空编码数字超表面可精准、高效地操控非线性电磁效应和电磁信息,因此成为非线性超表面的一种新模式。文章首先介绍时空编码数字超表面的基本概念,重点讨论近几年在非线性电磁调控方面的研究进展,包括谐波生成、电磁参数控制和非线性波前调控等相关工作。最后,对时空编码数字超表面面临的挑战及未来的发展趋势进行了总结和展望。

光学超构表面中的复合相位调控 Hot!

张飞,蔡吉祥,蒲明博,罗先刚
2021, 50(5): 300-307     全文: PDF (9676 KB)   ( 下载: 1232 )
摘要

超构表面是一种二维的超构材料,能在平面上实现对光波相位、振幅、偏振等参数的灵活调控。相位型超构表面可突破经典折反射定律,使得光场调控不再依赖于曲面光学元件,为实现光学系统的平面化、集成化和多功能化提供了有效途径。特别地,通过对传输相位和几何相位协同调控,能够有效解决传统超构表面存在的功能单一、带宽受限、可调谐性差等原理性问题。文章介绍了复合相位调控的实现原理和方法,以及复合相位超构表面的典型应用及特点,最后对复合相位超构表面的未来研究方向进行了总结和展望。

浅谈超构表面在量子光学中的应用 Hot!

李林,程亚,祝世宁
2021, 50(5): 308-316     全文: PDF (8509 KB)   ( 下载: 1249 )
摘要

近年来,利用超构表面对光场的调控研究取得了令人瞩目的进展,不仅在经典光的调控方面取得了优异的成果,在量子光学方面的研究和应用也开始崭露头角,引起人们越来越多的研究兴趣。文章简要讨论了基于超构表面的量子光学的研究进展,包括量子光源的制备、量子态的调控以及量子态的探测和成像等方面。

评述

空间碎片问题的起源、现状和发展 Hot!

汤靖师,程昊文
2021, 50(5): 317-323     全文: PDF (9081 KB)   ( 下载: 984 )
摘要

字面意义上的空间碎片指的是解体产生的碎片,但一般也包含火箭残骸、废弃卫星等各类无功能人造物体。随着人类探索、利用太空的步伐,空间碎片逐渐开始成为影响并威胁人类空间活动不可避免的问题。文章主要介绍空间碎片问题的起源、当前的状况、人们如何应对以及未来可能遇到的问题。

前沿进展

石墨烯纳米结构的原子级精准构造 Hot!

陈辉,杜世萱,高鸿钧
2021, 50(5): 325-335     全文: PDF (22391 KB)   ( 下载: 1013 )
摘要

相比单层石墨烯,特定构型的石墨烯纳米结构具有更加新奇的物理性质,被认为是构筑基于石墨烯功能纳米器件的基本单元。由于纳米结构的性质对其局域原子构型非常敏感,可控制备高质量的、原子级精确的石墨烯纳米结构并研究其奇特的电子学和自旋电子学性质是实现其器件应用的必要前提。目前,实验构筑锯齿形石墨烯纳米带及其面内异质结、纳米孔洞以及量子点已取得很多重要进展,但是具有复杂结构的功能化石墨烯纳米结构的构筑与物性研究仍存在挑战。文章介绍作者在原子级精确构造石墨烯纳米结构方面取得的系列科研进展。运用可控制备技术与高精度的极低温强磁场扫描隧道显微镜,探索在不同衬底上制备高质量的、具有特定构型的石墨烯纳米结构,并尝试对制备的石墨烯纳米结构进行原子级精准的操纵,实现构造“用户定制”的功能化石墨烯纳米结构。此系列工作发展了石墨烯纳米结构精确可控制备方法,为研究复杂纳米结构与物性提供了新的思路。

研究快讯

首次实现莫尔量子点阵列与微腔光子的强耦合 Hot!

张龙
2021, 50(5): 336-336     全文: PDF (2583 KB)   ( 下载: 966 )
摘要

“魔角”石墨烯在电子能态调控上不断给人们带来惊喜,开辟了凝聚态物理研究的新篇章。类似的,将两种单层过渡金属硫族化合物 (TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构,称为莫尔超晶格。莫尔超晶格可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。

非极性材料中的极性拓扑结构的发现 Hot!

高鹏
2021, 50(5): 336-336     全文: PDF (2583 KB)   ( 下载: 949 )
摘要

拓扑结构有望成为后摩尔时代电子信息器件的重要原材料,因此寻找新颖拓扑结构并探索其物性是当前凝聚态物理研究的一个重点。近年来,人们发现在一些特殊的人工薄膜和纳米结构的极性材料中,电偶极矩也能够连续旋转从而形成极性拓扑结构,如涡旋、斯格明子、半子等。但是,目前只有在少数的几种铁电材料里发现了这些结构。

日冕喷流触发冕环横向振荡 Hot!

张擎旻
2021, 50(5): 337-337     全文: PDF (2329 KB)   ( 下载: 865 )
摘要

日冕位于太阳大气最外层,由温度高达数百万度的磁化等离子体组成。波动和振荡是日冕中普遍存在的现象,美国TRACE卫星首次在极紫外波段探测到冕环的周期性往复运动,被认为是冕环横向扭曲振荡。冕环振荡通常由附近的低日冕爆发活动(如耀斑、喷流、暗条爆发)触发。日冕等离子体参数(如磁场强度和阿尔芬速度)难以直接测量,结合太阳望远镜观测到的振荡和磁流体力学波动理论为诊断这些参数提供了一种有效手段。

核对称能实验得到最新的π介子数据和对称能约束 Hot!

王仁生
2021, 50(5): 337-337     全文: PDF (2329 KB)   ( 下载: 912 )
摘要

中子星并合事件GW170817重新点燃了人们对中子星性质研究的广泛兴趣。由于中子星内部的质子和中子的数量极不对称性,核对称能项对中子星内部的物质状态方程有重要贡献。重离子碰撞是地面实验室唯一能产生高密核物质并研究核状态方程的手段。

物理攫英

同核异能素百年回顾

王一平、孟杰 摘译
2021, 50(5): 338-339     全文: PDF (2474 KB)   ( 下载: 940 )
摘要

同核异能素指原子核的长寿命激发态,通常发生γ跃迁、β衰变、裂变、α衰变、质子发射等衰变。原子核激发态的半衰期常不到1 ps。寿命多长才能被称为同核异能素并无统一界定。一般认为,为了能够计数,同核异能素的半衰期应该长于1 ns。同核异能素通常可以通过重核裂变、重离子反应、超强激光等方法产生。自同核异能素被发现以来的一个世纪,核物理学家已经发现了近2500种半衰期大于10 ns的原子核激发态。

关于加强物理资助的对话

朱星 编译
2021, 50(5): 340-340     全文: PDF (2214 KB)   ( 下载: 1004 )
摘要
随着新冠疫苗接种的进行,人们似乎在新的一年看到希望。然而,新冠大流行造成的经济损失仍将持续数年。即使在经济繁荣时期,纯科学也难以得到资助,那么在经济恶化的情况下,依然如此吗?亚利桑那大学的Cherry Murray和英国爱丁堡大学的Nick Treanor对资助物理研究必要性进行对话。

降低超导体的高压

戴闻 编译
2021, 50(5): 341-341     全文: PDF (8741 KB)   ( 下载: 916 )
摘要
2020年最热门的物理成果之一是,富氢的材料可以在15 ℃的温度下无阻地传输电流。15 ℃是巴黎春天的平均温度,但这一室温超导的实现需要另一个在塞纳河畔无法满足的条件:267 GPa的压力,即接近地球核心的压力。包括罗马萨皮恩扎大学Lilia Boeri在内的研究人员,对放宽这一要求的前景表示乐观。在最近的美国物理学会3月会议上,Boeri提出了在更接近我们日常环境的条件下实现超导的两种可能途径。
人物

毕生为科学 所愿为发光——我的科研感悟

徐叙瑢
2021, 50(5): 343-347     全文: PDF (9616 KB)   ( 下载: 921 )
摘要
从1951年参加工作以来,我一直在发光领域“摸爬滚打”,至今已有60多年的时间。这些年同大家一起取得了一些成就,在工作中感悟颇深,现将这些感悟总结下来,希望能带给发光领域前沿工作的人们一些启迪,更希望新一辈杰出人才可以在新时代的大好科研环境下创造我国发光领域的新辉煌。
量子多体中的呐喊与彷徨

量子多体中的呐喊与彷徨之九:转角石墨烯的三昧

孟子杨
2021, 50(5): 348-352     全文: PDF (6029 KB)   ( 下载: 1081 )
摘要
三昧是佛教里的话,是说修行的人能够止息杂念,心神平静,进入禅定,一窥事物的真谛。我们这些俗人,又生活在俗世,每天都在吃喝拉撒中辗转,应付尚且不足,禅定更不可及,离三昧境盖益远矣。大先生有篇著名的文章,叫《世故三昧》,很短,很有趣,把在人世间难得三昧的窘境和苦境写得通透,感兴趣的读者可以找来看看,一定强过阅读下面带着公式和图表的物理八股。
物理思想进课堂

用“量”描述“质”——物理量的定义和测量

李春宇,陈征,魏红祥,郑永和
2021, 50(5): 353-355     全文: PDF (3297 KB)   ( 下载: 1140 )
摘要
物理学注重“用量来描述质”。对每一个我们关心的问题,物理学家首先要做的就是把关心的性质或行为用一组数量(magnitude)表示出来。对物理量本身的理解,正是让所学的物理更像欧内斯特·卢瑟福所说的“物理”而不是“集邮”的关键。文章尝试对物理量本身的思想基础、定义和测量等进行探讨,希望唤起读者对这一问题的重视,从而对物理有更深入的理解与思考。
科学咖啡馆

人类认识宇宙过程中的四次飞跃——中国科学院物理研究所“科学和咖啡”主题讨论侧记

秦晓宇,成蒙
2021, 50(5): 356-357     全文: PDF (6442 KB)   ( 下载: 1030 )
摘要
咖啡作为一种神奇的饮料在一千多年前开始在全世界风靡,目前已成为全球贸易额第二高的商品,它虽然不能为我们提供很多的能量,但是却充满魅力和魔力。闲暇时间能与好友约在咖啡馆里一起谈天说地真是一件美妙又惬意的事情,如果聊天的参与者又恰好是几位科学家,那科学的重大发现很有可能就在这电光火石的思维碰撞间诞生了。
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