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    温稠密物质模拟的第一性原理方法进展
    张 航, 陈默涵
    物理学进展    2024, 44 (2): 49-72.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.001
    摘要782)   PDF (2466KB)(611)   
    温稠密物质 (Warm Dense Matter, WDM) 是介于凝聚态物质和等离子体之间的一种过 渡状态的物质,也是行星物理、实验室天体物理和惯性约束聚变等高能量密度物理领域的前沿科 研方向。温稠密物质的量子效应显著,具有部分电离、强耦合、电子简并和热效应等重要的物理 性质,因此需要采用量子力学的基础理论来描述。近年来,基于量子力学的第一性原理计算模拟 方法发展迅速,逐渐成为了深入理解温稠密物质性质的有效工具。一方面,直接将凝聚态物理和 材料科学中广泛适用的第一性原理方法应用于温稠密物质面临着巨大的挑战,特别是在宽温区和 极端高压等极端条件下,需要不断改进现有的第一性原理算法和软件。另一方面,基于机器学习 的分子动力学方法发展迅速,也给温稠密物质模拟带来了新的工具。在这篇综述中,我们首先回 顾了适用于温稠密物质模拟的传统第一性原理方法,包括 Kohn-Sham 密度泛函理论方法和无轨 道密度泛函理论方法。其次,我们介绍了近年来发展的新方法和软件,例如改进的第一性原理方 法和随机密度泛函理论方法,后者已在国产开源密度泛函理论软件原子算筹 (ABACUS) 中实现。 以上新方法可以显著提升温稠密物质的计算规模和效率,从而提升温稠密物质的结构、动力学和 输运系数等性质的计算精度。
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    电子结构对单原子催化剂电催化性能影响的研究进展
    何月轩, 王同辉, 文 子, 蒋 青
    物理学进展    2024, 44 (3): 136-156.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.004
    摘要763)   PDF (2081KB)(325)   

    单原子催化剂由于其独特的电子结构和最高的原子利用率,在各种催化体系中具有广阔的 应用前景。调节 SACs 催化剂的电子结构是其进一步发展的关键,可以通过调节电子性质来优化 催化剂的吸附能和键能,从而提高催化活性和稳定性。本文通过 SACs 的电子结构及其相关知识, 对 SACs 在催化中的作用有了全面的了解。由于电催化是一种减少碳排放和利用可再生能源的技 术,并且作为解决日益严重的空气污染问题的方法而受到越来越多的关注,因此高性能催化剂的 设计至关重要。为此,讨论了各种电子性质,如能带结构、轨道杂化和相关自旋态等。本文讨论了 SACs 的电子结构对其电化学催化性能的影响,并探讨了其与 SACs 活性和稳定性的关系。了解 催化过程中电子结构的基本原理,可以为今后各种催化反应中催化剂的设计提供合理的指导。

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    卤化物钙钛矿单晶及光电探测器:研究进展和挑战
    孙 悦, 黄小芮, 贺圣荣, 邢 军
    物理学进展    2024, 44 (5): 209-242.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.001
    摘要731)   PDF (15745KB)(1021)   

    近年来,由于金属卤化物钙钛矿材料展现出了优异的光学和电学特性 (如高吸收系数、长 载流子扩散长度、小激子结合能、高缺陷容限、可调带隙等性质),以及其具有低成本的溶液制备 工艺,使其在光探测、光电转换和光发射等领域取得了巨大的科研进展。与钙钛矿多晶薄膜相比, 钙钛矿单晶具有更长的载流子寿命、更高的载流子迁移率、更长的扩散长度、更低的陷阱密度等 优势,从而促进了近十几年来钙钛矿单晶制备和优化的相关研究,并将高质量卤化物钙钛矿单晶 广泛应用在光探测等重要应用领域。在这篇综述中,我们聚焦基于不同形式、不同化学组分卤化 物钙钛矿单晶 (包括单晶块体和单晶薄膜) 的光电探测器技术领域的最新进展,首先系统综述了卤 化物钙钛矿单晶的制备和优化进展,重点关注了三元阳离子杂化钙钛矿单晶的最新进展,然后全 面介绍了基于钙钛矿单晶的各类型光电探测器研究现状,最后总结了卤化物钙钛矿单晶光电探测 器研究领域目前面临的挑战并进行了展望,有望推动该领域的快速进步和发展。

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    卤化物钙钛矿金属位铋离子掺杂的调控研究进展
    黄小芮, 孙 悦, 贺圣荣, 邢 军
    物理学进展    2024, 44 (2): 73-95.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.002
    摘要714)   PDF (8816KB)(990)   
    高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电池目前正从实验室研发向工业生产转型,并在未来全球 能源领域展示了其不可估量的应用价值。为了实现高性能的金属卤化物钙钛矿太阳能电池,钙钛 矿材料作为有源工作层,其性能的提高和优化过程经过了十几年,并已取得巨大的进步。本文以 高性能卤化物钙钛矿中金属位铋离子掺杂的调制研究为重点,系统总结了卤化物钙钛矿薄膜的发 展和常规制备工艺。研究表明,三元阳离子钙钛矿可以抑制黄相的形成、改变晶粒尺寸、提高稳 定性等特点,成为未来高性能钙钛矿光电器件的首选。文章还对铋离子 (Bi3+) 掺杂钙钛矿体系进 行了讨论,研究发现 Bi3+ 的特殊电子结构和无毒化学性质,不仅能够提高钙钛矿的稳定性,还 能灵活调控钙钛矿的光电性能,从而实现铋离子掺杂的高性能钙钛矿太阳能电池。结合目前卤化 物钙钛矿太阳能电池的研究现状,我们可以预见在未来的器件优化过程中,可以将铋离子掺杂策 略与三元混合阳离子钙钛矿相互结合。最后,我们展望了实现高性能金属卤化物钙钛矿太阳能电 池的几个潜在研究方向。
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    单线态裂分中间态的理论研究进展
    童 磊, 张春峰
    物理学进展    2024, 44 (3): 112-122.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.002
    摘要610)   PDF (1708KB)(546)   

    单线态裂分是指有机材料在光激发后,从一个单重态激子转变为两个三重态激子的光物理 过程。该过程有望提高光电转换效率,因而受到了广泛的关注。研究发现单线态裂分中存在一个 关键的中间态,而如何构建中间态的波函数则是重要的挑战。本文着重介绍了双激发态波函数构 建的两类理论模型,而后讨论了振动、轨道和自旋相互作用对中间态形成和解离的影响。最后总 结了进一步的理论研究将面临的挑战。 

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    压电材料中表面声波的波速测量与调制
    王任飞, 刘 萧, 吴蒙蒙, 林 熙, 刘阳
    物理学进展    2024, 44 (3): 103-111.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.001
    摘要565)   PDF (4278KB)(803)   
    三维固体中除了存在人们熟知的体声波传播模式,还存在能量集中在二维界面的表面声波 传播模式。我们利用砷化镓衬底的压电和逆压电效应,通过平面叉指实现了射频电磁波和表面声 波之间的相互转化,并搭建超外差电路完成了在边长仅 4 mm 的样品上表面声波波速的测量,结 果为 (2.9±0.1) km/s。我们还制作了基于压电陶瓷的单轴应力腔,可以对样品施加最大约为 10 −4  的单轴应变,并观测到了应变对表面声波波速的影响。我们还测量了重要半导体砷化镓在应力下 的表面声波波速,演示了该波速测量技术原位探测固体内部力学性质的能力。基于平面叉指换能 器的波速测量克服了传统的时差法和驻波法对样品宏观尺寸的要求。本文建立的超外差的测量方 法代替了使用商用矢量网络分析仪测量表面声波波速,为以后推广到低功率输入、高相位稳定度 的应用场景提供了可能。由于测量装置也可以被用于固体物理相关的前沿实验教学,工作提供了 表面声波器件和自制应力腔的细节参数和制作过程。
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    二维范德瓦耳斯反铁磁体系超快自旋动力学研究进展
    李金阳, 武方亮, 张琦
    物理学进展    2024, 44 (6): 293-308.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.003
    摘要546)   PDF (4771KB)(552)   

    反铁磁体具有太赫兹频段的高速自旋响应和对外磁场的鲁棒性,被视为下一代高速、高密 度自旋信息器件的潜在材料。近年来,二维范德瓦耳斯磁性系统因其丰富的反铁磁基态和多样的 物性调控手段而备受关注,成为探索低维反铁磁物理的理想平台。在这些二维反铁磁体系中实现 超快自旋动力学的探测与调控对于推动高速自旋电子器件的应用至关重要。由于反铁磁体在宏观 尺度上不表现出净磁矩,常规磁光探测技术难以直接观测其平衡态下的性质。然而,在非平衡状态 下,通过时间分辨磁光克尔效应可以探测到由自旋动力学产生的瞬时磁化,从而揭示反铁磁自旋 的相干运动。此外,线偏振二向色性光谱、太赫兹发射谱和二次谐波产生等技术也被广泛应用于 二维反铁磁体系的动力学研究。本文综述了近期关于二维范德瓦耳斯反铁磁体系中超快自旋动力 学的重要实验进展,并介绍了其中涉及的相干磁振子激发机制,包括逆磁光效应/受激拉曼散射、 轨道共振激发以及激子耦合。此外,还探讨了自旋–晶格耦合导致的反铁磁自旋动力学的临界变慢 现象,以及这种耦合对相干剪切声子模式的放大。

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    基于卤化物钙钛矿的图像传感器
    张强, 董昊田, 包春雄
    物理学进展    2024, 44 (6): 278-292.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.002
    摘要495)   PDF (5446KB)(379)   

    图像传感器在生产生活中被广泛使用,例如X 射线传感器被广泛应用于医疗影像和安全 检查;可见光传感器可以应用于人脸识别和智能设备;近红外传感器在生物识别中不可或缺。目 前上述的图像传感器主要使用基于硅、锗或者III∼V 族等半导体的光电探测器,这些传感器都存 在一些不足之处,比如彩色图像传感器存在光利用率低、会产生摩尔纹等问题。金属卤化物钙钛 矿作为一种优异的光电半导体材料,由于具有光吸收系数高、带隙可调、缺陷容忍度高等特点成 为制备高性能光电探测器的选择之一。本文综述了基于金属卤化物钙钛矿图像传感器的研究进展, 分析了目前其与商用器件的差距并提出一些改进建议。

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    工作记忆的机制与建模方法
    杨 帆, 钱睿昕, 王 涛
    物理学进展    2024, 44 (5): 243-258.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.05.002
    摘要490)   PDF (2967KB)(681)   

    工作记忆是人类认知功能的重要组成部分,涉及在短时间内对信息的存储和加工。延迟响应 实验是研究工作记忆的基本实验范式之一,通过在刺激信息与行为决策之间设置一段延迟期,人 们可以探究工作记忆系统在延迟期间维持和操纵信息的神经机制。本文概述了延迟响应实验范式, 介绍了作为工作记忆关键机制的吸引子动力学。文章系统介绍了两种常用的工作记忆网络分析方 法:运动轨迹追踪法和势能景观与环流理论。最后,我们总结了两种动力学方法的特点,并对今 后的工作记忆研究方向进行了展望。

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    磷及磷化物高压结构与性能研究进展
    黄叶铧, 郭振源, 李俊凯, 杨 欣, 缑慧阳
    物理学进展    2024, 44 (3): 123-135.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.03.003
    摘要465)   PDF (6131KB)(759)   

    磷作为第五主族非金属元素,具有独特的电子结构和优异的光、电、力学等特性,展现出 广泛的应用前景。近年来,研究表明磷及磷化物具有极易受到外场影响和调控的特点, 且在高压条 件下具有丰富的物理化学性质。此外,磷及磷化物的独特结构和电子性质使其具有许多不同于传 统材料的物理特性。因此,利用高压在磷和磷化物中实现结构转变、超导转变,已然成为高压领 域的研究热点。本文以黑磷、锗磷和砷磷等多种典型的磷和磷化物为例,概述了磷和磷化物在高 压调控下的结构、电学、光学等方面的响应,讨论其结构与物理性质之间的构效关系,并对未来 在高压下磷化物的研究进行展望。

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    纳米 CMOS 器件中热载流子产生缺陷局域分布的表征
    马丽娟, 陶永春
    物理学进展    2024, 44 (2): 97-101.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.02.003
    摘要463)   PDF (436KB)(204)   
    本文针对纳米小尺寸 CMOS 器件,提出了一种根据表面势模型表征热载流子产生电荷陷 阱和界面态局域分布的方法。热载流子注入 (Hot Carrier Injectione, HCI) 应力会在栅氧化层和 Si/SiO2 界面中产生电荷陷阱和界面态,随着应力时间递增,这些缺陷的增多引起阈值电压等器 件参数的漂移,在漏致势垒降低 (Drain Induced Barrier Lowering, DIBL) 效应下,可以选取表面 势最大值处的阈值电压偏移量来表征沟道相应位置处 HCI 致电荷陷阱和界面态。研究发现,通过 测量施加 HCI 应力前后器件阈值电压偏移量随源/漏极电压的分布,结合表面势模型计算出源/漏 极电压随沟道表面势峰值的分布,可以得到 HCI 致电荷陷阱和界面态沿沟道的局域分布。利用此 方法,精确地表征了在 32 nm CMOS 器件中 HCI 应力引起的电荷陷阱和界面态沿沟道的分布, 并进一步分析了 HCI 效应的产生机理。 
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    BiCuXO (X = S、Se、Te) 晶体的电输运与热输运性质研究
    田浩, 董松涛, 李伊驰, 吕洋洋, 周健, 陈延彬, 姚淑华
    物理学进展    2024, 44 (6): 259-277.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.06.001
    摘要434)   PDF (10894KB)(355)   

    BiCuXO (X = S、Se、Te) 作为层状氧化物,具有良好的电输运性能以及低的热导率,是 一种潜在的性能优异的热电材料。材料物理性能的优化离不开对晶体本征性能的研究。本文首先 详细介绍BiCuXO 晶体的生长工艺,通过生长方法和元素掺杂调节载流子浓度,改善其电输运性 质,并与文献报道的陶瓷样品进行了对比。其次介绍BiCuXO 晶体的电输运性能和热输运性能, 电输运性能主要包括导电行为、散射机制及磁阻演化;热输运性能主要是通过非弹性中子散射和 拉曼实验研究,并结合第一性原理计算研究其极低热导率的物理机制。最后介绍了基于热电效应 BiCuSeO 晶体在光热电领域的应用。本文总结了BiCuXO 晶体的生长方法,研究其电学、热学 以及光热电性能,希望为BiCuXO 性能的优化提供思路。

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    一维自旋轨道耦合费米气体的研究进展
    蔡启鹏, 张伟伟, 林良伟, 许益广, 陈紫轩, 王小生, 于海鹏, 方小红, 张义财, 刘超飞
    物理学进展    2024, 44 (4): 157-182.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.001
    摘要428)   PDF (3164KB)(876)   

    在超冷费米气体中,通过调节自旋轨道耦合的强度,使其与费米能量相当,可以产生许多 新奇的量子效应。在过去几十年里,学者对于一维自旋轨道耦合诱导的费米气体进行了大量的理 论和实验研究。与高维自旋轨道耦合相比,一维自旋轨道耦合虽然显得比较简单,但它是实验上 探索基本量子物理现象的最可靠和最易行的工具。本文系统地整理了理论工作中一维自旋轨道耦 合下费米气体的有趣物理现象。包括动力学振荡和孤子效应、拓扑超流、Majorana 边缘态、铁磁 相变和量子相位方面的理论研究。在实验中,如何实现自旋轨道耦合并且观测奇异现象,是研究 的热点和难点问题。我们梳理了几种常见的实验方案和检测方法,最后对一维自旋轨道耦合诱导 下费米气体方面的研究进行展望。一维自旋轨道耦合可以为初学者提供借鉴,有助于研究自旋轨 道耦合调控的多体系统。本文期望为冷原子物理初学者深入理解自旋轨道耦合下多体系统的物理 机制提供参考。

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    基因转录调控中的输入输出关系研究
    周一凡, 孔令行, 吴人杰, 刘 锋
    物理学进展    2024, 44 (4): 183-196.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.002
    摘要345)   PDF (6737KB)(373)   

    细胞对环境变化的感知和响应是生命活动的核心。基因转录是细胞将外部信号转化为基因 表达输出的关键环节,是理解细胞行为的关键。为了解析转录动力学和建立动态的输入输出关系, 研究者提出多种转录模型来探究基因对动态调控信号的响应机制。本文将介绍常见的转录模型,展 示其计算框架,并详细阐述对应的 mRNA 数量和转录事件持续时间的分布,这对于深入理解输入 输出关系和探索潜在的响应机制有重要意义。本文综述不同类型的启动子、同一启动子在不同染 色质环境中以及不同网络基序下的响应策略,揭示其调控输入输出关系的规律。对于信道容量接 近理论值的系统,信息论的最优解可以揭示转录因子浓度的动态范围、输入输出关系以及基因表 达分布的对应关系。通过这些多角度的分析,本文揭示了调控动态输入输出关系的关键因素,促 进人们更好地理解基因对转录因子信号的响应机制。定量研究输入输出关系可以识别关键的调控 因子、预测基因表达模式的变化,并设计干预措施以调节细胞的功能和行为。

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    基于二维 Janus GeS 双层铁电隧道结的电子输运
    孙 康, 别 洁, 吕洋洋, 陈 爽, 法 伟
    物理学进展    2024, 44 (4): 183-207.   DOI: 10.13725/j.cnki.pip.2024.04.003
    摘要324)   PDF (1632KB)(256)   

    二维范德华 Janus 材料两侧为不同原子,使得其具有内禀的结构不对称性和面外极化。一 类新型的二维 Janus 材料 GeS 被发现可用于制备低能耗、高响应速度的铁电隧道结。基于第一性 原理计算,我们发现 Janus GeS 双层有三种堆叠模式,它们的横向滑动和垂直位移都可以调节隧 道结中的电子输运。此外,基于 GeGe 接触的 GeS 双层的铁电隧道结表现出最高的开/关比。我 们的研究将滑移铁电的概念扩展到一类新型的二维范德华 Janus 材料,并揭示了这些材料在实际 器件中可能的电阻开关机制。我们的工作为基于二维范德华 Janus 材料的低能耗、快速开关纳米 器件的设计提供了理论指导。 

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