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专题：少电子原子分子精密谱

自由电子激光制备高强度亚稳态氦原子和类氦离子

杜小娇，魏龙，孙羽，胡水明

物理学报, 2024, 73(15):150201

doi: 10.7498/aps.73.20240554

在少电子原子精密光谱测量中，产生高强度、单一量子态的氦原子和类氦离子是实验研究的关键，也是改善实验测量信噪比的决定性因素。本文提出利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子的实验方案。激光的制备效率可以通过求解光和原子相互作用的主方程获得，根据拟建设的深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件，计算得到亚稳态He，Li⁺和Be²⁺的制备效率分别可达3%，6%和2%以上。与常见的气体放电和电子轰击等制备方法相比，激光激发产生亚稳态原子/离子不仅可以提高制备产率，也可以降低放电时产生的电子、离子以及光子等高能杂散粒子的影响。利用自由电子激光激发制备亚稳态氦原子和类氦离子有望应用于多个研究领域。

同行评价

本文作者依托深圳的自由电子激光技术的大科学装置，提出一种新的制备方案，即利用自由电子激光获得高强度亚稳态氦原子和类氦离子。实验方案论证清晰、数值模拟完整自洽，并根据深圳自由电子激光装置的设计参数和实验条件，估算了亚稳态的制备效率，对比发现明显优于现有的传统制备方法，并且可以获得更加“纯净”亚稳态束流，这将为很多领域提供重要的帮助。

编辑推荐 观点和展望

超导能隙振荡: 到底来自配对密度波还是拆对散射?

殷嘉鑫，王强华

物理学报, 2024, 73(15):157401

doi: 10.7498/aps.73.20240807

早在1965年，于渌先生发表在《物理学报》的经典理论工作就指出：超导能隙在磁性杂质周围会产生微弱的周期性振荡。近十年来，一系列高分辨率的扫描隧道显微实验观测到超导体内能隙在空间中的微弱振荡行为并指认为配对密度波。据此情况，李东海等理论学者近期指出，在多种情况下，杂质拆对散射构成的干涉效应也会导致能隙在空间形成周期性振荡。我们讨论这两种观点的对立与统一，以及它们和实验的联系。

图1 配对密度波(a)与拆对杂质散射(b)造成的超导能隙振荡

同行评价

该文主要探讨了超导能隙振荡的可能物理机理，包括配对密度波超导和拆对散射，认为这样的讨论非常重要，也非常及时，对理解目前相关实验中观察到的能隙振荡现象具有启发意义。

编辑推荐 观点和展望

时间反演对称性破缺的笼目超导输运现象

杨硕颖，殷嘉鑫

物理学报, 2024, 73(15):150301

doi: 10.7498/aps.73.20240917

近期对钒基笼目超导体(AV₃Sb₅，A= K，Cs，Rb)家族中三种材料的低温量子输运测量均显示出时间反演对称性破缺的超导态。其中，在Nb/K₁₋ₓV₃Sb/Nb的约瑟夫森结和RbV₃Sb₅中，超导转变温度以下的磁阻随磁场扫动方向存在磁滞现象；CsV₃Sb₅中存在零磁场下的超导二极管现象，即正向和反向的超导临界电流大小不同。首先，本文讨论了这些实验现象的区别和联系。然后，讨论产生上述非常规超导输运现象的可能机理，如手性超导序参量(d+id或p+ip)，以及由电荷密度波与常规超导态耦合产生的手性配对密度波。

同行评价

笼目超导的超导配对对称性及超导机理是目前超导研究领域的重要前沿课题。本文分别介绍了钒基笼目超导体系三种材料中的非常规超导输运现象，表现为磁阻随磁场扫动方向的磁滞现象和超导二级管效应。指出这些异常表明三种材料中均展现时间反演对称破缺，而CsV₃Sb₅同时展现出了空间反演对称破缺。文中进一步讨论了实验观察到的非常规输运现象的两类物理起源，并展望了今后的研究，对当前凝聚态物理的一个重要前沿进展做了很好的分析和展望。

编辑推荐 特邀综述

超快自旋动力学: 从飞秒磁学到阿秒磁学

杨旭，冯红梅，刘佳南，张向群，何为，成昭华

物理学报, 2024, 73(15):157501

doi: 10.7498/aps.73.20240646

超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后，在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为。随着激光技术的不断提升，1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域，是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径。尽管已有几十年的历史，飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决，而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程。利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用，可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为，即阿秒磁学。本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题，阿秒磁学研究的机遇与挑战，并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望。

图1 超快自旋动力学不同时间区域 (a) Ni薄膜的超快退磁现象[5]；(b) 超快自旋动力学3个过程，I为超快退磁，II为磁矩恢复，III为磁矩进动[32]；(c) 激光与铁磁性金属相互作用的热力学库；(d) Ni的三温度模型得到的电子、晶格、自旋的温度变化[5] ([5] Beaurepaire E，Merle J C，Daunois A，Bigot J Y 1996Phys. Rev. Lett.764250；[32] Cheng Z H，He W，Zhang X Q，Sun D L，Du H F，Wu Q，Ye J，Fang Y P，Liu H L 2015Chin. Phys. B24077505)

同行评价

本文从飞秒激光调控材料磁学性能的研究历史出发，综述了自旋电子学领域中超快退磁机理探寻、全光学自旋翻转、超快自旋流激发与太赫兹波的新进展，进而引出自旋动力学在飞秒尺度下存在的问题和争议。 这篇综述理清了超快自旋动力学的发展脉络，总结了当前存在的争议和问题，有助于相关领域的研究人员找准探究超快激光控磁机制的方向，拓展磁学、光学和其他学科的交叉研究范围，对发展在阿秒时间尺度下的超快自旋动力学有指导作用。

编辑推荐

活性浴中惰性粒子形状对有效作用力的影响

宁鲁慧，张雪，杨明成，郑宁，刘鹏，彭毅

物理学报, 2024, 73(15):158202

doi: 10.7498/aps.73.20240650

活性物质是典型的非平衡态系统，其组成单元能够利用自身存储的能量或者周围环境的能量实现自驱动。在活性系统中，物体间的受力情况直接影响其结构和动力学行为，因此深入了解物体间的有效作用力是理解活性物质一切复杂现象的基础。本文通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力，发现球形粒子间有效作用力的性质一直是短程排斥力，而板状粒子间的有效作用力则为长程吸引力，这说明惰性粒子间的有效作用力受粒子形状的影响。惰性粒子间的有效作用力主要来源于两部分的贡献，即细菌-惰性粒子间的直接碰撞，以及细菌运动产生的流场。在实验上通过对比粒子之间、粒子外侧细菌的浓度和取向有序性发现，球形粒子间的有效排斥力主要来源于细菌-粒子的直接碰撞，而板状粒子间的长程吸引力则主要源于细菌流场的贡献。本文通过光镊显微镜实验证明了惰性粒子间的有效作用力与惰性粒子的几何构型有关，为调控活性物质中的动态自组装提供了实验支撑。

同行评价

光学操控是一个具有科学和使用价值的课题，用于对活性物质构成的非平衡系统的研究具有实际意义。文章通过光镊显微镜实验分别研究了活性大肠杆菌溶液中惰性球形聚苯乙烯胶体粒子间和板状粒子间的有效作用力。文章结论为合理调控粒子间的有效作用开辟了新途径，对活性系统中的动态自组装等具有参考价值。

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恒流充电有限柱体电极浓度分布及扩散诱导应力解析分析

彭颖吒，张锴，郑百林

物理学报, 2024, 73(15):158201

doi: 10.7498/aps.73.20231753

常见的柱状电极模型中，在轴向方向一般采用无限长假设广义平面应变分析方法，本文考虑恒流充电下有限柱形电极模型，基于力-化耦合一般方程，推导出位移与扩散诱导应力解析解。有限柱体电极中浓度分布由仅考虑径向扩散和仅考虑轴向扩散两部分叠加求解。将浓度函数代入力学方程，使用Boussinesq-Papkovich函数得到应力分量解析解。计算了表面自由柱状电极中浓度和应力场，并将其结果与有限元软件计算的结果进行对比计算。结果表明，理论解和数值解中浓度分布一致，应力分量趋势一致数值相差较小，在荷电状态为17.9%时径向应力在中心处相对误差最大约为4%。本文分析了不同长径比柱状电极中径向和轴向单向扩散对应力场的影响，结果表明，随着长径比的增大，轴向扩散对浓度分布影响下降，径向扩散对应力场影响上升。

图2 不同充电状态下z = 0时锂离子浓度(a)和应力分量(b)—(d)沿径向分布曲线(实线为理论解；圆圈图形为数值解)

同行评价

本文通过建立理论模型并应用Boussinesq-Papkovich函数，对恒流充电下有限柱形锂离子电池电极的浓度分布和扩散诱导应力进行了解析分析，验证了理论解与有限元数值解的一致性，探讨了长径比对应力分布的影响，并分析了不同长径比下电极的断裂模式，为理解和优化锂离子电池性能提供了重要理论依据。

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超材料梁的双阶耦合带隙调控设计与宽带减振特性

刘权兴，何哲星，李永强，温激鸿，肖勇

物理学报, 2024, 73(15):154601

doi: 10.7498/aps.73.20240689

局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中，利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计，在宽带减振领域极具应用潜力。以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计，因而只能实现单阶的超宽耦合带隙，无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求。为此，本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究，提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法，分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势，并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响，进一步设计出最优的质量分配比，使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽。此外，还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性，通过与有限元法进行对比，验证了谱元法的准确性，研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振。

图4 3种超材料梁结构的周期元胞示意图 (a) 具有第一阶耦合带隙的单振子超材料梁的元胞(单阶耦合带隙，n= 1)；(b) 具有第二阶耦合带隙的单振子超材料梁的元胞(单阶耦合带隙，n= 2)；(c) 同时具有第一阶和第二阶耦合带隙的双振子超材料梁的元胞(双阶耦合带隙)

同行评价

本工作提出了双振子超材料梁结构的双阶耦合宽带隙设计方法，并通过研究证实了其宽带减振的优越性和不同设计参数对减振特性的影响，是一项很有意思的工作。

编辑推荐 综述

声表面波-自旋波耦合及磁声非互易性器件

黄铭贤，胡文彬，白飞明

物理学报, 2024, 73(15):158501

doi: 10.7498/aps.73.20240462

声表面波是激发和控制自旋波的一种新兴手段，不仅激励效率高，而且传输长度可以达到毫米量级，通过引入磁声耦合还可以打破时空反演对称性，实现声表面波的非互易传播。本文对不同类型的磁声耦合的物理机制进行了梳理，对比了磁弹性耦合、自旋-涡度耦合(包括非磁性层注入交变自旋流和磁性材料自身的Barnett效应)，以及磁-旋转耦合在不同模式的声表面波激发下的等效驱动磁场，讨论了这些等效驱动场的角度依赖性，以及相应功率吸收的频率依赖性。这为在实际应用中区分和利用各种磁声耦合机制提供了理论支持。此外，本文还介绍了利用磁声耦合实现声表面波非互易性传输的两种主流手段，包括利用手性失配效应和引入具有非互易性自旋波色散关系的磁结构，对比并讨论了它们各自的物理机制和优劣势，希望为设计和发展基于磁声耦合的固态声学隔离器、环形器提供参考。

图7 (a) 沉积在LiNiO₃衬底上的Si/Ni双层膜结构通过磁弹性耦合产生非互易性[31]； (b)P–H/P+H随εxz/εxx的变化[31]；(c) Ni(20 nm)/Si(400 nm)双层膜结构在外加磁场沿π/6处的归一化吸收功率ΔPnorm[31]；(d)P–H/P+H随Si层厚度的变化[31] ([31] Tateno S，Nozaki Y 2020Phys. Rev. Appl.13034074)

同行评价

本文详细综述了近十多年来磁声耦合领域的开创性工作，特别是最近引起广泛关注的SAW激发和调控自旋波、SAW的非互易传播的最新研究进展，包括磁声耦合的机制、SAW非互易传播的机制和未来适用的应用场景等等。该综述主题鲜明及时，物理机制阐述正确，物理图像简洁清晰，组织合理，是一篇高质量的综述文章，相信对今后磁声耦合领域的研究具有很好的引领作用。

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偏振调制扫描光学显微镜方法

张洋，张志豪，王宇剑，薛晓兰，陈令修，石礼伟

物理学报, 2024, 73(15):157801

doi: 10.7498/aps.73.20240688

基于反射差分谱原理搭建了适用于二维材料和微纳器件的偏振调制扫描光学显微镜系统，可以实现对于材料或者器件的微米级区域进行反射差分显微成像的研究。通过研究两种典型的二维层状材料MoS₂和ReSe₂的反射差分显微成像，发现相比于传统的反射显微镜，我们搭建的偏振调制扫描光学显微镜对于二维材料的层数特征更敏感，且可以用来表征二维材料的平面光学各向异性。相关研究有助于更进一步理解层状二维材料的层数特征和各向异性性质。

图2 偏振调制扫描光学显微镜光路图

同行评价

本文提出了一种偏振调制扫描光学显微成像方法，通过研究两种典型的二维层状材料MoS₂和ReSe₂的反射差分显微成像，发现相比于传统的反射显微镜，新方法对于二维材料的层数特征更敏感，且可以用来表征二维材料的平面光学各向异性，体现出了一定的优越性。

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GeV重离子束辐照LiF引起的晶体内部结构改变

陈宇鹏，史路林，王瑜玉，程锐，杨杰，陈良文，范伟丽，董俊煜

物理学报, 2024, 73(15):156401

doi: 10.7498/aps.73.20240717

高能强流重离子束入射到固体物质中，沿飞行路径的离子能量沉积密度将改变宏观靶物质的温度和压强等，并可能在高压高密条件下产生新的材料缺陷。本文利用兰州重离子加速器装置HIRFL-CSR引出的能量为264 MeV/u 的Xe³⁶⁺离子束，入射到LiF晶体靶物质中，在线测量了LiF的发射光谱，观测到沿离子路径的晶体颜色变化。通过解离方法取得了不同位置处的X射线衍射(X-ray Diffraction)与X射线光电子能谱结果，显示在Xe离子的布拉格峰区域出现了LiF₃(LiF+F₂)结构相，讨论了新的结构缺陷的产生与重离子束能量沉积密度间可能的相关性。这为离子束驱动的高能量密度物理的能量沉积过程提供了一定参考。

同行评价

文章通过发光光谱、XRD和XPS等手段，测量了重离子束辐照LiF晶体引起的晶体结构改变，并对实验现象进行了合理的定性分析，研究结果有重要参考价值。

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月球南极尘埃等离子体环境特性

李梦谣，夏清，蔡明辉，杨涛，许亮亮，贾鑫禹，韩建伟

物理学报, 2024, 73(15):155201

doi: 10.7498/aps.73.20240599

由于缺少大气和全球性磁场的保护，空间等离子体环境可直接作用于月球表面的月壤层，月壤中较小粒径的月尘带电后会在月面附近形成复杂的尘埃等离子体环境，影响探月任务的顺利实施。针对月球南极尘埃等离子体环境，本文利用SPIS (spacecraft plasma interactions software)软件，仿真研究了月球南极0—200 m高度范围的等离子体和月尘的空间分布情况及月面充电特性，揭示了月面附近尘埃等离子体环境特征及悬浮在月面附近的带电月尘对等离子体环境的影响。仿真结果与Apollo探测数据和Popel团队的理论数据吻合。研究结果：表明空间电位随着高度升高而增加，月球南极附近0—10 m电位约为–40 V，在100 m处空间电位约为–20 V；在10 m以下高度范围内月尘密度为10⁷˙²²—10⁴˙⁶⁶m⁻³；月表附近尘埃等离子体中的电子密度为10⁵˙⁴⁷m⁻³，离子密度为10⁶˙⁰⁷m⁻³，并随着高度升高而增大；带电月尘会影响月尘的空间分布，主要是通过影响空间电场的分布，进而导致电子分布差异，对离子的影响不大。

图1 仿真区域网格划分图

同行评价

文章应用SPIS 软件，研究了月球南极 0—200 m高度范围的等离子体、月尘、月面电位的空间分布情况，得到了与理论研究结果吻合较好的尘埃等离子体、月尘带电悬浮和月面电位的分布规律。研究结果对提高月球南极区环境特点的认知有重要的参考价值。

《物理学报》2024年第15期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/15