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关键词： 氧化锌   外延生长   蓝宝石图形衬底   第一性原理计算  

摘要： 氧化锌(ZnO)是典型的第三代半导体材料,具备高激子束缚能(60 meV)、宽带隙(3.37 eV)以及抗辐射性能强等优点,使其在激光和紫外发光二极管器件等领域有广泛的用途。随着材料科学技术的不断发展,ZnO的单晶制备技术不断成熟,质量得到了极大地提高,制备路径也变得多样化,已经做到了绿色无污染,充分符合当下环保发展路径。高质量ZnO薄膜制备是获得高性能ZnO基光电器件的关键。为了探索高质量ZnO薄膜生长方法,我们在蓝宝石图形衬底上进行了 ZnO薄膜的外延生长。因为蓝宝石图形衬底表面的规则立体图形能够让薄膜的生长具有一定的选择性,位错和缺陷都能够得到一定程度地减少,从而提升了薄膜的生长质量、内量子效率和光提取效率,使图形衬底在发光LED器件中得到了广泛地运用。基于此,本工作利用分子束外延(MBE)在蓝宝石图形衬底上生长了厚度为1 nm的氧化锌(ZnO)薄膜和氧锌镁(MgZnO)薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)分析表明,相较于MgZnO薄膜,ZnO薄膜在蓝宝石图形衬底上具有更明显的生长取向性。根据这一现象,我们后期采用原子层沉积(ALD)方法,在图形衬底上生长了不同厚度的ZnO薄膜来探索薄膜厚度对薄膜性能的影响。表面形貌分析表明,ZnO薄膜趋向于在图形衬底的侧面上优先生长。结构和光学特性分析表明,随着薄膜厚度的增加,一方面会出现越来越多的晶面,但这些晶面始终为纤锌矿结构的晶面,另一方面薄膜的质量也得到了提升,并且样品发生了蓝移现象,禁带宽度得到了加宽。为了进一步拓宽ZnO基半导体材料的应用场景,往往能够通过成熟的能带工程和自旋调控等途径对其各方面性能进行调控。比如,通过Mg原子掺杂形成三元合金MgZnO来拓宽ZnO带隙的能带工程;或是通过在ZnO中掺杂磁性过渡金属离子或稀土金属离子来替代非磁性Zn元素,实现自旋调控并形成稀磁半导体材料等。基于此,我们将ZnO能带工程及自旋调控进行了有机结合,利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算并分析了 Fe-Mg共掺ZnO体系的结构性质、结构稳定性和电磁性能。结构分析表明,Fe原子的掺杂是体系产生畸变的主要原因,而Mg原子虽然不会给ZnO带来畸变,但其与Fe原子的强相关性会影响Fe原子给体系带来的畸变程度。稳定性分析表明,体系的稳定性和畸变程度呈正相关关系。电磁性能分析表明,Fe原子和Mg原子的掺杂虽然能够一定程度上调制ZnO的带隙,但并不会改变其直接带隙特性。此外,Fe原子的掺杂会在体系中引入一定的磁性和杂质能级。通过对Fe原子初始磁矩方向的调控能够进一步调制体系的能带结构和带隙。在2.78%Fe掺杂浓度和1.39%Mg掺杂浓度的Fe-Mg共掺ZnO体系中,从其自旋电荷密度和能带结构中可以发现,O原子总是与周围Fe原子发生顺磁耦合,并且当Fe元素的初始磁矩平行时,在其相反的通道中带隙会变宽。而当Fe原子的初始磁矩反平行时,体系的自旋向上和自旋向下通道的带隙均会变窄。这说明Fe原子的初始磁矩对能带结构有很大的影响,为动态调节带隙提供了另一种方法,使体系成为带隙可控的稀磁半导体(DMS)。

关键词： 滚动轴承   故障诊断   小波包能量   BP神经网络   支持向量机   卷积神经网络  

摘要： 滚动轴承作为工业设备的关键部件之一,在服役时发生故障将对设备的性能以及利用率产生较大影响,甚至引发安全事故。因此,对滚动轴承故障进行有效、准确的诊断十分必要。含有故障的滚动轴承信号由于其复杂性给用于判断故障的特征选取带来一定的困难,虽然目前故障特征选取的方法较多,但在传统故障特征选取方法中,由于参数需要人工选择等影响带来的局限性,使故障表征的选择过程存在陷入鞍点,无法达到全局最优等问题,最终影响轴承故障诊断的准确性。本文针对上述故障特征选取中的问题,同时为了进一步提高轴承故障的诊断效率及准确性,将粒子群优化的支持向量机、BP神经网络算法与小波包结合优化故障特征的选取过程并进行诊断,同时利用CNN算法对信号的二维图像表征进行故障诊断。结果表明,将机器学习算法与信号处理方法相结合的方式能够有效解决外部人工因素影响带来的局限性,降低信号中的不确定性表征,提高轴承故障诊断的效率与准确性。1、为了能够获取更加精确、有效的故障特征,利用小波包分析在时域信号上处理的优势,对健康振动加速度信号,以及含有内圈、滚动体、外圈等典型轴承故障的振动加速度信号进行多尺度的正交分解,得到各个频带相互独立的多层分解信号,据此构建分解后的故障敏感特征信息。同时验证了不同分解层数的诊断效果,证明3层分解最合理。2、针对传统BP神经网络算法易于落入鞍点,难以达到全局最优的缺点,利用粒子群优化（PSO）算法对BP神经网络的权值参数进行优化,将轴承故障动态信号的敏感特征输入到优化后的BP神经网络当中进行诊断,并与其他算法进行了对比,诊断结果验证了该方法的有效性。3、针对应用较广的有监督算法—支持向量机（SVM）存在的问题,将PSO算法对惩罚因子C和高斯核参数g组合成参数对进行寻优,构建多分类器模型并对模型进行训练。验证了不同核函数及核参数的诊断精度,分析了模型参数的选择对诊断结果的影响程度。利用敏感特征对故障进行了诊断,并与其他算法进行了对比,诊断结果验证了该方法的实用性。4、搭建二维振动时域信号图像表征下的卷积神经网络（CNN）架构,构建故障图像表征的数据集,将其作为CNN网络的输入。利用Le-Net5模型对轴承故障进行诊断,对不同组合优化下的模型进行对比,分析在不同误差以及损失情况下的诊断效果。诊断结果表明,该算法的性能较好,具有广阔的应用前景。

关键词： 各向异性电输运   拓扑霍尔效应   自旋涨落   斯格明子   反常霍尔效应   临界分析   量子临界点  

摘要： 自20世纪50年代大规模分离纯稀土元素以来,镧系元素及其化合物在应用以及基础研究方面受到越来越广泛的关注。镧系元素具有电子轨道范围较小也较为局域的4f电子,所以它被轨道范围更大的5p和5s电子屏蔽。多达7个未配对电子的构型加上可能存在的强自旋轨道耦合,可以形成巨大的磁矩,从而产生了目前最强的商用永磁体——钕铁硼合金。人们对稀土元素化合物进行了大量的研究,这主要是因为它们的行为在大多数情况下与组成元素的性质有很大的不同。除了丰富的晶体结构、电子基态和复杂的磁相图外,还观察到许多新奇的物理现象,如非费米液体行为、量子临界行为、量子临界区域较强的自旋涨落以及室温下稳定存在的斯格明子磁泡等。另外,在不具有4f电子的过渡金属化合物中,也存在着非费米液体行为以及强的自旋涨落等。研究稀土化合物和过渡金属化合物中自旋涨落对物性的影响,也是十分有趣的。为了进一步理解具有4f电子的稀土化合物以及过渡金属化合物中的新奇物性,在本文中我们主要介绍了关于以下几种材料的磁性及电输运性质的研究,其中包括:在Eu基化合物EuCd2Sb2和EuCuSb中各向异性的磁性行为以及电输运行为,并发现由拓扑磁结构以及拓扑能带导致的巨大拓扑霍尔效应;在稀土化合物PrMn2Ge2中研究了面间磁各向异性以及多种磁性相的竞争——这也可能是导致其在室温下存在稳定斯格明子的主要原因;在过渡金属化合物α-Co5Ge3中研究了由自旋涨落及无序导致的非费米液体行为以及反常霍尔效应。基于以上内容,本论文主要包括以下四个工作:第一部分主要介绍了 EuCd2Sb2单晶的各向异性磁性和输运性质。EuCd2Sb2在不同磁场下的电阻率及磁性结果表明其内部存在较强的铁磁涨落。并且我们在反铁磁转变温度TN上下都观察到了巨大的拓扑霍尔效应,这可能是由非平庸的贝里曲率以及多种磁性相竞争引起的量子临界点导致的。比热测试结果也揭示了在TN以上短程磁有序的存在。大的Kadowaki-Woods 比值可能是由长程反铁磁序与短程铁磁涨落之间的磁临界点引起的。而且电子顺磁共振的数据也进一步表明了铁磁涨落的存在。为了改变EuCd2Sb2的磁基态及调控其费米能级的位置,我们掺杂了 Yb元素并研究了掺杂样品的电输运和磁性质。结果表明掺杂Yb以后,EuCd2Sb2的磁基态的确受到影响,但是对输运性质的影响还需要更深入的分析和研究。第二部分,我们研究了可能具有斯格明子的中心对称材料EuCuSb的磁各向异性以及各向异性的拓扑霍尔效应。磁化率数据表明低温下EuCuSb具有两个反铁磁转变点,并且存在着铁磁关联。各向异性的电输运数据表明,不同磁场方向下EuCuSb具有不同的磁结构,进一步说明样品存在各向异性。同时我们也在电输运结果中发现,EuCuSb存在反铁磁自旋涨落,并且可能存在量子临界点。最后,我们测试了面内的霍尔电阻率ρxy,发现其存在拓扑霍尔效应,这可能是由于非平庸的拓扑磁结构和拓扑能带导致的。特别的是,面间霍尔电阻率ρxz在变磁相变区间还具有回滞的拓扑霍尔效应,其机理尚不明确,需要进一步研究。第三部分主要介绍了在室温下存在稳定拓扑自旋结构的PrMn2Ge2单晶的临界行为以及其各向异性的磁性质。磁化强度和磁熵数据表明,磁场方向不同,PrMn2Ge2具有不同的磁相互作用。通过临界分析我们得知,PrMn2Ge2中存在多种磁相互作用相互竞争,介于长程和短程有序之间,不能用单一的磁性模型描述。这些相互作用与强的磁各向异性结合,可能是PrMn2Ge2在室温下形成斯格明子磁泡的主要原因。第四部分我们研究了巡游铁磁金属α-Co5Ge3的磁性质以及输运性质。在低温下(≤30 K),我们观察到一个与铁磁态共存的自旋涨落相。反常的电阻率随温度的变化行为揭示了非费米液体行为的存在,这是由自旋涨落和无序引起的。并且随着外磁场的增加,α-Co5Ge3的自旋涨落被抑制,从而使费米液体行为恢复。当T≤30 K时,一个非常规的反常霍尔标度关系ρxyA ∝ ρxx6.9被观察到,我们猜测这可能是由自旋涨落或Co原子缺位引起的强烈无序导致的。

关键词： 暗共振   自旋压缩   缀饰态   Λ型三能级原子  

摘要： 近些年来,有关自旋压缩的研究引起了理论和实验物理学家的广泛关注。自旋压缩对于原子钟、引力波干涉仪等量子测量器件有重要意义,可以有效抑制量子噪声使其突破标准量子极限,提高测量精度。自旋压缩与量子纠缠密切相关,能够产生量子计算机所需的多体纠缠态,自旋压缩的有关研究对于量子信息有着重要的研究价值。因此自旋压缩已经成为量子计量和量子信息等领域的研究热点。人们经常通过原子与场相互作用来获得压缩态。通常情况下,当系统接近共振或完全共振时,由于自发辐射的影响使得可能产生的原子自旋压缩被破坏。人们发现当系统接近暗共振时,原子布居几乎都捕获在暗态,基本没有自发辐射出现。在这种情况下,色散与吸收的比值远远比大失谐相互作用情形更大,此时系统具有非常强的非线性。暗共振系统的这两个优点可能是产生压缩的最佳条件。本文的工作就是基于暗共振系统获得自旋压缩效应。我们考虑的是一个Λ型三能级原子系综,该原子系综由N个独立的原子组成。在这个系统中,两个经典场分别与Λ型三能级原子的两个偶极跃迁相耦合发生近共振相互作用,此时原子主要处在两个基态的叠加态,对经典场和其他场将会产生非常强的非线性。与此同时,两个腔场则与Λ型原子的同一个偶极允许的跃迁相耦合,且两个腔与原子之间远离共振,取反对称失谐。根据缀饰态方法以及选择合适的旋转框架后,我们能够从光场的自由度中分离出双模自旋压缩算符,这意味着近共振系统是可以用来制备双模压缩态的。最后我们还给出了理想条件下的稳态双模自旋压缩接近50%。由于原子被捕获在基态的叠加态而很少被激发,所以我们基于近共振条件下的方案免于自发辐射。

关键词： 第一性原理   非平衡格林函数   二维MXene材料   异质结   磁性  

摘要： 二维MXene是一类新型过渡金属-碳/碳氮/氮化物材料,最早发现的MXene是TiCT,由美国Drexel大学Gogotsi课题组利用HF酸从三元层状前驱体MAX材料TiAl C中选择性蚀出Al原子后获得。近十年以来,人们对MXene材料从理论和实验方面进行了大量研究,发现其具有优异的力学、光学、磁学和热学等性质。前期对MXene的研究主要集中在电容器、电池、光催化和光电子器件等领域,但考虑到MXene材料表面官能团引起丰富的磁效应,还可以应用于开发新型的介观尺度的场效应晶体管、磁性读头、信息处理转换器和传感器等。基于以上考虑,本论文以设计新型MXene隧道异质结为目的,从寻找具有半金属性的MXene铁磁层材料出发,首先研究-OH,O,S,F,Cl和Br表面官能团修饰的二维单层MXene材料NdN,继而对双层FeNOH/TiCO(x=1.5,1)异质结的电子性质以及范德瓦尔斯(van der Waals,vd W)异质结CrNO/TiCO/CrNO的输运性质进行了相关研究,具体工作如下:(1)研究了MXene材料NdNT(T=OH,O,S,F,Cl和Br)的半金属性。通过热力学稳定分析表明NdN和NdNT(T=OH,O,S,F,Cl和Br)能够稳定存在。研究了表面官能团-OH,-O,-S,-F,-Cl和-Br对NdN电子结构的影响,发现在官能团存在时具有半金属特征,半金属带隙宽度高于1.70 e V,功函数范围为1.83～6.50 e V。在双轴应变下,发现NdNT(T=OH,O,S和Br)在压缩应变下从半金属转变为金属,在拉伸应变下从半金属转变为半导体,对于NdNF和NdNS来说,在一定压缩应变和拉伸应变都破坏了半金属性,使其从半金属转变为金属。最后,计算了NdNT(T=OH,O,F)不同比例x(x=0.5,1(I,II),1.5)表面官能团的电子性质,发现NdNO具有半导体特征,而NdNO(II)具有半金属的特征,其他不同比例官能团的结构显示了金属特性。本研究表明,新型镧系MXene材料在自旋电子器件中具有很高的应用潜力。(2)研究了双层FeNOH/TiCO(x=1.5,1)堆叠异质结的结构、磁性和电子性质。研究结果表明,双层FeNOH(x=1.5,1)具有半金属的特征,且具有较大的磁矩,分别为11μ和12μ。研究了四种不同的原子界面,分别为Bridge(H-O)、Top(H-O)、Bridge(O-O)和Top(O-O)。研究发现界面处的原子受到邻近原子的影响,表现出不同的弛豫行为。此外,界面对称性破缺引起的再杂化使得磁性原子的原子自旋磁矩发生变化,在界面处存在RKKY磁交换现象。电子结构分析结果表明,Bridge(H-O)和Top(H-O)界面仍然保持非常高的自旋极化率,高达90%以上,而Bridge(O-O)和Top(O-O)界面保持了100%的自旋极化率。表明在自旋电子器件的应用中,Bridge(O-O)和Top(O-O)原子端面可能比Bridge(H-O)和Top(H-O)原子端面在自旋电子器件的应用具有较好的优势。(3)研究了MXene基范德瓦尔斯(vd W)连接的异质结CrNO/TiCO/CrNO电子输运性质。在零偏压下,通过分析费米能级的电子透射谱系数和投影态密度,发现两个电极的磁场处于平行(Parallel configurations,PC)时电子透射谱系数比反平行(Antiparallel configurations,APC)时电子透射谱系数高约11个数量级,由此获得了超高隧道磁阻(Tunneling magnetoresistance,TMR)比1.92×10%。研究了不同偏压下的自旋电流和电子透射谱,当偏压从0 V增加到0.1 V时,CrNO/TiCO/CrNO磁隧道结保持良好的输运性质,估计TMR比保持在7.51×10%以上,可以认为该vd W型异质结具有优秀的磁隧道结的潜力。总的来说,本工作从二维层状材料MXene材料的半金属性出发,深入研究了MXene/MXene异质结和MXene/MXene/MXene磁隧道结的磁电性质和自旋电子输运性质,这为了解磁性的来源,异质结界面的磁性交换及界面自旋极化率以及磁隧道异质结的自旋电子输运效率有极大的帮助,也为实现二维自旋电子学器件的制备提供了理论指导。

关键词： 分数阶Schr(?)dinger方程   Coulomb位势   PS条件   变分法   多重性   Hardy位势   正规化解  

摘要： 在本文中,我们研究了下列三类带有不同位势的分数阶薛定谔方程:(?)和(?)以及(?)其中(1)式中p∈(1,2),(3)式中p∈(3+4s/3,3+2s/3-2s+),V代表不同的位势,s∈(3/4,1),β,λ,ω∈R均为参数,a和b为正数.我们分别运用变分法特别是喷泉定理的思想得到了上述三个方程解的存在性和多重性问题.

关键词： 光调控   垂直磁各向异性   反常霍尔效应   二维铁电材料   自旋轨道转矩  

摘要： 信息技术的快速发展要求微电子器件能够具有更高的存储密度、更快的运算速度以及更低的运行功耗。为此,人们对利用半导体和铁磁薄膜来开发新的功能电学和光学器件产生浓厚的兴趣,光和磁性的相互作用提供了一个新颖技术的思路,二维材料和磁性材料异质结是构造下一代自旋存储和逻辑器件的重要材料。基于自旋轨道转矩效应(SOT)的电流驱动磁化翻转是实现低功耗自旋存储器件的重要手段,也是近期自旋电子学领域的研究热点。目前人们已经通过电场有效调控降低临界磁化翻转电流密度,并显著提高SOT效率,然而,光场作为一种重要的低功耗物理调控手段,其对超薄膜中磁性调控的报道较少,特别是通过光场调控磁化翻转和SOT效率的实验报道极少。本论文中我们通过磁控溅射方法制备了具有垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Ta多层膜,并将二维材料转移到Ta/Pt/Co/Ta器件上,通过加光,对其结构、磁性以及电输运性质进行了研究,主要研究内容和结论如下:(1)通过磁控溅射方法优化出具有良好垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Ta多层膜,对其垂直各向异性、反常霍尔效应、SOT转矩以及电流驱动磁化翻转等进行了研究。随着铁磁Co层厚度增加,Ta/Pt/Co/Ta多层膜的矫顽力和各向异性场逐渐减小,在Co厚度1.0 nm样品中室温各向异性场数值超过1.2 T;Ta/Pt/Co(1.5 nm)/Ta样品SOT效率(Δβ)约为3.8 Oe/(10 A/cm),Ta/Pt/Co(1.2 nm)/Ta样品Δβ有所增加,达到5.3 Oe/(10A/cm);通过施加面内方向磁场,实现了SOT驱动的电流诱导磁化翻转,临界翻转电流密度约为2×10A/cm。(2)将二维铁电半导体材料InSe薄膜转移到Ta/Pt/Co/Ta多层膜上,获得良好垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Ta/InSe结构。发现光场对Ta/Pt/Co/Ta/InSe多层膜的矫顽力具有显著调控作用,且有较好重复性,其原因为铁电InSe半导体的光致伸缩效应和热效应共同作用结果,光场和热效应的贡献约为1:1;同时发现光场可有效调控磁性异质结的自旋轨道转矩,光照后多层膜自旋轨道转矩明显增加,其SOT效率增加约为20%,其物理机制为二维铁电InSe材料光致收缩效应通过逆压电效应引起磁性金属Co晶格常数变化导致。(3)将二维光响应材料InS薄膜转移到Ta/Pt/Co/Ta多层膜上,实验观察到光照可有效降低Ta/Pt/Co/Ta/InS多层膜的矫顽力和各向异性场,并能调控磁性多层膜的SOT效率,其机制可能与光照导致InS中电子-空穴对增加有关。综上所述,我们研究了Ta/Pt/Co/Ta多层膜的结构、磁性和电输运性质,优化出具有垂直磁各向异性的Ta/Pt/Co/Ta/InSe(InS)多层膜,实现了光场对Ta/Pt/Co/Ta/InSe(InS)多层膜反常霍尔效应和自旋轨道转矩的调控。

关键词： 太赫兹辐射   非线性   强场   拓扑绝缘体   反铁磁  

摘要： 由于太赫兹辐射产生与探测技术的快速发展和进步,越来越多在这一频段的新颖物理效应被发现并得到成功的应用。其中,新颖物理效应的来源可能分为两支,其中一支源自于太赫兹辐射的场强越来越强,将太赫兹辐射与物质相互作用的能量尺度推进到非微扰、非线性的范畴。另一支则来源于新颖功能材料的发现和研究,由于其特殊的电子能带或者磁性结构,这些新颖的材料不仅能利用电子的电荷,还能利用它的自旋自由度,来极大地丰富这一频段器件的功能。在该博士论文中,从第一支的角度出发,我们系统研究了在强太赫兹辐射照射下,发光二极管（Light-emitting diode,LED）里面由于非线性的碰撞电离效应而产生的光伏响应。从第二支的角度出发,我们实现了拓扑绝缘体中手性太赫兹辐射的产生与调控;平行地,我们从理论上研究了太赫兹辐射浦泵反铁磁绝缘体/非磁重金属异质结而产生的自旋流。具体内容如下:（1）我们在印刷电路板（Printed circuit board,PCB）上自主设计了直插式的LED探测电路,然后将其接上1 GHz带宽的示波器。在强场太赫兹辐射产生与诊断装置中,通过准直聚焦光路,将产生的太赫兹辐射聚焦到PCB板中心的LED灯上,然后在示波器中就能观察到强太赫兹辐射在LED中诱导产生的光伏信号。实验中,在聚焦太赫兹辐射光路前,我们采用两个金属线栅的太赫兹辐射偏振片来调节太赫兹辐射的辐射能量,然后同时观察不同太赫兹辐射能量泵浦下的光伏信号变化过程。理论上,我们采用Monte Carlo模拟,复现了LED中太赫兹辐射场强依赖的响应变化过程,证明了其中产生的是太赫兹辐射电场诱导的碰撞电离过程。此外,我们还在多种颜色的LED灯中都观察到了这样的光伏信号,证明了这一效应的普适性,并提出一个统一的模型去解释这一现象。最后,我们自主研制了扫描式和单发阵列式的两种太赫兹LED原型机,对太赫兹辐射光斑进行成像,证明了可以用廉价的LED灯进行快响应的强场太赫兹辐射探测与成像,为强场太赫兹辐射的探测节省了大量成本,降低了门槛。由于其纳秒级别的响应时间,也为强场太赫兹辐射与探针光的时间同步提供了一个新的可行方案。（2）我们以Al2O3为衬底,利用分子束外延生长拓扑绝缘体Bi2Te3单晶纳米薄膜样品。用原子力显微镜和X射线衍射验证单晶质量后,我们采用透射式的偏振可分辨的太赫兹时域光谱仪来表征飞秒激光泵浦下,拓扑绝缘体Bi2Te3中产生的宽带太赫兹发射谱。通过偏振可分辨的太赫兹时域光谱仪,我们从实验上证明了,当调控入射飞秒激光的入射角,样品方位角,和入射激光的螺旋度时,可以实现任意偏振态的太赫兹辐射发射,并且该辐射效率和商用的Zn Te可以媲美。理论上,我们采用唯象的Photogalvanic效应对拓扑绝缘体中产生的太赫兹辐射进行了半定量的解释,发现这种唯象的解释对于实验的操作和太赫兹辐射螺旋度的优化都有很好的指导作用。该研究为在源处实现偏振可调控的太赫兹辐射源提供了新的实验方案,并且装置不需要外加磁场,器件体积小巧轻便,辐射效率高,是新一代太赫兹发射器的候选者。（3）反铁磁（Antiferromagnet,AFM）中的自旋泵浦效应已经在实验上得到了证明,但是因为测量电路的截止频率问题,测量太赫兹频段的电荷流还不能实现,目前只能在理论上进行相应的研究。我们采用线性响应理论,对不同偏振太赫兹辐射泵浦条件下,反铁磁/非磁金属中产生的交流自旋流的振幅进行了系统的研究。发现当泵浦太赫兹辐射和反铁磁体发生共振,并满足手性相同的条件时,产生的自旋流信号不依赖于外加直流磁场的大小。并且发现了不管是直流还是交流的自旋流,都与材料内禀磁性属性有相同的标度关系。最后,我们还发现,不管是铁磁体还是反铁磁体中,自旋泵浦效应产生的直流自旋流分量都正比于泵浦功率,交流自旋流分量都正比于泵浦场强,揭示了磁性材料中自旋泵浦效应的普适规律。上述三个工作加深了太赫兹辐射与凝聚态物质相互作用的理解,不论从强场的角度还是新颖功能材料的角度,都拓展了太赫兹器件的功能。具体,我们实现了用廉价LED进行强太赫兹辐射探测的机理研究和表征,极大降低了强太赫兹辐射探测与时间同步的成本。我们用拓扑绝缘体Bi2Te3实现了手性可调谐的太赫兹发射,为未来脉冲式的手性太赫兹辐射源提供了可选的方案。最后,我们理论上研究了反铁磁体系中自旋流产生的行为,揭示了磁性体系自旋泵浦的普适规律,同时这也可以作为一种新型的太赫兹辐射探测方案。

关键词： 多孔介质   多场耦合   力学行为研究   格林函数  

摘要： 多孔介质一直以来受到工程界和科学界学者们的高度重视,分析和解决多孔介质流固耦合问题对工业发展起到了至关重要的作用。目前,多孔介质在医疗用假肢、半导体散热、飞行器高温热防护中均有应用,甚至在石油开采中多孔材料的流固耦合特性也是决定开采是否顺利的重要因素。随着多孔介质在众多领域的应用日渐深化,其力学行为的研究也有了突飞猛进的发展。本文首先从多孔介质的基本方程出发,考虑多孔介质的化学效应,将其的本构方程和无体力平衡方程进行联立,得出一组与化学场、应变场和位移场有关的方程,通过引入位移势函数,将这几组方程简化,再利用算子理论、叠加原理以及广义Almansi定理,导出在不同特征根情况下的位移场和化学场的通解。之后通过两个数值算例展示了通解的应用。分别为点源作用下的无限大和半无限大多孔化学弹性介质问题,结合通解和边界条件即可得到格林函数。对于考虑热-化学耦合问题,通过引入位移势函数,获得横观各向同性多孔化学热弹性体的通解,并对其进行简化,获得考虑热-化学耦合效应的位移、温度、离子浓度的表达式。利用得到的通解,分析在点源作用下半无限大多孔化学热弹性锥形体及具有锥形腔的半无限大多孔化学热弹性多孔介质的力学问题。对于点源作用的半无限大多孔化学热弹性锥形体问题,考虑锥面上的液-热-化学-机械平衡,结合通解和其边界条件即可得到格林函数。求解在点源作用下具有锥形腔的半无限大多孔化学热弹性介质,根据锥形腔表面满足液-热-化学-机械平衡,最终获得该问题的格林函数。对于考虑电-磁-化学效应的多孔介质三维稳态问题,可以结合麦克斯伟方程组导出其通解的表达式,根据边界条件,研究具有电-磁-化学效应的无限大和半无限大多孔介质在点源作用下的基本解,从而进一步分析具有电-磁-化学效应的多孔介质耦合场的分布规律。

关键词： 光子自旋霍尔效应   PT对称腔   CPA-激光模式   折射率传感器  

摘要： 光子自旋霍尔效应（Spin Hall Effect,SHE）是指,当一束线偏振光在两种不同介质界面反射或折射时,其左旋和右旋圆偏振光将在垂直于折射率梯度的方向发生横向偏移,导致反射光和折射光分裂为两束不同偏振态的分量。光子SHE为操控光子提供了新途径,在自旋光子器件、精密测量等方面具有重要的应用前景。但光子SHE是一种弱效应,其相关的自旋偏移量较小。为了增强光子SHE,科学家们想了很多方法,如表面等离子共振、布儒斯特角、二维材料的加入等。最近的研究表明:一种典型的具有平衡增益和损耗的宇称时间（Parity-time,PT）对称结构中,奇异点和相干完美吸收（Coherent Perfect Absorption,CPA）-激光模式附近,光子SHE得到了极大地增强。因此,PT对称系统中光子SHE的深入研究是非常必要的。基于此,本课题探讨了PT对称腔中反射光和透射光的光子SHE行为,并设计了基于PT对称腔光子SHE的折射率传感器,取得了如下创新性研究成果:1.通过在两个增益和损耗平衡的介电系数接近零的介质薄层之间插入空气隙,建立了PT对称腔。主要研究了PT对称腔中的散射行为,包括反射和透射,以及光子SHE。研究发现该腔呈现多重PT对称性,其特征在于交替的对称和破缺相位。这种多重PT对称性允许在宽角度范围内容易地操纵透射光的光子SHE。在CPA-激光模式的共振角附近,透射光和反射光的光子SHE显著增强,其自旋偏移量的数值可以达到其理论上限（即束腰的一半）,该数值比没有空气隙的PT对称结构大得多。2.提出了一种新颖的基于PT对称腔CPA-激光模附近光子SHE的传感方案。结果表明,该折射率传感器具有8762μm/RIU的强度灵敏度,此灵敏度明显优于表面等离子体共振增强的光子SHE传感器。这些发现提供了一种增强光子SHE的有效方法,从而为开发基于光子SHE的光学传感器提供了机会。