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关键词： 非线性发展方程   孤子解   孤子间的相互作用  

摘要： 孤子是非线性发展方程的波动解,具有稳定结构和弹性碰撞性质的它广泛存在于非线性光学、等离子体物理、凝聚态物理、流体力学、热传导、生物学等众多领域。借助于逐渐成熟的计算机技术,如今孤子理论得到了充分的发展。本论文基于数学分析和计算机计算解析地研究了三个非线性发展方程的孤子解,并讨论了其中的动力学机制,具体内容包含以下四部分:(1)概述了孤子的发展历程和研究现状,对两种使用频率较高的求方程解析解的方法:Hirota双线性方法,Darboux变换做了简单介绍。(2)利用Hirota双线性方法研究了可用来描述玻色-爱因斯坦凝聚体中孤子的传播与碰撞的GP型方程组。得到了该方程组的单、双、多孤子解,讨论了方程组中部分参数对孤子传播方向的影响,并通过调整参数改变孤子间的相互作用,得到束缚态等现象。(3)基于Darboux变换方法研究了耦合变系数非线性薛定谔方程。非线性薛定谔方程可用来描述光孤子的波包在弱非线性介质和非线性波中的传播,变系数非线性薛定谔方程是非线性薛定谔方程的推广,与之相比拥有更多的自由参数。利用Darboux变换求得了三耦合变系数非线性薛定谔方程的一阶解和二阶解,并进行了动力学分析。(4)基于Darboux变换方法研究了三耦合导数非线性薛定谔方程。导数非线性薛定谔方程可用于描述等离子体和非线性光学中非线性波的传播。利用Darboux变换求得了三耦合导数非线性薛定谔方程的一阶解,讨论了呼吸子的传播,以及呼吸子与畸形波相互作用的力学机制。

关键词： Janus二维材料   电子结构   自旋-轨道耦合   第一性原理计算  

摘要： Janus二维材料的对称性破缺可导致较强的自旋-轨道耦合,研究其独特的电子结构和自旋/能谷特性是材料学和凝聚态物理研究领域当前的前沿课题。本论文以过渡金属硫族化合物和新型二维WSi2N4家族材料为对象,基于第一性原理计算深入研究了Janus二维材料中层间作用、电场、掺杂、应变等因素对自旋和能谷劈裂的调控作用及调控机制,并建立紧束缚理论模型揭示了Janus二维材料中Rashba自旋-轨道耦合的起源。论文主要内容分为如下四个部分:（1）研究了层间静电相互作用和磁性近邻作用对2H相单层Janus WSSe的电子结构和自旋/能谷劈裂的影响。发现了层间偶极子相互作用导致层依赖的Rashba劈裂,并且抑制层间范德华作用对pz轨道的影响。Mn O（111）磁性衬底使单层Janus WSSe产生能谷劈裂,劈裂大小与界面Mn原子的垂直磁矩呈正相关,最大达到410 me V,同时,磁性近邻作用也可影响Rashba劈裂能带,打开能隙并消除面内自旋的能量简并。K（K'）与Γ点电子态受到的等效磁场方向相反,大小相差两个数量级。（2）研究了d1T相单层过渡金属硫族化合物的铁电性,并创新地采用自旋-轨道耦合劈裂能量对波矢的一阶导数来衡量Rashba耦合强度。发现自旋-轨道耦合强度随电场线性变化,而与电荷掺杂的关系是非线性的。通过研究应变对d1T相单层Janus WSSe的Rashba自旋-轨道耦合的影响,发现Rashba强度敏感依赖于体系宏观的电荷转移和微观的电子轨道组分。电荷转移导致宏观电极化越大,则会降低电势梯度,减弱Rashba自旋-轨道耦合;z方向的原子轨道对Rashba耦合起主导作用。（3）研究了单层WSi2N4家族材料的自旋-轨道耦合和能谷性质。通过改变各原子层的堆叠方式进行对称性的改变并引入Rashba自旋-轨道场。垂直极化和面外轨道对面内自旋劈裂起重要贡献,而水平极化和面内轨道决定了面外的自旋劈裂。与能谷极化相结合,Rashba半导体的特性有助于控制二维材料中谷极化电子的自旋方向。通过组分设计,分析了不同单层Janus WSi2N4家族材料的本征Rashba耦合。替换与W原子成键的第五主族原子产生更大的Rashba劈裂。（4）通过紧束缚模型和微扰理论,分析了单层Janus过渡金属硫族化合物Rashba自旋-轨道耦合的来源。硫族原子pz轨道在位能的差别和过渡金属d轨道与pz轨道的耦合决定了Rashba自旋-轨道耦合强度,其中dxz和dyz轨道不可忽略。基于紧束缚模型计算与第一性原理计算结果相吻合,应变主要改变d轨道与pz轨道的耦合,电场主要改变pz轨道在位能。本论文研究结果有助于深刻理解Janus二维材料的电子结构和自旋/能谷特性,对二维材料中的自旋-轨道电子学理论研究和器件应用具有重要意义。图58幅,表9个,参考文献233篇

关键词： 非厄米自旋链   稳态相变   量子Fisher信息   参数估计  

摘要： 近年来,非厄米量子系统相关研究受到越来越多的关注。非厄米系统为研究开放量子系统的能谱、稳态以及稳态相变等物理特性提供了更多可能。研究发现非厄米系统中的异常点与稳态相变具有密切关系。当控制参数经过异常点时,系统的序参量会表现出非解析性的奇异行为,并且系统对外部扰动变得敏感,这一现象为量子参数估计提供了理论基础。量子参数估计作为量子信息、量子度量学等领域的重要研究内容之一,它的主要任务是将待估计参数编码到系统的状态中,通过对不同参数状态测量来获取待估计的参数,并尽可能提高估计精度。通过加入外场扰动或者调节可控参数,量子系统对参数的响应情况将发生变化。本文主要研究了在非厄米自旋1/2系统中进行参数估计的可行性,利用非厄米自旋链在稳态相变点附近的奇异行为,对施加在自旋链上的外部磁场参数进行估计。本文对x和y方向上相互作用强度大小相反的各向异性非厄米自旋XY模型的稳态相变、序参量进行了详细讨论,并探讨了利用该系统对外场振幅和方位角进行参数估计的理论方案。本文分别从解析和数值角度对两格点以及长链情况下异常点附近量子Fisher信息的奇异性进行了分析,结果表明控制系统参数经过异常点时,量子Fisher信息会产生发散现象,意味着在此处可获得最高精度的参数估计结果。同时,为确定系统尺度与参数估计精度间的关系,本文进一步讨论了不同尺度下格点之间的稳态关联函数。数值结果显示,由于扰动场仅施加在第一个格点上,随着自旋链长度的增加系统中只存在短程关联,所以当系统尺度增大到14时,参数估计的精度将逐渐收敛到一个有限值。

关键词： 关门声声品质   小波包变换   GA-BP神经网络   非平稳信号  

摘要： 随着汽车动力性能等基本性能的提升,人们对汽车其他品质如汽车声品质等有了更高的要求,因此汽车声品质已经成为了研究热点。其中,平稳声信号声品质的研究起步较早,该领域的各方面研究及其评价流程也比较完善。但是汽车声信号多种多样,且多为非平稳声信号。适用于平稳声信号的心理声学参数难以准确描述非平稳声信号和反映人对声音的主观感受,因此应用时频分析等方法构建非平稳声信号的客观评价参数和建立评价模型已经成为研究重点。而汽车关门声作为接触频繁的汽车非平稳声信号,应用时频分析方法研究汽车关门声品质具有理论意义和工程价值。本课题以汽车关门声为研究对象,采用时频分析方法对汽车关门声进行处理并基于信号频域能量分布提取其信号特征,以时频分析提取的声信号特征构建声品质评价模型用于声品质评价。首先,试验采集汽车关门声样本,进行主观评价和传统客观参数特征分析。采集了25辆不同品牌乘用车在(1.0m/s±0.02m/s)速度工况下的关门声样本,对处理前后的声样本进行一致性检验;主观评价采用成对比较法,对24位听音人员的评价数据进行误判分析并获得最终主观评价值。考虑到关门声的非平稳性,对比分析了平稳声信号与非平稳声信号的心理声学客观参数特征,结果表明相比于平稳声信号,非平稳声信号因频率衰减导致心理声学客观参数幅值波动较大。说明应用传统心理声学客观参数对关门声进行客观评价存在表征复杂的问题,有必要寻求声信号能量特征等变量。然后,对符合一致性要求的声样本进行时频分析,以研究其能量特征。使用小波包变换对声样本进行处理,获得关门声样本特征向量。基于小波函数性质,选择db35小波作为基函数,对关门声样本进行小波包分析。按临界频带的划分方式对小波包进行设计,构造一个小波包滤波器组,关门声信号经小波包分解为24个分量,引入能量概念对24个分量量化构造能量特征向量。最后,应用GA-BP神经网络方法,分别构建以能量特征向量和以传统心理声学客观参数为变量的关门声声品质评价模型,并比较不同变量模型的优劣。采用遗传算法优化了BP神经网络起始权值、起始阈值。分别以经小波包变换提取的能量特征向量和数值化处理后的心理声学参数为输入、主观评价结果为输出构建评价模型。以能量特征向量为输入的声品质评价模型,其训练样本与测试样本的拟合系数分别为0.9953、0.9993,均方误差分别为0.1062、0.4715;基于传统心理声学客观参数的声品质评价模型,其训练样本与测试样本的拟合系数分别为0.8563、0.9806,均方误差分别为2.8325、2.8886。结果表明:基于小波包变换以能量特征向量为输入的声品质评价模型优于基于以传统心理声学客观参数为输入的声品质评价模型。经相关性分析发现,基于小波包变换的声能量特征向量与主观评价值的相关性均高于传统心理声学参数与主观评价值的相关性。用同一工况下的四个新声样本验证基于小波包变换的声品质评价模型的稳定性,用该模型对四个新声样本进行预测评价,其评价结果与实际主观评价结果一致,均方误差仅为0.4349;说明基于小波包变换提取信号特征所建立的评价模型更适用于诸如关门声这类非平稳声信号的声品质评价。本课题的研究结果表明,针对非平稳声信号的特性,更合适采用时频分析方法提取声信号特征对其进行研究。

关键词： 非线性Schr?dinger方程   爆破解   驻波解   轨道稳定   全局存在  

摘要： Schr?dinger方程是量子力学中的基础数学模型。根据量子力学,宇宙中的所有粒子都是通过波函数来描述的。量子波函数由Schr?dinger方程描述。同时,非线性Schr?dinger方程是描述各种物理现象的重要数学模型。不同的非线性Schr?dinger方程有不同的物理背景。本文主要研究关于带平方势与反平方势的非线性Schr?dinger方程柯西问题爆破解的动力学性质。对于次临界非线性指标,方程的解全局存在且驻波解都是轨道稳定的。对于临界非线性指标,当初始质量小于临界质量时,方程的解全局存在且驻波解是轨道稳定的;当初始质量不小于临界质量时,存在在有限时间内爆破的解。本文证明了具有最小质量爆破解的存在性,探讨了该解的质量集中性质。对于超临界非线性指标,本文通过构造不变流形,给出了柯西问题解在有限时间内爆破或全局存在的分界条件。

关键词： 涡旋超短脉冲   激光传输   角动量   几何自旋霍尔效应   紧聚焦  

摘要： 涡旋光束可携带自旋和轨道角动量,其相位分布存在螺旋结构和奇点,所以涡旋光束拥有丰富的调控手段,适用于许多应用场合,如光镊、光通信、显微成像等,使得涡旋光束一直是现在的研究热点。结合超短脉冲在时域的分布特点,可以为涡旋光束带来更多的调控手段和应用领域。最近,越来越多的科学家们对涡旋超短脉冲和时空涡旋光束产生了浓厚的兴趣,许多有趣的研究成果相继发表。基于这个背景,本论文中我们研究了涡旋超短脉冲激光的传输和自旋轨道耦合特性,包括了涡旋光束的近场传输、紧聚焦后非傍轴涡旋脉冲光束的频率分布特性、非傍轴涡旋脉冲光束的角动量和非傍轴涡旋光束的几何自旋霍尔效应等。非傍轴激光横向线动量导致自旋和轨道相互作用,结合超短脉冲的时空耦合效应,涡旋超短脉冲激光有着比涡旋连续光更加丰富的物理机理。本论文的具体章节安排如下:第一章主要介绍了涡旋连续光和超短脉冲激光的研究背景和研究现状。第二章主要介绍了研究超短脉冲光的一些基础理论。第三章主要研究了分数涡旋超短脉冲光在自由空间中的传输特性,发现总涡旋强度和涡旋的产生湮灭与脉冲持续时间、峰值波长、传输距离以及分数拓扑荷数密切相关。第四章基于Richards-Wolf矢量衍射积分方程和Wigner-Ville分布,我们发现径向偏振涡旋超短脉冲光聚焦后的脉冲瞬时频率在时域上的分布呈现类高斯曲线,脉冲持续时间和拓扑荷数会对瞬时频率的峰值和线宽造成影响。另外,焦平面上脉冲瞬时频率的空间分布不均匀,靠近光轴处脉冲展宽且呈现蓝移趋势,远离光轴处脉冲压缩且呈现红移现象。第五章基于矢势和洛伦兹规范,在非傍轴条件下导出了整数涡旋脉冲光的角动量表达式。当光束束腰半径为波长或亚波长量级时,引入了自旋轨道量。根据总角动量守恒,假设最小平均角动量为min=(n-1)h,可以导出光束的最小可聚焦束腰半径。另外,由于分数涡旋脉冲光横向能量分布的不均匀,其携带有外禀轨道角动量,结合时空耦合效应,我们发现分数涡旋脉冲的总角动量会随着脉冲持续时间和束腰半径的变化而变化。第六章我们推导了非傍轴涡旋矢量连续光的几何自旋霍尔效应(横向位移)的解析表达式,发现横向位移会随着光束束腰半径的减小而增大,这一现象是由于自旋轨道相互作用诱导出了横向、纵向之间光能量的流动。另外,时空耦合效应导致不同的脉冲持续时间影响了光线动量方向的改变,从而也改变了横向位移幅度。第七章主要阐述了总结和展望。

关键词： 新时期   黑龙江油画创作   群体特征  

摘要： 黑龙江省地处我国东北部边境,地理环境较闭塞,因此文化受外部因素影响较少。就美术而言,在艺术的意识形态与创新方面存在一定的局限性。但得益于特殊的自然环境与民俗乡情其美术创作展示出独特的艺术风貌。本文以时间为线索,主要研究和梳理黑龙江新时期以来油画群体的特征、以及80年代北方艺术群体、85思潮和90年代后黑龙江当代油画群体的特征和现状及不同时代的代表作品。本文试图通过掌握当前黑龙江油画创作群体发展的趋势,分析其油画的创作表现形式手法及艺术语言,总结出东北油画艺术的审美理念,为推动黑龙江油画创作群体的发展提供一定的理论基础。

关键词： 第一性原理计算   二维材料   自旋电子学   二维铁电   磁电耦合  

摘要： 在传统的半导体器件中,信息的存储传输是基于电子的电荷属性。得益于半导体工艺的精进,传统电子学自晶体管问世以来飞速发展,器件功能越来越多样化而尺寸却越来越微型化,就像摩尔定律描述的那样:集成电路上可容纳的元器件的数目每隔18-24个月便会翻一倍以上。然而电流泄露和热效应制约了传统电子学器件进一步微型化。基于自旋的器件与之相比避免了热效应的问题,还可能具有更快的信息处理速度。所以人们希望借助自旋电子学材料来延续摩尔定律。另一方面,器件微型化必然带来材料尺度的显著降低,这是对原有体材料性质的重大挑战。2004年石墨烯发现以来,二维材料因其各种奇特的物理性质,获得了人们的广泛关注。二维材料和三维薄膜材料相比,具有无可比拟的优势。首先,它的厚度在原子级别,完美满足了器件微型化的需求。其次,它的表面没有悬挂键,对衬底要求更低。最后也是最重要的一点,维度降低带来的新物理有望帮助人们设计新概念的器件。 近十年,自旋电子学发展迅速,一系列新物理被发现,由此衍生了众多器件设计的新概念。自旋电子学的核心问题是如何操控自旋的方向。当然最理想的调控方式是借助于电场,然而具备此功能的自旋电子学材料少之又少。基于此,我们从量子力学基本原理出发,借助于第一性原理计算,设计了一些新型的二维自旋电子学材料,试图解决电场操控自旋的问题。下面我们对本论文的基本框架以及做的主要工作和创新点做一个简单介绍。 (1)在双层Bi沉积在两种二维衬底In2Se2与In2Se3上的体系中,我们都发现了一种全新的自旋分裂方式。不同于以往的Rashba自旋分裂,它的自旋结构在同一个自旋子带上发生反转。通过构建紧束缚模型,我们发现这种反转来源于轨道成分的巨大变化,其深层次原因是衬底相互作用导致不同轨道间的强烈杂化。特别地,我们可以控制二维铁电衬底In2Se3的电极化方向,从而非易失性的调控体系的自旋劈裂方式。 (2)为了实现电场对电子自旋性质的调控,我们首先在二维层状材料中引入了铁电性,为后续工作打下基础。我们提出了一个在过渡金属二硫化物(TMDC)层间插层原子来实现二维铁电性的方案,并设计了一个系统、严格、缜密的框架来筛选出符合要求的体系。二维铁电性来源于插层原子与上下层硫族原子形成的“四面体键”。这种特殊的偶极矩形成机制决定了面内极化和面外极化之间的锁定关系,所以我们可以施加一个小的面内电场来翻转实际应用中更为关键的面外极化的方向,这是我们这类二维铁电体系所独有的优良特性。 (3)基于插层TMDC体系已有的自发电极化,我们进一步寻找具有优异自旋相关性质的体系。在重金属插层体系如Pt1/3(MoS2)2、Ir1/3(MoS2)2中,体系同时具有面外方向与面内方向的自旋分裂,并且其自旋结构都与电极化存在强烈耦合效应。电极化翻转会带来自旋结构的翻转。 (4)在Cu以1.0密度插层双层CrS2体系中,我们发现了优异的半金属性。体系的居里温度高于室温、半金属能隙非常大而且磁各项异性也非常突出。 (5)在Cu以1.0密度插层四层CrS2体系中,我们发现了一种普适机制导致的新型磁电耦合效应。当层状体系具有层间反铁磁相互作用并且存在垂直方向的电极化时,自旋向上部分和向下部分的态密度由于面外方向电极化的存在,它们之间有一个滑移。由此将导致体系出现一个净的剩余磁矩。当电极化方向翻转时,滑移也将反向,于是剩余磁矩的方向也将翻转。因此,我们可以通过外电场来改变体系的磁矩方向。

关键词： 二维材料   第一性原理计算   自旋电子学   铁磁半金属   居里温度  

摘要： 随着集成电路制造工艺水平的不断提高,其尺寸已缩小至纳米范围内,在这个尺寸级别下,量子效应对器件的可靠性、功耗等性能均产生一定程度的影响,根据摩尔定律的预测,集成电路已经面临巨大的挑战。而伴随着二维材料石墨烯的发现,给集成电路现存的瓶颈问题在“后摩尔时代”指明了新的方向。由于二维材料的低维特性使得其表现出丰富优异的电学、磁学、力学、光学等物理性质,其中铁磁性在信息存储、逻辑器件和数据处理等方面有着广泛的应用。然而,目前在大多数的研究中,二维磁性材料的长程有序磁态通常会因为热涨落的因素在有限温度内受到强烈的抑制,导致其在室温下无法保持铁磁性,因此实现二维磁性材料在室温下保持铁磁有序及其调控具有重要的研究意义。本论文以密度泛函理论为基础,利用第一性原理计算,在理论上研究了二维铬化物及其衍生物的电磁特性,以及它们在自旋电子学方面应用的可行性。主要研究内容如下:(1)研究了边缘修饰对于二维CrSe单层电磁特性的调控。首先通过声子谱和分子动力学计算证明了二维CrSe单层具有良好的稳定性,通过计算其杨氏模量从机械性质的角度证明了二维CrSe单层具有一定的柔韧性。其次对二维CrSe单层及其边缘修饰后的结构进行了分析研究,计算结果表明,二维CrSe单层表现为铁磁金属性,而当其Cr原子被-F、-H和-O基团单侧修饰时,二维CrSe单层衍生物的电磁特性均转变为铁磁半金属性,且利用蒙特卡罗模拟计算了它们的居里温度,发现其居里温度分别为530K、530K和450K,这均已达到室温水平。同时当二维CrSe单层的双侧都被化学基团(-H,-O)修饰时,性质也转变为了铁磁半金属性,且其居里温度分别为220K和120K。最后利用自旋轨道耦合计算分析了它们的磁各向异性能,并研究了其随方位角的变化过程,发现当Cr原子被-O基团单侧修饰并且在方位角为90时,磁各向异性能效果最好,可达0.85me V/原子。因此说明了边缘修饰对于调控二维CrSe单层的电磁特性以及提升居里温度具有重要意义。(2)探讨了掺杂和边缘修饰对于二维CrC单层电磁特性的影响。首先从声子谱和分子动力学的角度计算证明了二维CrC单层具有良好的稳定性,利用第一性原理计算研究了二维CrC单层的电磁特性,结果表明二维CrC单层表现为铁磁金属性。其次通过掺杂将二维CrC单层中的一层C原子用N原子取代以形成二维CrCN单层的结构,计算发现其电磁特性也为铁磁金属性,且比二维CrC单层表现出更强的铁磁耦合。最后考虑因为二维MXenes材料在实际剥离的过程中无法避免地会混入外部化学官能团,所以利用-F、-O、-OH这些化学官能团对二者进行边缘修饰,并研究了其边缘修饰后的电磁特性和居里温度。从研究结果来看,二维CrCF单层、二维CrC(OH)单层以及二维CrCNO单层均通过边缘修饰的方法从铁磁金属性转变为了铁磁半金属性,且利用蒙特卡罗模拟计算了它们的居里温度分别为650K、760K和600K。综上所述,本章利用掺杂和边缘修饰的方法实现了室温二维铁磁半金属材料,为制备自旋电子学器件方面提供理论支持。

关键词： 颤振检测   小波包熵   排列熵   工业机器人   磨削加工  

摘要： 随着我国航空工业领域的蓬勃发展,航空发动机叶片的制造和维修成为研究重点。航发叶片有多种维修方式,相比于人工磨削及机床磨削,高柔性化、低成本、应用场景广泛的机器人智能加工更受青睐。目前,航发叶片的机器人磨削阶段仍然无法避免颤振的发生,而且现有的磨削颤振检测方法大多只能在颤振已经明显发生后识别出颤振,所以快速检测出颤振的发生并为后续采取抑制操作提供更多反应时间是十分必要的。针对以上问题,本文采用小波包熵和排列熵作为颤振检测特征,并对小波包熵和排列熵的提取算法进行改进,提高了磨削颤振检测的响应速度。为了提高小波包熵特征计算效率,采用小波包变换矩阵算法对颤振原始信号进行小波包熵提取。该方法根据信号长度、分解层数以及选用的小波基函数三个参数可预先计算出转换矩阵,然后将原始信号转变为一维矩阵与转换矩阵相乘,便可以快速求得小波包分解系数,进而计算颤振特征小波包熵。该方法利用转换矩阵乘法运算极大的提高了小波包熵提取效率,而且该方法的计算时间相较于Mallat算法减小了一个数量级。针对传统排列熵提取方法效率低的问题,采用基于序数模式的排列熵算法对颤振原始信号进行排列熵提取。该方法通过将颤振信号数据进行序数模式分类,可以大大减少计算量。利用序数模式类型分布规律表可快速获得所有的序数模式以及其连续序数模式分布情况,最后由连续序数模式可求得连续的排列熵。相较于传统的排列熵提取算法,基于序数模式排列熵算法的计算时间减小了一个数量级,很大程度上提高了排列熵提取效率。模拟出多个过渡时间不同、最大幅值不同且从稳定阶段到不稳定阶段逐步发展的颤振信号,并利用颤振仿真信号进行时域特征及熵特征的提取,验证了小波包变换矩阵算法及基于序数模式排列熵算法的适用性和有效性。搭建航发叶片机器人磨削实验平台,采集机器人磨削末端颤振信号,利用所提出的改进算法分别对小波包熵和排列熵特征完成提取并进行颤振检测分析。实验结果表明,与方差、均方根、峭度、裕度因子特征相比,本文提出的基于小波包熵和排列熵的磨削颤振检测方法能够在颤振形成的早期阶段将其检测出来,并及时向系统发出警告,为后续采取措施提供更多的反应时间。