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利用冷冻电镜研究蛋白质机器的非平衡统计物理

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物理学报 2024年第13期73卷 1-8页

作者：杨添欧阳颀北京大学物理学院北京100871 北京大学定量生物学中心北京100871

对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制.最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇.目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构,还结合数据处理方... 详细信息

对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制.最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇.目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构,还结合数据处理方法来分析蛋白质的构象分布并进一步推测其热力学性质.然而,利用冷冻电镜技术直接对蛋白质的动力学过程作观测与定量分析的方法还在发展的初级阶段.本文选取了一个理想的蛋白质系统,即蓝藻生物钟蛋白对冷冻电镜分析蛋白质非平衡过程的可能性进行探索.基于已有的实验数据,将蓝藻生物钟蛋白KaiC的平衡态统计物理模型推广至非平衡态,对KaiC蛋白处于非平衡态时的动力学特征进行预测.基于动力学预测结果,本文揭示了冷冻电镜技术具有分析蓝藻生物钟蛋白的非平衡过程的可能,为进一步的冷冻电镜实验提供了理论依据.

关键词：蛋白质动力学非平衡态统计物理冷冻电镜

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激光维持等离子体多物理场耦合模型与仿真

物理学报 2024年第2期73卷 202-215页

作者：张东荷雨刘金宝付洋洋清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084

激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源,在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值.本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程,介绍了其基本物理过程及数学描述方程,建立了基于多物理场... 详细信息

激光维持等离子体作为一种光照强度高、光谱范围宽、发光稳定的新型辐射光源,在光学检测(半导体晶圆检测)等领域具有重要的应用价值.本文回顾了激光维持等离子体研究的发展历程,介绍了其基本物理过程及数学描述方程,建立了基于多物理场耦合的二维流体模型.利用该模型研究了激光在等离子体中的传播过程,探讨了激光维持等离子体的初始演化过程、能量注入机制、稳态特性及不稳定性等关键问题.通过与高气压氙气等离子体实验结果对比,确定了仿真模型的有效性.相关仿真结果有助于深入理解激光维持等离子体的底层物理机制,为实现光源系统设计、多参数优化提供理论依据.

关键词：激光维持等离子体流体模型多物理场耦合辐射与输运

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

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物理学报 2024年第7期73卷 40-51页

作者：李国倡郭孔英张家豪孙维鑫朱远惟李盛涛魏艳慧青岛科技大学先进电工材料研究院高压绝缘系统与先进电工材料山东省工程研究中心青岛266042 西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室西安710049

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化... 详细信息

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

关键词：电缆附件硅橡胶力-热老化电-热-力场耦合仿真

基于准连续域束缚态的全介质超构表面双参数传感器

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物理学报 2024年第4期73卷 272-284页

作者：刘会刚张翔宇南雪莹赵二刚刘海涛南开大学薄膜光电子技术教育部工程研究中心天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院电子信息实验教学中心天津300350 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所天津300350 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室天津300350

本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、... 详细信息

本文设计了由不对称半圆柱对阵列组成的全介质超构表面,获得了两个高品质因子的准连续域束缚态模式(quasi-bound states in the continuum,QBIC).通过选择不同形式的对称破缺,在近红外频段均可产生两个稳健的QBIC,并且二者的谐振波长、品质因子、偏振依赖等表现出不同的特性.模拟计算表明,通过测量两个QBIC的谐振波长,能够实现折射率和温度的双参数传感;通过调节不对称参数,利用QBIC的品质因子依赖于不对称参数的二次方反比关系,理论上能够提高品质因子到任意的数值,从而实现传感性能的提升和调节.该超构表面的折射率传感灵敏度、品质因子和优值分别达到194.7 nm/RIU,45829和8197,其温度传感灵敏度达到24 pm/℃.

关键词：超构表面准连续域束缚态对称破缺折射率传感温度传感

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量子博弈——“PQ”问题

物理学报 2024年第3期73卷 82-88页

作者：杨晓堃李维黄永畅北京工业大学理论物理研究所北京100022

研究了量子博弈中的“PQ”问题,重点探讨了参与者策略制定、收益分配和量子效应对博弈结果的影响.首先回顾了量子博弈理论的发展,并对经典博弈与量子博弈进行了对比,详细定义了参与者和策略空间,并利用收益矩阵和量子操作符进行了建模.... 详细信息

研究了量子博弈中的“PQ”问题,重点探讨了参与者策略制定、收益分配和量子效应对博弈结果的影响.首先回顾了量子博弈理论的发展,并对经典博弈与量子博弈进行了对比,详细定义了参与者和策略空间,并利用收益矩阵和量子操作符进行了建模.为解决“PQ”问题,提出了量子策略选择和优化算法,并设计了针对该问题的量子算法.在实际应用和案例研究方面,通过评述经典双人博弈——“PQ翻硬币”问题,表明当其中一个参与人采用量子策略时,他可以打败他的经典对手,获得更高的收益.通过量化手段,把整个“PQ”问题放在一个更为普遍和公平的条件下,对其推广并从多个方面和角度再次对其进行研究.同时,给出了“不完全公平博弈”和“完全公平博弈”的定义,对量子硬币翻转博弈(Meyer 1999 ***.821052)进行了修改,使博弈公平,并研究了量子硬币翻转的多轮版本.最后对“PQ”问题的局限性与扩展性进行了讨论,并展望了量子博弈研究的未来发展方向.

关键词：量子博弈经典博弈量子计算 “PQ”问题

基于动态湿度传感的穿戴式呼吸功能检测系统:肺功能测量原理与实验对照

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物理学报 2024年第3期73卷 318-333页

作者：卢昌盛蒋泽荣王晓李轲轶林桂阳杨瑛琦林益华郑冠英谢宝松刘向阳厦门大学海洋与地球学院近海海洋环境科学国家重点实验室水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室厦门361102 厦门柯迪森科技有限公司厦门361015 厦门大学医学院厦门361102 福建省立医院呼吸与危重症医学科福建医科大学省立临床医学院福州350001 厦门大学附属第一医院呼吸与危重症医学科厦门361003

传统的肺功能检测仪是基于测量呼气和吸气期间的气流和压力变化来评估受测者的呼吸功能.这些技术主要基于机械式压差传感器或涡轮传感器,通过测量受测者口腔吹气和吸气的能力来评估其肺功能.其所测得的肺功能参数包括峰值呼气流量(peak ... 详细信息

传统的肺功能检测仪是基于测量呼气和吸气期间的气流和压力变化来评估受测者的呼吸功能.这些技术主要基于机械式压差传感器或涡轮传感器,通过测量受测者口腔吹气和吸气的能力来评估其肺功能.其所测得的肺功能参数包括峰值呼气流量(peak expiratory flow,PEF)和用力肺活量(forced vital capacity,FVC)等.本文报道了基于动态湿度传感技术发展而来的穿戴式呼吸功能检测系统(穿戴式呼吸波谱仪).基于湿度传感器的特点,对呼吸检测原理与设备的定量设计与模拟潮气实验进行了全面的探索.根据达西定律,通过穿戴式呼吸波谱仪的气体流量与其内外压差成正比关系,该系统符合压差式传感原理.以此为基础,根据其结构特点,建立PEF和FVC与传感器电信号变化的定量关系.实验结果验证了波谱仪内相对湿度的最大变化率与PEF呈线性正相关的关系.波谱仪的模拟潮气实验结果表明,测试范围为180—840 L/min条件下,PEF的示值误差小于10%,相邻测试误差小于5%,频率响应测试误差小于12%,符合呼气峰值流量计行业标准的要求.此外,将传统便携式肺功能检测仪作为对照,进行不同PEF(300—720 L/min)和FVC(3—6 L)条件下的模拟潮气实验.结果表明,波谱仪所测PEF和FVC的平均示值误差分别约为0.35%和0.23%,均远远小于便携式肺功能检测仪,充分验证了该系统对肺功能实时评估的准确性和可靠性.更重要的是,在模拟自由呼吸条件(PEF为12—24 L/min,FVC为0.5—0.7 L)下,波谱仪的电信号变化与自由呼吸体积仍呈线性关系.因此,穿戴式呼吸波谱仪可对人体自然、微弱的鼻呼吸,进行自由、动态、定量的长期监测.所测量人们的自由呼吸波谱在人体肺功能实时监测以及呼吸系统疾病远程监测方面,具有巨大的应用潜力.

关键词：柔性传感呼吸功能检测呼吸波谱

第一性原理研究硼掺杂氧化石墨烯对过氧化锂氧化反应的催化机理

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物理学报 2024年第9期73卷 336-343页

作者：雷雪玲朱巨湧柯强欧阳楚英江西师范大学物理与通信电子学院南昌330022

锂-氧电池由于高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出,而放电产物过氧化锂缓慢的氧化反应降低了电池的循环性能.因此,提高过氧化锂氧化反应动能、降低充电过电位对于实现高能量密度的可逆锂-氧电池具有重要意义.本文通过第一性原理计算,... 详细信息

锂-氧电池由于高能量密度在后锂离子电池中脱颖而出,而放电产物过氧化锂缓慢的氧化反应降低了电池的循环性能.因此,提高过氧化锂氧化反应动能、降低充电过电位对于实现高能量密度的可逆锂-氧电池具有重要意义.本文通过第一性原理计算,对比研究了氧化石墨烯(GO)和硼掺杂氧化石墨烯(BGO)对过氧化锂小团簇(Li_(2)O_(2))_(2)氧化反应的催化机理.结果表明,从(Li_(2)O_(2))_(2)团簇转移到GO和BGO上的电荷分别为0.59 e和0.96 e,B掺杂提高了电荷转移.4电子反应过程表明,(Li_(2)O_(2))_(2)团簇倾向于Li-O_(2)-Li分解路径,在GO和BGO上反应的速率决定步均是第三步去锂.在平衡电位下,GO和BGO的充电过电位分别是0.76 V和0.23 V,B掺杂大大降低了锂-氧电池充电过电位.机理分析表明B与O对(Li_(2)O_(2))_(2)团簇起到了协同催化的作用.

关键词：锂-氧电池析氧反应 B掺杂氧化石墨烯第一性原理

V型三能级金刚石氮空位色心电磁诱导透明体系中孤子的存取

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物理学报 2024年第10期73卷 307-314页

作者：谭聪王登龙董耀勇丁建文湘潭大学物理与光电工程学院湘潭411105 广东工业大学机电工程学院广州510006

本文先构建一束弱探测场和一束强控制场所形成的V型三能级金刚石氮空位(NV)色心电磁诱导透明(EIT)模型,随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性.结果表明,一旦开启强控制场,体系就会呈现出EIT窗口,且透明窗口的宽度随着控制场... 详细信息

本文先构建一束弱探测场和一束强控制场所形成的V型三能级金刚石氮空位(NV)色心电磁诱导透明(EIT)模型,随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性.结果表明,一旦开启强控制场,体系就会呈现出EIT窗口,且透明窗口的宽度随着控制场磁感应强度的增加而变宽.在非线性情况下,探测场能形成稳定传播的孤子,且可通过开启和关闭控制场的磁场实现孤子的存储和读取,可以有效地克服冷原子介质和量子点介质孤子存取的缺陷.值得一提的是,体系所存取孤子的振幅还可以通过控制场的磁感应强度来进行调节.

关键词：金刚石氮空位色心孤子的存储与读取电磁诱导透明

量子信息中的度量空间方法在准周期系统中的应用

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物理学报 2024年第4期73卷 69-77页

作者：冯曦曦陈文高先龙浙江师范大学物理系金华321004 北京计算科学研究中心北京100193

得益于量子信息理论的发展,保真度、纠缠熵等概念被引入到量子相变的研究中,不仅能用来标识新奇的物质相,还能用来探测量子相变的临界点以及描绘其临界行为.从度量空间的角度来看,这些物理量都可以被理解为度量空间中两个函数的距离.本... 详细信息

得益于量子信息理论的发展,保真度、纠缠熵等概念被引入到量子相变的研究中,不仅能用来标识新奇的物质相,还能用来探测量子相变的临界点以及描绘其临界行为.从度量空间的角度来看,这些物理量都可以被理解为度量空间中两个函数的距离.本文利用波函数和实空间中密度分布函数的距离,研究了以广义Aubry-André-Harper模型为代表的准周期系统,发现该方法不仅能标识拓展相、临界相和局域相,还能找到准确的相变点并计算出临界指数.此外,不仅将度量空间方法推广到波包扩散动力学研究,还提出了一种新的量,即态密度分布函数的距离,发现上述定义的两种物理量都能标识不同的物质相及相变点.通过定义某个函数在不同参数下的距离,不仅为标识已知系统相变点提供了研究工具,还为探测未知系统的不同物质相、相变点及其临界行为提供了一种直观的方法.

关键词：量子相变度量空间准周期系统局域化