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周期驱动系统的非平衡热输运与热力学几何

物理学报 2021年第23期70卷 148-157页

作者：王子任捷同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092

随着对微纳尺度系统的深入理解和实验技术的进步,发生在这些小系统中的热输运和能量转换近期吸引了大量研究.不同于依赖静态热力学力(如温差、电势差等)的非平衡稳态调控手段,受时间驱动的非平衡非稳态小系统具有特有的高可调性和普遍性... 详细信息

随着对微纳尺度系统的深入理解和实验技术的进步,发生在这些小系统中的热输运和能量转换近期吸引了大量研究.不同于依赖静态热力学力(如温差、电势差等)的非平衡稳态调控手段,受时间驱动的非平衡非稳态小系统具有特有的高可调性和普遍性,其研究同时具有基础价值和应用潜力.本文从几何这一基本概念出发,分析了热力学几何相(曲率)和热力学距离这两个关键物理量,以几何的视角展现和分析近期关于受驱动非平衡量子系统中输运调控和能量转换途径的热力学研究.热力学几何不仅可以看作是这一大类系统中非平凡输运和耗散的本质起源,也同样给我们提供了一种理论框架,给出对于系统输运和能量转换的限制,同时也可以给出慢驱动条件下量子热机性能的通用优化方式.这将在未来帮助理解非平衡量子多体系统所发挥的能量输运/转换功能,也会为发现高性能(高效率、高功率、高可靠性)量子热机提供新的设计思路.

关键词：非平衡量子系统几何相热力学距离热泵浦量子热机

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基于波动与扩散物理系统的机器学习

物理学报 2021年第14期70卷 167-181页

作者：陈江芷杨晨温任捷同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092 同济大学上海自主智能无人系统科学中心上海200092

物理学在机器学习中的应用以及两者的交叉融合正引起广泛关注,尤其是在波动系统和扩散系统中.本文重点关注波动与扩散物理系统和机器学习之间的内在联系以及对机器学习算法和物理实现的推进作用,综述了波动系统和扩散系统中的机器学习研... 详细信息

物理学在机器学习中的应用以及两者的交叉融合正引起广泛关注,尤其是在波动系统和扩散系统中.本文重点关注波动与扩散物理系统和机器学习之间的内在联系以及对机器学习算法和物理实现的推进作用,综述了波动系统和扩散系统中的机器学习研究,介绍了部分最新研究成果.文中首先讨论了监督学习的波动系统实现,包括神经网络的波动光学实现、量子搜索的波动实现、基于波动系统的递归神经网络以及神经形态的非线性波动计算.接着,文中继续讨论了受扩散系统启发的机器学习算法,如基于扩散动力学的分类算法,基于热扩散的数据挖掘和信息过滤,以及基于群体扩散的搜索优化等.波动系统以其天然的并行性、高效、低能耗等优势,通过丰富的波动力学和波动物理现象进行计算或算法模拟,正成为机器学习的新型物理载体.扩散系统中的物理机制可以启发构建高效的机器学习算法,用于复杂系统和物理学研究中的分类、优化等问题.期望通过对波动、扩散物理系统与机器学习内在联系的讨论,能够为开发物理启发的新算法和硬件实现甚至软硬一体化带来抛砖引玉的启示.

关键词：波动系统扩散系统机器学习人工神经网络

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超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

物理学报 2017年第22期66卷 84-94页

作者：龙洋任捷江海涛孙勇陈鸿同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波... 详细信息

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.

关键词：量子自旋霍尔效应超构材料拓扑相变

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悬空氮化硼厚度依赖热导率研究

工程热物理学报 2017年第10期38卷 2220-2224页

作者：郭劼王成如董岚徐象繁同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心上海200092 同济大学中欧纳米声子学联合实验室上海200092 同济大学物理科学与工程学院上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092

本文研究了多层悬空氮化硼的面内热导率。我们通过机械剥离法得到多层氮化硼,并利用干法转移技术将其悬空于微桥器件上,进而进行热导率测量。在干法转移的过程中,我们使用二甲基硅氧烷(PDMS)作为氮化硼载体,这样可使得样品表面残留的有... 详细信息

本文研究了多层悬空氮化硼的面内热导率。我们通过机械剥离法得到多层氮化硼,并利用干法转移技术将其悬空于微桥器件上,进而进行热导率测量。在干法转移的过程中,我们使用二甲基硅氧烷(PDMS)作为氮化硼载体,这样可使得样品表面残留的有机物更少,样品质量更高。本工作测得四层悬空氮化硼的面内热导率在室温达到286 Wm^(-1)K^(-1),与已知块体氮化硼的热导率大小相当,但低于双层氮化硼样品的结果,从而在实验上证明了悬空氮化硼面内热导率具有厚度效应。

关键词：氮化硼干法转移热导率热导率厚度效应

极紫外自由电子激光辐照Ni薄膜损伤机制温度效应分子动力学研究

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光子学报 2024年第11期53卷 40-50页

作者：汤鸣鲁爽胡张麟李淑慧恽超胡音晫陈杰李文斌王占山同济大学先进微结构材料教育部重点实验室上海200092 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所上海200092 同济大学物理科学与工程学院上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室声子学与热能科学中心上海200092

利用双温模型和分子动力学结合的方法,研究了13.5 nm极紫外自由电子激光辐照下Ni薄膜的初始温度效应对熔融损伤机制的影响。模拟获得了不同初始温度Ni薄膜的熔融损伤阈值,发现阈值随初始温度升高而降低,并且薄膜熔融损伤存在膜内均匀熔... 详细信息

利用双温模型和分子动力学结合的方法,研究了13.5 nm极紫外自由电子激光辐照下Ni薄膜的初始温度效应对熔融损伤机制的影响。模拟获得了不同初始温度Ni薄膜的熔融损伤阈值,发现阈值随初始温度升高而降低,并且薄膜熔融损伤存在膜内均匀熔化和表层非均匀熔化两种损伤形态。通过时间演化温度场和应力场分析,表明了镍薄膜的液相成核过程与晶格过热、热弹性应力和晶格平均加热速率等因素相关,揭示了熔融过程两种损伤形态的成因。

关键词：自由电子激光分子动力学损伤机制薄膜反射镜双温模型

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动态光子晶体环境下二能级原子自发辐射场及频谱的特性

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物理学报 2016年第19期65卷 86-97页

作者：邢容谢双媛许静平羊亚平同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

研究了光子晶体能带带边频率受到阶跃调制和三角函数周期调制两种情况下原子自发辐射场强度随时间的演化特性以及频谱的特性.阶跃调制时,调制发生后原子辐射的局域场的频率以及非局域场的构成情况都只取决于原子的跃迁频率和此时的带边... 详细信息

研究了光子晶体能带带边频率受到阶跃调制和三角函数周期调制两种情况下原子自发辐射场强度随时间的演化特性以及频谱的特性.阶跃调制时,调制发生后原子辐射的局域场的频率以及非局域场的构成情况都只取决于原子的跃迁频率和此时的带边频率,且都与具有相同参数条件的静态情形下的相同.调制发生时刻对自发辐射场的稳态强度有影响.三角函数周期调制时,辐射场强度在足够长时间后随时间做有衰减的准周期振荡.调制频率决定了准周期振荡的频率,并对衰减率有影响.辐射场能量在一组相邻间隔近似等于调制频率的离散频率附近形成尖锐峰值,它们的中心频率值取决于带边频率的取值范围和原子的跃迁频率,调制初相位会影响初始一段时间的辐射场强度以及辐射谱上连续谱成分的强弱.

关键词：光子晶体二能级原子动态结构库辐射场

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二维材料热传导研究进展

物理学报 2020年第19期69卷 206-238页

作者：吴祥水汤雯婷徐象繁同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心上海200092

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明,二维材料热导率有着丰富的物理图像,如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等.本文详细综述近十年来二维材料在热传... 详细信息

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明,二维材料热导率有着丰富的物理图像,如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等.本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展.首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展,如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等;其次,介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展,讨论其相关物理问题;最后,介绍二维材料在散热应用方面的研究进展,并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.

关键词：热导率二维材料界面热阻微纳尺度热传导

Al_(2)O_(3)基导热聚合物中的热逾渗网络

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物理学报 2023年第2期72卷 160-166页

作者：徐浩哲徐象繁同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心上海200092

添加高导热填料的有机聚合物是最常用的一种热界面材料.其中一种提升热导率的方式是采用不同形貌填料复合添加,结合各种填料的优点,取长补短.然而,由于有效介质理论的局限性,以及热逾渗理论的滞后研究,对于不同形貌填料的协同机制依旧... 详细信息

添加高导热填料的有机聚合物是最常用的一种热界面材料.其中一种提升热导率的方式是采用不同形貌填料复合添加,结合各种填料的优点,取长补短.然而,由于有效介质理论的局限性,以及热逾渗理论的滞后研究,对于不同形貌填料的协同机制依旧缺乏探索.为了剔除不同材料的耦合影响,本文采用不同形貌的同种氧化铝作为填料,分别制备了添加氧化铝球、氧化铝片以及球/片1∶1混合的环氧树脂复合材料.通过稳态法测量样品的热导率,发现球/片1∶1混合样品热导率得到显著提升.结合热逾渗理论,以及对填料微观分析的观测,发现片状和球状填料复合添加的协同作用对热逾渗网络有促进作用.

关键词：热导率热逾渗导热聚合物环氧树脂复合材料

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二维材料中的热传导

中国材料进展 2017年第2期36卷 141-148页

作者：张忠卫陈杰同济大学物理科学与工程学院声子学与热能科学中心高等研究院上海200092 同济大学中欧纳米声子学联合实验室上海200092 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092

受到石墨烯的成功制备及其优异性质的影响,新型二维材料的探索和研究成为近年来的研究热点,比如六角氮化硼、硅烯、黑磷以及过渡金属硫化物等,这些材料同样也展现出了优良的性质以及广阔的应用前景,比如在场效应管、光电器件以及清洁能... 详细信息

受到石墨烯的成功制备及其优异性质的影响,新型二维材料的探索和研究成为近年来的研究热点,比如六角氮化硼、硅烯、黑磷以及过渡金属硫化物等,这些材料同样也展现出了优良的性质以及广阔的应用前景,比如在场效应管、光电器件以及清洁能源等领域。另一方面,随着电子元器件的不断小型化,器件中热耗散问题成为制约其性能的关键问题,特别是在微纳米尺度器件中,这使得对二维材料热传导性质的研究显得尤为重要。针对几种典型的二维材料,总结了热传导研究领域在理论计算以及实验测量方面的最新进展。这些二维材料由于其多样的结构特性和成键方式展现出各异的热传导性质,可从石墨烯中的高热导率(2500~5000 Wm^(-1)K^(-1))跨度到黑磷中较低的热导率(9~30 Wm^(-1)K^(-1))。此外,还特别分析了在二维材料中出现的一些独特物理现象,比如尺寸效应、掺杂和表面吸附效应以及基底效应等。最后,对二维材料的一些功能化应用研究进行了概括。

关键词：二维材料热耗散热传导石墨烯尺寸效应