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物理学与人工智能的连接:2024年诺贝尔物理学奖解析

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科学通报 2025年

作者：唐乾元香港浸会大学物理系

The 2024 Nobel Prize in Physics was awarded to John Hopfield and Geoffrey Hinton for their pioneering contributions to artificial neural networks and machine learning. Hopfield was originally trained as a condensed matter physicist, while Hinton has a background in cognitive psychology and artificial intelligence. Both of them recognized the deep connection between neural computation and statistical physics. Their pioneering work demonstrates how principles from statistical physics shaped the theoretical foundations of artificial neural networks and deep learning. This review mainly introduces their breakthrough achievements in neural networks and machine learning, with particular emphasis on the underlying physical *** Hopfield model is one of the most significant contributions of John Hopfield, introducing a groundbreaking theoretical framework for understanding associative memory in machines. This model operates through an iterative dynamic rule, updating neuron states to minimize an energy function, which takes inspiration from spin glass systems in physics. The energy landscape concept in the Hopfield model provides crucial insights into information storage and retrieval. By demonstrating robust distributed representations, the model has inspired extensive research on attractor dynamics in both artificial neural networks and biological systems, serving as a foundational pillar for modern neural architectures and brain-inspired computing. Beyond this model, Hopfield explored time encoding in neural systems,highlighting the role of synchronized oscillations and providing new perspectives on temporal dynamics in enhancing computational capacity. He also pioneered the critical brain hypothesis, linking neural network dynamics to self-organized *** Boltzmann machine, developed by Geoffrey Hinton and his collaborators, serves as a key architecture bridging statistical physics and machine learning. In this model, the energy function determines t

关键词：

特丁基对苯二酚的密度泛函理论计算及红外光谱分析

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原子与分子物理学报 2025年第2期42卷 33-40页

作者：张竺立逯美红高鹏慧王志军长治学院物理系山西046011

特丁基对苯二酚(Tert-butylhydroquinone,TBHQ)是一种常见的新型合成抗氧化剂,可以被用来延长食物的保质期,但过量使用会危害健康.目前的检测方法中振动光谱技术具有无损快速的优点,因此采用密度泛内涵理论与振动光谱技术相结合的研究... 详细信息

特丁基对苯二酚(Tert-butylhydroquinone,TBHQ)是一种常见的新型合成抗氧化剂,可以被用来延长食物的保质期,但过量使用会危害健康.目前的检测方法中振动光谱技术具有无损快速的优点,因此采用密度泛内涵理论与振动光谱技术相结合的研究方法可以为TBHQ的检测提供理论依据和参考.理论上,基于密度泛函理论DFT(RB3LYP)的三参数混合方法以及6-31G(d,p)和6-311++G(d,p)基组对TBHQ分子空间结构进行优化,给出了TBHQ的键长、键角和二面角等空间结构参数值,确定该分子空间构型为非平面结构.采Multiwfn和VMD程序计算并分析TBHQ分子的前线轨道和静电势,预测了该分子的反应活性位点,得出苯环和酚羟基的反应活性最强.TBHQ分子静电势最小值位于酚羟基的O原子附近,最大值位于酚羟基的H原子附近.亲电试剂和亲核试剂通过静电作用将与酚羟基发生作用.实验上,利用傅里叶变换红外光谱仪对TBHQ分子进行检测,然后在优化结构的基础上计算TBHQ分子的理论红外光谱.将得到的理论红外光谱与实验采集的数据进行对比,呈现出较好的一致性.理论计算结果可见TBHQ分子在0-2000 cm^(-1)和2000-4000 cm^(-1)范围两个区域有明显的红外活性,前者主要是指纹区的振动,后者是官能团的振动;从计算结果还可以明显看出943.9 cm^(-1)为叔丁基C-C伸缩振动以及C-H面外弯曲振动.由于-OH极性基团的取代,在1278.3 cm^(-1)、1307.1 cm^(-1)、1439.1 cm^(-1)、1587.5 cm^(-1)处出现了较强的骨架振动吸收峰和酚羟基-OH面内弯曲振动模式.这些均可作为TBHQ分子的特征峰.这为理解TBHQ的作用机理提供了重要信息,也为食品添加剂的检测研究提供了理论依据.

关键词：特丁基对苯二酚红外光谱密度泛函理论静电势前线分子轨道

自旋-轨道耦合作用下极化激元凝聚中的调制不稳定性

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原子与分子物理学报 2025年第6期42卷 136-143页

作者：陈海军陇东学院物理系庆阳745000

利用线性稳定性分析方法,对存在自旋-轨道耦合(SOS)作用的二维极化激元玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中的调制不稳定性(MI)进行了研究.分析了组分内部,组分之间以及SOC相互作用对系统调制不稳定性的影响.结果显示,当系统内部不存在SOC作用... 详细信息

利用线性稳定性分析方法,对存在自旋-轨道耦合(SOS)作用的二维极化激元玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中的调制不稳定性(MI)进行了研究.分析了组分内部,组分之间以及SOC相互作用对系统调制不稳定性的影响.结果显示,当系统内部不存在SOC作用,组分之间的相互作用为0,组分内部存在排斥作用时,不会出现调制不稳定性,组分内部存在吸引作用时,会出现调制不稳定性,并且调制不稳定性区间长度随吸引作用的增强而增加;组分之间相互作用不为0时,组分之间的相互作用以平方形式出现,其正负不会对调制不稳定性产生实质性影响.存在SOC相互作用时,SOC相互作用会引起增益谱曲线的不规则振荡,破坏原来的调制不稳定性区间.

关键词：极化激元凝聚调制不稳定性自旋-轨道耦合双分量

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沉积电压对直径周期变化的Ni-Zn-In NWs磁性能的影响

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有色金属(中英文) 2025年

作者：张钰杰徐芹肖永娜尹佳缘河北工业大学应用物理系

以三维阳极氧化铝(3D-AAO)为模板，采用直流电沉积法成功制备了直径周期变化的Ni-Zn-In纳米线(NWs)阵列。研究了沉积电压对Ni-Zn-In三元合金纳米线的形貌、晶体结构以及磁性能的影响。实验结果表明3D-AAO模板的孔径可以很好地控制纳米... 详细信息

以三维阳极氧化铝(3D-AAO)为模板，采用直流电沉积法成功制备了直径周期变化的Ni-Zn-In纳米线(NWs)阵列。研究了沉积电压对Ni-Zn-In三元合金纳米线的形貌、晶体结构以及磁性能的影响。实验结果表明3D-AAO模板的孔径可以很好地控制纳米线的几何结构，沉积电压可以调控Ni-Zn-In NWs的晶体结构。PPMS结果表明，Ni-Zn-In NWs具有软磁特性，并且有显著的磁各向异性，易磁化方向垂直于纳米线长轴方向。利用微磁模拟进一步研究单根Ni-Zn-In纳米线的磁化反转机制，揭示了其是卷曲旋转和相干旋转的结合。

关键词： 3D-AAO模板 Ni-Zn-In NWs 电沉积磁性能

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石墨烯褶皱结构对双电层储能性能的理论研究

原子与分子物理学报 2025年第6期42卷 89-100页

作者：张倩蒋更平武汉科技大学理学院应用物理系武汉430081

石墨烯因其出色的比表面积和单层结构而被广泛认为是一种理想的电极材料.然而,实验制备的石墨烯常因官能团、缺陷和位错的引入而出现褶皱和变形.针对这一问题,本文构建了一系列具有不同幅度褶皱(a=0~6.6?)的石墨烯片,并运用分子动力学... 详细信息

石墨烯因其出色的比表面积和单层结构而被广泛认为是一种理想的电极材料.然而,实验制备的石墨烯常因官能团、缺陷和位错的引入而出现褶皱和变形.针对这一问题,本文构建了一系列具有不同幅度褶皱(a=0~6.6?)的石墨烯片,并运用分子动力学模拟来研究这些褶皱石墨烯表面的双电层结构.本研究旨在探讨不同褶皱高度和充电状态下双电层的变化规律,及其与超级电容器储能性能之间的关系.研究发现,褶皱石墨烯模型内部的离子浓度随电压的增加呈现多峰层状分布,而表面离子浓度与施加的电压正相关.此外,石墨烯的褶皱结构能够减少离子和水对电极电压响应的敏感性.在不同电压条件下,褶皱型石墨烯结构的面积比电容(C_A)始终高于其平面对应区域,突出了其在提升双电层储能性能上的优势.本研究揭示了石墨烯褶皱结构在调节离子分布、降低电压敏感性,以及增强电化学储能性能方面的特有作用机制.

关键词：双电层石墨烯褶皱恒电势模拟方法

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基于荧光光谱和拉曼光谱技术的中药检测研究

光谱学与光谱分析 2025年第1期45卷 139-145页

作者：逯美红张凡暴雅婷王志军雷海英王翔宇高鹏慧长治学院物理系山西长治046011 西安信息职业大学物理实验中心陕西西安710125 长治学院生命科学系山西长治046011

中医药是中华文化的瑰宝和中华文明的结晶,在全民健康中发挥着重要作用。由于中药生长环境受限及市场需求量的增大,市场上出现了许多以次充好、以假乱真的中药,这对中药发展及质量保障都极为不利。因此,对中药的检测和鉴定非常重要。为... 详细信息

中医药是中华文化的瑰宝和中华文明的结晶,在全民健康中发挥着重要作用。由于中药生长环境受限及市场需求量的增大,市场上出现了许多以次充好、以假乱真的中药,这对中药发展及质量保障都极为不利。因此,对中药的检测和鉴定非常重要。为了探究中药的荧光光谱和拉曼光谱特性,选取白芷、苏木、山药、地榆四种中药进行分类检测研究。一方面,从化学成分和结构的角度分析中药白芷和苏木产生荧光的可能性,采用F-4600型荧光光谱仪(200~750 nm)分别在不同激发波长和不同浓度下测试了白芷和苏木水浸液的荧光光谱,探究了白芷和苏木水浸液的荧光光谱特性,并对荧光强度与不同浓度、激发波长的关系进行了探讨。另一方面,采用共聚焦显微拉曼光谱仪(100~4000 cm^(-1))对4种不同产地的山药和2种不同产地的地榆中药饮片的拉曼光谱分别进行测试研究。结果表明,白芷水浸液在波长260~350 nm的光激发下,产生较强荧光,最佳激发波长是340 nm,荧光峰值波长为420 nm,其荧光强度随浓度的增大而增强,且样品浓度较低时,荧光强度与浓度成线性关系;苏木水浸液在200~290 nm的光激发下,产生较强荧光,最佳激发波长为220 nm,荧光峰值波长为345 nm,随浓度的增加,荧光强度先增强后减弱,在浓度为0.175 mg·mL^(-1)时荧光强度达到最大。白芷水浸液和苏木水浸液的荧光强度都与激发波长的关系呈现高斯分布,符合荧光规律。分析山药和地榆的拉曼光谱,发现不同产地的拉曼特征基本一致,确认山药的拉曼特征峰主要集中在477、862、939、1080、1258、1337和1457 cm^(-1)处;地榆的拉曼特征峰主要集中在862和1337 cm^(-1)处,主要归属与已有的化学成分研究结果相符。部分特征峰处拉曼活性出现差异,可以作为区分不同产地中药的依据。该研究结果不仅为荧光光谱在中药鉴定及质量分析中的应用提供了实验数据和方法参考,也为利用拉曼光谱技术实现中药的快速准确检测及产地归属奠定了基础。

关键词：白芷苏木山药地榆荧光光谱拉曼光谱

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基于干涉和实时前馈实现三个量子节点的纠缠

原子与分子物理学报 2025年第4期42卷 113-120页

作者：刘艳红陈伟李雁翔太原师范学院物理系晋中030619 太原师范学院计算机科学与技术学院晋中030619 山西北方机械制造有限责任公司太原030009

纠缠多个空间分离的远程量子节点是构建量子信息网络的基础,不仅如此,多量子节点间的纠缠亦可应用于分布式量子计算和量子精密测量等,实现更高纠缠度的多量子节点间纠缠势在必行.文中基于干涉和实时前馈,借助于腔增强通过采用受激拉曼... 详细信息

纠缠多个空间分离的远程量子节点是构建量子信息网络的基础,不仅如此,多量子节点间的纠缠亦可应用于分布式量子计算和量子精密测量等,实现更高纠缠度的多量子节点间纠缠势在必行.文中基于干涉和实时前馈,借助于腔增强通过采用受激拉曼散射机制实现三个远距离原子系综的纠缠.该方案中只需要三套腔增强原子系统,光学谐振腔增强了光和原子之间的相互作用,使得通过受激拉曼散射产生的斯托克斯光场和反斯托克斯光场的效率得到提高,实现了高纠缠度的光与原子纠缠.在此前提下,基于斯托克斯光场的干涉和实时前馈实现三个远程原子节点间的纠缠.这种方法可以扩展到更大规模,甚至更加复杂的量子信息网络中,从而在量子信息科学中具有潜在的应用.

关键词：原子系综纠缠干涉实时前馈受激拉曼散射

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耗散双腔中两量子比特的量子关联动力学

山西大学学报(自然科学版) 2025年

作者：白雪敏史俊杰赵亚丽李嘉莹白雪云晋中学院物理与电子工程系晋中学院材料科学与工程系山西医科大学基础医学院物理系

基于与各自耗散双腔环境相互耦合的两量子比特系统，本文利用几何量子失协和1-范数几何量子失协两种量子关联度量，深入探讨了量子比特-腔耦合系数，腔-腔耦合系数及腔的衰减率对两量子比特之间产生的量子关联的影响。研究表明：两量子... 详细信息

基于与各自耗散双腔环境相互耦合的两量子比特系统，本文利用几何量子失协和1-范数几何量子失协两种量子关联度量，深入探讨了量子比特-腔耦合系数，腔-腔耦合系数及腔的衰减率对两量子比特之间产生的量子关联的影响。研究表明：两量子比特可从零量子关联状态演变为量子关联状态，其呈现出的量子关联会随着量子比特-腔耦合系数的增大产生振荡；对腔-腔耦合系数来说，存在一个临界耦合值，高于或低于该值时，两种量子关联度量表现出不同的动力学行为；腔的衰减率不等于零时，其大值会对量子关联有负面影响。此外，本文揭露了两种量子关联度量都能很好地表征量子关联的产生与衰减，但它们具有不同的临界点和稳定值。

关键词：量子关联几何量子失协 1-范数几何量子失协动力学

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青年亚文化流行语的观察及审思

新闻与传播评论 2025年第1期78卷 80-88页

作者：李英华太原学院教育系山西太原030032

躺平、摆烂等展现青年精神状态的亚文化流行语风格相似且接续流行多年,对这一现象进行历时性思考,有助于深入探寻社会变迁背景下青年心理的时代特征。立足社会生态系统理论,运用深度访谈法进行分析后发现:流行语接续流行之原因可提炼为... 详细信息

躺平、摆烂等展现青年精神状态的亚文化流行语风格相似且接续流行多年,对这一现象进行历时性思考,有助于深入探寻社会变迁背景下青年心理的时代特征。立足社会生态系统理论,运用深度访谈法进行分析后发现:流行语接续流行之原因可提炼为三种“非常之势”,分别是非主流的话语生产、非自觉的自我和解、非传统的自我表达。整体而言,这是社会生态系统中“宏系统”与“历时系统”共同作用的结果,二者分别侧重空间与时间因素。宏系统主要产生文化方面的影响,包括精神文化(具有反常特质的亚文化接续实践)与制度文化(加速时代的结构性困境);历时系统的影响则指向社会变迁(中国式现代化之进程)。流行语之共性及其折射出的青年心理并非既有研究普遍认为的“颓丧”,而是具有戏谑夸张意味的“松弛感”,这源于当代青年自我建构的积极变化,是中国式现代化在人格发展上的生动表达。文章主张以“时空双维”之视角观照亚文化、解析“真青年”,一定程度上丰富了亚文化的研究范式。

关键词：亚文化流行语历时性视角自我建构现代人格 Z世代青年