外加电磁场下周期性体系的第一性原理计算方法

电磁场对物质性质的影响和调控一直是科学研究的核心议题.然而,在计算凝聚态物理领域,由于传统的密度泛函理论并不能轻易推广至含有外加电磁场的情景,且外场往往会破缺周期性体系原本具有的平移对称性,从而使得布洛赫定理失效.因此,利用第一性原理方法计算外场作用下的物质性质并非易事,特别是在外场不能被视为微扰的情况下.在过去的二十年中,许多计算凝聚态物理学者致力于构建和发展适用于有限外场下周期性体系的第一性原理计算方法.本文旨在系统地回顾这些理论方法及其在铁电、压电、铁磁、多铁等领域的应用.本文首先简要介绍现代电极化理论,并阐述基于此理论以及密度泛函理论,构建出两种用于有限电场下计算的方法.然后探讨将外磁场纳入密度泛函理论,并对相关的现有计算手段以及所面临的挑战进行讨论.接着回顾了被广泛用于研究磁性、铁电和多铁体系的第一性原理有效哈密顿量方法,以及该方法在考虑外场时的延伸.最后,介绍了当下备受瞩目的利用机器学习中的神经网络方法构建有效哈密顿量模型的发展成果及在考虑外场下的拓展.     

Mechanically tunable broadband terahertz modulator based on high-aligned Ni nanowire arrays

We present a mechanically tunable broadband terahertz(THz) modulator based on the high-aligned Ni nanowire(NW)arrays. The modulator is a sandwich structure consisting of two polydimethylsiloxane layers and a central layer of highaligned Ni NW arrays. Our experimental measurements reveal the transmittance of THz wave can be effectively modulated by mechanical stretching. The NW density in arrays increases with the strain increasing, which induced an enhancement in the absorption of THz wave. When the strain increases from 0 to 6.5%, a linear relationship is observed for the variation of modulation depth(MD) of THz wave regarding the strain, and the modulated range is from 0 to 85% in a frequency range from 0.3 THz to 1.8 THz. Moreover, the detectable MD is about 15% regarding the 1% strain change resolution. This flexible Ni NW-based modulator can be promised many applications, such as remote strain sensing, and wearable devices.     

High throughput N-modular redundancy for error correction design of memristive stateful logic

Memristive stateful logic is one of the most promising candidates to implement an in-memory computing system that computes within the storage unit. It can eliminate the costs for the data movement in the traditional von Neumann system. However, the instability in the memristors is inevitable due to the limitation of the current fabrication technology, which incurs a great challenge for the reliability of the memristive stateful logic. In this paper, the implication of device instability on the reliability of the logic event is simulated. The mathematical relationship between logic reliability and redundancy has been deduced. By combining the mathematical relationship with the vector-matrix multiplication in a memristive crossbar array, the logic error correction scheme with high throughput has been proposed. Moreover, a universal design paradigm has been put forward for complex logic. And the circuit schematic and the flow of the scheme have been raised. Finally, a 1-bit full adder (FA) based on the NOR logic and NOT logic is simulated and the mathematical evaluation is performed. It demonstrates the scheme can improve the reliability of the logic significantly. And compared with other four error corrections, the scheme which can be suitable for all kinds of R-R logics and V-R logics has the best universality and throughput. Compared with the other two approaches which also need additional complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) circuits, it needs fewer transistors and cycles for the error correction.     

计算最优控制辛数值方法

针对最优控制问题（OCP）的辛数值方法研究及应用进行综述。主要涉及内容包括,动力学系统为常微分方程描述的一般无约束、含不等式约束和状态时滞的最优控制问题,微分代数方程描述的一般无约束、含不等式约束和含切换系统的最优控制问题,以及闭环最优控制问题。从间接法和直接法两个求解框架出发,重点介绍本课题组在保辛算法方面的研究工作。在间接法框架下,首先基于生成函数和变分原理,将OCP保辛离散为非线性方程组,再数值求解方程组。在直接法框架下,将OCP保辛离散为有限维的非线性规划问题（NLP）,再数值求解。针对闭环最优控制问题,提出了保辛模型预测控制、滚动时域估计和瞬时最优控制算法。研究表明,保辛算法具有高精度和高效率的特点,在航空航天和机器人等领域有着广泛应用前景和价值。     

零气耗空气除湿实验研究

针对有热再生式压缩空气除湿装置在再生及冷吹过程中产生气耗的缺点,运用喷射器及恒压变温吸附再生原理设计了一种零气耗空气除湿工艺流程。在搭建小型实验台的基础上,通过改变喷射器引射率进行实验研究三种工况条件下活性氧化铝的吸附再生性能。实验结果表明:实验全过程能够保持一个相对稳定且有效的恒压变温吸附再生条件,且出口空气露点达到生产要求;随着喷射率的降低,吸附剂再生效果逐渐下降,而吸附效果逐渐上升。引射率为0.5时的再生时间约为引射率0.75的1.85倍,再生速率约为0.51倍。而引射率0.33,引射率0.5的吸附效率分别为引射率0.75的1.04倍,1.11倍,吸附稳定时间1.11倍,2.22倍。     

盐析辅助液液萃取交联聚维酮净化-靶向单一离子监测/高分辨质谱法测定蜂蜜中新烟碱类农药残留

基于盐析辅助液液萃取(LLE)交联聚维酮(PVPP)净化技术,建立了蜂蜜中7种新烟碱类农药的靶向单一离子监测(TSIM)/高分辨质谱检测方法。样品用乙腈基于盐析辅助LLE-PVPP提取净化,采用BEH C18色谱柱为分析柱,甲醇-水体系(两相均含0.1%甲酸和5 mmol/L甲酸铵)作为流动相,梯度洗脱,采用高分辨质谱TSIM模式检测目标化合物,内标法定量。结果表明,盐析辅助LLE-PVPP净化技术可实现提取净化一步式样品制备,TSIM扫描模式则显示了更宽的线性动态范围和更高的灵敏度与准确度。7种新烟碱类农药在0.01~100μg/L或0.02~100μg/L范围内具有良好的线性关系(r20.999);方法检出限为0.03~0.07μg/kg,定量下限为0.1~0.2μg/kg。在0.2、2、20μg/kg 3种加标水平下,7种新烟碱类农药在蜂蜜中的平均回收率为84.8%~112.7%,日内精密度(RSDr)为0.9%~5.7%,日间精密度(RSDR)为3.7%~9.7%。该方法前处理简单快速、成本较低,灵敏度高、重现性好,可广泛应用于蜂蜜中新烟碱类农药残留的快速检测。     

Mn/beta与Mn/ZSM-5催化剂对氨选择性催化还原NO的低温催化活性比较:锰前驱体的影响（英文）

氮氧化物(NO_x)作为主要的大气污染物之一,给环境和人类带来一定危害,其主要源于汽车、轮船以及工厂中液态(汽油和柴油)或固态(煤)化石原料的燃烧.目前,选择性催化还原法(SCR)因技术相对成熟且经济有效,被广泛应用于氮氧化物脱除.催化剂是该技术的关键,而典型的商业钒系催化剂(V_2O_5-WO_3/TiO_2和V_2O_5-MoO_3/TiO_2)存在工作窗口温度窄(300–400 oC)、V_2O_5的生物毒性以及较高的SO_2氧化性能等缺点,因此开展高效且环境友好催化剂的研究工作迫在眉睫.近年来,锰基催化剂因其丰富的价态变化以及氧化形态而受到科研工作者的广泛关注.研究者已经对锰前驱体做了大量研究,但是关于不同锰前驱体制备得到的催化剂的活性物种组成以及催化活性往往存在着不同观点.因此进一步开展对锰前驱体研究仍有必要.同时,二氧化钛载体比表面积较小,并不是制备锰基催化剂的理想载体.分子筛载体因其比表面积大、特殊的孔道结构以及丰富的酸位等特点引起了研究者的关注.用于制备锰基催化剂的分子筛载体主要有ZSM-5,Beta,USY和SAPO等,其中ZSM-5系列催化剂是研究热点.另一方面,研究发现Beta分子筛具有良好的水热稳定性,被认为是理想的NH_3-SCR催化剂载体.研究者对比了不同金属负载的Beta分子筛与ZSM-5分子筛的催化活性,结果表明,Fe/beta的催化活性高于Fe/ZSM-5和Fe/ZSM-11;Cu/beta的催化活性与Cu/ZSM-5相当,均表现出较高的活性.而关于Mn/ZSM-5的研究已有大量文献报道,但关于Mn/beta的研究相对较少.另外,关于不同锰前驱体在Beta以及ZSM-5分子筛载体表面的物化性质差异也少有报道.本文以H/beta和H/ZSM-5分子筛作为载体,采用硝酸锰、乙酸锰和氯化锰三种前驱体,通过湿法浸渍制备了Mn/beta和Mn/ZSM-5两类NH_3-SCR催化剂,并在固定床管式反应器中对比评价了两类催化剂的催化活性.凭借氮气等温吸附/脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、氨气程序升温脱附(NH_3-TPD)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征,系统分析了不同前驱体在两种载体表面形成的活性组分以及理化性质对催化性能的影响.催化剂活性评价结果表明,对于Mn/beta和Mn/ZSM-5催化剂,在220–350°C反应温度区间内,乙酸锰和硝酸锰制备的催化剂NO脱除率均在80%以上.其中Mn/beta-Ac在240°C时达到最高的NO脱除率97.5%,并且在220–350°C温度区间内保持着90%以上的活性,具有最宽的活性温度窗口.同时,在两系列锰基催化剂中,乙酸锰制备的催化剂均表现出最佳的催化活性,且对于同一种前驱体制备的催化剂,Mn/beta催化剂的NH_3-SCR活性优于Mn/ZSM-5.BET数据显示,负载锰物种之后,催化剂的比表面积和孔体积均明显减小,但相对于Mn/ZSM-5催化剂,Mn/beta催化剂仍保持着优良的织构性质.XRD、XRF及H_2-TPR结果表明,氯化锰前驱体主要产生少量的结晶Mn_3O_4并且大部分保持以MnCl_2的形式存在,这也是此类催化剂表现出较差的低温催化活性的原因.结合XPS表征分析了催化剂的表面性质.结果表明,硝酸锰前驱体主要产生结晶MnO_2和少量未分解的硝酸锰,乙酸锰前驱体主要产生高度分散的无定形MnO_2和Mn_2O_3混合物以及结晶Mn_3O_4.进一步结合NH_3-TPD分析结果以及活性评价结果可以得出:丰富的无定形MnO_x(MnO_2和Mn_2O_3)物种、较高的表面锰含量和表面活性氧基团以及适当含量的弱酸位有利于提升催化剂的低温NH_3-SCR催化活性.     

IMDD-OFDM系统的低开支、高准确度信道估计方法

提出一种应用于强度调制直接检测光正交频分复用(IMDD-OFDM)传输系统的低开支、高准确度的信道估计算法.该算法充分考虑系统噪声特性,利用梳状导频插入结构,结合符号间平均与子载波间频域线性插值的思想,在低开支导频条件下实现较高的估计准确度.仿真和理论推导结果表明:与传统平均算法和直接线性插值算法相比,基于梳状导频先平均后线性插值的算法估计出来的信道特性更能接近实际信道的.实验结果表明:在误码率为3.8×10~(-3)处,本文所提出的算法仅使用0.78%导频开支即可与使用20%导频开支的平均算法获得相同的接收灵敏度;同时,与传统估计算法相比,该算法与导频开支无关,能较好抗系统中的高斯噪声,获得与真实信道较为接近的估计性能.     

基于非线性偏振旋转效应的多波长掺铥锁模光纤激光器

运用非线性偏振旋转效应实现了一种掺铥锁模多波长光纤激光器.采用环形腔结构,以1 565nm半导体光源为泵浦源,3m长掺铥光纤为增益介质.利用非线性偏振旋转效应进行滤波.当泵浦功率在800mW时,通过调节光纤偏振控制器,激光器出现了被动锁模状态的脉冲输出,脉冲重复频率为3.178MHz,脉冲宽度为617ps.进一步增加泵浦功率,激光器进入多波长输出的工作状态.调节偏振控制器在室温下得到1~5个稳定的波长激光输出,边摸抑制比为40~60dB.     

2μm波段双波长间隔可调谐光纤激光器

提出并实验研究了一种2μm波段全光纤间隔可调双波长光纤激光器.该激光器采用传统的环形腔设计,以最大输出功率33dBm的1 565nm光纤激光器为泵浦源,4m单模掺铥光纤为增益介质,腔内为嵌入多模干涉滤波器的Sagnac环的复合滤波结构.该复合滤波器可实现间隔可调谐,高边模抑制比的双波长激光信号输出.通过泵浦功率的控制和对复合滤波器中偏振控制器的调节,实现双波长3nm到80nm间隔可调的激光输出,边模抑制比为60dB,线宽为0.2nm,功率稳定度为±1.5dB/h,双峰能量差小于4dB.