最新研究進(jìn)展－數(shù)學(xué)與物理學(xué)專輯

強(qiáng)激光模擬太陽(yáng)耀斑中環(huán)頂X射線源和重聯(lián)噴流

張杰 科學(xué)院院士 中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙剛 研究員 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

磁重聯(lián)是方向相反的磁力線因互相靠近而發(fā)生的重新聯(lián)結(jié)的現(xiàn)象，它是等離子體物理中能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)基本過程。在天體物理中磁重聯(lián)模型被廣泛的應(yīng)用于太陽(yáng)耀斑、恒星形成、太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的耦合、吸積盤物理以及伽瑪爆研究中。在實(shí)驗(yàn)室等離子體物理中，磁重聯(lián)過程也引起了人們廣泛的研究興趣，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用不同的能源驅(qū)動(dòng)設(shè)備來構(gòu)造，如Z箍縮、托克馬克等。天體等離子體中磁重聯(lián)模型有著許多間接的觀測(cè)證據(jù)，其中最為著名的就是在太陽(yáng)耀斑中觀測(cè)到的環(huán)頂X射線源。傳統(tǒng)的磁重聯(lián)裝置由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較低等因素在標(biāo)度變化下無法與大尺度的天體磁重聯(lián)現(xiàn)象相比。利用強(qiáng)激光等離子體的自生磁場(chǎng)構(gòu)造這種磁重聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在實(shí)驗(yàn)室研究磁重聯(lián)物理現(xiàn)象的一個(gè)突破。長(zhǎng)脈沖激光聚焦在平面靶上產(chǎn)生的等離子體的溫度與密度梯度的方向極端不一致。這種溫度和密度梯度的不一致將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)從而引發(fā)熱電流，最終誘發(fā)環(huán)形的高達(dá)兆高斯量級(jí)的自生強(qiáng)磁場(chǎng)。并且在激光脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，這個(gè)自生磁場(chǎng)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的，“凍結(jié)”在激光等離子體表面來向四周擴(kuò)散。依據(jù)這個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的自生強(qiáng)磁場(chǎng)，利用上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的神光II號(hào)裝置巧妙的構(gòu)造了激光等離子體磁重聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。觀測(cè)到了與太陽(yáng)耀斑中環(huán)頂X射線源極為相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過磁流體標(biāo)度變換理論分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)物理參數(shù)是驚人的相似。通過仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)室重聯(lián)區(qū)尺度特征，發(fā)現(xiàn)激光等離子體磁重聯(lián)區(qū)存在兩個(gè)耗散區(qū)，其中離子耗散區(qū)的尺度與理論模擬一致，而電子耗散區(qū)尺度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要大于傳統(tǒng)的理論值，這為理論探索磁重聯(lián)電子耗散區(qū)尺度提出了挑戰(zhàn)。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理論的觀測(cè)約束

余洪偉 教授 湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院

三維拓?fù)浣^緣體Bi2Be3制備二維量子薄膜

薛其坤 科學(xué)院院士 清華大學(xué)物理系

拓?fù)浣^緣體是最近幾年發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)形態(tài)。拓?fù)浣^緣體與普通的絕緣體一樣在費(fèi)米能級(jí)附近具有能隙，然而由于其能帶特殊的拓?fù)湫再|(zhì)，在其表面或與普通絕緣體的界面上會(huì)出現(xiàn)無能隙、自旋劈裂且具有線性色散關(guān)系的表面/界面態(tài)。這種無能隙表面/界面態(tài)的存在完全由材料體能帶的性質(zhì)所決定，因此不像普通材料的表面/界面態(tài)那樣易于被缺陷和無序所破壞。拓?fù)浣^緣體表面/界面態(tài)的這些獨(dú)特性質(zhì)使其很有希望應(yīng)用于自旋電子器件和容錯(cuò)量子計(jì)算中，而這兩個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展將有可能對(duì)信息技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響。從基礎(chǔ)物理研究的角度來講，拓?fù)浣^緣體與近年的研究熱點(diǎn)如量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)以及石墨烯等領(lǐng)域一脈相承，其基本特征都是利用物質(zhì)中電子能帶的拓?fù)湫再|(zhì)來實(shí)現(xiàn)各種新奇的物性。因此，拓?fù)浣^緣體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就迅速引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)方面的研究者的濃厚興趣。通過對(duì)生長(zhǎng)條件的深入研究，在SiC襯底上制備出了宏觀面積范圍具有單一厚度的Bi2Se3薄膜，并實(shí)現(xiàn)了薄膜厚度的逐層控制。利用ARPES技術(shù)，系統(tǒng)研究了Bi2Se3從厚度僅一個(gè)QL到幾百Q(mào)L的電子結(jié)構(gòu)的演化（Bi2Se3在z方向單位原胞為一個(gè)quintuplelayer，簡(jiǎn)稱QL）。研究發(fā)現(xiàn)，在Bi2Se3薄膜厚度小于6QL時(shí)，由于薄膜表面一側(cè)的Dirac表面態(tài)會(huì)與界面一側(cè)的Dirac表面態(tài)的波函數(shù)之間發(fā)生交疊，使得原來的無能隙表面態(tài)上會(huì)打開一個(gè)能隙。更有趣的是，由于襯底與薄膜電荷轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致的薄膜內(nèi)的能帶彎曲，表面態(tài)會(huì)發(fā)生Rashba型的自旋劈裂，而這種自旋劈裂的大小可以通過調(diào)控能帶彎曲的程度所控制。這項(xiàng)工作表明，在三維拓?fù)浣^緣體薄膜的界面一側(cè)確實(shí)存在一個(gè)與表面態(tài)類似的Dirac表面態(tài)，并且利用外加電壓人們可以操縱這種材料的電子自旋，這對(duì)發(fā)展新的自旋電子器件具有指導(dǎo)意義。三維拓?fù)浣^緣體的量子薄膜的成功制備也為理論預(yù)言的量子反常霍爾效應(yīng)、巨大的熱電效應(yīng)、激子凝聚等效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理論是一個(gè)平移的延伸，或扭轉(zhuǎn)標(biāo)量T，重力，最近被用于解釋不需要暗能量的條件下當(dāng)前宇宙的加速膨脹。我們首次將Statefinder分析和Om（z）診斷用于兩個(gè)實(shí)際的F（T）模型。研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模型都不可能存在幻象分割線的穿越，這與已知結(jié)果相矛盾。我們緊接著研究了對(duì)最新Uinon2型laSupernova設(shè)置、重子聲學(xué)振蕩和宇宙微波背景（中巴）輻射的約束。研究顯示，模型1和模型2均為95%置信水平。我們還研究了理論中有效暗能量的狀態(tài)方程的改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)Ia Supernova更傾向于類幻象的暗能量。

——摘自《Phys. Lett. B》

用于超布朗運(yùn)動(dòng)的顯式Schilder法則

向開南 教授 南開大學(xué)組合數(shù)學(xué)中心

超過程理論中的中心對(duì)象，如一般布朗運(yùn)動(dòng)和超布朗運(yùn)動(dòng)，是多種設(shè)置下的通用對(duì)象。Schilder法則和Cramer法則是大偏差理論的兩個(gè)主要議題。帶有以變分方程表示的速率函數(shù)的超布朗運(yùn)動(dòng)的Schilder（Cramer）大偏差已于1993年和1994年分別建立，在為帶有顯式速率函數(shù)的大偏差問題給出肯定的回答做出了非常有價(jià)值貢獻(xiàn)。在本篇文章中，在該主題和布朗震動(dòng)的前人成果的基礎(chǔ)上，我們建立了用于非零有限初始測(cè)量的大偏差。

——摘自《Commun. PureAppl. Math.》

GPS激發(fā)的膜世界中額外維物質(zhì)場(chǎng)

劉玉孝 教授 蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

我們研究了Gergory-Rubakov-Sibiryakov激發(fā)的膜世界中額外維物質(zhì)場(chǎng)的定位和質(zhì)量光譜。在該膜世界模型中存在一個(gè)位于額外維起始位置的厚膜和兩個(gè)位于兩側(cè)的薄膜。由于兩個(gè)薄膜的有限距離，左手費(fèi)米子本征態(tài)可局限于厚膜上，這存在幾個(gè)大規(guī)模約束模式和響應(yīng)模式。響應(yīng)針對(duì)準(zhǔn)局部大量費(fèi)米子。對(duì)于不限無質(zhì)量自旋0的標(biāo)量，當(dāng)兩個(gè)薄膜的距離有限時(shí)，本征態(tài)不局限于厚膜。當(dāng)大量標(biāo)量Phi與自身及背景標(biāo)量場(chǎng)phi耦合的條件下，為得到位于厚膜賞的本征態(tài)，我們引入了頻率調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)。對(duì)于自旋1載體，由于有效的勢(shì)能，非約束KK模型是不存在的。我們還研究了當(dāng)兩薄膜距離趨向于無限時(shí)的物理特性。

——摘自《J. Cosmol. Astropart. Phys.》

真單標(biāo)量暗物質(zhì)模型

吳岳良 研究員 中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所

我們呈現(xiàn)出一個(gè)最簡(jiǎn)單暗物質(zhì)模型的最新綜合分析，在該模型中一個(gè)真單標(biāo)量被引入以擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型。根據(jù)已知的暗物質(zhì)豐度，我們預(yù)測(cè)在整個(gè)參數(shù)空間中暗物質(zhì)直接和間接探測(cè)的截面。Breit-Wigner響應(yīng)影響被用于計(jì)算熱截面平均湮沒。研究發(fā)現(xiàn)，三個(gè)區(qū)域可被當(dāng)前直接和間接暗物質(zhì)搜索實(shí)驗(yàn)排除。另外，我們也討論了該模型在對(duì)撞機(jī)Higgs搜索中的幫助。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

Kerr-Newman黑洞的隱藏形對(duì)稱性

王永強(qiáng) 教授 蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

我們以近區(qū)域Kerr/CFT對(duì)應(yīng)的思想研究了四維非極性Kerr-Newman黑洞的隱藏形對(duì)稱性。近區(qū)域Kerr-Newmann黑洞與帶有左右溫度的2D CFT對(duì)偶。而且，我們以Cardy方程重現(xiàn)了K err-N ewman黑洞的微觀熵，該熵與宏觀Bekenstein-Hawking熵相一致，并與帶有限溫度吸收截面2D CFT的Kerr-Newman黑洞的近區(qū)域標(biāo)量場(chǎng)的吸收截面精確匹配。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

3×3中微子質(zhì)量矩陣的通用對(duì)角化及其對(duì)味對(duì)稱和最大CP破壞的意義

邢志忠 研究員 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

我們利用味本態(tài)識(shí)別了三帶電子的質(zhì)量本態(tài)，在此基礎(chǔ)上通過3×3中微子混合矩陣V的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化構(gòu)建了一個(gè)可對(duì)角化的Majorana中微子質(zhì)量矩陣M-v。在處理過程中，M-v的非物理態(tài)必須被仔細(xì)分解出來，否則就要用一個(gè)特定的中微子場(chǎng)的轉(zhuǎn)化以簡(jiǎn)化M-v至M-v’的過程。我們選擇了這個(gè)特性的味基態(tài)，建立了矩陣元素和幾個(gè)物理參量之間的一定分析精度的聯(lián)系。該結(jié)果使我們可以推導(dǎo)味對(duì)稱性的條件和可用于討論特定中微子質(zhì)量模型的最大CP破壞。

——摘自《Phys. Lett. B》