最新研究進展－數學與物理學專輯

最新研究進展－數學與物理學專輯

強激光模擬太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流

張杰 科學院院士 中國科學院物理研究所趙剛 研究員 中國科學院國家天文臺

磁重聯是方向相反的磁力線因互相靠近而發生的重新聯結的現象，它是等離子體物理中能量轉化的一個基本過程。在天體物理中磁重聯模型被廣泛的應用于太陽耀斑、恒星形成、太陽風與地球磁層的耦合、吸積盤物理以及伽瑪爆研究中。在實驗室等離子體物理中，磁重聯過程也引起了人們廣泛的研究興趣，其拓撲結構可以采用不同的能源驅動設備來構造，如Z箍縮、托克馬克等。天體等離子體中磁重聯模型有著許多間接的觀測證據，其中最為著名的就是在太陽耀斑中觀測到的環頂X射線源。傳統的磁重聯裝置由于磁場強度較低等因素在標度變化下無法與大尺度的天體磁重聯現象相比。利用強激光等離子體的自生磁場構造這種磁重聯拓撲結構是在實驗室研究磁重聯物理現象的一個突破。長脈沖激光聚焦在平面靶上產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生熱電動勢從而引發熱電流，最終誘發環形的高達兆高斯量級的自生強磁場。并且在激光脈沖的持續時間內，這個自生磁場是準穩態的，“凍結”在激光等離子體表面來向四周擴散。依據這個準穩態的自生強磁場，利用上海光機所高功率激光物理聯合實驗室的神光II號裝置巧妙的構造了激光等離子體磁重聯拓撲結構。觀測到了與太陽耀斑中環頂X射線源極為相似的實驗結果。通過磁流體標度變換理論分析，發現兩個系統的各項物理參數是驚人的相似。通過仔細分析實驗室重聯區尺度特征，發現激光等離子體磁重聯區存在兩個耗散區，其中離子耗散區的尺度與理論模擬一致，而電子耗散區尺度的實驗結果要大于傳統的理論值，這為理論探索磁重聯電子耗散區尺度提出了挑戰。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理論的觀測約束

余洪偉 教授 湖南師范大學物理與信息科學學院

三維拓撲絕緣體Bi2Be3制備二維量子薄膜

薛其坤 科學院院士 清華大學物理系

拓撲絕緣體是最近幾年發現的一種新的物質形態。拓撲絕緣體與普通的絕緣體一樣在費米能級附近具有能隙，然而由于其能帶特殊的拓撲性質，在其表面或與普通絕緣體的界面上會出現無能隙、自旋劈裂且具有線性色散關系的表面/界面態。這種無能隙表面/界面態的存在完全由材料體能帶的性質所決定，因此不像普通材料的表面/界面態那樣易于被缺陷和無序所破壞。拓撲絕緣體表面/界面態的這些獨特性質使其很有希望應用于自旋電子器件和容錯量子計算中，而這兩個領域的進展將有可能對信息技術產生革命性的影響。從基礎物理研究的角度來講，拓撲絕緣體與近年的研究熱點如量子霍爾效應、自旋霍爾效應以及石墨烯等領域一脈相承，其基本特征都是利用物質中電子能帶的拓撲性質來實現各種新奇的物性。因此，拓撲絕緣體一經發現就迅速引起凝聚態物理和材料科學方面的研究者的濃厚興趣。通過對生長條件的深入研究，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，并實現了薄膜厚度的逐層控制。利用ARPES技術，系統研究了Bi2Se3從厚度僅一個QL到幾百QL的電子結構的演化（Bi2Se3在z方向單位原胞為一個quintuplelayer，簡稱QL）。研究發現，在Bi2Se3薄膜厚度小于6QL時，由于薄膜表面一側的Dirac表面態會與界面一側的Dirac表面態的波函數之間發生交疊，使得原來的無能隙表面態上會打開一個能隙。更有趣的是，由于襯底與薄膜電荷轉移所導致的薄膜內的能帶彎曲，表面態會發生Rashba型的自旋劈裂，而這種自旋劈裂的大小可以通過調控能帶彎曲的程度所控制。這項工作表明，在三維拓撲絕緣體薄膜的界面一側確實存在一個與表面態類似的Dirac表面態，并且利用外加電壓人們可以操縱這種材料的電子自旋，這對發展新的自旋電子器件具有指導意義。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的成功制備也為理論預言的量子反?；魻栃?、巨大的熱電效應、激子凝聚等效應的研究提供了基礎。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理論是一個平移的延伸，或扭轉標量T，重力，最近被用于解釋不需要暗能量的條件下當前宇宙的加速膨脹。我們首次將Statefinder分析和Om（z）診斷用于兩個實際的F（T）模型。研究發現兩個模型都不可能存在幻象分割線的穿越，這與已知結果相矛盾。我們緊接著研究了對最新Uinon2型laSupernova設置、重子聲學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方程的改進，發現Ia Supernova更傾向于類幻象的暗能量。

——摘自《Phys. Lett. B》

用于超布朗運動的顯式Schilder法則

向開南 教授 南開大學組合數學中心

超過程理論中的中心對象，如一般布朗運動和超布朗運動，是多種設置下的通用對象。Schilder法則和Cramer法則是大偏差理論的兩個主要議題。帶有以變分方程表示的速率函數的超布朗運動的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的大偏差問題給出肯定的回答做出了非常有價值貢獻。在本篇文章中，在該主題和布朗震動的前人成果的基礎上，我們建立了用于非零有限初始測量的大偏差。

——摘自《Commun. PureAppl. Math.》

GPS激發的膜世界中額外維物質場

劉玉孝 教授 蘭州大學物理科學與技術學院

我們研究了Gergory-Rubakov-Sibiryakov激發的膜世界中額外維物質場的定位和質量光譜。在該膜世界模型中存在一個位于額外維起始位置的厚膜和兩個位于兩側的薄膜。由于兩個薄膜的有限距離，左手費米子本征態可局限于厚膜上，這存在幾個大規模約束模式和響應模式。響應針對準局部大量費米子。對于不限無質量自旋0的標量，當兩個薄膜的距離有限時，本征態不局限于厚膜。當大量標量Phi與自身及背景標量場phi耦合的條件下，為得到位于厚膜賞的本征態，我們引入了頻率調節關聯。對于自旋1載體，由于有效的勢能，非約束KK模型是不存在的。我們還研究了當兩薄膜距離趨向于無限時的物理特性。

——摘自《J. Cosmol. Astropart. Phys.》

真單標量暗物質模型

吳岳良 研究員 中國科學院理論物理研究所

我們呈現出一個最簡單暗物質模型的最新綜合分析，在該模型中一個真單標量被引入以擴展標準模型。根據已知的暗物質豐度，我們預測在整個參數空間中暗物質直接和間接探測的截面。Breit-Wigner響應影響被用于計算熱截面平均湮沒。研究發現，三個區域可被當前直接和間接暗物質搜索實驗排除。另外，我們也討論了該模型在對撞機Higgs搜索中的幫助。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

Kerr-Newman黑洞的隱藏形對稱性

王永強 教授 蘭州大學物理科學與技術學院

我們以近區域Kerr/CFT對應的思想研究了四維非極性Kerr-Newman黑洞的隱藏形對稱性。近區域Kerr-Newmann黑洞與帶有左右溫度的2D CFT對偶。而且，我們以Cardy方程重現了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黑洞的近區域標量場的吸收截面精確匹配。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

3×3中微子質量矩陣的通用對角化及其對味對稱和最大CP破壞的意義

邢志忠 研究員 中國科學院高能物理研究所

我們利用味本態識別了三帶電子的質量本態，在此基礎上通過3×3中微子混合矩陣V的標準參數化構建了一個可對角化的Majorana中微子質量矩陣M-v。在處理過程中，M-v的非物理態必須被仔細分解出來，否則就要用一個特定的中微子場的轉化以簡化M-v至M-v’的過程。我們選擇了這個特性的味基態，建立了矩陣元素和幾個物理參量之間的一定分析精度的聯系。該結果使我們可以推導味對稱性的條件和可用于討論特定中微子質量模型的最大CP破壞。

——摘自《Phys. Lett. B》