长程机器学习势函数在复杂化学空间中的泛化能力研究
本研究系统评估了不同长程修正机器学习势函数架构在复杂化学空间中的表现。研究发现，长程修正方案不仅能提升模型在分布内数据的性能，更重要的是能显著增强模型对未见化学空间区域的泛化能力。为进行更严谨的基准测试，研究引入了有偏的训练-测试集划分策略，以明确测试模型在化学空间显著不同区域的表现。该方法虽以金属有机框架为例，但广泛适用于其他材料，为设计更稳健、可迁移的机器学习势函数提供了框架和诊断工具。
2025-12-15 速览 · 物理学
2025-12-15 共 24 条抓取，按综合热度排序
任意形状海冰浮冰在波浪中运动与变形的耦合动力学模型
本研究建立了一个全面的数学模型，用于描述任意形状、非均匀厚度的海冰浮冰在线性海洋波浪作用下的耦合水弹性动力学。该模型在一个统一的格林函数框架内，同时纳入了四种主要的刚体运动（垂荡、纵荡、横摇、纵摇）和完整的弯曲变形模态谱。通过将速度势分解为与入射波、散射波、刚体运动和弹性模态相关的部分势，将问题简化为所有边界段上表面密度函数的第二类Fredholm积分方程组。研究提供了非均匀厚度浮冰谱的渐近分析，并讨论了入射波频率与固有振动模态相互作用产生的共振现象。
冠状动脉血流模型引入不确定性量化，提升临床决策可信度
本研究将不确定性量化（UQ）方法整合到冠状动脉左主干的稳态血流计算流体动力学（CFD）模型中，以分析输入血流动力学参数对壁面剪应力（WSS）的影响。研究采用UncertainSCI工具，通过多项式混沌展开构建输入参数与输出WSS之间的代理模型，并直接从中提取敏感性指数和统计量。结果表明，在理想化模型中速度是WSS变异的主要来源（~79%），而在患者特异性模型中粘度占主导（~59%）。该框架有助于增强计算模型的可信度，推动其在冠心病诊断、预后和治疗策略临床决策中的应用。
Ugo Amaldi与DELPHI实验：LEP对撞机的物理遗产与科学文化影响
本文通过Ugo Amaldi的科学生涯与领导力，描绘了CERN大型正负电子对撞机（LEP）上DELPHI实验的贡献。从Z玻色子极点的精确研究，到W玻色子对产生的高能运行，再到雄心勃勃的希格斯粒子搜寻，DELPHI深刻塑造了LEP的物理研究计划。文章重点介绍了Amaldi在探测器技术选择、支持青年物理学家及协作领导方面的创新，并指出DELPHI在技术、软件、治理结构和数据共享实践上，为后续对撞机实验和当代科学政策奠定了基础，其遗产不仅限于粒子物理，更成为现代科学文化的重要组成部分。
基于物理信息的挤出式3D打印动态建模，实现实时控制
本研究针对挤出式3D打印在实时优化与控制中模型精度与计算成本的矛盾，提出了一种降阶动态流动模型。该模型基于Navier-Stokes方程推导的物理原理，通过空间平均和输入相关参数化进行简化，并使用非线性最小二乘法结合CFD仿真数据进行辨识与验证。结果表明，该模型在喷嘴、喷嘴-基板间隙及沉积层区域均与高保真CFD数据高度吻合，在捕捉主导流动动力学的同时，保持了适用于实时控制与优化的计算简洁性。
3D打印显微镜：低成本光学教学工具，支持定量波动光学实验
研究人员开发了一种可用于本科波动光学实验的教学工具——一种配备摄像头的显微镜。该设备既可由标准显微镜改造，也可使用市售的物镜、分束器、LED、线性平台等廉价组件结合3D打印部件组装而成。通过结合白光LED照明和干涉滤光片，该仪器能够定量研究折射、干涉（如牛顿环）、菲涅尔和夫琅禾费衍射等多种光学现象，为光学课程的理论教学提供了直观的实验支持。
阿拉斯加海域冰情数据对比研究：区域冰图与卫星产品差异揭示航行风险
本研究对比了阿拉斯加海冰计划的区域冰图与哥白尼卫星海冰密集度数据，发现哥白尼数据在近岸和边缘冰区（如库克湾）存在系统性低估。经验正交函数分析表明两者捕捉的主要物理模态一致。结合船舶自动识别系统数据与POLARIS风险指数评估发现，约36%在冰区航行的船舶处于高风险状态。研究证明区域冰图与卫星产品互补，可提升北极航行风险评估的准确性。
微重力与近绝对零度：量子计算硬件的新前沿
本文提出，结合微重力与超低温环境，可为量子比特提供近乎“理想”的操作环境，显著减少引力扰动、热噪声和振动干扰，从而延长量子比特相干时间并降低错误率。研究分析了超导电路、囚禁离子、超冷中性原子和光子量子比特四种主流平台如何从中受益，并引用了国际空间站上的玻色-爱因斯坦凝聚态、轨道原子钟及空间光子量子计算机的实验证据。最后，文章提议开展地面与微重力环境下量子处理器的并行对比实验，以直接量化移除引力影响后量子比特相干性、门保真度和读出精度的提升。
nEXO实验低温ASIC电荷读出芯片性能验证
为下一代无中微子双贝塔衰变实验nEXO，研究人员开发了可在液氙中直接工作的低温专用集成电路（CRYO ASIC），以读取电离信号。测试表明，该芯片在液氙温度下性能稳定，24小时增益变化小于0.2%，并能通过片上脉冲器进行原位校准。通过将系统压力维持在约0.1 MPa以上，可有效缓解芯片发热导致的沸腾问题。实测噪声与仿真一致，满足150电子设计指标，验证了其作为nEXO低噪声电荷读出方案的可行性。
机器学习在粒子物理前沿的应用概述
本章节概述了机器学习（ML）的核心概念，即利用算法从数据中学习、识别模式并进行预测或决策，而无需显式编程。重点探讨了与粒子物理学相关的ML方法，并提供了其在能量前沿、强度前沿、宇宙前沿和加速器前沿等领域的应用实例。
固态氖中钡原子光谱研究：首次测量激发态寿命
本研究利用基质隔离光谱技术，在6.8 K的氖晶体中对中性钡原子进行了光谱分析。通过两种激光激发方案，观测了钡的荧光级联过程，测量了基质引起的能级位移和非均匀线宽，并首次在氖晶体中测量了钡5d6s 3D1态的寿命，结果为0.39 ± 0.02秒。该研究为未来在氖基质中使用氟化钡进行电子电偶极矩搜索奠定了基础，并有助于理解钡原子作为杂质可能带来的背景和系统限制。
铋纳米光栅实现窄带等离子体共振，用于动态偏振色彩生成与传感
本研究报道了一种新型铋纳米光栅，其具有偏振敏感且窄带的等离子体共振特性（Q > 10）。该结构通过无光刻方法在DVD纳米结构层上沉积铋制成，面积可达平方厘米级。当入射光偏振方向垂直于光栅线时，会产生随入射角变化的可见光至近红外等离子体共振，从而产生虹彩偏振色；而平行偏振时则无此现象。该共振对周围介质折射率变化极为敏感（> 500 nm/RIU），例如颜色可从空气中的绿色变为水中的红色，展示了其在动态偏振色彩生成和比色传感方面的应用潜力。
基于氧化物界面的低功耗模拟忆容器，为神经形态计算提供新方案
研究人员利用LaAlO3/SrTiO3异质界面形成的准二维电子气作为电极，结合SiO2/SrTiO3介质层，成功制备出新型忆容器。该器件通过栅压可逆调控电容，并能通过预编程栅压控制电容滞回窗口的移动，在零偏压下实现更大的电容窗口。其低电压操作和栅极可调性，为构建高能效的电容型神经形态和突触电子架构提供了有潜力的硬件基础。
Cr2O3/β-Ga2O3异质结二极管展现优异电学稳定性与热稳定性
本研究对比了基于Cr2O3和NiOx的β-Ga2O3异质结二极管（HJD）的电学特性。两种二极管均表现出优异的整流性能，击穿电压可达1.4-2.3 kV。研究发现，暴露于环境后，NiOx基HJD的正向电流密度在10天后显著下降，而Cr2O3基HJD则保持稳定。实验与理论分析表明，NiOx的稳定性受环境水分影响，且在高温下界面会形成镍镓酸盐相，导致热稳定性降低。该研究证实Cr2O3是实现稳定、高性能多千伏β-Ga2O3异质结二极管的理想p型氧化物材料。
双能电子束二极管中发现五种电荷传输模式及其转换机制
本研究通过全动理学粒子网格模拟，首次揭示了双能电子束二极管中存在的五种不同电荷传输模式及其转换。研究发现，特定的传输模式（如空间电荷振荡）和电流传输特性主要由电子束能量与注入电流密度之间的相互作用决定。研究进一步对n组分电子束进行了更广义的分析，并提出了一个与模拟结果吻合良好的理论分段函数。这一发现为理解二极管中多电子束传输提供了机制性图像，为设计高性能现代真空电子器件开辟了新途径。
苯二聚体势能面：电荷共振与色散作用同等重要
传统观点认为苯二聚体的非共价相互作用主要由色散力主导。本研究通过现代电子结构理论分析发现，由分子间电荷离域产生的“电荷共振”效应对其势能面形状具有关键影响。忽略电荷共振会导致能量最低点位置出现约2埃的显著偏移。因此，准确理解苯二聚体结合需要同时考虑色散相互作用和电荷共振两种机制。
量子光学教学中概念与定量推理融合框架对学生理解的影响研究
本研究通过对比纯概念版与概念-定量融合版（混合版）量子交互学习教程（QuILT）在量子光学教学中的应用效果，探讨了整合概念与定量推理对学生概念理解的影响。研究发现，对于物理研究生而言，使用混合版QuILT的学生在概念后测中的表现优于纯概念版；本科生的效果则因班级而异。结果表明，在研究型教学工具中融合概念与定量内容，其效果应与学生已有的物理和数学知识水平相匹配。
首个光学斯格明子拓扑探测器：基于深度衍射光学神经网络
研究团队首次利用深度衍射光学神经网络，实现了对光场斯格明子拓扑数的确定性探测。该网络采用双通道、各5层的衍射结构，将输入拓扑映射到空间分离的高斯通道进行检测。通过采用空间模式基而非像素基，训练变量比现有方法减少1000倍。在81种输入拓扑和显著噪声下均表现出高精度，并成功演示了基于14级拓扑字母表的图像编码传输，无明显串扰。
紧凑型纳米剂量计工作原理获实验验证，为粒子治疗等应用铺路
本研究通过实验与蒙特卡洛模拟，首次直接验证了紧凑型纳米剂量计的核心工作假设：其信号主要源于气体分子在强电场下的离子碰撞电离，而非孔壁电子发射。团队开发了单孔（直径1.5毫米）探测器，在低气压丙烷中观测到高信号产额，并通过优化电极设计排除了孔壁干扰。该成果对理解并优化此类探测器至关重要，有望推动其在粒子治疗、辐射防护及空间剂量学等领域的应用。
后掠翼俯仰运动中压力中心移动与涡流作用研究
本研究基于已有实验数据，分析了刚性后掠翼在大振幅正弦俯仰运动下压力中心的移动规律。研究发现，压力中心在翼展方向和弦向移动显著，且移动轨迹受后掠角影响，这与前缘涡和翼尖涡的强度和动态演变密切相关。研究采用力矩分区法分析立体粒子图像测速数据，量化了机翼运动学、涡结构和粘性效应对净力和力矩的贡献，揭示了流场中周期性和随机分量对气动载荷的影响机制。
三维重力-毛细驻波的计算、共振与不稳定性研究
本研究采用截断哈密顿量方法和Dirichlet-Neumann算子展开，对三维重力-毛细驻波进行了数值分析。通过利用时空对称性，将问题简化为三重周期边值问题，并采用时空配置法求解，有效避免了表面张力带来的数值刚性和时间积分的不稳定性。研究发现了方形、六边形及更复杂的花状驻波模式，这些是经典Wilton波纹的推广。时间模拟揭示了基于二维驻波斜向不稳定性的新机制。
逆设计非厄米微腔实现高纯度轨道角动量光生成
研究人员通过逆设计方法，优化了一种氮化镓六角形中空纳米线回音壁模式微腔。通过打破纳米线横截面的镜面对称性（引入非厄米扰动），成功在亚微米尺寸内生成了轨道角动量（OAM）拓扑光。该设计实现了|m|=6的OAM模式，模式纯度高达约97%，品质因子约为250，是首个单组分、材料均一的亚微米级有源光子OAM器件。
新方法解决面波反演低频模式跳变难题，提升地下结构成像精度
本研究提出了一种“主导模式反演”新框架，用于解决在强波阻抗对比场地中，瑞利面波低频段能量从基阶模向高阶模平滑过渡（模式跳变）导致的传统反演难题。该方法通过在每个频率点自动识别垂直地表振幅最大的面波模式进行反演，无需预先指定模式阶数或假设基阶模主导。基于薄层法的正演模型结合粒子群优化算法，在合成模型和真实场地数据（I15井下阵列）测试中均成功恢复了主要速度界面和深度，避免了传统基阶模反演高估深层剪切波速度或误判基岩深度的缺陷。
直接波前优化设计高性能弹性超表面，实现复杂波场操控
本研究提出了一种直接波前塑形拓扑优化框架，用于自动化设计高性能、一体化的弹性超表面。该方法通过引入可移动、可变形且相互作用的椭圆形孔洞参数化几何结构，大幅减少了设计变量，并实现了对非局域单元耦合的整体优化。研究成功设计了用于高效纵波-横波大角度偏转转换、波长复用波束偏转以及数值孔径超过0.99的反射/透射超透镜等复杂功能的超表面。与现有梯度折射率、阻抗匹配及混合设计相比，该方案在效率、抑制杂散散射和聚焦能力方面均表现出显著优势，并通过实验验证了最具挑战性的透射超透镜。