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物理学

2026-01-01 01-01 15:40

今日物理学研究呈现多尺度、多方法交叉融合的鲜明特征,从微观量子世界到宏观地球系统,理论与实验、计算与数据驱动方法共同推动认知边界。

  1. 量子基础与计算物理:对量子力学诠释的哲学讨论强调物理表述的精确性,而基于Transformer的自回归模型和物理信息学习框架则展示了AI在高效模拟等离子体边缘动力学、修正经典密度泛函理论方面的巨大潜力,旨在提升计算精度与效率。
  2. 原子分子与光学物理:超冷原子领域通过优化双对反亥姆霍兹线圈设计,实现了60纳K的超低温BEC制备;同时,在深紫外LED制备上,利用块体AlN衬底实现了265 nm的高性能边缘发射,推进了光电器件发展。
  3. 凝聚态与材料物理:研究重点在于精确预测与新奇物性。周期性DLPNO-MP2方法揭示了CO在MgO表面吸附的覆盖度效应;而声学模拟实验则揭示了非厄米拓扑系统中由趋肤效应等驱动的纠缠动力学新机制;此外,聚焦光场中发现了本征涌现且鲁棒的麦伦自旋纹理。
  4. 地球物理与流体物理:跨尺度关联成为新视角。研究指出地球自振可能通过影响气压模式驱动全球天气;同时,对地震断层浅层流体降压机制的研究,量化了非弹性扩容对孔隙压力的关键影响。在流体力学方面,提出了相对Liutex等新的涡旋识别方法,并探究了钝体尾流撞击多孔层的复杂湍流与传热机制。
  5. 高能与天体物理:实验技术与加速机制研究并进。CSES-02卫星搭载了首款基于MAPS的太空粒子探测器;同时,模拟研究揭示了粒子反馈通过放大剪切流来增强磁重联中粒子加速效率的新机制。
  6. 交叉与应用物理:方法学创新驱动应用突破。在医学成像领域,结合物理信息扩散模型的qMRI框架实现了快速、静音、定量的多参数成像;在传感领域,基于石墨烯等离子体激元的太赫兹智能腕带实现了传感与通信的单片集成;而暗物质探测实验PandaX-xT则完成了可支撑43吨液氙探测器的低温系统设计。

2026-01-01 速览 · 物理学

2026-01-01 共 24 条抓取,按综合热度排序

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量子力学诠释:理解与解释的界限何在?

本文针对Karen Crowther关于量子诠释的论述展开评析,首先厘清了她对“诠释”的定义——一种旨在提供理解(而不仅仅是预测)的努力,可分为表征主义与非表征主义,并与更深层的还原论解释(尤其在量子引力语境下)相区别。其次,作者指出了原文中十二处物理表述可进一步精确化的要点,认为部分观点虽方向正确,但表述过于绝对,或将“自由度”、“奇点”及不同“定域性”概念等本需仔细区分的观念混为一谈。最后强调,该哲学问题本身具有价值,但物理表述应更为审慎,以免将启发性的动机误读为严格的逻辑推论。

量子诠释量子引力科学哲学还原论物理基础
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q3-MuPa:基于物理信息扩散模型的快速、静音、定量多参数MRI

本研究提出了一种名为q3-MuPa的新型定量磁共振成像(qMRI)框架。该框架结合了创新的3D零回波时间多参数映射序列(MuPa-ZTE)与基于去噪扩散概率模型(DDPM)的后处理算法。MuPa-ZTE采用3D叶序采样方案,实现了近乎静音的扫描,提升了患者舒适度与运动鲁棒性。后处理算法则利用物理驱动的数据一致性约束,仅需约1分钟的4倍加速扫描数据,即可从加权图像序列中高精度重建T1、T2和质子密度定量图谱。该方法完全在数字脑模型生成的合成数据上训练,无需大量真实扫描数据,并在模拟数据、体模、健康志愿者及脑转移瘤患者数据上验证了其高精度、低噪声和良好的结构细节保持能力,展现了强大的临床潜力。

定量mri扩散模型多参数映射快速成像物理信息学习医学图像重建
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地球自振如何驱动全球天气:地震波与风暴形成的新关联

一项新的建模研究表明,地球内部的地震振动和弹性旋转动力学,可能通过影响海平面气压的旋转模式,驱动全球天气动态和风暴发展。该研究揭示了行星自身的“节拍”如何被印刻在气候系统中,为理解高压区域的大气模式与地震激发之间的潜在联系提供了新视角。

地球物理气候动力学地震气象学大气模式数值建模
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物理信息学习框架:用神经网络修正经典密度泛函理论

本研究提出了一种物理信息学习框架,通过伴随优化方法,将紧凑的神经网络嵌入经典密度泛函理论(cDFT)的亥姆霍兹自由能泛函中,直接根据分子动力学数据进行训练,学习局部和非局部的修正项。该方法在保持热力学一致性的同时,捕捉了传统近似泛函中缺失的关联效应。应用于Lennard-Jones流体时,增强后的过剩自由能泛函定量重现了平衡密度分布、共存曲线和表面张力,并能准确预测远超训练范围的接触角和液滴形状,为连接分子模拟与连续介质模型提供了一条通用路径。

密度泛函理论机器学习多尺度模拟统计力学界面热力学物理信息学习
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双对反亥姆霍兹线圈优化BEC磁光阱设计,实现60纳K超低温

本研究针对传统单对反亥姆霍兹线圈在产生玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的磁光阱(MOT)中存在的几何限制问题,提出并优化了双对反亥姆霍兹线圈配置。该设计能在实验可及的$z=0$位置产生中心对称的“碗状”磁场势阱,克服了传统线圈磁场峰值位于线圈间不可达区域的缺陷。通过理论分析与数值模拟,为${}^{87}\text{Rb}$原子BEC制备优化了线圈几何参数及激光失谐、饱和强度等操作参数。优化后的系统可实现约$T_f \sim 60\,\mathrm{nK}$的最终温度,产生约$10^5$个原子、平均密度为$n_0 = 4.9 \times 10^{15}\,\mathrm{m}^{-3}$的凝聚体,为实验系统提供了系统的设计指导。

玻色-爱因斯坦凝聚磁光阱反亥姆霍兹线圈原子冷却超冷原子数值模拟
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利用周期性DLPNO-MP2理论研究CO在MgO表面的吸附:从稀疏到密集覆盖

本研究应用周期性DLPNO-MP2方法,系统研究了CO在MgO(001)表面的吸附行为。该方法在稀疏覆盖下与现有基准结果一致。通过构建大超胞模拟热力学极限,研究发现随着CO覆盖密度增加至单层覆盖,吸附能降低,这与实验观测相符,主要归因于CO分子间横向排斥作用的增强。该工作展示了周期性DLPNO-MP2在处理复杂吸附体系方面的有效性和潜力。

表面吸附dlpno-mp2热力学极限co/mgo计算化学覆盖度效应
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基于Transformer的自回归模型实现等离子体边缘动力学高效预测

本研究提出了一种基于Transformer架构的自回归代理模型,用于高效预测聚变装置中刮削层和偏滤器边缘的二维时变等离子体状态场。模型在SOLPS-ITER高保真模拟数据上训练,能够预测电子温度、电子密度和辐射功率等关键参数。研究发现,增加自回归训练步长(1-100步)能系统性地提升模型在长时程预测中的稳定性和准确性,有效抑制误差累积,实现数百至数千步的稳定预测,并能复现高辐射区域运动等关键动力学特征。该代理模型的端到端计算时间比SOLPS-ITER快数个数量级,为快速参数扫描和面向控制的研究提供了有力工具。

等离子体物理transformer模型自回归预测聚变模拟计算加速代理模型
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CSES-02卫星HEPD-02载荷:首款基于MAPS的太空粒子追踪系统控制与读出设计

本文介绍了搭载于中国电磁监测试验卫星二号(CSES-02)上的高能粒子探测器(HEPD-02)追踪系统的控制与读出设计。HEPD-02是首个在太空中使用单片有源像素传感器(MAPS)的探测器,用于探测3-100 MeV电子与30-200 MeV质子的宇宙射线与辐射带粒子。为满足严格的功耗约束,研究团队设计并实现了一套基于商用低功耗FPGA的定制追踪数据采集(TDAQ)板卡与固件,重点解决了MAPS在太空环境下的高效运行与功耗控制问题。

空间探测粒子探测器maps传感器数据采集系统低功耗设计cses卫星
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第一性原理方法评估:机器学习势能模型揭示水熔融性质预测局限

本研究通过结合路径积分分子动力学与基于深度势能的机器学习势能模型,系统评估了SCAN、revPBE0-D3等四种密度泛函理论方法及MB-pol势能对水熔融关键性质(如熔点、密度变化)的预测能力。研究发现,MB-pol与实验数据定性吻合良好,而四种DFT方法均错误预测核量子效应会升高熔点,且revPBE类泛函严重低估了水-冰相变时的密度变化。结果揭示了当前广泛使用的第一性原理方法在水体系中的局限性,呼吁重新评估其预测可靠性。

第一性原理计算机器学习势能熔融性质核量子效应水分子动力学
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粒子反馈如何增强磁重联中的粒子加速

本研究通过2.5维磁流体动力学(MHD)模拟结合流体-粒子协同演化框架,揭示了粒子反馈在磁重联加速过程中的关键作用。模拟发现,粒子对背景流体的反馈会放大磁岛内的剪切流,从而增强对流电场 $\mathbf{E} = -\mathbf{v} \times \mathbf{B}$,最终显著提升粒子加速效率。这一机制导致更高的粒子最大能量和更硬的非热能量谱。研究同时发现导向磁场会抑制气体内能和粒子加速的增长。这些结果强调了反馈、导向场与重联动力学之间复杂的相互作用。

磁重联粒子加速等离子体反馈mhd模拟非热谱天体物理
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球体二聚体散射共振中的异常点:从准静态到全延迟电磁散射

本研究探讨了球体二聚体在电磁散射中从准静态极限到全延迟区域的异常简并点。在准静态极限下,具有复共轭极化率的球体构成的宇称-时间对称构型被证明存在异常点。超越此极限后,延迟效应会破坏宇称-时间对称性,但通过联合调控两个球体的材料色散,研究推导出了在实频率下存在异常点的解析条件。研究表明,在异常点附近,单参数扰动会导致特征性的本征频率平方根劈裂,并量化了其对散射、消光和吸收的影响,阐明了其在传感领域的应用潜力。

异常点电磁散射球体二聚体宇称-时间对称准静态极限材料色散
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拓扑与非厄米性驱动下的纠缠动力学新机制

本研究通过理论与实验结合,揭示了非厄米拓扑系统中纠缠熵与输运电流可作为区分不同动力学相态的普适探针。基于声学模拟平台实现的广义非厄米Su-Schrieffer-Heeger模型,研究识别出体态、边缘态和趋肤态三种动力学相,其中趋肤态呈现周期性信息穿梭与有限振荡纠缠熵,而边缘态则导致纠缠熵完全抑制。纠缠熵的标度行为与时间演化直接反映了相干离域与非厄米趋肤效应驱动的局域化之间的竞争,为在合成声子、光子和量子模拟器中调控量子信息动力学提供了可编程途径。

非厄米拓扑纠缠动力学趋肤效应声学模拟量子信息
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高压直流线路对电网同步与级联故障的影响:基于Kuramoto模型的数值研究

本研究通过求解大型欧洲高压电网上的自适应二阶Kuramoto模型,对电网的同步与级联故障行为进行了数值分析。该非微扰分析考虑了非线性效应,包括大相位差、系统远离稳态乃至停电级联过程中的动态。模拟结果表明,相位同步稳定性和级联故障规模的改善与谱维度$d_s<4$的图上二阶Kuramoto模型的有限尺寸标度行为相关。同时,研究也揭示了在大/小全局耦合下改变总传输功率时,会出现频率扩散和布雷斯悖论等不利影响。与全交流模型相比,静态或自适应高压直流线路替换的模拟显示,基于本地频率差的自适应HVDC线路在稳态下效率更高,但代价是弛豫时间极长。

电网同步级联故障kuramoto模型高压直流非线性动力学复杂网络
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修正:有限长度腔在静止拐点处的激光阈值拟合函数更新

本勘误提供了针对在静止拐点(SIP)或常规带边(RBE)共振下工作的有限长度腔激光阈值的更新拟合函数,澄清了其阈值随周期性腔单元数量变化的渐近标度关系。该修正有助于更精确地预测和设计基于特殊能带点的高性能激光器。

激光物理静止拐点能带工程光学谐振腔阈值标度
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相对Liutex方法:一种基于局部流场信息的涡旋识别新方法

本研究提出了一种相对Liutex涡旋识别方法及其显式数学公式。该方法仅依赖局部流场信息,具有伽利略不变性,确保了在不同参考系下的鲁棒性。通过三维平板边界层转捩案例验证,并与Q准则、原始Liutex方法对比。结果表明,相对Liutex能同时捕捉强、弱涡结构,其行为并非简单叠加不同阈值的Liutex等值面,而是基于局部速度梯度强度,对弱涡(如$\Lambda$-涡上方及下游发夹涡结构)提供更具选择性、物理一致的识别,并有效抑制虚假及噪声特征。

涡旋识别计算流体力学liutex方法边界层转捩局部流场分析伽利略不变性
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钝体尾流撞击多孔层:湍动能分布与传热机制研究

本研究通过界面解析的二维直接数值模拟,探究了湍流涡撞击加热多孔层时的复杂相互作用。在雷诺数Re=10000下,孔隙率φ在0.80至0.95间变化。结果表明,来流的冯·卡门涡在流体/多孔界面处迅速破碎,无法以宏观相干结构形式在层内持续存在。该界面充当了频谱滤波器:大尺度尾流能量被强烈衰减,而湍流通过剪切层和绕单个障碍物的微尺度涡脱落,在基质内部局部再生。热统计显示,较低孔隙率的介质在代表性界面和内部位置均产生更高的局部和表面平均努塞尔数,这与更大的比表面积所关联的更强剪切和增强的流固热相互作用一致。

湍流多孔介质传热强化直接数值模拟钝体尾流孔隙率
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不规则形状物体势流精确分析新方法

本研究提出了一种分析不规则形状物体势流问题的精确解析方法。通过使用Heaviside函数描述物体形状,并将势函数表示为基于特征函数的级数形式,推导出一组决定级数系数的线性代数方程。该方法在标准问题(如绕圆柱流动)的基准测试中表现出色,与已知解高度吻合,并成功应用于多个复杂几何形状的流动问题。

势流理论不规则形状heaviside函数特征函数展开流体力学解析方法
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MBE在块体AlN衬底上生长265 nm紫外LED实现边缘发射

研究团队利用分子束外延技术在块体氮化铝衬底上,成功制备出发射波长为265 nm的深紫外LED。该器件在高达800 A/cm²的电流密度下工作,开关比达到5个数量级,并在最高电流密度下实现了2.6 mΩ·cm²的低微分导通电阻。其异质结构设计包含高折射率波导芯层,类似于激光二极管,旨在270 nm波长下实现模式限制,从而促进光子从解理边缘发射与收集。电注入产生了对应AlGaN有源区光学带隙的4.7 eV高能光子。分析指出,当前器件中n型接触电阻是串联电阻的主要来源。

深紫外led分子束外延氮化铝衬底边缘发射高电流密度低导通电阻
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地震断层浅层流体降压新机制:非弹性扩容效应

本研究通过结合地震动态破裂模型与三维地下水流模型,首次系统量化了同震断层损伤引起的非弹性扩容对孔隙压力和渗透率的影响。模拟结果表明,在断层两侧1-2公里、深度小于3公里的浅层区域,非弹性扩容能导致显著的孔隙压力降低(水位下降可达数十米),其效应远超仅考虑弹性应变的模型预测(仅数米变化)。该机制产生的压力梯度在震后阶段会驱动流体回流,对理解断层力学和活动断层附近的地下水管理具有重要意义。

断层力学孔隙压力非弹性扩容同震流体地下水数值模拟
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机器学习势函数揭示水与冰的熔化特性:核量子效应与氢键强度的关键作用

本研究利用基于深度势能(Deep Potential)的机器学习势函数,结合路径积分分子动力学(PIMD)模拟,从第一性原理计算了水与冰的熔化性质。研究重点考察了冰Ih的熔化温度($T_{\mathrm{m}}$)、熔化时的密度突变以及液态水的密度最大值温度($T_{\mathrm{dm}}$)。研究发现,基于MB-pol势函数训练的模型与实验结果吻合良好,而基于多种密度泛函理论(DFT)训练的模型则普遍高估了氢键强度,导致对核量子效应(NQEs)在熔化温度上的影响预测错误,并影响了密度突变和$T_{\mathrm{dm}}$的预测准确性。该工作为建立更精确的水溶液体系模拟方法奠定了基础。

机器学习势函数路径积分分子动力学核量子效应水的异常性质第一性原理计算熔化温度
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PandaX-xT 低温系统设计完成,为43吨液氙暗物质探测提供稳定保障

本文介绍了下一代物理实验 PandaX-xT 的低温系统设计与测试。该系统旨在高效、安全地维持约43吨液氙的低温环境,以支持暗物质、无中微子双贝塔衰变及天体物理中微子等前沿研究。系统核心包括两个配备AL600 G-M制冷机和1300 W加热器的冷却塔,以及一个液氮应急冷却盘管。测试表明,双冷却塔在178 K时可提供约1900 W制冷量,液氮盘管在液氙温度下应急制冷功率超过1500 W。在一个月的原型测试中,氙饱和蒸汽压波动保持在1 kPa以下,压力稳定在约210 kPa。

低温系统液氙探测器暗物质探测粒子物理实验制冷技术
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基于石墨烯等离子体激元原子腔的二维太赫兹智能腕带

本研究提出了一种基于石墨烯等离子体激元原子腔阵列的二维太赫兹智能腕带,实现了传感与通信的单片集成。该器件无需外部天线,在0.25-4.24 THz宽谱范围内具有自供电、偏振敏感和频率选择性的探测能力(响应度6 V/W,响应时间62 ms,耐2000次弯折)。通过利用其多参数太赫兹响应,一方面将偏振和应变响应作为高维特征输入卷积神经网络,实现电路故障诊断(准确率97%);另一方面通过太赫兹偏振和开关信号的双通道编码,在模拟佩戴条件下实现安全加密通信。

太赫兹技术集成传感与通信可穿戴设备石墨烯等离子体激元智能传感6g物联网
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聚焦光场中本征涌现的麦伦自旋纹理

研究团队发现并实验验证了一种无需波前调控、在普通聚焦光场中本征涌现的麦伦(meron)型自旋纹理。与外部调控产生的结构不同,这种本征纹理对部分偏振、空间无序等噪声干扰表现出极强的鲁棒性,其稳定性源于焦场中相位涡旋的拓扑保护。该发现揭示了光学中一种天然存在且抗干扰的自旋结构,为发展无序鲁棒的光子应用提供了新要素。

自旋纹理拓扑光学聚焦光场鲁棒性光学涡旋
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原始细胞能量学:首次定量估算所有代谢、自组装和囊泡分裂过程的自由能变化

本研究首次对原始细胞生命周期的所有过程进行了全面的自由能变化定量估算,包括代谢、自组装、囊泡弯曲和分裂。通过结合新的密度泛函理论(DFT)计算、已有数据汇编以及新的热力学计算,研究人员构建了完整的能量图谱。这项工作为理解生命起源的能量基础提供了关键的定量框架,并与现代单细胞生物的能量需求进行了比较。

原始细胞自由能代谢自组装热力学生命起源
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