机器学习优化高次谐波产生中的波前校正
高次谐波产生（HHG）是产生极紫外至软X射线相干辐射的重要非线性过程，但光学像差会降低光束质量与效率。本研究提出了一种机器学习方法，利用空间光调制器优化像差校正。通过比较贝叶斯优化与卷积神经网络（CNN）方法，CNN在预测用于波前校正的泽尼克多项式系数上表现出色，在测试数据上达到了80.39%的准确率，展示了其在HHG系统中实现自动化像差校正的潜力。
2025-12-08 速览 · 物理学
2025-12-08 共 24 条抓取，按综合热度排序
量子开放系统框架统一描述损耗型等离子体腔的极化激元动力学
本研究提出了一个统一的量子开放系统框架，用于描述损耗型等离子体腔。该框架将相干动力学、弛豫、退相干和不可逆吸收置于同等地位进行处理。通过随机相位近似下的光子传播子Dyson方程，推导出包含重整化和阻尼效应的复自能。在低密度极限下，理论给出了极化激元布居数、分支间相干性及稳态值的解析表达式，并可用于计算淬灭速率和谱线形状。该自洽描述适用于超强耦合体系，可直接应用于响应光谱、时域测量和耗散工程。
新型模块化ODMR装置实现低温环境下NV色心磁共振测量
本研究开发了一种模块化的光探测磁共振（ODMR）装置，可与商用氦浴低温恒温器兼容。该装置的光路延伸近两米，实现了从低温恒温器外部对氮空位（NV）色心的激发和荧光探测，同时保持了光学对准和光束质量。研究通过测量共振信号的温度依赖性、小磁场下的行为以及SrRuO₃样品的磁转变，展示了该装置在受限低温环境中进行NV磁力测量的可行性。
旋转湍流中螺旋度控制能量通量方向
本研究揭示了三维旋转湍流中能量通量的双重组织机制，其方向由螺旋度控制。研究发现，当足够快的惯性波与大尺度二维流相互作用时，它们会按符号分别守恒螺旋度，导致能量从三维运动向二维运动进行逆级串传递，促进自组织和谱凝聚。相反，较慢的模式则与相反螺旋度符号的模式交换螺旋度，类似于非旋转三维湍流，产生从大尺度二维流向小尺度三维运动的正向能量传递。研究通过准线性波动力学理论解析地确定了这些双向能量传递，该理论捕捉了从零到无限旋转速率下Navier-Stokes模拟中平均流振幅对雷诺数和旋转速率的主要依赖性。
CUBE虚拟现实系统：帮助学生可视化电磁辐射场的教学工具
本文介绍了CUBE虚拟现实沉浸式系统，旨在帮助学生，特别是高年级物理课程的学生，可视化理解电磁场，尤其是较为抽象的辐射场。文章讨论了该软件不同功能的教学设计动机，并简要概述了其使用方法。
保守型间断伽辽金算法：流形上粒子动力学的数值模拟新方法
本研究提出了一种用于光滑流形上粒子动力学模拟的新型保守型间断伽辽金算法。该算法兼容正则与非正则哈密顿表述，其中正则表述方案能精确守恒粒子密度与能量。算法将无碰撞更新与简化的BGK碰撞算子耦合，并通过迭代方案确保碰撞不变量（密度、动量、能量）的数值守恒。研究还展示了如何通过修改哈密顿量以纳入流形旋转，并保持正则形式。测试案例包括球面和抛物面上的经典Sod激波动力学版本及开尔文-亥姆霍兹不稳定性模拟，为广义相对论中的动力学理论模拟提供了发展前景。
地球大氧化事件：生物地球化学反馈与临界点机制
研究提出，约24亿年前大气氧含量在2000-5000万年内骤增一个数量级的大氧化事件，可能源于地球生物系统内部的反馈机制，而非外部环境的突变。核心假设是氧气与光合细菌间的正反馈循环：氧气增加促进光合作用，进而产生更多氧气。其中，有氧呼吸效率比无氧呼吸高15倍，且细胞内呼吸与光合作用紧密耦合，是此前未被充分重视的关键反馈。该机制与气候系统中的临界点类似，解释了长期缓慢的氧化积累后为何会突然发生剧变。
椭圆高斯光束干涉最大对比度的解析公式与实验验证
本文针对精密光学测量（如引力波探测）中广泛使用的椭圆截面高斯光束，首次推导了其干涉最大对比度的解析表达式。该公式完全基于光束的几何与功率参数，为建模和优化椭圆光束干涉仪提供了实用工具。研究团队通过自由空间迈克尔逊干涉实验，在独立测量所有光束参数后，将理论预测的最大对比度0.968与实验优化值0.950进行了对比验证，微小差异与光束旋转、模式失配等预期缺陷相符。
基于假设检验的纳米粒子计数算法，提升数字诊断准确性
本研究提出了一种用于纳米粒子成像检测的粒子计数算法。该算法基于明确的图像形成模型，构建多重假设统计检验，并通过惩罚似然规则进行评估。与依赖训练数据或经验参数调优的阈值法或机器学习方法不同，该方法无需训练数据，其输出结果可通过成像物理和统计决策理论直接解释。数值模拟表明，该算法在弱信号、可变背景、放大倍数变化和适度点扩散函数失配情况下均能保持稳健的计数准确性。通过应用于基于SARS-CoV-2 DNA生物标志物检测的实验暗场图像，证实了该算法的实用性，在对照样本和阳性样本间观察到了粒子计数分布的统计学显著差异。
运动学与几何分析：Gerstner水波模型的轨迹特性
本研究通过在与波同速移动的参考系中分析流体粒子的速度，深入探讨了Gerstner水波模型的几何特性。Gerstner波剖面呈现摆线、扁缩或延伸的次摆线形态。研究推导了不同剖面特征点（尖点、拐点或自交点）的高度，并给出了延伸与扁缩剖面在一个完整波周期内弧长相等的条件。最后讨论了伽利略变换如何影响粒子加速度及其轨迹几何。
FieldSeer I：用于部分可观测电磁动力学预测的物理引导世界模型
本研究提出了FieldSeer I，一个几何感知的世界模型，用于从二维TE波导中的部分观测数据预测电磁场动力学。模型通过同化一小段观测场序列，并结合标量源动作与结构/材料图，在物理域中生成闭环推演。在对称对数域中进行训练确保了数值稳定性。在一个可复现的FDTD基准测试中，FieldSeer I在三种实际设置下均比GRU和确定性基线模型表现出更高的后缀保真度。关键的是，它支持在观测前缀后直接修改几何结构而无需重新同化，为光子学设计的交互式数字孪生提供了实用路径。
通过相位工程实现光谱选择性动态辐射热调控
本研究提出了一种利用介质帽将宽带金属-绝缘体转变材料转化为光谱选择性动态热发射体的新策略。该设计构建了一个高度可调的法布里-珀罗腔，通过调控反射波相位来定制热发射光谱。基于菲涅尔公式的相量图分析揭示了实现高光谱选择性的两个关键路径：高折射率介质帽和低损耗金属态。研究人员通过可逆铜电沉积在锗腔上，演示了在大气透明窗口（8-13微米）内工作的广角光谱选择性热调节器，其热发射率可在约0.2至0.9之间电调谐。该策略还可扩展至多光谱电致变色窗口，实现太阳能加热与光谱选择性辐射冷却之间的切换，为节能建筑、可穿戴热舒适、航天器热调控和多光谱伪装等领域提供了新范式。
利用里德堡原子阵列实现量子极限分辨率的微波电场测量
本研究利用光镊阵列中的单个里德堡原子作为相干传感器，实现了超越经典天线物理极限的微波电场测量。该方案同时实现了接近标准量子极限的场灵敏度、比Chu极限快11个数量级的响应时间，以及λ/3000的近场空间分辨率。这为量子计量学和精密电磁场成像开辟了新途径。
圆偏振光诱导电荷转移产生自旋极化
研究展示了一种通过手性光激发非手性供体-受体复合物产生自旋极化的新机制。利用量子力学速率理论和数值模拟，以金属卟啉配合物为模型，揭示了圆偏振光选择性激发卟啉环电流，从而打破两个简并自旋态的简并性。自旋极化程度随金属与轴向配体间的自旋轨道耦合增强而增加，其寿命取决于Jahn-Teller畸变模式的退相干速率。该效应可通过自旋分辨光电子能谱观测。
新型装置实现高速粒子单次接触起电实验，成功率93%
研究者开发了一种结合气动输送与声悬浮技术的新型实验装置，成功实现了亚厘米级粒子间高速、物理与电学隔离的单次碰撞，碰撞成功率高达93%。该装置可精确控制粒子的预接触电荷、材料、尺寸、碰撞速度与角度。实验结果表明，绝缘体粒子间的电荷转移并非仅由接触电势差驱动，而是一个随机过程，需要大量数据进行分析。该装置能高效生成此类数据集，为揭示电荷转移的随机本质及各碰撞参数的影响提供了新工具。
新方法识别连续谱中的束缚态：通过边界敏感性简化计算
本研究提出了一种识别连续谱中束缚态（BICs）的新方法，无需计算特征值的虚部，从而简化建模并可能减少计算时间。该方法基于BICs对周围物理结构不敏感的特性，通过改变计算域的外部边界条件来识别BICs，并将结果以谱直方图形式展示。研究通过两个代表性示例验证了该方法的有效性，并与使用完美匹配层的传统准正态模分析进行了比较。
卫星锂电池状态与健康度联合估计算法：基于REIMEI卫星在轨数据验证
本文提出了一种用于卫星锂离子电池的联合状态估计算法，旨在同时精确估计电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）。该算法采用多时间尺度框架，将两个扩展卡尔曼滤波器嵌套结合，分别处理快速变化的SOC和缓慢退化的SOH。模型融合了电化学P2D模型与描述SEI膜增长导致容量衰减的退化模型。研究使用合成数据及日本REIMEI卫星的在轨飞行数据进行验证，结果表明算法能有效估计SOC与SOH，并评估了所选模型的可靠性。
椭圆完美磁材料散射体的电磁响应特性研究
本研究采用分离变量法和Mathieu函数，分析了完美磁材料椭圆圆柱体的双站回波宽度特性。研究发现，散射椭圆转移电模式的最大值远高于转移磁模式，且平面内径向分量的增加导致转移电模式呈现线性行为，而转移磁模式表现出非线性特性。这些发现对光学、气象学、声学及射电天文学等领域的波散射现象研究具有应用价值。
托卡马克湍流细丝特性：GBS模拟与TCV实验的定量比较
本研究首次对托卡马克刮削层湍流细丝特性进行了流体模拟与实验的定量比较。通过扩展TCV-X21数据集并开发合成GPI诊断，发现模拟与实验在细丝速度上吻合良好，但在尺寸和涨落水平上存在差异。研究证实细丝主要由密度扰动主导，其极向速度方向与特定区域的平均E×B方向一致，为理解边界等离子体湍流输运提供了新见解。
近红外纳米探针揭示肌动球蛋白网络的非平衡不可逆动力学
本研究开发了一种基于近红外荧光单壁碳纳米管（SWCNTs）的新型光学探针，用于实时、无创地监测重构肌动蛋白网络中肌球蛋白驱动的不可逆动力学。探针被整合到聚合的F-肌动蛋白中，在不干扰网络组装的前提下，实现了对ATP供能的肌球蛋白收缩活性的长期单分子荧光监测。研究发现，肌球蛋白的加入导致SWCNTs荧光波动增强，群体统计数据显示其偏离平衡行为，色散指数分布发生偏移和展宽，且非平稳荧光轨迹的比例随马达活性增加而系统性上升，标志着不可逆、时间演化动力学的出现。该技术为研究非平衡活性生物聚合物系统提供了通用工具。
低预张力剪纸薄膜为大型可展开空间天线提供轻量化反射面
本研究提出一种基于剪纸结构（kirigami）的低预张力反射薄膜，用于工作频率约10 GHz的大型可展开空间反射面天线。该设计在经典旋转方块图案基础上增加对角线切割，增强了可拉伸性并允许调控等效泊松比。仿真与实验表明，该薄膜重量约为传统金属网的一半，所需预张力可低至~0.1 N/m，比传统方案降低一个数量级，同时能在10 GHz频率下保持超过90%的功率反射率。
离子钟碰撞频移的简化评估方法
本研究为离子钟中的背景气体碰撞频移提供了新的理论框架。通过经典和量子描述，分析离子与可极化粒子间的碰撞，发现碰撞频移上限可由经典的朗之万碰撞率结合一个描述时钟激光与离子解耦的因子确定。该方法适用于更普遍的伦纳德-琼斯势，为任何单离子钟提供了一种无需大规模蒙特卡洛模拟或确定分子势能曲线的简单频移上限评估手段。
超越Adam：原子尺度基础模型微调中优化器的选择与影响
本研究系统评估了七种一阶优化器在原子尺度基础模型微调中的表现。通过分子、晶体和液体体系测试，发现AdamW和ScheduleFree在曲率条件和力预测精度上表现最优，而SGD则收敛慢且不稳定。研究还提出，一个简短的二阶优化阶段能有效减少损失函数中的残余各向异性，从而在不增加推理成本的情况下提升物理观测量的保真度。
基于便携固态微腔的赫兹积分线宽激光器
本研究报道了一种紧凑型超稳光学参考谐振腔，采用氟化镁材料，实现了高达2.24×10^9的负载品质因数。该器件封装尺寸仅为50×77×90毫米，支持保偏光纤稳定耦合，可在环境条件下稳定工作。基于此谐振腔的激光稳频实现了-105 dBc/Hz的相位噪声、4 Hz的积分线宽以及2.5×10^{-14}的分数频率稳定度，为导航、便携光钟等实验室外应用提供了高性能解决方案。