最新研究进展－数学与物理学专辑

最新研究进展－数学与物理学专辑

强激光模拟太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流

张杰 科学院院士 中国科学院物理研究所赵刚 研究员 中国科学院国家天文台

磁重联是方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结的现象，它是等离子体物理中能量转化的一个基本过程。在天体物理中磁重联模型被广泛的应用于太阳耀斑、恒星形成、太阳风与地球磁层的耦合、吸积盘物理以及伽玛爆研究中。在实验室等离子体物理中，磁重联过程也引起了人们广泛的研究兴趣，其拓扑结构可以采用不同的能源驱动设备来构造，如Z箍缩、托克马克等。天体等离子体中磁重联模型有着许多间接的观测证据，其中最为著名的就是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源。传统的磁重联装置由于磁场强度较低等因素在标度变化下无法与大尺度的天体磁重联现象相比。利用强激光等离子体的自生磁场构造这种磁重联拓扑结构是在实验室研究磁重联物理现象的一个突破。长脉冲激光聚焦在平面靶上产生的等离子体的温度与密度梯度的方向极端不一致。这种温度和密度梯度的不一致将产生热电动势从而引发热电流，最终诱发环形的高达兆高斯量级的自生强磁场。并且在激光脉冲的持续时间内，这个自生磁场是准稳态的，“冻结”在激光等离子体表面来向四周扩散。依据这个准稳态的自生强磁场，利用上海光机所高功率激光物理联合实验室的神光II号装置巧妙的构造了激光等离子体磁重联拓扑结构。观测到了与太阳耀斑中环顶X射线源极为相似的实验结果。通过磁流体标度变换理论分析，发现两个系统的各项物理参数是惊人的相似。通过仔细分析实验室重联区尺度特征，发现激光等离子体磁重联区存在两个耗散区，其中离子耗散区的尺度与理论模拟一致，而电子耗散区尺度的实验结果要大于传统的理论值，这为理论探索磁重联电子耗散区尺度提出了挑战。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理论的观测约束

余洪伟 教授 湖南师范大学物理与信息科学学院

三维拓扑绝缘体Bi2Be3制备二维量子薄膜

薛其坤 科学院院士 清华大学物理系

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种新的物质形态。拓扑绝缘体与普通的绝缘体一样在费米能级附近具有能隙，然而由于其能带特殊的拓扑性质，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面/界面态。这种无能隙表面/界面态的存在完全由材料体能带的性质所决定，因此不像普通材料的表面/界面态那样易于被缺陷和无序所破坏。拓扑绝缘体表面/界面态的这些独特性质使其很有希望应用于自旋电子器件和容错量子计算中，而这两个领域的进展将有可能对信息技术产生革命性的影响。从基础物理研究的角度来讲，拓扑绝缘体与近年的研究热点如量子霍尔效应、自旋霍尔效应以及石墨烯等领域一脉相承，其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物性。因此，拓扑绝缘体一经发现就迅速引起凝聚态物理和材料科学方面的研究者的浓厚兴趣。通过对生长条件的深入研究，在SiC衬底上制备出了宏观面积范围具有单一厚度的Bi2Se3薄膜，并实现了薄膜厚度的逐层控制。利用ARPES技术，系统研究了Bi2Se3从厚度仅一个QL到几百QL的电子结构的演化（Bi2Se3在z方向单位原胞为一个quintuplelayer，简称QL）。研究发现，在Bi2Se3薄膜厚度小于6QL时，由于薄膜表面一侧的Dirac表面态会与界面一侧的Dirac表面态的波函数之间发生交叠，使得原来的无能隙表面态上会打开一个能隙。更有趣的是，由于衬底与薄膜电荷转移所导致的薄膜内的能带弯曲，表面态会发生Rashba型的自旋劈裂，而这种自旋劈裂的大小可以通过调控能带弯曲的程度所控制。这项工作表明，在三维拓扑绝缘体薄膜的界面一侧确实存在一个与表面态类似的Dirac表面态，并且利用外加电压人们可以操纵这种材料的电子自旋，这对发展新的自旋电子器件具有指导意义。三维拓扑绝缘体的量子薄膜的成功制备也为理论预言的量子反常霍尔效应、巨大的热电效应、激子凝聚等效应的研究提供了基础。

——摘自《NaturePhysics》

F（T）理论是一个平移的延伸，或扭转标量T，重力，最近被用于解释不需要暗能量的条件下当前宇宙的加速膨胀。我们首次将Statefinder分析和Om（z）诊断用于两个实际的F（T）模型。研究发现两个模型都不可能存在幻象分割线的穿越，这与已知结果相矛盾。我们紧接着研究了对最新Uinon2型laSupernova设置、重子声学振荡和宇宙微波背景（中巴）辐射的约束。研究显示，模型1和模型2均为95%置信水平。我们还研究了理论中有效暗能量的状态方程的改进，发现Ia Supernova更倾向于类幻象的暗能量。

——摘自《Phys. Lett. B》

用于超布朗运动的显式Schilder法则

向开南 教授 南开大学组合数学中心

超过程理论中的中心对象，如一般布朗运动和超布朗运动，是多种设置下的通用对象。Schilder法则和Cramer法则是大偏差理论的两个主要议题。带有以变分方程表示的速率函数的超布朗运动的Schilder（Cramer）大偏差已于1993年和1994年分别建立，在为带有显式速率函数的大偏差问题给出肯定的回答做出了非常有价值贡献。在本篇文章中，在该主题和布朗震动的前人成果的基础上，我们建立了用于非零有限初始测量的大偏差。

——摘自《Commun. PureAppl. Math.》

GPS激发的膜世界中额外维物质场

刘玉孝 教授 兰州大学物理科学与技术学院

我们研究了Gergory-Rubakov-Sibiryakov激发的膜世界中额外维物质场的定位和质量光谱。在该膜世界模型中存在一个位于额外维起始位置的厚膜和两个位于两侧的薄膜。由于两个薄膜的有限距离，左手费米子本征态可局限于厚膜上，这存在几个大规模约束模式和响应模式。响应针对准局部大量费米子。对于不限无质量自旋0的标量，当两个薄膜的距离有限时，本征态不局限于厚膜。当大量标量Phi与自身及背景标量场phi耦合的条件下，为得到位于厚膜赏的本征态，我们引入了频率调节关联。对于自旋1载体，由于有效的势能，非约束KK模型是不存在的。我们还研究了当两薄膜距离趋向于无限时的物理特性。

——摘自《J. Cosmol. Astropart. Phys.》

真单标量暗物质模型

吴岳良 研究员 中国科学院理论物理研究所

我们呈现出一个最简单暗物质模型的最新综合分析，在该模型中一个真单标量被引入以扩展标准模型。根据已知的暗物质丰度，我们预测在整个参数空间中暗物质直接和间接探测的截面。Breit-Wigner响应影响被用于计算热截面平均湮没。研究发现，三个区域可被当前直接和间接暗物质搜索实验排除。另外，我们也讨论了该模型在对撞机Higgs搜索中的帮助。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

Kerr-Newman黑洞的隐藏形对称性

王永强 教授 兰州大学物理科学与技术学院

我们以近区域Kerr/CFT对应的思想研究了四维非极性Kerr-Newman黑洞的隐藏形对称性。近区域Kerr-Newmann黑洞与带有左右温度的2D CFT对偶。而且，我们以Cardy方程重现了K err-N ewman黑洞的微观熵，该熵与宏观Bekenstein-Hawking熵相一致，并与带有限温度吸收截面2D CFT的Kerr-Newman黑洞的近区域标量场的吸收截面精确匹配。

——摘自《J. HighEnergyPhys.》

3×3中微子质量矩阵的通用对角化及其对味对称和最大CP破坏的意义

邢志忠 研究员 中国科学院高能物理研究所

我们利用味本态识别了三带电子的质量本态，在此基础上通过3×3中微子混合矩阵V的标准参数化构建了一个可对角化的Majorana中微子质量矩阵M-v。在处理过程中，M-v的非物理态必须被仔细分解出来，否则就要用一个特定的中微子场的转化以简化M-v至M-v’的过程。我们选择了这个特性的味基态，建立了矩阵元素和几个物理参量之间的一定分析精度的联系。该结果使我们可以推导味对称性的条件和可用于讨论特定中微子质量模型的最大CP破坏。

——摘自《Phys. Lett. B》