計算材料前沿研究成果精選| Phys. Rev. Lett.專刊（7月）

材料人繼續推出計算材料成果匯編（月刊），報道計算材料相關重大成果。本篇為Physical Review Letters專刊。

1. 銥酸鹽Eu₂Ir₂O₇中金屬-絕緣體轉變中的磁性激發

圖1 在T=7k處高對稱方向的RIXS光譜

近期，加拿大多倫多大學Young-June Kim等研究人員報道了在高絕緣的Eu₂Ir₂O₇單晶中磁激發譜的共振非彈性x射線散射研究，發現該單晶在T_MI=111(7) K處具有金屬絕緣體轉變。他們在7k的激發譜中發現了一個具有20 mev帶寬和28 meV磁振子間隙的磁子傳播模式，該現象在全能磁序狀態下是可預計的。當溫度升高到T_MI時，這種磁激發表現出實質性的軟化，并在順磁相中轉變為高阻尼的激發。值得注意的是，軟化發生在整個布里淵帶包括區域的邊界。這一觀察結果與局部磁矩系統中預期的磁子重整化不一致，表明Eu₂Ir₂O₇中電子相關的強度僅為中等，因此提出，在描述磁性時應考慮電子的巡回。

文獻鏈接：Magnetic Excitations across the Metal-Insulator Transition in the Pyrochlore Iridate Eu₂Ir₂O₇ (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177203）

2.有序偶極多體體系中離散時間晶體特征的觀測

圖2 脈沖序列測量后的信號

在被驅動的體系中，離散時間晶體（DTC）是的穩定的相位，其打破了驅動哈密頓算符離散時間的平移對稱性。近日，美國耶魯大學Sean E. Barrett等人通過實驗已經觀察到不同于兩個體系的DTC特征。他們在第三個截然不同的系統中的DTC特征的核磁共振中觀測到了一個有序的空間晶體。他們使用一種新穎的DTC回波實驗來探測驅動系統的相干性，并表明在DTC序列的脈沖期間的相互作用導致了信號的衰減，使得測量DTC本征壽命變得復雜化。

文獻鏈接：Observation of Discrete-Time-Crystal Signatures in an Ordered Dipolar Many-Body System? (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.180603）

3. 納米接觸的速率和狀態摩擦關系：化學老化與熱活化Prandtl-Tomlinson模型

圖3 在兩個負載點速度下的側向力和側向位移

速率和狀態摩擦（RSF）法則是廣泛使用的描述宏觀尺度到微觀尺度摩擦行為的經驗關系。最近的原子力顯微鏡（AFM）實驗和模擬發現，由于形成界面化學鍵，幾十年的接觸時間內，納米級單一的非均質無定形硅石-硅石接觸表現出對數老化（隨時間增加的摩擦力）。最近美國賓夕法尼亞大學Robert W. Carpick等人通過將熱激活的Prandtl-Tomlinson（PTT）模型與基于化學老化物理學的進化效應相結合，為這種接觸建立了基于物理的RSF關系。與PTT模型一樣，這種具有化學老化（PTTCA）的熱激活Prandtl-Tomlinson模型使用加載點速度來描述直接效應，而不是尖端速度（如傳統的RSF定律）。他們提出了與PTTCA模型一致的AFM數據，在老化測試中，對于給定的保持時間，靜摩擦隨著加載點速度的對數增加。動力學摩擦也隨著加載點速度的對數在足夠高的速度下增加，但是以不同的增加速率增加。他們還為傳統的RSF定律如何針對納米級單一的粗糙度接觸點進行了修改，從而為納米級接觸表現出化學鍵引發的老化以及具有相似物理特性的其他老化機制提供了基于物理的摩擦關系。

文獻鏈接：Rate and State Friction Relation for Nanoscale Contacts: Thermally Activated Prandtl-Tomlinson Model with Chemical Aging (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.186101）

4. 元素鐵中鐵磁有序的熔化引起的聲子軟化現象

圖4 低溫下的聲子譜

近日，美國美國羅格斯大學Kristjan Haule等與明尼蘇達大學的研究人員研究了金屬鐵磁體晶格動力學的基本問題，其中靜態長程磁場序列被嵌入金屬主體中波動的局部磁場所取代。他們使用從頭算密度泛函理論+嵌入式動態平均場理論函數方法來解決了鐵多晶型物的動態穩定性和隨溫度升高的聲子軟化。他們的研究表明，在鐵中測量的非諧和非均勻聲子軟化是長程鐵磁有序熔化的結果，并且與通常假設的從bcc到fcc相的一級結構轉變無關。并且預測，在常壓下的所有溫度下，bcc結構都是動態穩定的，僅在鐵的bcc-α和bcc-δ相之間是熱力學不穩定的。

文獻鏈接：Phonon Softening due to Melting of the Ferromagnetic Order in Elemental Iron (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.187203）

5. 稀土摻雜固體的超精細相互作用對核自旋的選擇性光尋址

圖5 晶體結構中作為θ和φ的函數的ρ_max分布

巴黎第十一大學與巴黎薩克萊大學的研究人員T. Chanelière等報道了在Er³⁺:Y₂SiO₅中，通過它們與具有大Landég因子的Er³⁺電子自旋的超高精細耦合從而證明了⁸⁹Y³⁺核自旋的選擇性光學尋址。他們用用光子回波技術對電子-核自旋混合進行了實驗探索，并驗證了其的模型。通過調節磁場強度和方向，設計了Y³⁺核自旋的位置選擇性光學尋址，這是實現電信光子光學尋址的長壽命固態量子比特重要的一步。

文獻鏈接：Selective Optical Addressing of Nuclear Spins through Superhyperfine Interaction in Rare-Earth Doped Solids (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.197401）

6. 關聯的金屬Pb/Si(111)單層電荷-密度波相中的手性旋轉結構

圖6 STM圖像與拓撲結構等

近日，巴黎索邦大學C. Brun與M. Calandra等研究人員通過掃描隧道光譜（STS）和全相對論的第一性原理計算來研究了1/3單層α-Pb/Si(111)表面。他們研究了高溫√3×√3和低溫3×3重建，并表明在兩個階段中，自旋-軌道相互作用導致了能量分裂寬達25％的價帶帶寬。相對論效應、電子相關性和Pb-襯底協同穩定相關的低溫順磁相，發展良好的下Hubbard帶和上Hubbard帶共存3×3周期。通過比較STS電導圖的傅立葉變換與費米能級以及非磁性雜質的計算準粒子干擾，他們證明了兩個具有面內自旋極化和相反螺旋的大六邊形費米片的出現。

文獻鏈接：Chiral Spin Texture in the Charge-Density-Wave Phase of the Correlated Metallic Pb/Si(111) Monolayer (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.196402）

7. 非超導材料中抗渦旋和巨大渦旋的場自由成核

圖7 六邊形結構與應用的電流繞組

巨大的漩渦與相繞組高于2π在能量上通常是不利的，但已知在超導體中，幾何對稱約束磁場可以穩定這些物體。挪威科技大學Morten Amundsen等研究人員通過微觀計算顯示，即使沒有任何外加磁場，他們也可以在內在的非超導材料領域看到該現象。其通過靠近大量電流流過的超導體而啟動，而且他們證明了在此設置中可以出現反渦流。

該研究結果為研究異常環境下的電可控制拓撲缺陷提供了可能，這些缺陷不必暴露在磁場或本質上的超導環境中。

文獻鏈接：Field-Free Nucleation of Antivortices and Giant Vortices in Nonsuperconducting Materials (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.207001）

8. 螺旋聲子板：從波束形成到拓撲絕緣子

圖8 螺旋狀的聲子板

聲子晶體和超材料可以采用不同的影響及其機理控制的分散從而塑造彈性波。其中的機制大多是布拉格散射、局部共振和慣性放大，這些都源于特殊材料構造塊的幾何形狀。加州理工學院Osama R. Bilal與Chiara Daraio等研究人員提出了一個平臺，使單元格的晶格螺旋，以創建包含布拉格散射、局部共振和慣性放大聲子的材料。他們提出了可以控制電磁波的波長比晶格周期性的更大的聲子材料的兩個例子。(1)波束板，它能以任意角度發射波，與晶格矢量無關。研究表明，通過改變驅動頻率或螺旋方向，可以連續地調整光束軌跡。(2)拓撲絕緣子板，該絕緣子板是在螺旋結構晶格布拉格極限下基于共振的狄拉克錐產生。

文獻鏈接：Spiral-Based Phononic Plates: From Wave Beaming to Topological Insulators (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.205501）

9. 三維與二維材料中的熱電機制

圖9 單層GeS的結構及相關數據

熱電是三維和二維材料中非常有前景的現象，但迄今為止還沒有用第一原理計算來闡明其基本機理。近日，美國Jian Liu等研究人員結合基本熱力學和現代偏振理論，報告了基于Born-Szigeti熱電理論的密度泛函理論（DFT）計算。他們發現在批量基準材料的實驗數據中，得到了滿意的結果，這表明所謂的電子聲子重正化，傳統上認為其貢獻是微不足道的。他們預測了最近合成的Janus MoSSe單層的板外熱電和第四族單層單硫化合物的面內熱電，發現所謂的二次熱電在GeS單層中占主導地位。本工作為利用DFT研究熱電效應開辟了理論途徑，為尋找熱電新應用提供了有價值的工具。

文獻鏈接：Mechanisms of Pyroelectricity in Three- and Two-Dimensional Materials (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.207602）

10. 非晶Ge-Sb-Te相變材料中局部原子結構的畸變

圖10 無定形Ge₂Sb₂Te₅薄膜的實驗ABED圖像

目前對非晶Ge-Sb-Te相變材料的局部原子結構仍未觀測清楚，而導致也沒有很好地理解不同光學對比度的快速結晶非晶相變。近期，日本東北大學A. Hirata等研究人員報告了在非晶態Ge₂Sb₂Te₅中使用“局部”反向蒙特卡羅模型直接觀察到了原子結構，該模型致力于埃-束流電子衍射分析。結果證明，與對稱晶體相比，具有巖鹽晶體結構的局部結構存在較大的畸變。這種畸變導致理想八面體原子環境的破壞，從而形成局部無序結構，基本滿足整體非晶態結構因子的要求。提出晶體狀畸變八面體結構可能是Ge-Sb-Te整體非晶態結構形成的主要基礎。

文獻鏈接：Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials (Phys. Rev. Lett.，2018，DOI： 10.1103/PhysRevLett.120.205502）

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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