一日兩篇，南京大學連發Nature

CYM 10個月前 (09-15) 1970瀏覽

一、南京大學Nature：等旋擴展Hubbard模型模擬器中的可調量子臨界性

【導讀】

研究表明，研究強電子相關性一直是推動凝聚態物理前沿的重要驅動力，特別是在相關驅動的量子相變（QPT）附近，多自由度的量子臨界漲落促進了多體狀態和超出朗道框架的量子臨界行為，范德華材料的莫爾異質結構是高度可調的量子平臺，被用于探索強相關量子物理學。特別是當涉及多個自由度時，不同階參數的競爭及其量子漲落變得突出，并可能導致超出朗道框架的新型量子臨界相和行為。探索不同類型的QPT及其在固態平臺中的演變將為深入了解非朗道量子臨界性的起源提供前所未有的機會。盡管不斷嘗試，但由于缺乏原位和同時調整電子相關性和多自由度的能力，這樣的平臺仍有待實現。

【成果掠影】

今日，南京大學繆峰教授和南京理工大學程斌教授（共同通訊作者）在擴展Hubbard模型的實驗模擬器中觀察到可調量子臨界性，該模型具有手性堆疊扭曲雙層石墨烯（cTDBG）中出現的自旋谷同位旋。縮放分析顯示，當廣義維格納晶體通過改變位移場轉變為費米液體時，量子兩階段臨界表現出兩個不同的量子臨界點，表明出現了一個臨界中間相。當施加高平行磁場時，量子兩階段臨界演化為量子偽臨界。在這樣的偽臨界中，作者發現量子臨界標度僅在臨界溫度以上有效，表明其中存在較弱的一階QPT。

相關研究成果以“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator”為題發表在Nature上。

【核心創新點】

1.展示了金屬相隨著自旋被平行磁場極化而收縮，表明量子自旋的波動起主導作用；

2.本文第一次觀察了量子偽量子和兩階段臨界，并利用平行磁場實現了這些非常規量子臨界的原位演化。

【數據概覽】

圖一、θ?=0.75°的cTDBG。

圖二、維格納晶態的證據。

圖三、量子兩階段臨界。

圖四、12-T平行磁場中的量子偽臨界。

文獻鏈接：“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-05106-0）

二、南京大學張勇教授Nature：LiNbO₃鐵電納米域的飛秒激光寫入

【導讀】

研究表明，LiNbO₃晶體具有優異的電光、聲光和非線性光學特性，為制造下一代光通信網絡、微波光子系統的高性能集成光子器件，提供了一個很有前景的材料平臺和量子信息處理。其中，對LiNbO₃器件的先進要求推動了兩種重要制造技術的發展。一種是標準的光刻和蝕刻技術，得益于最近在絕緣體上 LiNbO₃納米加工方面的突破，LiNbO₃光子結構的特征尺寸能夠減小到幾百納米，這大大提高了LiNbO₃集成器件的性能，包括高速電光調制器。另一種制造技術是LiNbO₃鐵電疇工程，其能夠通過在空間上改變極化 LiNbO₃疇結構中的二階磁化率χ?的符號來操縱非線性光學過程。該技術可用于通過準相位匹配（QPM）原理提高激光頻率轉換效率，該原理已在非線性和量子光學領域進行了廣泛的研究。除了光學應用之外，LiNbO₃鐵電疇結構在聲諧振器和濾波器，以及非易失性鐵電疇壁存儲器和場效應晶體管中也非常有用。然而，電場極化的LiNbO₃鐵電疇結構幾十年來一直停留在具有微米分辨率的二維（2D）圖案中，這嚴重阻礙了基于LiNbO₃鐵電疇的先進光子、聲學和電子器件的進一步發展，在LiNbO₃晶體中可行且可控地制造三維（3D）納米級鐵電疇仍然是一個巨大的挑戰。

【成果掠影】

今日，南京大學張勇教授等人（共同通訊作者）提出并通過實驗證明了一種新的非互易近紅外（NIR）激光寫入技術，以可重構的方式執行3D LiNbO₃納米域工程。與傳統的超快激光寫入技術不同，所提出的激光誘導域工程與激光寫入方向密切相關，其基本原理可以從激光感應電場中理解。在本文的實驗條件下，熱電場是用于激光寫入疇結構的主要效應（熱電效應），在激光束的焦點處，近紅外光的多光子吸收產生了局部溫度場，其中兩種物理機制主導了光-LiNbO₃域的相互作用。首先，緊密聚焦的激光光斑會在激光光斑處產生強烈的頭對頭電場。其次，LiNbO₃疇反轉的閾值場明顯降低，原因在于激光加熱導致離子電導率增加，因此疇壁釘扎減少，這使得更容易逆轉激光焦點處的自發極化，高于閾值場的有效電場，從根本上是由光的衍射極限和多光子吸收決定的。本文的理論模擬表明，在130 mW的輸入NIR光功率下，可以在a=1 μm和b=500 nm的區域內創建LiNbO₃域?。

相關研究成果以“Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains”為題發表在Nature上。