期刊文章浏览系列之Physical Review Letters，搜集国人重点工作，聚焦PRL选手研究领域，供初入物理科研的老师同学了解前沿动态，找到自己科研的那道光。
Physical Review Letters Vol. 131, Iss. 25
本期期刊文章浏览系列视频推出的是美国物理学会的著名物理杂志Physical Review Letters第131卷第25期的浏览视频，该期杂志于2023年12月刊发，总共43篇文章。国内的研究机构作为通讯作者单位发表的文章总共8篇，其中我们栏目介绍过的孟胜老师再中一篇，恭喜！具体的分布情况详见下表。![]()
（如果需要上述全部文章链接，请在公众号里发送PRL131.25给我们）
本期的PRL选手是北京理工大学的姚裕贵。姚老师在南开大学获物理学学士学位；后在中科院上海光机所获光学硕士学位；然后在中科院力学所获力学博士学位；1999至2003年分别在中科院物理所和美国德州大学奥斯汀分校从事博士后研究；曾任物理所研究员，现任北京理工大学物理学院教授，同时任学院院长。他曾获2011年“中国科学院杰出科技成就奖”，2012年获国家杰出青年科学基金资助，入选“长江学者特聘教授”计划；2014年入选“科技部中青年科技创新领军人才计划”；2016年入选国家“万人计划”科技创新领军人才计划；2022年当选为美国物理学会会士。团队的研究方向为计算物理和量子功能材料设计与应用，包括量子力学计算方法的开发，尤其是和霍尔效应，拓扑物性相关的电子结构的计算，另外借助于计算模拟的方法，研究各类新型量子材料的物性和机理，并设计功能器件。姚老师非常高产，迄今为止已在各类顶刊中发表很多的文章，其中包括PRL文章37篇。![]()
姚裕贵团队PRL历程 姚裕贵团队的关键词之一是拓扑计算。拓扑物性是这几年来非常火的课题，我们这个系列文章里前面介绍过的物理所方辰的拓扑材料分类的工作，南京大学赵宇心在拓扑理论方面的工作，还有北京大学廖志敏在拓扑半金属方面的工作，这些都是和拓扑材料相关的，方辰和赵宇心是理论方面的，廖志敏是实验方面的，而姚裕贵团队的焦点是介于理论和实验之间的拓扑材料的计算模拟，尤其是第一性原理的计算。![]()
霍尔效应示意图（图片来自网络）
第一性原理比如密度泛函理论的计算可以提供关于材料中电子结构的信息，对于某一个布洛赫K态的能量本征值是多少，并画出能带结构图（可以有三维的能带数据）。更细致的可以将能带结构的某处细节特征都画出来，比如自旋极化的方向，这样可以判断体系是否具有某种拓扑性质，比如自旋轨道锁定状态，也可以从本征波函数的分布来看是体态还是表面态，更仔细的可以跟解析理论对比，判断这个电子态的拓扑属性。但这些判断的方式都是自下而上，从局部到整体，作为材料的本征属性，拓扑性质的判定应该有更加直接的方式，这就是贝里曲率（Berry Curvature）或者贝里相位（Berry phase）的计算。![]()
贝里曲率示意图（图片来自网络）
贝里相位刻画的是电子在不同的态之间变换获得的附加相位。可以想象，假如不同的电子态对应的是实空间的点位，一个电子在不同的点位之间跃迁，最后回到原点。如果整个体系是时间和空间都是均匀的或者具有周期性，回到原点不带来任何实际物理观测量的变化，如果有什么量在不同的周期之间改变，那就是相位。我们可以联想AB效应的实验，电子在磁场中走一圈，获得的附加相位是和环路磁通相关的。有外磁场的情况下相位是磁场对应的，那没有外磁场的情况下，晶格场能有相应的效应吗，或者换句话说晶格场能产生赝磁场吗？这就要看贝里曲率了，贝里曲率在数学结构上类似于一个磁场，可以写成动量空间上一个规范矢势的旋度。这个赝磁场就可以带来很多输运现象比如反常霍尔效应，自旋霍尔效应等等，在这些效应中电子运动方向的偏转都源自于赝磁场的存在。而贝里曲率在布里渊区上的积分给出可以给出拓扑陈数，Z2拓扑数等参数来决定材料的拓扑性质。
由于贝里曲率完全由布洛赫态决定，对应的计算是可以纳入第一性原理计算的框架的。姚裕贵团队是最早在这个方向上做出成果的，他们研究了体心立方结构的铁单晶材料，获得贝里曲率在布里渊区的详细分布，而且由此积分获得的反常霍尔电导与实验结果也有很好的对应。贝里曲率的计算在一些情况下振荡很大，获得精确的计算结果不是很容易，后来王新杰等人利用瓦尼尔函数插值也完全重复了姚裕贵等人的计算结果，验证了计算的准确性。通过贝里曲率的计算，团队阐明了反常霍尔效应的内禀物理机制，并定量指出反常霍尔效应中基于贝里相位的内禀部分重要性，该工作单篇引用达200多次，并被国际上多个实验组验证。
结合贝里曲率的计算结果，团队结合具体的材料体系在材料属性预测方面做大量工作。2011年，姚裕贵团队在一篇PRL文章Quantum Spin Hall Effect in Silicene and Two-Dimensional Germanium（迄今被引2542次）上首次指出类石墨烯材料——硅烯、锗烯等是二维拓扑绝缘体，并预言了它们拥有更大的能隙。该预言在2023年的团队的另一篇PRL文章Quantum spin Hall states and topological phase transition in germanene 中被证实。团队还率先发展了适用于任意体系的拓扑不变量Ｚ2的第一性原理方法，并利用该方法预测了Half-Heusler和黄铜矿两个新体系中可能存在大量三维拓扑绝缘体，到目前已有部分材料被实验证实。另外团队在二维拓扑绝缘体材料方面也还有很多著名的工作，此处限于篇幅，不再一一列举。 姚裕贵老师在科研上孜孜以求的投入，另外在科普工作、人才培养方面也做了大量社会性的工作。2023年，他被授予北京“最美科技工作者”称号，以下是颁奖词： “他在深奥的理论科研中默默耕耘二十余载，也在教书育人的校园里坚守多年；他在理论和计算物理的赛道上默默前进，为科技的未来增加了新的可能性，也将同样的理念贯彻在教育事业中，培养出众多投身于科学事业的年轻人”。![]()
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