最近7篇PRL涉及铁电、磁性、超导等

学术   2024-12-18 12:25   中国台湾  

1. Stacking-Engineered Ferroelectricity and Multiferroic Order in van der Waals Magnets

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.246703

层状范德华(vdW)材料为异质结的机械组装堆叠开辟了新的可能性,并导致了材料科学的重大进步。这些新的人造材料显示出一系列前所未有的多功能性质,其中一个值得注意的例子是铁磁性和铁电性等铁序。二维磁性材料作为一类新型磁体显示出巨大的前景,因为它们的性能可以通过施加温度和磁场以外的外部刺激来控制,例如机械应变或栅极电压。

最近提出了一种新型的范德华材料铁电性,并进行了实验观察。对于六方氮化硼(h-BN)或过渡金属硫族化合物(TMD)等范德华材料,由于堆叠工程破坏了中心对称性,通过层间电荷转移发生了电子面外极化P⊥。P⊥的大小和方向由层之间的相对堆叠决定,可以通过相对滑移进行转换,从而产生“范德华铁电性”。

在此研究中,作者提出了一种通用的方法来设计范德华磁体的多铁性,利用改变二维层之间的堆叠可以打破反演对称性,从而导致铁电性和磁电耦合。在双层NiI2中使用第一性原理计算来说明这一概念,该双层NiI2可以在相对于体相堆叠旋转两个相邻层180°时实现铁电。此外,研究发现层间自旋序与界面电子极化之间存在一种新的强磁电耦合。这项研究方法不仅具有通用性,而且具有系统性,可以发现各种具有强磁电耦合的二维多铁性材料。

2. Quasiperiodic Moiré Reconstruction and Modulation of Electronic Properties in Twisted Bilayer Graphene Aligned with Hexagonal Boron Nitride

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.196401

由转角二维(2D)材料组成的莫尔异质结在实现新型量子态方面具有巨大的潜力,如非常规超导性、关联绝缘体和(分数)Chern绝缘体。当堆叠三层或更多层时,莫尔条纹会相互干扰,产生新的超结构,并深刻地调节异质结的形貌和电子性质。一个著名的例子是转角多层石墨烯,其中观察到了“莫尔条纹”和比魔角转角双层石墨烯(MATBG)更鲁棒的超导性。

除了石墨烯-石墨烯(G-G)界面外,莫尔条纹还可以起源于石墨烯-六方氮化硼(G-h-BN)界面。在与h-BN对齐的转角双层石墨烯(TBG/h-BN)中,已经报道了(量子化)反常霍尔效应、电荷密度波(CDW)和分数Chern绝缘体。TBG/h-BN中的两组莫尔条纹在波长相似时具有很强的耦合和显著的结构重构。然而,对莫尔条纹重构(MPR)及其对能带结构确切影响的深入微观研究仍然不足,这对于理解TBG/h-BN中的新量子态至关重要,并将有助于为探索强关联和拓扑物理学建立一个有价值的平台。

在此研究中,作者提出了具有两个相似莫尔波长的TBG/h-BN中的准周期MPR,其中MPR是由G-G和G-h-BN莫尔条纹波长之间的非公度失配引起的。短程、近乎有序的莫尔超结构偏离了莫尔准晶,并伴随着非均匀应变,从而在魔角附近的TBG能带结构中的范霍夫奇点(VHs)之间引发了空间可变的能量分离。通过调整样品中的载流子密度,观察到特定AA位点的关联能隙,揭示了TBG中AA位点的量子点样行为和非相干特性。这项研究发现将为TBG/h-BN中新型量子相的微观机制提供了新的线索。

3. Flexible Control of Chiral Superconductivity in Optically Driven Nodal Point Superconductors with Antiferromagnetism

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.246606

对物质拓扑相的探索是现代凝聚态学界广泛开展的活动之一。在各种拓扑相中,拓扑超导体(TSCs)是近年来研究的热点,它承载着拓扑保护的马约拉纳准粒子(或称为马约拉纳模)。在TSC体系中,马约拉纳零能模在一维(1D)情况下表现为零能量末端局域束缚态,在二维(2D)情况下表现为涡旋束缚态。重要的是,马约拉纳零能模服从非阿贝尔统计,并被提出作为拓扑量子信息处理的基本构建块,弥合了凝聚态物理和量子计算之间的差距。因此,在实验可行的水平上创建和操作马约拉纳模是特别重要的。与正常态下的拓扑相类似,拓扑超导性的研究不仅限于有能隙的TSCs,而且还扩展到无能隙拓扑节点超导体(TNSCs)中拓扑保护的无能隙准粒子激发以及表面或边缘的独特无能隙马约拉纳模。

在此研究中,作者提出了实际二维拓扑节点超导体的Floquet工程,该超导体由近邻s波超导体的反铁磁单层组成。研究证明Floquet手性拓扑超导性是由于光诱导的有效时间反演对称性破缺而产生的。更引人注目的是,研究发现通过椭圆偏振光照射可以灵活地控制Floquet手性拓扑超导相,其中光子修饰的准能谱携带不同的Chern数。这种光学可转换的拓扑转变源于谷对的同时产生(或湮灭),这归因于磁对称性、超导性和拓扑的交织。这项研究发现为实现具有柔性可调的Floquet手性拓扑超导提供了一种可行的方法,将在实验中引起广泛的关注。

4.Probing Berry Phase Effect in Topological Surface States

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.243801

布洛赫波函数的Berry相和拓扑源于晶体电子内部量子属性的相互作用,在分类新量子相和赋予涌现功能方面具有重要意义。在时间反演或空间反演对称性破缺的量子材料中,布洛赫电子在循环运动中必然携带一个几何相位,该相定义了拓扑态并诱导了各种量子和非线性霍尔效应。在电子能带之间没有非绝热隧穿的情况下,具有明确定义的费米面系统通常可以分辨出Berry相。强光场为波函数几何和拓扑中的非平衡和非绝热动力学提供了新的见解。

在此研究中,作者使用二色高次谐波光谱观察了拓扑表面态(TSSs)中与带间相干性相关的Berry相效应。在具有强自旋-轨道耦合的电子能带中,沿强场驱动电子-空穴准粒子的演化路径积累这种Berry相。通过引入次级弱场,扰乱了TSSs中狄拉克费米子的演化,从而提供了进入Berry相的路径。从光谱干涉图中观察到偶次谐波的振荡相位发生了显著变化。研究发现,这种调制特征与TSSs的非微扰动力学中获得的几何相位有关。此外,压倒性的Berry相效应可以显著改变电子-空穴对的量子路径,从而增强在具有强自旋-轨道相互作用的量子材料中利用光波控制电子自旋的能力。

5. Absence of High-Pressure Ground-State Reentrant Ferroelectricity in PbTiO3

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.236801

铁电性长期以来被认为是一种低压现象。例如,在PbTiO3中不存在高于12 GPa的铁电性。这也符合长期以来的观点,即晶体结构随着压力的增加而变得更简单、更对称。这个概念是直观的,因为随着压力的增加,原子密度必须增加,而硬球随着密度的增加趋于密堆积。尽管过去二十年中进行的许多高压研究与这一猜想相矛盾,但似乎很明显,铁电性(需要脱离原子密堆积)会随着压力的增加而消失。

在此研究中,作者利用密度泛函理论(DFT)和实验金刚石对顶砧技术研究了经典钙钛矿铁电体PbTiO3在高压下的铁电性。使用二次谐波发生光谱来检测反演对称性的缺失。与早期的理解和实验一致,研究发现铁电性在中等压力下消失。然而,DFT计算表明,这种消失是由于区域边界不稳定性的超越,而不是像以前认为的那样,是由于压力对偏离中心铁电位移的挤压。此外,在高压下,相对于具有P21/m对称性和8配位Ti的新致密中心对称后钙钛矿相,畸变的钙钛矿相是亚稳态的,其在约70 GPa时变得稳定。值得注意的是,在实验或理论中都没有发现高达兆巴压力的超高压铁电性的证据。

6. Uncommon Magnetic Ordering in the Quantum Magnet Yb3Ga5O12

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.236701

对几何阻挫磁性材料的研究在发现凝聚态的新态方面取得了丰硕的成果,即奇异自旋液体、自旋冰和自旋碎片化态。与这些发现相关的标志性几何形状是三维烧绿石和二维kagome晶格。最近,人们对研究较少的hyperkagome晶格,特别是稀土镓石榴石体系R3Ga5O12家族重新产生了兴趣。在这些立方晶体中,稀土离子R3+形成了两个由共享角三角形组成的三维互穿晶格,称为hyperkagome晶格。根据稀土元素的不同,各向异性导致了从伊辛体系(R=Nd、Tb、Dy、Ho、Er)中多轴反铁磁序的实现到近各向同性体系R=Gd和R=Yb中奇异自旋关联的不同行为。

在此研究中,作者通过中子衍射实验确定了Yb3Ga5O12的反铁磁结构,其磁传播矢量为k=(1/2,1/2, 0),这是石榴石结构中不常见的波矢。相关的复杂磁结构强调了交换相互作用在由偶极相互作用主导的几乎各向同性体系中的作用,并发现了理论上提出奇异结构的相似之处。在有效自旋-1/2的几何阻挫磁体中,有序矩的减小可能表明显著的量子涨落,其起源有待进一步的实验和理论研究。这项研究突显了hyperkagome晶格在小各向异性极限下带来的丰富可能性,以及这种几何形状在理解阻挫磁性进展中的重要性。

7. Emergent Symmetry and Valley Chern Insulator in Twisted Double-Bilayer Graphene

二维(2D)材料的莫尔条纹为探索具有平坦色散电子能带中的关联电子态提供了一个高度可调的平台。著名的例子包括魔角为1.1°的转角双层石墨烯(TBG)、转角双重双层石墨烯(TDBG)、六方氮化硼(hBN)上的ABC三层石墨烯、转角三层石墨烯,以及转角双层MoTe2中的分数Chern绝缘体和hBN上的五层菱方石墨烯,所有这些都表现出超导或关联的绝缘体相。

理论计算表明,出现了一种新的涌现对称性,它将两个原本强烈交织的谷解耦,并且对于这两个谷涌现对称扇区中的每一个,许多莫尔体系的电子能带在拓扑上都是非平庸的。例如,在横向电场下,hBN上的转角双重双层石墨烯和ABC三层石墨烯分别携带非零的涌现谷Chern数2和3。与平坦莫尔能带中相互作用引起的关联Chern绝缘体不同,这些体系中的谷Chern绝缘体源于受时间反演不变性保护的非平庸能带拓扑。

在此研究中,作者通过实验观察表明,横向电场下的TDBG电荷中性能隙在垂直磁场的存在下显示出不寻常的闭合,这与CV = 2的谷Chern绝缘体一致。此外,相互作用能U0虽然大于θ=1°附近TDBG的平坦带宽,但保留了涌现谷U(1)对称性和谷Chern数。这项研究提供了一种通过测量二维莫尔和其他超晶格体系的体相能谱来检测其能带拓扑的新方法。


学术之友
\x26quot;学术之友\x26quot;旨在建立一个综合的学术交流平台。主要内容包括:分享科研资讯,总结学术干货,发布科研招聘等。让我们携起手来共同学习,一起进步!
 最新文章