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[转载]CPB封面文章和亮点文章 | 2022年第5期

已有 222 次阅读 2022-5-23 10:58 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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Asymmetric Fraunhofer pattern in Josephson junctions from heterodimensional superlattice V5S8

Juewen Fan(范珏雯), Bingyan Jiang(江丙炎), Jiaji Zhao(赵嘉佶), Ran Bi(毕然), Jiadong Zhou(周家东), Zheng Liu(刘政), Guang Yang(杨光), Jie Shen(沈洁), Fanming Qu(屈凡明), Li Lu(吕力), Ning Kang(康宁), and Xiaosong Wu(吴孝松)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  057402

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具有自旋轨道耦合的约瑟夫森结中可出现一些新奇的物理效应,比如约瑟夫森𐐐0结、超导自旋三态配对和Majorana零能模等。这类约瑟夫森结的典型结构是具有强自旋轨道耦合的材料和普通超导体形成的三明治结构,其性能严重依赖于界面的质量。所以,具有异质界面的约瑟夫森结的实验研究往往会受到诸如缺陷和无序等非本征效应的干扰。


本文作者使用具有自旋轨道耦合的新型异维超晶格材料V5S8,利用其对超导体Al的强反近邻效应,制备了一种具有特殊结构的约瑟夫森结,其高透射率的同质界面使约瑟夫森结免受无序等外界因素的影响,为研究自旋轨道耦合与约瑟夫森效应之间的本征相互作用提供了平台。实验观测到这种约瑟夫森结中对称性破缺的夫琅禾费衍射图案,表明了结中不对称的超流分布来源于V5S8中特殊的自旋轨道耦合。本研究演示了具有自旋轨道耦合的约瑟夫森结中反常的本征约瑟夫森效应。

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Fig. 1. Fraunhofer interference patterns of a JJ. (a) An optical micrograph of the device with an illustration of the measurement configuration. The junction length is L=0.92 μm, the junction width is W=1.75 μm. The scale bar is 1 μm. (b) The interference pattern at 250 mK. The dashed white lines indicate the position of the nodal points and I=0. (c) The zoom-up pattern taken at 32 mK. (d) The further zoom-up scan on the first-order nodes in (c). A break in the x axis is introduced for better comparison.


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Dynamical signatures of the one-dimensional deconfined quantum critical point

Ning Xi(西宁) and Rong Yu(俞榕)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  057501

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低维自旋阻挫体系中显著的量子涨落会导致很多奇异的量子现象。解禁闭量子相变就是一种超越传统朗道范式的全新相变类型,在近些年备受关注。它描述了两个自发对称破缺相之间的连续相变,并且在其相变点上会涌现出包括解禁闭的分数化激发以及增强的对称性等一系列新奇的物理现象。其中,解禁闭的分数化激发是解禁闭量子相变区别于其他量子相变最独特的特征。本文通过矩阵乘积态的数值方法研究了一维自旋阻挫系统中解禁闭量子相变点上的动力学激发谱,给出了解禁闭激发的直接证据。


相比于二维系统,一维量子自旋系统有更强的量子涨落。特别是,具有自旋连续旋转对称性的系统会受到Lieb–Schultz–Mattis定理约束,在临界点上更容易出现解禁闭的分数化激发现象。我们详细研究了一个具有最近邻铁磁和次近邻反铁磁相互作用的XY型自旋1/2链。针对该模型的低能有效场论只能预言其临界点上的长波低能激发行为,不能对其严格求解。对这类一维阻挫模型,基于时间演化的矩阵乘积态可以很好地探测其基态及激发态性质。我们运用这一数值方法研究了该模型中几个不同的解禁闭临界点上的量子临界行为及动力学结构因子,不仅给出了解禁闭激发的直接证据,还发现了一维解禁闭相变点上有效的“自旋-电荷”分离现象。


我们的工作对在二维自旋体系中寻找解禁闭相变点、探测二维解禁闭相变性质提供了参考。此外,我们的工作也揭示了Lieb–Schultz–Mattis定理对于稳定一维解禁闭相变点的重要性,其在二维的扩展将为寻找二维解禁闭相变点提供帮助。

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Fig. 5. Dynamic spin structure factors of (a)-(c) the Sz channel and (d)-(f) the Sx chanel. Panels (a) and (d) are inside the Z-FM phase. Panels (b) and (e) are at the DQCP. Panels (c) and (f) are inside the VBS phase. The blue and white dashed lines in (b) and (e) trace out the two bright bound edges from (b) and are guides to eyes in (e).


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Generalization of the theory of three-dimensional quantum Hall effect of Fermi arcs in Weyl semimetal

Mingqi Chang(苌名起), Yunfeng Ge(葛云凤), and Li Sheng(盛利)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  057304

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量子霍尔效应通常是在二维系统中被观测到的。近年来,量子霍尔效应被理论预言可以发生在三维的拓扑半金属中,并能够在实验上被观测到。然而,在理论预言和实验之间仍存在着一些不一致。因此,目前费米弧表面态的三维量子霍尔效应理论有待完善。


本文推广了外尔半金属中费米弧表面态的三维量子霍尔效应的理论。通过数值计算一个外尔半金属平板的霍尔电导,发现在外尔半金属中,费米弧表面态可以在一定的能量范围内产生量子霍尔效应,同时量子霍尔效应在不同的费米面处与厚度的关系也不一样。本文也表明了各项异性项对量子霍尔效应的影响。本工作完善了费米弧表面态的三维量子霍尔效应的理论,有助于我们进一步理解实验上所发现的三维量子霍尔效应。

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Fig. 1. (a) and (b) Energy spectra for bulk states and Fermi arc states with (a) D1 = D2 = 0 eV·nm2, (b) D1 = 2 eV·nm2D2 = 3 eV·nm2. (c)–(f) Fermi arc states and bulk states on the plane of kx and kz for different Fermi energy. In (c) EF = 0 eV and (e) EF = 0.02 eV, the anisotropic terms are D1 = D2 = 0 eV·nm2. In (d) EF = 0.27 eV and (f) EF = 0.29 eV, the anisotropic terms are D1 = 2 eV·nm2D2 = 3 eV·nm2. The blue curves and pink curves are the Fermi arc states plotted using Eqs. (3) and (5) while the bulk states are plotted as red curves using Eq. (2).


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Pressure-induced phase transitions in the ZrXY (X= Si, Ge, Sn;Y= S, Se, Te) family compounds

Qun Chen(陈群), Juefei Wu(吴珏霏), Tong Chen(陈统), Xiaomeng Wang(王晓梦), Chi Ding(丁弛), Tianheng Huang(黄天衡), Qing Lu(鲁清), and Jian Sun(孙建)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  056201

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拓扑半金属ZrSiS因其各向异性不饱和磁阻、高迁移率等特殊性质,近年来备受关注。另一方面,高压是调节晶格常数进而调控物性的重要手段,在拓扑材料研究方面有重要应用。


通过基于机器学习和图论辅助的晶体结构预测方法MAGUS结合第一性原理计算,本文对拓扑材料ZrSiS家族(ZrXYX = Si, Ge, Sn; Y= S, Se, Te)在高压下的结构相变和物性进行了系统研究。研究发现,随着压强的升高,该家族会出现若干次结构相变,出现四个新相,分别为P4/mmmP4/nmm-II,Cmcm以及Imm2相。伴随着新相的出现,体系的电子结构和物性也发生显著的变化。特别是ZrGeS的P4/nmm-II相以及ZrGeSe的P4/mmm相在一定压强下是最稳定的结构,且当压强降低到常压后还能够稳定存在,并且它们还具有超导电性。用电声耦合方法,我们估算其超导转变温度分别约为8.1 K与8.0 K。


本研究有助于理解ZrSiS家族材料在高压下的行为,拓展了拓扑材料的高压研究。

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Fig. 1. Crystal structures of the high-pressure phases of the ZrXY family: (a) P4/nmm structure, (b) P4/mmm structure, (c) P4/nmm-II structure, (d) Cmcm structure, (e) Imm2 structure.


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Effects of phosphorus doping on the physical properties of axion insulator candidate EuIn2As2

Feihao Pan(潘斐豪), Congkuan Tian(田丛宽), Jiale Huang(黄嘉乐), Daye Xu(徐大业), Jinchen Wang (汪晋辰), Peng Cheng(程鹏), Juanjuan Liu(刘娟娟), and Hongxia Zhang(张红霞)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  057502

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具有磁有序的拓扑材料中可能存在轴子绝缘体态这一奇异的拓扑量子物态,由此产生半整数化表面量子反常霍尔效应和拓扑磁电效应等重要的物理现象。EuIn2As2被理论预言是一种反铁磁轴子绝缘体候选材料,并且它可以随着磁有序及磁矩指向变化而展现出不同的拓扑物性。因此寻找有效的方法对EuIn2As2的磁性进行有效调控,对于深入理解这一材料中奇异的拓扑量子物态具有重要意义。


本文报道了全系列掺杂EuIn2(As1−xPx)2 (x=0-1)单晶的成功生长及其物性研究。随着P掺杂量x的增加,EuIn2(As1−xPx)2的磁相变温度逐渐增加并且铁磁相互作用逐渐增强,其反铁磁基态逐渐演化为倾斜反铁磁态。在x=0.4附近,材料在Tg=10 K以下出现了铁磁与反铁磁作用相互竞争导致的自旋玻璃态并伴随着蝴蝶型磁滞回线和慢磁弛豫行为,出现多重磁场诱导的磁相变。电输运测量表明,所有掺杂的样品都表现出可被掺杂量调控的巨负磁阻行为。本文的研究结果表明,EuIn2(As1−xPx)2 将是一个有趣的研究奇异拓扑量子物态的新材料平台。

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Fig. 1. Magnetic phase diagram of EuIn2(As1−xPx)2 obtained from magnetization measurements.


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Gauss quadrature based finite temperature Lanczos method

Jian Li(李健) and Hai-Qing Lin(林海青)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  050203

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精确对角化算法是一类常用的量子多体计算方法。从求解的物理问题来看,精确对角化算法可分为零温(基态)和有限温两种类型,其中前者一般用Lanczos算法求解,因为在Lanczos算法中能谱两端的本征值和本征向量收敛效果最好。而在有限温度下,计算结果依赖于整个能谱的性质,因此Lanczos算法不再具有绝对优势。有限温度下常用的算法包括有限温Lanczos算法(FTLM)和核多项式算法(KPM)。


目前已经有很多研究工作对比FTLM和KPM的计算精度,但这两种算法之间的深层次联系还没有被广泛研究。本文从正交多项式和高斯求积理论出发重新表述了FTLM算法。在上述理论框架下,FTLM中的Lanczos迭代可以看作一个构造正交多项式的过程。这些构造出来的正交多项式与KPM中的切比雪夫多项式扮演相同的角色,即用来展开关于哈密顿量的函数f(H),比如 exp(-βH)。除了正交多项式的选择不同,FTLM和KPM在热力学和动力学的计算上具有相同的形式。


这种基于高斯求积的框架的优点是,它填补了FTLM和KPM两者在概念上的空白,并使FTLM更易于应用正交多项式相关的技术。例如,一个值得研究的课题是在FTLM中添加类似KPM的积分核,以减少不连续函数展开中的吉布斯振荡。相信经过我们的发展,FTLM将在量子多体系统的计算中找到更多的应用。

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Fig. 2. (a) dynamic correlation function χ(t). The main plot shows the real part of χ(t) while the inset shows the imaginary part of χ(t). (b) Fourier transform of χ(t), denoted as χ(ω). In both figures the temperature T in the calculation is set to 10. Lanczos iteration steps is set to 300, and the number of random vectors is set to 100.


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Water contact angles on charged surfaces in aerosols

Yu-Tian Shen(申钰田), Ting Lin(林挺), Zhen-Ze Yang(杨镇泽), Yong-Feng Huang(黄永峰), Ji-Yu Xu(徐纪玉), and Sheng Meng(孟胜)

Chin. Phys. B, 2022, 31 (5):  056801

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液滴的浸润行为可以通过电场进行有效调控,比如对电解液液滴加电压可以调节其形状和蒸发过程,表面电荷可以有效地调控水滴与衬底之间的摩擦等。然而,令人吃惊的是,对于表面电荷如何影响纯水水滴的浸润行为这个基础问题,目前还十分局限于有限的分子动力学模拟研究,并没有严肃的实验探索。实验上的关键挑战在于,如何获取能有效调节纯水浸润行为的高密度净表面电荷?


本文作者借助于高性能的热释电材料钽酸锂作为衬底,获得了便于调节的超高密度的表面净电荷,其电荷密度与温度变化成正比。在实验上实现了可高达0.1 C/m2的表面净电荷密度;同等条件下使用金属平行板,则需要十万伏高压方可实现同样量级的电荷密度。作者发现正、负表面电荷密度对纯水水滴接触角有些微弱的影响。


更有趣的是,由于环境的作用,晶片上的表面电荷会逐渐衰减。在这个过程中由于库伦吸引作用,带电的晶片表面会吸附周围环境中比如气溶胶中的有机杂质,从而显著地增大水滴的接触角。接触角的变化可以方便地通过控制环境和气流摩擦起电过程来控制。本文研究在实验上填补了表面电荷如何影响水滴浸润行为这一空白,发现外界环境的吸附物显著影响电调控浸润现象,对于真实环境中的电浸润调控有重要指导意义。

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Fig. 1. (a) Cosine of contact angle of water droplets cos(θ) on charged LiTaO3 crystals heated from room temperature to various final temperatures. (b) Evolutions of cos(θ) of water droplets on LiTaO3 crystals heated to 30  in the controlled aerosol for 50 minutes and those be treated by UVO (ultra-violet ozone) for 5 minutes before 20 or 40 minutes.


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