計算材料前沿研究成果精選

材料人推出計算材料成果彙編（月刊），報道計算材料相關重大成果。本篇為Physical Review Letters專刊。

1、多電子量子點中的反自旋交換

圖1 磁場中的交換振蕩

帶有單一未成對的電子自旋的半導體量子點為量子計算提供了一體化平台。近日，丹麥哥本哈根大學的Frederico Martins和Filip K.Malinowski等人使用單電子量子點作為光譜探針，來研究柵控多電子GaAs量子點在奇偶佔據數轉變之間的自旋性質。研究者發現隨著增加下一個更高電子態的失諧，多電子基態轉變由類自旋1/2的到類單峰再到類三峰。在零磁場中推測的交換能信號反轉，交換強度可通過門電壓和平面內磁場進行調節。通過補足自旋泄漏光譜數據，相干多電子自旋交換振蕩的檢測為信號反轉提供了進一步證據，可推論得出，其對於非平凡多電子自旋交換關聯的重要性。

文獻鏈接：Negative Spin Exchange in a Multielectron Quantum Dot（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.227701）

2、帶有可極化納米孔的膜中擴散能的誘導電荷增強現象

圖2 NaCl溶液中可極化納米孔的勢能場和濃度場

對納米孔和納米通道中離子輸運的理解在科學技術的眾多領域中有著基礎重要性。當帶電荷膜分離兩種不同濃度的鹽溶液，由於界面Donnan平衡和擴散結，會出現勢能差。近日，俄羅斯KSC SB RAS聯邦研究中心和西伯利亞聯邦大學的I.I.Ryzhkov（通訊作者）報道了可極化導電膜中，通過誘導表面電荷產生膜勢能的一種新機制，這是由不同遷移率的離子擴散產生電場所致。對於無電荷的膜，該效應強烈提高了擴散勢能，使其對遷移率的比值、電解質濃度和孔的大小高度敏感。在KCl和NaCl水溶液中，將基於空間電荷模型的理論預測推廣到可極化納米孔，其結果與實驗測量可很好地相符。

文獻鏈接：Induced-Charge Enhancement of the Diffusion Potential in Membranes with Polarizable Nanopores（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.226001）

3、Heusler材料中的電荷密度波和磁性耦合

圖3 和單參數模型對比的時間分辨XRD表徵

典型的磁性形狀記憶合金Ni2MnGa隨溫度、壓力和摻雜變化，可能經歷多種相變。在低於260K的低溫相中，發生在[110]方向的不對稱的結構調製被視為引發聲子模軟化的原因。這一現象與磁性記憶效應如果相關，其具體關聯還不清楚。近日，蘇黎世聯邦理工大學的G.Lantz等人報道了對已調製的高對稱性立方相的相變過程，利用時間分辨測量同時追蹤其結構和磁性組分。結果顯示，對於由嵌套向量作用和結構調製周期性強耦合區域，其費米面被聲子誘導消磁改變。然而，消磁對周期性晶格扭曲的幅度的影響極小。

文獻鏈接：Coupling between a Charge Density Wave and Magnetism in an Heusler Material（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.227207）

4、六方氮化硼膜中色心的自旋力學系統

圖4 六方氮化硼單層膜中的缺陷表徵

最近觀測到的六方氮化硼(hBN)膜內量子發射器因更低的空間維度，有獲得高可及性和可控性的潛力。此外，這些物體憑藉自身的低質量密度和高彈性模量，本身具有對主膜的高敏感度。近日，德國烏爾姆大學的Martin B. Plenio等人提出並分析一個基於六方氮化硼膜中色心的自旋力學系統。通過群理論分析和ab initio計算該系統的電子和自旋性質，作者發現一個自旋成對基態，並闡明了自旋-移動相互作用可被設計，使得力學發射器的基態冷卻。此外，提出了一個用於初始化、旋轉和自旋量子比特讀取的工具箱。因此，提出的設定呈現出對於大多數物理研究的可能性。

文獻鏈接：Spin-Mechanical Scheme with Color Centers in Hexagonal Boron Nitride Membranes（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.233602）

5、石墨烯中的光誘導分數量子霍爾相

圖5 Rabi頻率的光碟機動單層石墨烯

分數量子霍爾效應是一種電子-電子相互作用和磁場導致強關聯的新奇現象。近日，美國紐約城市大學的Pouyan Ghaemi和馬里蘭大學的Mohammad Hafezi等人通過光學驅動系統，展示了如何識別在單層石墨烯中的雙組分分數量子霍爾相。激光調控在兩個朗道能級間達到共振，非零相對角動量的層間相互作用可開始佔主導，類似一個空心贗勢。在微弱的隧穿機制中，這一相互作用有利於單態的形成。作者討論了可能的相，包括Haldane-Rezayi相，層間Pfaffian相和一個Fibonacci相。這表明作者提出的方法可以為識別非阿貝爾相和控制拓撲相變奠定基礎。

文獻鏈接：Light-Induced Fractional Quantum Hall Phases in Graphene（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.247403）

6、高速滑移界面中的靜電可協調附著力

圖6 接觸滯後行為的示意圖

滑移界面之間的接觸滯後在宏觀和納米尺度的滑移界面中是一種被普遍觀察的現象。多通過滑移速度為幾微米每秒的原子力顯微鏡（AFM）進行研究。近日，美國西部數據公司的Sukumar Rajauria（通訊作者）等對商業用硬碟驅動的磁頭界面間的粘滯阻力展開了一項特殊的研究，其中磁頭與磁碟間的垂直間隙差不多與多種基於AFM的基礎研究在同一數量級,滑移速度的大小為其6倍多。作者證明，儘管靜電力是吸引力，磁頭相對於磁碟交流電壓誘導的平面外振蕩，能夠完全抑制接觸滯後現象。

文獻鏈接：Electrostatically Tunable Adhesion in a High Speed Sliding Interface（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.026101）

7、膠體多晶中的局域熔化吸附晶界

圖7 在二維膠體晶體中光爆破引發的局域融化

晶界，是在相鄰晶粒之間的無序界面，在熔化等相變發揮著重要作用，決定著屈服應力到電導率等多種重要材料性質。近日，美國哈維姆德學院的Sharon J. Gerbode（通訊作者）等發現二維膠體晶體中激光誘導熔化吸附和變形晶界。當熔化區域與晶粒再結晶邊緣接觸，會使晶界變形——吸引力由變形晶界構型的多樣性所驅動。此外，吸引力提供了一種製備任意形狀的人工膠體晶體的方法，使得晶界動力學新的實驗研究。最終，可據此得到通過設計顯微結構來製備材料的一種新方法。

文獻鏈接：Local Melting Attracts Grain Boundaries in Colloidal Polycrystals（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.018002）

8、原子系統張量性質的對稱性匹配機器學習

圖8 偶極子、極化率和超極化率的不可約球張量的學習曲線

統計學習方法憑藉其可使電子結構計算對計算能力要求的最小化，在精確預測材料和分子性質方面表現出巨大的潛力。這些模型將學習步驟的旋轉和置換的基本對稱性的標度性質進行編碼，因此模型準確性和可轉移性大大增加。然而，當參考模型旋轉時，張量性質的預測要求模型遵循適當的幾何轉變，而不是不變數。近日，瑞士洛桑聯邦理工學院的Michele Ceriotti和英國劍橋大學的Gábor Csányi介紹了一種延展存在系統的形式，並可開展任意等級張量性質的機器學習，也適用於一般的分子幾何學。

文獻鏈接：Symmetry-Adapted Machine Learning for Tensorial Properties of Atomistic Systems（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.036002）

9、強電子-聲子和能帶結構對高壓金屬氫的光學性質的影響

圖9 I41=amd氫在500GPa的電子能帶結構

現有的實驗室製備金屬氫，目前多為依靠光譜測量。近日，西班牙CSIC-UPV/EHU和DIPC的Miguel Borinaga等人通過第一性原理計算I41=amd晶體結構的氫在400至400GPa之間的反射率，同時通過時間相關密度函數和Eliashberg理論來預測這些壓力條件下的情況。因此，可涵蓋從紅外到紫外波段的光學性質。結果顯示，氫原子在6eV附近出現能帶間的等離激元，劇烈抑制反射率，而在紅外波段約為120meV時，大的半導體能隙使得反射率劇烈降低。實驗估計在0.7-3eV的電子散射率和該工作的理論估計相符，系統巨大的電子-聲子相互作用控制著該能量範圍內的電子散射。光譜預測的顯著特徵有助於將光學測量擴展至紅外和紫外區域，所以該工作的結論表明，光學測量具有應用於識別氫高壓相的潛力。

文獻鏈接：Strong Electron-Phonon and Band Structure Effects in the Optical Properties of High Pressure Metallic Hydrogen（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.057402）

本文由材料人編輯部計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！