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理学院物理学系教师在国际权威学术期刊连续发表论文
2015-09-28 15:09:17
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来源:理学院
编辑:裴诺

近期,中国人民大学理学院物理学系教师在国际权威学术期刊连续发表论文,在重费米子金属、新型功能材料二硫化钼以及金属玻璃等领域取得丰硕研究成果。

1.重费米子金属领域研究成果

强关联电子体系是包括铁基超导体、重费米子体系等一系列具有丰富物理内涵的系统。是当前凝聚态物理研究前沿最具有挑战性的研究领域之一,其理论研究与应用成果在材料领域有着重大的意义。

在重费米子体系的研究中,如何在理论上,特别是从微观机制的角度理解重费米子材料的丰富物性,一直是物理学家期待解决的前沿问题。其中,针对重费米子金属的理论基态相图是解决这一问题的关键。在之前的研究工作中,仅发现对应近藤屏蔽的量子相变发生在不同反铁磁金属相之间,与之对应的理论相图是不完整的。在最近的研究工作中,俞榕副教授与合作者应用隶费米子的大N展开理论,研究了具有阻挫的Shastry-Sutherland格点近藤模型的基态相图(图1),发现阻挫可以使得顺磁态成为系统稳定的基态。在近藤相互作用下,电子被近藤屏蔽,对应的量子相变也可以在顺磁态之间发生。这一发现完善了之前关于重费米子金属的理论相图。他们的理论并提出从未被近藤屏蔽的反铁磁金属到被近藤屏蔽的顺磁金属之间理论上存在三种可能的相变过程。这项研究成果是理论上对具阻挫的格点近藤模型基态的第一个定量计算,为研究重费米子金属统一、完整的相图提供了理论基础。同时,这项工作对理解重费米子材料Yb2Pt2Pb的低温性质有重要现实意义。该成果发表在国际物理学界最权威的期刊之一《物理评论快报》[Physical Review Letters 113, 176402 (2014)]上。

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图1 Shastry-Sutherland近藤格点模型(右)与其基态相图(左)。

PS与PL相是费米面拓扑性质不同的顺磁相,而AFS与AFL相是费米面拓扑性质不同的反铁磁相。虚线表示重费米子材料Yb2Pt2Pb在外界条件调制下可能经历的相变路径。

2.新型功能材料二硫化钼领域研究成果

过渡金属硫族化合物(TMDC)是继石墨烯之后的“明星”材料,而二硫化钼(MoS2)则是过渡金属硫族化合物中的代表性材料,其完美单层晶体是迁移率较高的直接带隙半导体,有望成为下一代(柔性)电子器件的核心材料。先前的研究发现,不论是天然矿物直接制备的二硫化钼单层还是利用物理或化学方法合成的材料,其载流子迁移率都较理论预测有显著不足,其内在机制仍未探究清楚。

季威教授研究组与浙江大学张泽院士团队金传洪研究组、英国约克大学袁俊教授等合作,采用先进的扫描透射电子显微镜和高精度的第一性原理计算,系统全面地研究了多种不同方法制备的二硫化钼单层材料中的原子点缺陷。研究发现,采用机械剥离和化学气相沉积(CVD)方法得到的样品中具有较高的S空位缺陷,而采用物理气相沉积(PVD)方法制备的样品中的缺陷则主要为Mo反位缺陷(图2)。这两类缺陷对二硫化钼单层材料的光学、电学和磁学性质有着截然不同的影响。随后的电学测量从电子输运性质上验证了这一发现。理论计算分析了形成这些缺陷的热力学和动力学因素,并提出了调控办法。利用上述结果,不但可以控制制备过程,消除缺陷提升材料性能;也可以有意识地引入缺陷,得到具有新性质的材料。该研究将过渡金属硫族化合物的制备方法、缺陷种类和物理性质联系起来,是从原子结构出发认识和预测材料性质的代表性范例。该成果《二硫化钼原子缺陷探索》发表在《自然》杂志子刊《自然·通讯》上。

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图2  五种反位缺陷的扫描透射电子显微镜图像和第一性原理计算预测的几何结构

3.金属玻璃领域研究成果

金属玻璃(metallic glasses)(又称非晶合金)是采用现代快速凝固冶金技术阻止金属合金熔体发生晶化而合成的一种新型非晶材料,有金属和玻璃的特性,具有许多优异的力学、物理和化学性能,在材料、工程、能源、国防和航空航天等领域显示出广阔的应用前景。然而,迄今为止,金属玻璃的原子排列本质仍然是一个谜,同时也是凝聚态物理和材料科学领域最基本、最有趣的问题之一。对于金属晶体,其微观原子结构可以采用现代微观结构分析和表征手段(如X射线衍射等)表征出来。然而,这些分析和表征手段对金属玻璃的结构分析却非常有限,因为不同的金属玻璃得到的几乎都是相似的弥散衍射花样和展宽的衍射特征峰(如图3所示),很难区分出不同金属玻璃微观结构的差别。实际上,不同金属玻璃的力学性能(如强度、韧性等)存在着很大的差异,不同金属玻璃的热稳定性和玻璃形成能力也大不相同,这些都意味着金属玻璃的微观原子结构是不同的。但是现有的结构表征技术和手段都是基于晶体材料发展起来的,常规的分析方法很难区分出不同金属玻璃的微观结构差别。那么,在这些展宽的衍射特征峰里是否隐含着金属玻璃原子排列的某种规律?金属玻璃的结构是否也像金属晶体那样遵循一个统一的规律呢?

李茂枝教授研究组与北京大学刘凯欣研究组和中科院物理所汪卫华研究组合作,采用分子动力学模拟方法,通过对几个具有代表性的金属玻璃结构的衍射特征峰进行了更加详尽细致的分析后发现,在这些衍射特征峰背后隐含着金属玻璃中程序的结构信息,并发展了一种新的表征金属玻璃结构中程序的方法。他们发现在玻璃形成过程中金属玻璃遗传了部分晶体的球周期序,表明金属玻璃与金属晶体之间存在着非凡的结构同源性。随着金属玻璃体系中化学组分的增加,这些隐含序的种类随之增加(如图4所示)。他们还发现遗传不同球周期序列的隐含序之间会发生拓扑纠缠,这个发现为金属熔体冷却过程中结构阻挫的形成从而抑制金属熔体发生晶化,最终形成玻璃态提供了一个新的微观结构演化的物理图像。研究结果还表明,金属玻璃中隐含序拓扑纠缠的强烈与否,与该金属合金体系的玻璃形成能力之间存在明显的对应关系(如图4所示),为实验上寻找玻璃形成能力强的金属合金体系提供了新的理论思路。该研究成果也为衡量金属合金玻璃形成能力强弱的经验原则——混乱原则提供了微观结构的理解,同时为进一步深入认识和理解非晶材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析方法和思路。该成果发表于《自然》杂志子刊《自然·通讯》上[Nature Communications 6, 6035 (2015)]。

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图3   (a) 金属玻璃的高分辨透射电子显微照片,插图为选区电子衍射花样;(b) 不同金属玻璃体系的X射线和中子散射的结构因子。

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图4  面心立方(fcc)和体心立方(bcc)晶格结构的标准结构谱。

红线和蓝线分别代表标准谱中fcc和bcc晶格结构中原子间距离的特征值。对于金属玻璃而言,部分对关联函数的特征峰遗传了标准谱里的特征值。可以看出,金属玻璃的隐含拓扑序是通过从标准晶体结构谱里遗传一个或者多个特征值序列而形成的。通常随着化学成分的增多,更多的隐含拓扑序在玻璃形成过程中经过遗传而形成。遗传越多的隐含序意味着该金属合金体系的玻璃形成能力越强。(注:GFA: glass-forming ability)

附相关论文链接:

俞榕:重费米子金属领域研究成果

季威:新型功能材料二硫化钼领域研究成果

李茂枝:金属玻璃领域研究成果

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