专题: 低维材料的新奇物性
2022, 71 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.71.20220035
摘要 +
低维材料的结构探索是我们全面认识元素物态的关键. 近年来, 研究方法的发展使包括一维原子链在内的各种低维结构逐渐被报道. 根据一维限域材料的发展现状, 本文重点对直径1 nm以下单质材料的结构和物理性质进行了综述, 并简要总结了此类研究中常用的实验技术和理论方法. 希望通过材料结构特性的解读和研究方法的讨论, 说明目前理论计算层面存在的困难及需要面临的挑战, 并以此对一维限域材料的研究前景进行展望.
2022, 71 (12): 127101.
doi: 10.7498/aps.71.20220079
摘要 +
理解强关联电子体系是一个长期的重要目标, 该体系的魅力不仅在于其背后蕴藏着深刻的物理, 还在于其中涌现出的丰富物质态在量子调控、量子计算等领域具有巨大的潜在应用价值. 同时, 理论上非微扰地理解强关联电子体系是极其困难的, 一直充满挑战. 量子蒙特卡罗计算是一类非微扰计算的标准方法, 有助于对强关联电子体系提供非微扰的理解, 因而广泛运用于凝聚态和高能物理领域. 然而, 量子蒙特卡罗计算通常会受到负符号问题的困扰. 本文将具体介绍一些无负符号关联电子模型的设计思路, 并讨论我们近期提出的符号边界理论. 通过设计无负符号或者具有代数符号行为的强关联电子模型, 可以帮助人们研究很多重要的量子多体问题, 包括巡游磁性量子临界行为、非常规超导和磁性序的竞争, 以及莫尔(moiré)量子物质中的关联物相与相变等.
2022, 71 (12): 127102.
doi: 10.7498/aps.71.20220054
摘要 +
二维过渡金属硫族化合物作为二维半导体材料领域研究的重要分支, 凭借较强的光-物质相互作用和独特的自旋-谷锁定等特性, 吸引了广泛而持久的关注. 单层的二维过渡金属硫族化合物半导体具有直接带隙, 在二维的极限下, 由于介电屏蔽效应的减弱, 电荷间的库仑相互作用得到了显著的增强, 其光学性质主要由紧密束缚的电子-空穴对—激子主导. 本文简单回顾了近年来二维过渡金属硫族化合物光谱学的研究历程, 阐述了栅压和介电环境对激子的调制作用, 之后重点介绍了一种新颖的激子探测方法. 由于激发态激子(里德伯态)的玻尔半径远大于单原子层本身的厚度, 电子-空穴对之间的电场线得以延伸到自身之外的其他材料中. 这使得二维半导体材料的激子可以作为一种高效的量子探测器, 感知周围材料中与介电函数相关的物理性质的变化. 本文列举了单层WSe2激子在探测石墨烯-氮化硼莫尔(moiré)超晶格势场引发的石墨烯二阶狄拉克点, 以及WS2/WSe2莫尔超晶格中分数填充的关联绝缘态中的应用. 最后, 本文展望了这种无损便捷、高空间分辨率、宽适用范围的激子探测方法在其他领域的潜在应用场景.
2022, 71 (12): 127103.
doi: 10.7498/aps.71.20220052
摘要 +
电荷密度波(charge density wave, CDW)是低维体系中存在的一种重要的物理现象, 对CDW的研究有助于人们对低维系统中内禀电声子耦合和关联等相互作用有更深层次的认识, 同时通过对材料中CDW的精准调控可以有效控制低维材料中磁性、超导等物理性质. CDW的研究最早起源于一维和准一维材料, 本文首先简要介绍了CDW的一些基本性质和一维体系中CDW的一些研究. 而近些年的研究发现CDW在很多二维材料中普遍存在. 本文将着重介绍二维材料中CDW的最新研究进展. 通过介绍二维材料中CDW的基本物性和产生机理, 讨论CDW与Mott相、超导序和其他序(自旋密度波、配对密度波)之间的相互作用; 探讨CDW中存在的多电子集体激发和手性性质; 介绍掺杂、高压和激光脉冲等手段对CDW的调控; 最后展望相关领域中可能的研究方向.
2022, 71 (12): 127104.
doi: 10.7498/aps.71.20220272
摘要 +
极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式, 近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注. 低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值, 比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等. 这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用, 产生各种丰富新奇的物理现象, 极大地拓展了极化激元的应用前景. 本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例, 从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发, 首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质, 然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合, 最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.
2022, 71 (12): 127202.
doi: 10.7498/aps.71.20220064
摘要 +
二维量子材料具有诸多新奇的电子态物性, 又易受到外部因素的影响和调控, 因此成为近年来凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一. 而当以不同的旋转角度和堆叠次序制备出二维量子材料的异质结时, 莫尔超晶格的形成又进一步诱导了异质结电子能带结构的重整化, 从而形成电子平带结构, 再结合外加电场、磁场、应力场等外部条件, 即可实现对材料整体新奇物性的设计与调控. 本文主要围绕转角石墨烯及过渡金属硫族化合物异质结中的相关研究展开讨论, 包括与平带物理相关的强关联效应、非常规超导现象、量子反常霍尔效应、拓扑相以及电子晶体等行为, 并对未来的研究发展进行了展望.
2022, 71 (12): 127302.
doi: 10.7498/aps.71.20220225
摘要 +
在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大, 电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能, 电子-电子相互作用效应显著, 对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态, 如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等. 因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣. 近几年, 与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题. 实验上发展了多种方法, 例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带. 本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.
2022, 71 (12): 127304.
doi: 10.7498/aps.71.20220118
摘要 +
单层FeSe/SrTiO3中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现. 该体系中SrTiO3衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究, 其调控作用主要表现为两个方面: 电荷掺杂和界面电声耦合. 然而, 关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分. 本文介绍该体系超导增强机制的新进展: FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联. 通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术, 对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究. 我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构, 并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化. 条纹相是一种电子液晶态, 它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用. 表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用, 逐渐抑制条纹相; 另一方面会诱导超导相变, 而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强. 我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识, 也揭示了FeSe薄膜本征的特异性, 完善了对FeSe/SrTiO3超导增强机制的理解.
2022, 71 (12): 127305.
doi: 10.7498/aps.71.20220349
摘要 +
铁电材料因具有电场可调的自发极化, 在各类功能器件中有着广泛的应用. 受器件小型化发展趋势的影响, 二维范德瓦耳斯铁电材料及其层状母体块材成为了铁电领域的重点研究对象之一. 近年来, 研究人员已经制备出了数种二维范德瓦耳斯铁电材料, 并通过理论计算与实验结合的方法发现这些材料及其母体块材具有许多优良的、新奇的物理性质. 本文主要介绍近年来几种范德瓦耳斯铁电材料的一些研究进展, 包括体相范德瓦耳斯材料CuInP2S6的新奇物性的理论预测与实验证实, 以及两类二维范德瓦耳斯铁电材料M2X2Y6 (M = 金属, X = Si, Ge, Sn, Y = S, Se, Te), QL-M2O3 (M = Al, Y)及相关功能器件的理论设计, 最后对范德瓦耳斯铁电材料蕴含的丰富物理内涵及其发展前景进行了简要探讨, 希望能够为该领域的相关研究提供一些思路和参考.
2022, 71 (12): 127306.
doi: 10.7498/aps.71.20220015
摘要 +
二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体, 它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用. 本综述以二硫化钼为代表, 系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构; 介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展, 例如超导和强关联现象; 分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战, 并展望该领域未来的发展.
2022, 71 (12): 127307.
doi: 10.7498/aps.71.20220085
摘要 +
探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿. 应变是调控低维材料物性的一个重要手段. 相比于块体材料, 低维材料通常具有良好的力学柔韧性, 并表现出敏锐的结构-电子响应关系, 因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控. 本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展. 主要讨论两个效应, 即赝磁场效应和挠曲电效应. 具体来说, 通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展. 从计算模拟的角度看, 由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性, 基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用. 本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法, 即广义布洛赫方法, 并简要介绍该方法的一些具体应用.
2022, 71 (12): 127308.
doi: 10.7498/aps.71.20220100
摘要 +
量子自旋霍尔效应通常存在于二维拓扑绝缘体中, 其具有受拓扑保护的无耗散螺旋边界态. 2014年, 理论预言单层1T' 相过渡金属硫族化合物是一类新型的二维量子自旋霍尔绝缘体. 其中, 以单层1T'-WTe2为代表的材料体系具有原子结构稳定、体带隙显著、拓扑性质易于调控等许多独特的优势, 对低功耗自旋电子器件的发展具有重要的意义. 本文总结了单层1T'-WTe2在实验上的最新进展, 包括基于分子束外延生长的材料制备, 螺旋边界态的探测及其对磁场的响应, 掺杂、应力等手段在单层1T'-WTe2中诱导出的新奇量子物态等. 也对单层1T'-WTe2未来可能的应用前景进行了展望.
2022, 71 (12): 127309.
doi: 10.7498/aps.71.20220347
摘要 +
在二维范德瓦耳斯材料中, 可以通过转角及晶格失配构造周期性的莫尔超晶格. 自从实验上在“魔角”石墨烯系统中观察到关联绝缘体态和超导电性以来, 利用各种二维范德瓦耳斯材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题. 本文主要综述了最近几年在二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格系统中的相关实验进展. 在该系统中实现电子“平带”不依赖于特定魔角, 实验上, 一系列的关联电子物态和拓扑电子物态被相继发现和证实. 进一步的理论和实验研究有望在该系统中揭示更多的受电子关联作用和拓扑物理共同支配的新奇量子物态.
2022, 71 (12): 127402.
doi: 10.7498/aps.71.20212289
摘要 +
低维超导材料由于具有尺度接近量子临界尺寸的优势, 能够观测到显著的超导量子振荡效应, 因此成为研究超导量子振荡效应的优异平台. 由于这些量子振荡效应的周期、振幅、相位与磁通涡旋的量子化及运动方式、超导电子的配对机制、特定外部条件下超导体中的涨落和激发现象密切相关, 并且它们还能直观地反映超导材料的几何结构对其超导物性的影响, 因此对低维超导体中振荡效应的研究直接反映了超导体的本质规律, 成为研究材料超导机制的一种重要手段, 有着深邃的物理内涵和丰富的研究价值. 本文将探讨三类能够在低维超导材料中观测到的典型超导量子振荡效应: 利特尔-帕克斯效应、磁通涡旋运动导致的振荡效应和韦伯阻塞效应, 从研究手段、理论预期、实验现象以及实验结果诸方面综述其中所揭示的深刻物理规律, 并展望低维超导体的量子振荡效应在量子计算、器件物理和低温物理等领域的应用价值.
2022, 71 (12): 127403.
doi: 10.7498/aps.71.20220856
摘要 +
在采用机械解理方法制备的二维关联电子系统薄层样品中, 人们观察到了丰富的新奇物性. 发展新的宏观二维块材制备方法, 有可能在块体材料中发现与薄层样品类似的新奇物性. 结合传统的表征手段, 可以进一步地加深对低维系统的理解, 并将这些新奇物性推向潜在的应用领域. 本文将介绍一类有机分子插层调控二维关联电子系统的方法, 重点介绍层状结构材料在有机分子插层后结构和物理性质的变化, 分析其演化过程. 文章将介绍有机分子插层法在热电、磁性、电荷密度波和超导电性等物性调控方面的研究进展.
2022, 71 (12): 127504.
doi: 10.7498/aps.71.20220301
摘要 +
具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序, 其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控. 这些新奇特性赋予了二维磁性材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值, 受到了研究者的广泛关注. 本文着重介绍近年来二维磁体在实验和理论计算两方面的研究进展, 首先从几种二维磁性材料中常见的磁交换机制出发, 随后以组分作为分类依据, 详细介绍一些主要二维磁体的几何和电子结构以及它们的磁耦合方式; 在此基础上, 再讨论如何通过外部(外场和界面)和内部(堆叠和缺陷)两类方式调控二维磁体的电子结构和磁性; 继而探讨如何利用这两类调控方式, 将上述材料应用于实际自旋电子学器件以及磁存储等方面的潜力; 最后总结和展望了目前二维磁性材料遇到的困难和挑战以及未来可能的研究方向.
2022, 71 (12): 127505.
doi: 10.7498/aps.71.20220727
摘要 +
二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下, 为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台, 也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景. 晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性, 是合适的二维磁性候选材料. 结合分子束外延 (MBE)技术, 不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限, 而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控. 本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构, 并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质. 随后, 讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法, 包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结. 最后, 总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.