计算材料前沿研究成果精选| Phys. Rev. Lett.专刊（7月）

材料人继续推出计算材料成果汇编（月刊），报道计算材料相关重大成果。本篇为Physical Review Letters专刊。

1. 铱酸盐Eu₂Ir₂O₇中金属-绝缘体转变中的磁性激发

图1 在T=7k处高对称方向的RIXS光谱

近期，加拿大多伦多大学Young-June Kim等研究人员报道了在高绝缘的Eu₂Ir₂O₇单晶中磁激发谱的共振非弹性x射线散射研究，发现该单晶在T_MI=111(7) K处具有金属绝缘体转变。他们在7k的激发谱中发现了一个具有20 mev带宽和28 meV磁振子间隙的磁子传播模式，该现象在全能磁序状态下是可预计的。当温度升高到T_MI时，这种磁激发表现出实质性的软化，并在顺磁相中转变为高阻尼的激发。值得注意的是，软化发生在整个布里渊带包括区域的边界。这一观察结果与局部磁矩系统中预期的磁子重整化不一致，表明Eu₂Ir₂O₇中电子相关的强度仅为中等，因此提出，在描述磁性时应考虑电子的巡回。

文献链接：Magnetic Excitations across the Metal-Insulator Transition in the Pyrochlore Iridate Eu₂Ir₂O₇(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177203）

2.有序偶极多体体系中离散时间晶体特征的观测

图2 脉冲序列测量后的信号

在被驱动的体系中，离散时间晶体（DTC）是的稳定的相位，其打破了驱动哈密顿算符离散时间的平移对称性。近日，美国耶鲁大学Sean E. Barrett等人通过实验已经观察到不同于两个体系的DTC特征。他们在第三个截然不同的系统中的DTC特征的核磁共振中观测到了一个有序的空间晶体。他们使用一种新颖的DTC回波实验来探测驱动系统的相干性，并表明在DTC序列的脉冲期间的相互作用导致了信号的衰减，使得测量DTC本征寿命变得复杂化。

文献链接：Observation of Discrete-Time-Crystal Signatures in an Ordered Dipolar Many-Body System(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.180603）

3. 纳米接触的速率和状态摩擦关系：化学老化与热活化Prandtl-Tomlinson模型

图3 在两个负载点速度下的侧向力和侧向位移

速率和状态摩擦（RSF）法则是广泛使用的描述宏观尺度到微观尺度摩擦行为的经验关系。最近的原子力显微镜（AFM）实验和模拟发现，由于形成界面化学键，几十年的接触时间内，纳米级单一的非均质无定形硅石-硅石接触表现出对数老化（随时间增加的摩擦力）。最近美国宾夕法尼亚大学Robert W. Carpick等人通过将热激活的Prandtl-Tomlinson（PTT）模型与基于化学老化物理学的进化效应相结合，为这种接触建立了基于物理的RSF关系。与PTT模型一样，这种具有化学老化（PTTCA）的热激活Prandtl-Tomlinson模型使用加载点速度来描述直接效应，而不是尖端速度（如传统的RSF定律）。他们提出了与PTTCA模型一致的AFM数据，在老化测试中，对于给定的保持时间，静摩擦随着加载点速度的对数增加。动力学摩擦也随着加载点速度的对数在足够高的速度下增加，但是以不同的增加速率增加。他们还为传统的RSF定律如何针对纳米级单一的粗糙度接触点进行了修改，从而为纳米级接触表现出化学键引发的老化以及具有相似物理特性的其他老化机制提供了基于物理的摩擦关系。

文献链接：Rate and State Friction Relation for Nanoscale Contacts: Thermally Activated Prandtl-Tomlinson Model with Chemical Aging(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.186101）

4. 元素铁中铁磁有序的熔化引起的声子软化现象

图4 低温下的声子谱

近日，美国美国罗格斯大学Kristjan Haule等与明尼苏达大学的研究人员研究了金属铁磁体晶格动力学的基本问题，其中静态长程磁场序列被嵌入金属主体中波动的局部磁场所取代。他们使用从头算密度泛函理论+嵌入式动态平均场理论函数方法来解决了铁多晶型物的动态稳定性和随温度升高的声子软化。他们的研究表明，在铁中测量的非谐和非均匀声子软化是长程铁磁有序熔化的结果，并且与通常假设的从bcc到fcc相的一级结构转变无关。并且预测，在常压下的所有温度下，bcc结构都是动态稳定的，仅在铁的bcc-α和bcc-δ相之间是热力学不稳定的。

文献链接：Phonon Softening due to Melting of the Ferromagnetic Order in Elemental Iron(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.187203）

5. 稀土掺杂固体的超精细相互作用对核自旋的选择性光寻址

图5 晶体结构中作为θ和φ的函数的ρ_max分布

巴黎第十一大学与巴黎萨克莱大学的研究人员T. Chanelière等报道了在Er³⁺:Y₂SiO₅中，通过它们与具有大Landég因子的Er³⁺电子自旋的超高精细耦合从而证明了⁸⁹Y³⁺核自旋的选择性光学寻址。他们用用光子回波技术对电子-核自旋混合进行了实验探索，并验证了其的模型。通过调节磁场强度和方向，设计了Y³⁺核自旋的位置选择性光学寻址，这是实现电信光子光学寻址的长寿命固态量子比特重要的一步。

文献链接：Selective Optical Addressing of Nuclear Spins through Superhyperfine Interaction in Rare-Earth Doped Solids(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.197401）

6. 关联的金属Pb/Si(111)单层电荷-密度波相中的手性旋转结构

图6 STM图像与拓扑结构等

近日，巴黎索邦大学C. Brun与M. Calandra等研究人员通过扫描隧道光谱（STS）和全相对论的第一性原理计算来研究了1/3单层α-Pb/Si(111)表面。他们研究了高温√3×√3和低温3×3重建，并表明在两个阶段中，自旋-轨道相互作用导致了能量分裂宽达25％的价带带宽。相对论效应、电子相关性和Pb-衬底协同稳定相关的低温顺磁相，发展良好的下Hubbard带和上Hubbard带共存3×3周期。通过比较STS电导图的傅立叶变换与费米能级以及非磁性杂质的计算准粒子干扰，他们证明了两个具有面内自旋极化和相反螺旋的大六边形费米片的出现。

文献链接：Chiral Spin Texture in the Charge-Density-Wave Phase of the Correlated Metallic Pb/Si(111) Monolayer(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.196402）

7. 非超导材料中抗涡旋和巨大涡旋的场自由成核

图7 六边形结构与应用的电流绕组

巨大的漩涡与相绕组高于2π在能量上通常是不利的，但已知在超导体中，几何对称约束磁场可以稳定这些物体。挪威滚球体育 大学Morten Amundsen等研究人员通过微观计算显示，即使没有任何外加磁场，他们也可以在内在的非超导材料领域看到该现象。其通过靠近大量电流流过的超导体而启动，而且他们证明了在此设置中可以出现反涡流。

该研究结果为研究异常环境下的电可控制拓扑缺陷提供了可能，这些缺陷不必暴露在磁场或本质上的超导环境中。

文献链接：Field-Free Nucleation of Antivortices and Giant Vortices in Nonsuperconducting Materials(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.207001）

8. 螺旋声子板：从波束形成到拓扑绝缘子

图8 螺旋状的声子板

声子晶体和超材料可以采用不同的影响及其机理控制的分散从而塑造弹性波。其中的机制大多是布拉格散射、局部共振和惯性放大，这些都源于特殊材料构造块的几何形状。加州理工学院Osama R. Bilal与Chiara Daraio等研究人员提出了一个平台，使单元格的晶格螺旋，以创建包含布拉格散射、局部共振和惯性放大声子的材料。他们提出了可以控制电磁波的波长比晶格周期性的更大的声子材料的两个例子。(1)波束板，它能以任意角度发射波，与晶格矢量无关。研究表明，通过改变驱动频率或螺旋方向，可以连续地调整光束轨迹。(2)拓扑绝缘子板，该绝缘子板是在螺旋结构晶格布拉格极限下基于共振的狄拉克锥产生。

文献链接：Spiral-Based Phononic Plates: From Wave Beaming to Topological Insulators(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.205501）

9. 三维与二维材料中的热电机制

图9 单层GeS的结构及相关数据

热电是三维和二维材料中非常有前景的现象，但迄今为止还没有用第一原理计算来阐明其基本机理。近日，美国Jian Liu等研究人员结合基本热力学和现代偏振理论，报告了基于Born-Szigeti热电理论的密度泛函理论（DFT）计算。他们发现在批量基准材料的实验数据中，得到了满意的结果，这表明所谓的电子声子重正化，传统上认为其贡献是微不足道的。他们预测了最近合成的Janus MoSSe单层的板外热电和第四族单层单硫化合物的面内热电，发现所谓的二次热电在GeS单层中占主导地位。本工作为利用DFT研究热电效应开辟了理论途径，为寻找热电新应用提供了有价值的工具。

文献链接：Mechanisms of Pyroelectricity in Three- and Two-Dimensional Materials(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.207602）

10. 非晶Ge-Sb-Te相变材料中局部原子结构的畸变

图10 无定形Ge₂Sb₂Te₅薄膜的实验ABED图像

目前对非晶Ge-Sb-Te相变材料的局部原子结构仍未观测清楚，而导致也没有很好地理解不同光学对比度的快速结晶非晶相变。近期，日本东北大学A. Hirata等研究人员报告了在非晶态Ge₂Sb₂Te₅中使用“局部”反向蒙特卡罗模型直接观察到了原子结构，该模型致力于埃-束流电子衍射分析。结果证明，与对称晶体相比，具有岩盐晶体结构的局部结构存在较大的畸变。这种畸变导致理想八面体原子环境的破坏，从而形成局部无序结构，基本满足整体非晶态结构因子的要求。提出晶体状畸变八面体结构可能是Ge-Sb-Te整体非晶态结构形成的主要基础。

文献链接：Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials(Phys. Rev. Lett.，2018，DOI： 10.1103/PhysRevLett.120.205502）

本文由材料人计算材料组Annay供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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