一日两篇，南京大学连发Nature

一、南京大学Nature：等旋扩展Hubbard模型模拟器中的可调量子临界性

【导读】

研究表明，研究强电子相关性一直是推动凝聚态物理前沿的重要驱动力，特别是在相关驱动的量子相变（QPT）附近，多自由度的量子临界涨落促进了多体状态和超出朗道框架的量子临界行为，范德华材料的莫尔异质结构是高度可调的量子平台，被用于探索强相关量子物理学。特别是当涉及多个自由度时，不同阶参数的竞争及其量子涨落变得突出，并可能导致超出朗道框架的新型量子临界相和行为。探索不同类型的QPT及其在固态平台中的演变将为深入了解非朗道量子临界性的起源提供前所未有的机会。尽管不断尝试，但由于缺乏原位和同时调整电子相关性和多自由度的能力，这样的平台仍有待实现。

【成果掠影】

今日，南京大学缪峰教授和南京理工大学程斌教授（共同通讯作者）在扩展Hubbard模型的实验模拟器中观察到可调量子临界性，该模型具有手性堆叠扭曲双层石墨烯（cTDBG）中出现的自旋谷同位旋。缩放分析显示，当广义维格纳晶体通过改变位移场转变为费米液体时，量子两阶段临界表现出两个不同的量子临界点，表明出现了一个临界中间相。当施加高平行磁场时，量子两阶段临界演化为量子伪临界。在这样的伪临界中，作者发现量子临界标度仅在临界温度以上有效，表明其中存在较弱的一阶QPT。

相关研究成果以“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.展示了金属相随着自旋被平行磁场极化而收缩，表明量子自旋的波动起主导作用；

2.本文第一次观察了量子伪量子和两阶段临界，并利用平行磁场实现了这些非常规量子临界的原位演化。

【数据概览】

图一、θ =0.75°的cTDBG。

图二、维格纳晶态的证据。

图三、量子两阶段临界。

图四、12-T平行磁场中的量子伪临界。

文献链接：“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-05106-0）

二、南京大学张勇教授Nature：LiNbO₃铁电纳米域的飞秒激光写入

【导读】

研究表明，LiNbO₃晶体具有优异的电光、声光和非线性光学特性，为制造下一代光通信网络、微波光子系统的高性能集成光子器件，提供了一个很有前景的材料平台和量子信息处理。其中，对LiNbO₃器件的先进要求推动了两种重要制造技术的发展。一种是标准的光刻和蚀刻技术，得益于最近在绝缘体上 LiNbO₃纳米加工方面的突破，LiNbO₃光子结构的特征尺寸能够减小到几百纳米，这大大提高了LiNbO₃集成器件的性能，包括高速电光调制器。另一种制造技术是LiNbO₃铁电畴工程，其能够通过在空间上改变极化 LiNbO₃畴结构中的二阶磁化率χ 的符号来操纵非线性光学过程。该技术可用于通过准相位匹配（QPM）原理提高激光频率转换效率，该原理已在非线性和量子光学领域进行了广泛的研究。除了光学应用之外，LiNbO₃铁电畴结构在声谐振器和滤波器，以及非易失性铁电畴壁存储器和场效应晶体管中也非常有用。然而，电场极化的LiNbO₃铁电畴结构几十年来一直停留在具有微米分辨率的二维（2D）图案中，这严重阻碍了基于LiNbO₃铁电畴的先进光子、声学和电子器件的进一步发展，在LiNbO₃晶体中可行且可控地制造三维（3D）纳米级铁电畴仍然是一个巨大的挑战。

【成果掠影】

今日，南京大学张勇教授等人（共同通讯作者）提出并通过实验证明了一种新的非互易近红外（NIR）激光写入技术，以可重构的方式执行3D LiNbO₃纳米域工程。与传统的超快激光写入技术不同，所提出的激光诱导域工程与激光写入方向密切相关，其基本原理可以从激光感应电场中理解。在本文的实验条件下，热电场是用于激光写入畴结构的主要效应（热电效应），在激光束的焦点处，近红外光的多光子吸收产生了局部温度场，其中两种物理机制主导了光-LiNbO₃域的相互作用。首先，紧密聚焦的激光光斑会在激光光斑处产生强烈的头对头电场。其次，LiNbO₃畴反转的阈值场明显降低，原因在于激光加热导致离子电导率增加，因此畴壁钉扎减少，这使得更容易逆转激光焦点处的自发极化，高于阈值场的有效电场，从根本上是由光的衍射极限和多光子吸收决定的。本文的理论模拟表明，在130 mW的输入NIR光功率下，可以在a=1 μm和b=500 nm的区域内创建LiNbO₃域 。

相关研究成果以“Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.展示了一种非互易近红外激光写入技术，用于在具有纳米级分辨率的 LiNbO₃中进行可重构；

2.本文提出的策略基于激光感应电场，具体取决于激光写入方向，从而为进行可控纳米域工程提供了一条途径。

【数据概览】

图一、用于LiNbO₃铁电畴工程的非互易激光写入工作原理。

图二、LiNbO₃域的纳米级控制。

图三、通过非互易3D激光写入制造纳米域结构。

图四、可重构LiNbO₃纳米域工程。

文献链接：“Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectricnanodomains”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-05042-z）

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