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亮点文章 | 《物理学报》2024年第11期

已有 195 次阅读 2024-6-11 15:11 |系统分类:论文交流

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《物理学报》创刊 90 周年

基于合成维度拓扑外尔点的波长选择热辐射超构表面

赖镇鑫，张也，仲帆，王强，肖彦玲，祝世宁，刘辉

物理学报, 2024, 73(11):117802.

doi: 10.7498/aps.73.20240512

黑体辐射通常具有覆盖整个红外波长范围的宽带光谱，导致红外波段的大部分能量不能有效利用，降低了辐射效率。近年来，具有二维亚波长人工纳米结构的超构表面因其在调节光学特性方面的灵活性而得到广泛研究，这为调控热辐射提供了一个理想的平台。在超构表面中，采用合成维度方法为热辐射的精细调控开辟了新路径，尤其突显了超越传统三维体系的物理特性和丰富的拓扑物理。相比于在三维系统中探索物理现象，研究一维或二维系统更为可行和高效。合成维度的方法通过引入系统的结构或物理参数，为操控光子系统中的内在自由度提供了可能性。本文研究了利用合成维度方法实现波长选择热辐射。首先在超晶格模型中构建合成拓扑外尔点，通过角分辨热辐射谱(ARTES)对合成外尔锥进行实验表征，在实现了合理的波长选择热辐射的同时能够尽可能地抑制其他波长的辐射，对于实际的红外应用，如热光伏和热管理装置，是必不可少的。

图1 (a)超晶格的结构示意图；(b)参数为(p,q) = (0,0)的实验样品对应的SEM扫描图；(c)不同参数下的超晶格色散，红色虚线标出了超晶格的第一布里渊区边界，蓝色实线和青色虚线代表参数设置为(p,q)=(0,0)时的色散曲线，青色虚线是由于人工加倍原胞周期而产生的能带折叠现象，黑色虚线是参数(p,q) = (0,0.2)对应的色散；(d)合成空间中的外尔锥，紫色虚线是参数空间中对应p²+q²=0.2²的回路，紫红色圆点是已表征的实验数据点

同行评价

合成维度是目前纳米光学研究的热点领域，在低维空间的基础上引入额外的自由度，可以研究更高维度空间的物理问题，为光子调控提供更多灵活的手段。本文作者利用一维光子晶体结构中的两个空间参数变量以及布洛赫动量构造三维的合成维度空间，得到系统的能带结构并实现了外尔点。作者研究了外尔点附近系统的热辐射特性，通过改变结构参数和辐射角度（布洛赫动量）对热辐射的能谱进行调控，实验数据较好的匹配了理论模拟结果。论文逻辑严密，图表清晰，行文流畅。体系结构设计和研究结果对热辐射调控具有一定的指导意义。

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SrRuO₃薄膜中自旋轨道力矩效率和磁矩翻转的晶向调控

赵珂楠，李晟，芦增星，劳斌，郑轩，李润伟，汪志明

物理学报, 2024, 73(11):117701.

doi: 10.7498/aps.73.20240367

过渡金属氧化物SrRuO₃薄膜因具有较大且可调的电荷流-自旋流互转换效率而成为自旋轨道力矩(SOT)器件中备受关注的自旋源材料。然而，目前对SOT效率的调控主要集中在衬底外延应力调节。本文研究了晶体取向对SrRuO₃薄膜SOT性能的调控作用。制备了(111)取向SrRuO₃/CoPt异质结构，发现其SOT效率高达0.39，自旋霍尔电导达2.19×10⁵ℏ/(2e) Ω^–1·m^–1，分别较(001)取向提高了86%和369%。此外，在SrRuO₃ (111)器件中实现了低至2.4×10¹⁰ A/m²临界电流密度下的电流驱动的垂直磁化翻转，较(001)晶向降低了37%。这些结果表明，晶体取向是显著提升SrRuO₃基SOT器件综合性能的有效途径，为发展高效自旋电子器件提供了新思路。

图1 (111)-SRO/CoPt异质结构由自旋轨道力矩(SOT)驱动的垂直磁化翻转 (a)生长了电极的Hall bar的显微镜图像及磁矩翻转测量的几何图示，脉冲电流I_write用于翻转磁化状态，而直流恒定电流I_DC用于读取(上图)，I_write(±12 mA)和 I_read(200 μA)的序列图(下)；(b) 样品在不同外加磁场H_x下，I_write驱动的磁化翻转，R_H表示霍尔电阻的变化

同行评价

作者在SrRuO₃/CoPt异质结构中，通过调控SrRuO₃的晶体取向，实现了自旋轨道力矩效率和自旋霍尔电导率的显著提升，并在(111)取向器件中观察到了显著降低的磁化翻转临界电流密度。这些发现丰富了自旋轨道力矩调控的手段，为优化自旋电子器件性能提供了新的思路，具有较好的创新性和应用价值。

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二维BeB₂作为镁离子电池阳极材料的理论研究

李欣悦，高国翔，高强，刘春生，叶小娟

物理学报, 2024, 73(11):118201.

doi: 10.7498/aps.73.20240134

为了加快镁离子电池的开发与应用，寻找合适的镁离子电池阳极材料势在必行。此外，具有较低摩尔质量的阳极材料有利于获得较高的理论存储容量。因此，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统地研究了BeB₂单层材料作为镁离子电池阳极的潜力。计算结果表明，基于声子谱检测，BeB₂结构展现了优异的动力学稳定性。此外，从BeB₂的能带结构可以看到清晰的狄拉克锥，表明其具有良好的导电性能。BeB₂可以稳定吸附镁离子，并且镁离子在该材料上表现了较低的扩散势垒 (0.04 eV)，这意味着更快的充放电速率。重要的是，BeB₂展现了超高的理论容量(5250 mA·h·g^–1)、较低平均开路电压(0.33 V)以及较小的体积膨胀 (2%)。此外，Mg离子在双层BeB₂结构中的吸附能为–1.38 — –2.24 eV，扩散势垒为0.134 — 0.84 eV。综合以上性能，我们相信BeB₂可以作为一种优秀的镁离子电池阳极材料。

图1 BeB₂表面所有可能的吸附点位

同行评价

本文利用第一性原理对 BeB₂ 作为镁离子电池阳极展开了系统性地研究， Mg²⁺可以稳定地吸附于 BeB₂的表面，并且吸附 Mg²⁺的 BeB₂展现出良好的导电性。此外通过计算发现 BeB₂的理论容量为 5250 mA·h·g^–1，这是影响电池性能的重要因素之一。Mg²⁺在 BeB₂ 表面的最低扩散势垒为 0.04 eV，极低的扩散势垒意味着可以为电池带来更高的充放电速率。BeB₂展示了合适的平均开路电压（0.33 V），较低的体积膨胀率（2％）。此文展示了通过材料物理计算预测镁离子电池电极潜在材料BeB₂储镁离子能力，是值得关注的进展。

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原位加热诱导Nb扩散引起Nb_0.8CoSb有序度的转变

李其柱，范浩涵，高梓恒，南鹏飞，朱铁军，葛炳辉

物理学报, 2024, 73(11):116401.

doi: 10.7498/aps.73.20240325

本文以覆盖Nb薄膜的半赫斯勒合金Nb_0.8CoSb为研究对象，成功利用原位加热透射电镜技术在高温下诱导Nb扩散，致使Nb_0.8CoSb转变为有序度更高的Nb_0.8_+δCoSb，即倒空间漫散带代表的短程有序结构转变为超结构衍射点代表的长程有序结构。进一步的分析表明，这种超结构的调制波矢为q=(a*+b*-c*)/3，其形成主要源自于Sb和Nb组分的变化。与离位合成的Nb_0.84CoSb的微观结构进行对比，发现二者中超结构不同，这种超结构的调制波矢为q=(2a*-2c*)/3，主要源自于Nb组分的变化。此项研究揭示了组分导致超结构的多样性以及半赫斯勒合金结构相变的复杂性，丰富了对半赫斯勒合金材料的理解，对相变材料的设计以及功能调控具有重要指导意义。

图1 (a)，(b) 原位加热实验Nb_0.8CoSb样品大角度环形暗场(HAADF)像以及相应的[110]带轴的选区电子衍射花样；(c) 图 (a) 中黄色选框处能量色散谱图；(d) Nb膜与Nb_0.8CoSb的界面区域的高分辨TEM像

同行评价

本文通过原位透射电镜加热实验分析了高温下Nb_0.8CoSb 合金样品中由于Nb 组分变化导致的有序度转变的机制。此转变过程伴随着短程序结构的消失，出现了{111 }面上3倍周期对应的超结构衍射点，转变后发现的超结构主要来源于Sb 和Nb 组分的变化。本文是一篇很好的研究论文，为研究材料的相变过程提供了直接证据。

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范德瓦耳斯材料的原位应变工程与应用

马泽成，刘增霖，程斌，梁世军，缪峰

物理学报, 2024, 73(11):110701.

doi: 10.7498/aps.73.20240353

范德瓦耳斯材料凭借独特的结构和优异的性能在应变工程领域引起了广泛的关注。通过改变原子晶格和电子结构，应变可以调控范德瓦耳斯材料的物理性质，最终实现高性能的新原理电子器件。首先总结了诱导原位应变的实验方法，然后通过回顾范德瓦耳斯磁性、超导和拓扑材料在原位应变调控研究的最新进展，以及应变相关的器件应用开发，探讨该领域当前面临的挑战和未来的机遇。

图1 范德瓦耳斯材料的原位应变工程与应用研究概述

同行评价

应变电子学是当今凝聚态物理的研究热点和前沿。范德瓦尔斯材料具有独特的电子结构和优异的电学、光学和机械性能，在应变电子学领域有广泛的应用前景。通过施加应变可以调节范德瓦尔斯材料的原子晶格和电子结构，进而调控范德瓦尔斯材料的物理性质，最终实现高性能的柔性电子器件。本文选题新颖及时，总结全面，对应变电子学领域的研究者，尤其是有志于进入该领域的青年学者有很好的借鉴意义。

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非掺杂型Si/SiGe异质结外延与表征

耿鑫，张结印，卢文龙，明铭，刘方泽，符彬啸，褚逸昕，颜谋回，王保传，张新定，郭国平，张建军

物理学报, 2024, 73(11):117302.

doi: 10.7498/aps.73.20240310

以自旋为编码单元的硅基半导体量子计算与传统微电子工艺兼容，易拓展且可以同位素纯化提高退相干时间，因而备受关注。本研究工作通过分子束外延生长了高质量非掺杂型Si/SiGe异质结并测试了二维电子气迁移率。球差电镜观察到原子级尖锐界面，原子力显微镜表征显示其表面均方根粗糙度仅为0.44 nm，低温下迁移率达到20.21×10⁴ cm²·V^–1·s^–1。不同栅压下载流子浓度和迁移率的幂指数为1.026，材料丁格比值在7—12之间，表明载流子主要受到背景杂质散射和半导体/氧化物的界面散射。

图1 (a) 硅基Si/SiGe异质结结构示意图；(b) MBE 制备SiGe/Si QW/SiGe/Si 结构的 STEM-HAADF图；(c)，(d) 量子阱附近Si，Ge元素的EDS谱；(e) SiGe/Si/SiGe 高倍STEM-HAADF图像；(f) Si 量子阱上界面的STEM-HAADF原子图像

同行评价

作者对非掺杂型 Si/SiGe 异质结的输运特性做了系统表征和研究，对相关参数进行了拟合和计算，该研究为优化材料和后续制备量子点量子计算器件提供了参考价值。

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光学阱中Λ增强型灰色黏团冷却辅助原子装载

刘岩鑫，王志辉，管世军，王勤霞，张鹏飞，李刚，张天才

物理学报, 2024, 73(11):113701.

doi: 10.7498/aps.73.20240182

Λ增强型灰色黏团冷却技术(Λ gray molasses cooling，Λ- GMC)已被广泛用于制备低于亚多普勒温度极限的冷原子样品实验中。本文设计搭建了宽范围、快速调谐的激光系统，其调谐范围最高可达600 MHz。基于该激光系统，于光学微腔中心通过铯原子D2线Λ- GMC冷却辅助腰斑大小为15 μm的交叉偶极阱中原子的装载，相比于传统的偏振梯度冷却辅助装载，原子数增加了约4倍，原子温度由25 μK 降低至8 μK。该实验对超冷原子样品实验制备和单原子阵列俘获等研究具有重要借鉴意义。

图1 原子温度测量与评估 (a) PGC 冷却后原子温度评估；(b) PGC+Λ-GMC 组合冷却后原子温度评估

同行评价

Λ增强型灰色粘团冷却技术是制备超冷原子样品和单原子阵列量子信息的关键技术之一。这篇文章的作者设计和搭建了宽范围、快速调谐的激光系统，系统研究了激光作用时间、失谐、背景磁场、光强等影响gray molasses冷却效果的因素。在实验测得的优化参数下，光阱中原子的温度降低了3倍同时原子数目增加了4倍。实验数据详实、结论可靠，对相关领域的科研人员有较好的参考价值。

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编辑推荐综述

强关联电子相变氧化物材料及多场调控

周轩弛，李海帆

物理学报, 2024, 73(11):117102.

doi: 10.7498/aps.73.20240289

外场激励通过调控强关联氧化物中自由度间的关联耦合作用，触发其发生多重莫特电子相变和轨道重构，在强关联电子相变氧化物体系中发现了丰富的新奇物性和量子转变，为构筑新型类脑神经元逻辑器件、磁电耦合器件及能量转换器件奠定基础，引起了凝聚态物理领域的广泛关注。本工作系统地回顾了国内外科研团队在强关联氧化物电子相变特性多场调控领域的研究进展，旨在凸显离子、应力场和栅极电场等新型功能调控自由度在强关联氧化物电子相变特性调控和新型功能特性设计中的关键作用，阐明强关联氧化物中微观自由度的关联耦合作用对其宏观关联电子相变特性的基础调控规律，为实现强关联氧化物电子相变特性的可控设计与精准调控提供理论依据，期望利用多物理场的调控作用在强关联电子相变氧化物材料体系中发现更多的新物理、新物性、新器件和新应用。

图1 特征电场调控氢化强关联氧化物的电子相变特性 (a) 特征电场触发VO₂ 可逆的氢致电子相变；(b) 特征电场诱导氢化SmNiO₃中类二极管的奇异输运行为；(c) SmNiO₃基海洋电场传感器原理图；(d) SmNiO₃海洋电场传感的晶体学各向异性

同行评价

本项工作全面综述了国际国内科研团队对强关联氧化物的电子相变特性在多种外部场作用下的研究成果，重点强调了诸如离子、应力场、栅极电场等新型调控手段在设计强关联氧化物的新型功能特性和调整其电子相变特性时的重要性，还阐述了在强关联氧化物中，微观自由度之间的相互作用及其对宏观电子相变特性的基本调控规律，为强关联氧化物电子相变特性的可控设计和精确调控提供了理论基础。

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二维激子-极化子凝聚体中冲击波的产生与调控

王金玲，张昆，林机，李慧军

物理学报, 2024, 73(11):119601.

doi: 10.7498/aps.73.20240229

由于半导体微腔中形成的激子-极化子凝聚体能在室温实现，且具有非平衡、强相互作用等特性，其成为研究非平衡量子系统非线性特性的一个理想平台。本文采用谱方法与四阶龙格库塔法，探究二维极化子凝聚体中产生和调控冲击波的方案。发现，若在高凝聚率时淬火凝聚体与热库之间的交叉相互作用，可将初始制备的亮孤子调制成两种波速不同的旋转对称型冲击波，而初始的类暗孤子只能转变成单一波速的旋转对称型冲击波；若淬火外势，则可将类暗孤子转化成各向异性的超声速冲击波，并给出冲击波对外势宽度的依赖关系。若在低凝聚率时调控外势和非相干泵浦，可在均匀凝聚体中激发出多种各向异性冲击波，还可通过它们的振幅调控冲击波的波数和振幅，并展示了激发冲击波所需外势或非相干泵浦的宽度范围。文中方案不仅为激子-极化子凝聚体中产生和调控冲击波提供理论指导，找到了与实验相似的对称型冲击波，而且为非平衡或不可积系统中激发冲击波开辟了一条普适捷径，可能成为调控孤子向冲击波转变的一种范式。

图1 通过调控泵浦在均匀凝聚体中激发的冲击波 (a) 冲击波的存在区域图。(b)—(c) σ₁₀=3和σ₁₀=7时对应的冲击波轮廓图，其中d_ξ=10, d_η=2, v_η=1.57, s=17。右上插图给出冲击波的投影图，右下插图给出ξ=0 (η=0) 时的截面图，用蓝色实线 (红色虚线) 表示

同行评价

作者以极化子BEC为研究对象，给出了该体系中产生与控制二维超声速冲击波的方案，为产生二维冲击波提供了新的思路，具有创新性。文中提出以孤子或均匀凝聚体为初态，通过调控系统参数产生和控制对称型冲击波的方案，不仅得到与Nat. Commun. 6，8993实验类似结果，还提供了一种可向二维不可积系统推广的新方法。文中给出的由亮、暗孤子向冲击波转变的思路也为冲击波理论注入了新鲜血液。文中选用谱方法与龙格库塔方法直接研究了完整的GP方程，采用的产生冲击波的方案合理，所得数值结果可靠。

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离散Boltzmann方程的求解：基于有限体积法

孙佳坤，林传栋，苏咸利，谭志城，陈亚楼，明平剑

物理学报, 2024, 73(11):110504.

doi: 10.7498/aps.73.20231984

近十年来，离散Boltzmann方法在复杂非平衡流体系统领域的应用取得了显著的进展，这种方法已逐步成为描述和预测流体系统行为的重要手段。该方法的控制方程是一套简单统一的离散Boltzmann方程，其离散格式的选取对于数值模拟的计算精度和稳定性有着直接影响。为了提高数值模拟的可靠性，本文引入有限体积法用于求解离散Boltzmann方程。有限体积法是一种常用的数值计算方法，具有守恒性强、精度高等特点，可用于有效处理高速可压缩流体的数值计算问题。本文采用MUSCL格式进行重构，并引入了通量限制器以提高数值计算的稳定性。最后，对基于有限体积的离散Boltzmann方法进行了验证，数值算例包括冲击波、Lax激波管以及声波。结果表明，该方法能够准确刻画冲击波、稀疏波、声波，以及物质界面的演化，同时确保系统的质量、动量和能量守恒，还可以准确测量流体系统的流体力学和热力学非平衡效应。

图1 网格无关性验证 (a)不同网格数下冲击波波阵面附近的压强分布；(b)不同空间步长下的相对误差

同行评价

作者对近十年来离散Boltzmann方法DBM进行了调研分析，在现有的有限差分基础上，本文首次采用有限体积法对离散Boltzmann-BGK方程进行数值求解，文中详细给出了物理模型、有限体积方法对碰撞项的积分表达式、有限体积方法对对流项的积分表达式以及有限体积方法对时间项的积分表达式，给出了冲击波、Lax激波和声波等验证性算例，对有限体积DBM方法的有限性进行了验证。

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《物理学报》2024年第11期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2024/11