段文晖院士团队Editorial: 将为人类生活带来诸多便利

2023-06-08 21:03:28大学访问手机版168

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段文晖院士团队Editorial: 多样的二维材料（如石墨烯），丰富的物理特性，将为人类生活带来诸多便利!

二维材料是由数层原子甚至单层原子构成的超薄晶体。因其电子运动空间维度受限且多自由度相互耦合，使其具有独特的量子效应与物性。得益于低维属性，其材料性质能被力、电、光、磁等多种外场有效调控。此外，由拓扑、对称性自发破缺、多体作用等相互耦合，可衍生出新奇的拓扑量子物态，这对发展新型量子器件及应用意义重大。

2004年英国曼切斯特大学物理学家Andre Geim与Konstantin Novoselov成功从石墨中分离出石墨烯，他们也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是迄今最具代表性的二维材料，被发现以来，针对其及其他二维材料性质与应用的研究风靡全球，重大发现层出不穷，这为二维材料未来的应用打下了坚实的基础。

二维材料在器件应用方面呈多样性（图1）。首先，其超薄厚度有利于推进器件小型化，实现诸如纳米场效应管、隧穿场效应管、光电探测器、逻辑电路、类脑器件等代表性纳米器件的应用；其次，利用它们的层状结构，可组成种类繁多的异质结，为电子学、光伏和发光二极管等应用带来新的机遇；而二维结构与磁性相结合更可实现纳米尺度下的自旋阀、自旋隧穿场效应管等重要器件的应用。同时，二维体系中显著降低的库仑屏蔽可明显增强激子结合，超越传统三维材料体系，实现高温激子器件应用。此外，二维材料中还存在谷、轨道、自旋、转角等多种自由度的耦合，不仅带来新奇物态更开创了全新应用。例如，谷-自旋耦合输运和谷选择的圆二向色性可用于设计谷和自旋电子器件，而扭转自由度形成的摩尔势与电荷掺杂、位移场及应变耦合后可显现出关联绝缘性、非传统超导、拓扑及轨道磁性等奇异物性。

量子化、对称性和相位因子是二十世纪理论物理学的三大主旋律，它们从根本上改变了人类对物质世界的理解，已成为现代凝聚态物理和材料科学研究的核心。拓扑物态以量子化的几何相位为基本特征，其中对称性与对称性破缺扮演着重要角色。由拓扑、对称性、多体作用等相互耦合可衍生出极其丰富的二维拓扑量子物态，包括量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应、拓扑强关联绝缘体等（图2）。另外，以二维拓扑态为基元可构筑出众多新奇的三维拓扑态，如磁性外尔半金属、三维量子反常霍尔绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、高阶磁性拓扑绝缘体等。拓扑物理学的兴起为二维材料研究开辟了新纪元，也为发展新型量子器件（如低功耗电子学、拓扑量子计算）指明了新方向。

总结和展望尽管在相关领域取得了长足的进步，二维材料的实际应用仍面临巨大挑战。部分二维材料欠缺长期稳定性，亟需发展与应用兼容的保护方法。单层二维材料的低吸收率和低载流子迁移率限制了器件效率。同时，二维磁性材料的弱磁性相互作用和低电导率仍是面临的巨大障碍。高质量、低成本制备各种可控掺杂的二维材料、低污染且与工业兼容的大尺度集成沟道、接触和介电材料的方法仍亟待发展。战胜这些挑战需要多领域研究人员协同合作，未来可考虑高通量计算与先进的机器学习技术相结合，以加速新材料设计、优化其应用性能。不得不说，二维材料为全球学者提供了广阔的研究平台，如何实现二维材料在生活中的广泛应用虽阻碍重重，但未来可期。

拓扑量子态和拓扑量子材料的理论、实验研究近年来方兴未艾，成为凝聚态物理研究领域的重要前沿。拓扑序作为一种全新的物质分类概念，与对称性一样是凝聚态物理中的基础性概念。对拓扑的深刻理解，关系到凝聚态物理研究中的诸多基本问题，例如量子相的基本电子结构、量子相变以及量子相中的许多无能隙元激发等。在拓扑材料中，电子、声子以及自旋等多种自由度之间的耦合对于理解并调控材料性质有着决定性作用。光激发可用于区分不同的相互作用并操控物质状态，材料的基本物性、结构相变以及新的量子态信息也会随之获得。目前，深入理解光场驱动下拓扑材料宏观行为与其微观原子结构、电子性质的关联已经成为众多研究人员的目标。

图1. a. 手性符号为正(χ=+1)的Weyl点在圆偏振光下的手性选择定则； b . χ=+1的Weyl点在线偏振光下由于原子轨道对称性导致的选择性激发。

拓扑材料的光电响应行为与其微观电子结构密切相关。特别的，对于拓扑半金属来说，能带交叉点附近的载流子激发对体系波函数特征高度敏感。对拓扑半金属中非线性光学现象的研究不仅可以帮助我们更深入地理解系统激发态的物理性质，并且有望将这些效应用于光学器件的制造和太阳能电池的设计，为未来潜在的实际应用提供了可能。例如，外尔（Weyl）半金属中，吸收一个圆偏振光的光子将导致自旋的翻转，为了满足角动量守恒，沿着圆偏振光传播的方向， Weyl锥两侧的电子激发将呈不对称分布，该规律称为手性选择定则（图1）。

对拓扑材料非线性光学现象的理论研究通常采用将材料基态性质计算和对称性分析相结合的方法，然而，这样的处理方法存在明显的缺陷。首先，缺少被激发载流子在动量空间及实空间的实时动力学信息，无法建立与时间分辨实验探测手段的直接对比。其次，无法考虑电子-声子及光子-声子之间的耦合。而这对于某些相变过程的发生至关重要。此外，这种基于微扰论的理论分析无法处理强光场下的物理过程。基于第一性原理的含时密度泛函分子动力学（TDDFT-MD）模拟能够很好地解决以上问题。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组的博士后关梦雪和博士生王恩（共同第一作者），在孟胜研究员的指导下，与北京理工大学孙家涛教授合作，利用自主开发的激发态动力学模拟软件TDAP，系统地研究了第二类外尔半金属WTe2中准粒子激发对超快激光的响应特征。

图2. a. Td -WTe2的原子结构示意图; b . 费米面附近的能带结构。 c . 沿着布里渊区高对称线分布的能带结构及原子轨道的相对贡献。箭头①及②分别代表靠近或远离Weyl点的激发; d . 沿着Γ-X方向能带结构的放大。

研究表明，在Weyl点附近存在由原子轨道对称性及跃迁选择定则所决定的载流子的选择性激发，与通常手性激发的自旋选择定则大为不同的是，其激发路径可以通过改变线偏振光的极化方向及光子能量加以控制(图2)。

载流子的不对称激发将在实空间诱导出不同方向的光电流，从而影响体系的层间滑移的方向和对称性特征。由于WTe2的拓扑性质，例如Weyl点的数目及其在动量空间中的分离程度等，高度依赖于体系的对称性(图3)，载流子的不对称激发将带来Weyl准粒子在动量空间的不同变化行为，以及体系拓扑性质的相应改变。因此，本工作同时为光致拓扑相变提供了清晰的相图（图4）。

图3. a-b, 线偏振光极化方向沿着晶体a轴及b轴的层间相对运动;插图为相应的运动模式。 c . 理论模拟与实验观测的比较。 d-e . 体系的对称性演化及 kz =0 平面内两个最邻近Weyl点的位置、数目及分离程度。

图4 . Td -WTe2中光致拓扑相变对线偏振光光子能量（ ω）及极化方向（θ）的依赖相图。

相关成果近日发表在《自然通讯》(Nature Communications 12 , 1885 (2021)) 上。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科学院战略性先导专项(B类)的资助。作者感谢与伦斯勒理工学院张绳百教授的有益讨论。