最近，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料設(shè)計與計算研究部的研究人員及合作者發(fā)現(xiàn)了金屬鈹表面的巨大電聲耦合的反常增強是其塊體材料中拓撲狄拉克節(jié)線量子態(tài)誘發(fā)的。因為該節(jié)線態(tài)會導致鼓膜類拓撲表面態(tài)，它們在表面費米能級附近局域,增高了態(tài)密度，尤其是通過與低頻區(qū)表面聲子的耦合誘發(fā)了巨大的電聲耦合效應(yīng)。研究團隊也在其它拓撲材料中揭示了類似的效應(yīng)。相關(guān)成果發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 123, 136802 (2019) 并入選(PRL Editor’s suggestion)，做為亮點文章(highlighted article)在PRL網(wǎng)站推薦。
電聲相互作用在材料和凝聚態(tài)物理中是普遍存在的，也是固體物理量子機制理論中研究最為普遍的內(nèi)容之一。它通常反映的是固體材料中原子在平衡位置振動對電子結(jié)構(gòu)的影響，因此電聲相互作用對材料的許多性質(zhì)有重要影響。比如，它不但影響材料隨溫度變化的電子能帶結(jié)構(gòu)，導致光電子能譜、拉曼和中子實驗中經(jīng)常觀察到的典型扭結(jié)或者Kohn異?，F(xiàn)象，而且它還會加強金屬隨溫度變化的電阻，增加半導體材料的載流子遷移速率，更會對傳統(tǒng)BCS超導的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用等。因電聲相互作用耦合了晶格和自旋自由度或者可調(diào)節(jié)色心自旋的壽命，在自旋電子學和量子信息領(lǐng)域內(nèi)也有重要應(yīng)用。
金屬的電聲耦合效應(yīng)通常不會很大，比如塊體金屬鈹?shù)碾娐曬詈闲?yīng)只有0.24。但鈹(0001)表面的電聲耦合效應(yīng)竟然出現(xiàn)反常增強，是其塊體的5倍以上。這種反常增強現(xiàn)象自上世紀90年代起就被多種不同實驗觀測到，迄今為止這一現(xiàn)象的機理未明，并引起了廣泛爭議。
對于金屬鈹表面電聲耦合機理的研究，最大的困難之一是電聲耦合基本參數(shù)——伊利艾伯格函數(shù)的精確求算。盡管以前的研究在頻率區(qū)間內(nèi)積分伊利艾伯格函數(shù)得出的電聲耦合強度數(shù)值與實驗相近，但計算結(jié)果并不可靠。主要因為以前理論獲得的相應(yīng)頻率區(qū)間的計算結(jié)果與實驗結(jié)果存在嚴重偏差，同時也無法給出與微觀機理相關(guān)的數(shù)據(jù)。為了解決這一問題，金屬所研究團隊首先發(fā)展了高精度的第一性原理計算算法，通過巧妙的數(shù)學處理拆解伊利艾伯格函數(shù)，將其在頻率區(qū)間的分布與積分變換到電子及聲子的動量空間，從而率先觀測到了每個電子及聲子動量對電聲耦合的影響。為了驗證算法，他們構(gòu)建了金屬鈹表面的薄膜模型，計算不但獲得了與實驗結(jié)果相符的伊利艾伯格函數(shù)分布，嚴格修正了以往與實驗嚴重偏離的結(jié)果，而且還為量化每個電子及聲子動量對電聲耦合的貢獻提供了分析工具。
使用研究團隊改進后的精確算法和工具，計算量化了電子動量空間下的伊利艾伯格函數(shù)，發(fā)現(xiàn)金屬鈹?shù)依斯?jié)線量子態(tài)引發(fā)的鼓膜類拓撲非平庸表面態(tài)對其電聲耦合的貢獻占比超過了80%，這一發(fā)現(xiàn)澄清了長期以來廣受爭議的金屬鈹表面電聲耦合反常增強的機理，同時也揭示了其它拓撲材料中存在相似的效應(yīng)。審稿專家評價該工作的意義認為：“這些研究者正在刷新尋找改進量子計算和模擬并具有量子相干性的材料的科學（包括物理）。Perhaps the most significant impact of publishing LEA in PRL will be on the quantum information and simulation community. These researchers are scouring the sciences (including physics) looking for cases where having quantum coherence in the computation may improve the results.”另一位審稿人認為：“我認為這些新結(jié)果難以置信的引人入勝（I find these new results incredibly compelling），作者提供了清晰的證據(jù)表明表面電聲耦合效應(yīng)的反常增強來源于其體拓撲根源?！?/p>
該工作由金屬研究所陳星秋研究員、特別研究助理李榮漢博士（共同一作）和博士生李江旭（共同一作）等共同完成，得到了國家杰出青年科學基金和沈陽材料科學國家研究中心等支持。這個工作也是研究團隊繼兩年前率先報道在鈹、鎂、鈣和鍶金屬中拓撲狄拉克節(jié)線量子態(tài)后的又一重要進展。
圖1 改進后的算法提高了伊利艾伯格函數(shù)的求算精度。比如沿著Be(0001)表面的G-M路徑積分的伊利艾伯格函數(shù)在頻率區(qū)間內(nèi)的峰與實驗配備良好
圖2 計算精確闡述了金屬鈹?shù)?0001)表面電聲耦合的各向異性，與實驗測試結(jié)果一致
圖3 計算揭示了金屬鈹?shù)模?001）表面來自狄拉克節(jié)線誘導的鼓膜拓撲態(tài)電子與低頻區(qū)表面聲子耦合導致電聲耦合的反常增強。圖示非平庸表面態(tài)電子與低頻區(qū)K點表面聲子的耦合顯著貢獻了反常增強現(xiàn)象。
圖４ 對應(yīng)于非平庸鼓膜類拓撲表面局域電子態(tài)引發(fā)的各向異性電聲耦合反常增強局域峰。
原文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.136802
