计算材料前沿研究成果精选 |Phys. Rev. Lett. 专刊

图 1  磁场中的交换振荡

带有单一未成对的电子自旋的半导体量子点为量子计算提供了一体化平台。近日，丹麦哥本哈根大学的 Frederico Martins 和 Filip K.Malinowski 等人使用单电子量子点作为光谱探针，来研究栅控多电子 GaAs 量子点在奇偶占据数转变之间的自旋性质。研究者发现随着增加下一个更高电子态的失谐，多电子基态转变由类自旋 1 / 2 的到类单峰再到类三峰。在零磁场中推测的交换能信号反转，交换强度可通过门电压和平面内磁场进行调节。通过补足自旋泄漏光谱数据，相干多电子自旋交换振荡的检测为信号反转提供了进一步证据，可推论得出，其对于非平凡多电子自旋交换关联的重要性。

文献链接：Negative Spin Exchange in a Multielectron Quantum Dot（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.227701）

2、带有可极化纳米孔的膜中扩散能的诱导电荷增强现象

图 2  NaCl 溶液中可极化纳米孔的势能场和浓度场

对纳米孔和纳米通道中离子输运的理解在科学技术的众多领域中有着基础重要性。当带电荷膜分离两种不同浓度的盐溶液，由于界面 Donnan 平衡和扩散结，会出现势能差。近日，俄罗斯 KSC SB RAS 联邦研究中心和西伯利亚联邦大学的 I.I.Ryzhkov（通讯作者）报道了可极化导电膜中，通过诱导表面电荷产生膜势能的一种新机制，这是由不同迁移率的离子扩散产生电场所致。对于无电荷的膜，该效应强烈提高了扩散势能，使其对迁移率的比值、电解质浓度和孔的大小高度敏感。在 KCl 和 NaCl 水溶液中，将基于空间电荷模型的理论预测推广到可极化纳米孔，其结果与实验测量可很好地相符。

文献链接：Induced-Charge Enhancement of the Diffusion Potential in Membranes with Polarizable Nanopores（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.226001）

3、Heusler 材料中的电荷密度波和磁性耦合

图 3  和单参数模型对比的时间分辨 XRD 表征

典型的磁性形状记忆合金 Ni2MnGa 随温度、压力和掺杂变化，可能经历多种相变。在低于 260K 的低温相中，发生在 [110] 方向的不对称的结构调制被视为引发声子模软化的原因。这一现象与磁性记忆效应如果相关，其具体关联还不清楚。近日，苏黎世联邦理工大学的 G.Lantz 等人报道了对已调制的高对称性立方相的相变过程，利用时间分辨测量同时追踪其结构和磁性组分。结果显示，对于由嵌套向量作用和结构调制周期性强耦合区域，其费米面被声子诱导消磁改变。然而，消磁对周期性晶格扭曲的幅度的影响极小。

文献链接：Coupling between a Charge Density Wave and Magnetism in an Heusler Material（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.227207）

4、六方氮化硼膜中色心的自旋力学系统

图 4  六方氮化硼单层膜中的缺陷表征

最近观测到的六方氮化硼（hBN)膜内量子发射器因更低的空间维度，有获得高可及性和可控性的潜力。此外，这些物体凭借自身的低质量密度和高弹性模量，本身具有对主膜的高敏感度。近日，德国乌尔姆大学的 Martin B. Plenio 等人提出并分析一个基于六方氮化硼膜中色心的自旋力学系统。通过群理论分析和 ab initio 计算该系统的电子和自旋性质，作者发现一个自旋成对基态，并阐明了自旋 - 移动相互作用可被设计，使得力学发射器的基态冷却。此外，提出了一个用于初始化、旋转和自旋量子比特读取的工具箱。因此，提出的设定呈现出对于大多数物理研究的可能性。

文献链接：Spin-Mechanical Scheme with Color Centers in Hexagonal Boron Nitride Membranes（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.233602）

5、石墨烯中的光诱导分数量子霍尔相

图 5  Rabi 频率的光驱动单层石墨烯

分数量子霍尔效应是一种电子 - 电子相互作用和磁场导致强关联的新奇现象。近日，美国纽约城市大学的 Pouyan Ghaemi 和马里兰大学的 Mohammad Hafezi 等人通过光学驱动系统，展示了如何识别在单层石墨烯中的双组分分数量子霍尔相。激光调控在两个朗道能级间达到共振，非零相对角动量的层间相互作用可开始占主导，类似一个空心赝势。在微弱的隧穿机制中，这一相互作用有利于单态的形成。作者讨论了可能的相，包括 Haldane-Rezayi 相，层间 Pfaffian 相和一个 Fibonacci 相。这表明作者提出的方法可以为识别非阿贝尔相和控制拓扑相变奠定基础。