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绝缘理论

时间:2019-02-28 20:51:46 来源:新凤凰彩票官网 作者:匿名



返乡者发起的公益学术平台

共享信息并整合资源

偶尔交换学者

旋转液体

山脉广阔

湍流的道路进入天空

自己的雄心壮志

这也是一个很长的路程。

从小学一开始,我们的历史和政治老师就一再耳语:历史的历史从来没有顺利过,而是循环的发展和螺旋式上升。那时,当我们听到这个时,我们会觉得很尴尬。首先,我们对历史的循环和螺旋没有具体的了解。其次,我们不确定老师是否真正了解这个循环和螺旋。当我们有一些经验,经历了一些平凡和卓越,在某些情况下,我们开始了解这是多么可靠。

当然,自然科学的发展实际上具有这一特征。坦率地说,现代科学的发展有点像非洲的蝗虫。每当它飞到一片土地上,它就会破坏这块土地的成就而不留胶片。至于那些东西的根源和基础,是否是为了消除根源,而不是每一组蝗虫的心灵。秋天到了冬天,春天正在盛开,等待一段时间,那些根源留在那里,大部分都变成灰尘,但也有一些基础会顽固地生存,等待后代培养。在某些时候,一些根再次慢慢长大,成为一片森林,等待下一波蝗虫回来摧毁古代遗址。

以上只是一个没有找到任何东西的嘲笑,你不必认真对待它。事实上,我们可以找到很多漂亮的例子来展示新一代科学如何从多年前前人提出的概念,理论和物理解决方案中找到灵感和问题,并运用新的方法和技术来探索它们,从而恢复装扮,生出新的学科和前沿。这是典型的螺旋上升模式,这是很多试验。如果我们看一下闯入思想的“决定性纸堆”,过去的天才或精神巨人在早年提出的概念,理论和物理解决方案,我们往往会获得快乐和惊奇。例如,在凝聚态物理学中,“狄拉克”,“威尔”,“马约拉娜”等都是从纸堆中整理出来,打扮和挖掘出来的东西,然后重新释放出新的光彩。例如,有些人给杨振宁先生一个物理学史上的位置。看来,杨先生可以跻身历史上最杰出的五大物理学家之列。原因可能与杨先生早年的工作有关,如“杨 - 米尔斯”场理论方程。图1. Philippe Anderson在普林斯顿90岁生日时与一些嘉宾:(从左到右)Anthony Leggett,Walter Kohn,Daniel Tsui(崔琦),Philip Anderson,Edward Witten,FrankWilczek,Douglas Osheroff。

安德森的私人财产

我们可能希望将视野缩小为凝聚态物理学并缩小为量子材料。在凝聚态物理领域,普林斯顿大学的菲利普安德森除了许多杰出的科学贡献(如安德森的本土化和磁学理论)外,早年还留下了许多这样的概念,理论和物理解决方案。 。作者没有天赋,不敢贪心,根据安德森在普林斯顿大学90岁生日的介绍(图1),列出了几个已知的安德森早期财产。这些财产早已或正在被挖掘出来。

(1)旋转玻璃理论系列:这些理论过于复杂,磁性人不会使用太多。相反,他们被挖掘出来处理神经或计算机等过程。

(2)安德森的定位理论:无序可以定位电子结构的扩展状态。这个概念后来由Mott和Thouless发掘和扩展,成为凝聚态物质的基本概念。

(3)近藤问题:提出了金属磁性杂质的起源和近藤尺度理论。多年后经常提到这个理论。

(4)哈伯德模型,超流体物理学和约瑟夫森结的理论贡献和实验验证(他参与该理论的实验验证这一事实令人难以置信)。

(5)粒子物理中对称破缺的概念:提案十年后,这个概念成为标准模型的一个要素。从历史上看,它一直是粒子物理学的主题,为凝聚态物理提供精神食物,但很难到达这里。最后,凝聚态物理有助于粒子物理学的基本概念。

(6)物理哲学的新兴现象:更多的研究哲学是不同的。在科学和不精确的意义上,这种哲学具有否认物理基元减少的味道。物理在结构上是逐层的,上层的物理不一定由下一层决定。在凝聚态物理的情况下,遵循“简化和坚固”的“结构 - 性能”关系可能并不总是可能的。(7)超导焓自旋和高温超导理论:氧化铜高温超导的共振价键理论(RVB)非常看好,是数千种理论中最可靠的理论,据说是安德森大多数人希望看到经过验证的理论。可以理解,安德森必须希望他的所有理论都得到确认!

在这些财产中,例如“铁电金属”和“量子旋转液体”这些想法似乎几乎是疯狂的,过时的或过于先进的,但现在它们已成为主流和前沿概念。这是典型的变形时间反演对称性变化,过去的疯狂等同于当前的伟大。举一个小例子:铁电性一直被认为只存在于大带隙绝缘电介质中,但安德森在20世纪60年代被迫将金属与铁电结合。多年来,这种结合归因于灰尘,直到2016年,第一次实验工作才表明这种结合是物理上可以实现的。

在这里,我们的主题是安德森拥有的另一块:量子旋转液体。

3.量子旋转液

对量子自旋液体研究的兴趣源于对超导机制的不懈追求。从1911年的超导现象到1957年BCS理论的出版,人们普遍认为超导的奥秘已经解决了。新的问题是BCS理论似乎没有解释自1986年以来氧化物的高温超导性。尽管有许多实验和理论工作,但高温超导的内部机制一直是雾花,水润的卫星和难以捉摸的。

就像每个人都不知所措一样,有些人开始寻找安德森的财产。早在1973年,安德森预测“通过将自由载流子注入量子自旋液体中可以实现超导性”。这种特殊的量子态与安德森的RVB理论密切相关。这促使我们试图从量子自旋液体的角度理解高温超导的机理。安德森的预测使许多人开始探索量子自旋液的学术意义。关于量子自旋的量子态与超导态之间的内在关系,在科学文章的Ising专栏中有详细的文章(量子自旋在草丛中,寻找液体尘埃)。此外,据说量子自旋液对未来的量子计算很重要。好的,我们来谈谈什么是量子自旋液体。在一些自旋晶格中,形成自旋挫败,因为几何形状不能满足简单的反铁磁有序。在这样的系统中,如果各种相互作用配置和晶格对称配置恰到好处,则有序能量标度非常小,即使绝对零温度没有热波动也很小,排序应该是合乎逻辑的。当然,事实上,除了热波动之外,还存在某种能量的量子涨落,这仍然可以打破这种秩序。因此,系统的基态变为旋转无序状态,即,它整体上像液体,因此它被称为量子旋转液体。这种量子态不能用传统的Landau对称破缺理论来描述,因为Landau的对称破缺总是导致有序状态,这意味着Landau对称图像不允许量子自旋液态发生。

对于磁体,这种旋转液体状态可能不那么令人兴奋,因为我们认为它没有用。然而,为了揭开高温超导的面纱,火海和海洋上的凝聚态物理学家的精神开始发作并开始专注于寻找量子旋转液体。事实上,量子自旋液态和超导体之间仍然存在很小的距离。对于冷凝的超导体,该距离可能太短或太长。无论如何,先行是正确的。

图2. Kagome晶格锌 - 铜羟基卤化物的晶体结构示意图[来源:物理。 Rev. X 6,041007(2016)]。

在已经鉴定的许多所谓的量子自旋液体材料中,具有三角形或Kagome晶格的磁性材料受到高度追捧。在过去的一段时间里,确实积累了一些实验证据和一些候选系统,其优点仍然很好。在这里,我们具体讨论一种材料:锌铜羟基卤化物ZnCu3(OH)6Cl2(Herbertsmithite)与Kagome晶格,其结构如图2所示。实验观察是即使温度低至50 mK,系统没有远程磁序,表明系统确实具有很强的抗旋转效果。该系统可以是潜在的量子旋转液体系统。随后的实验实际上已经看到许多积极的迹象。例如,中子散射实验已经观察到Herbertsmithite的自旋激发与分数量子数,提供了强有力的证据,声称这种材料是量子旋转液体[1]。基于大量的实验事实,一些乐观主义者,如美国阿贡国家实验室的M. Norman,甚至在“现代物理评论”中写道:“现在是时候研究如何将Herbertsmithite纳入高温超导体“[2]]。当然,过于乐观的物理经常遭受挫折。 2016年,Tyrel McQueen和美国约翰霍普金斯大学的合作者发表了关于使用Herbertsmithite的实验室工作[3]。他们观察到这种蝎子ZnCu3(OH)6Cl2在高达0.6e/Cu的电子掺杂浓度和低至1.8K的温度下仍然是非导电的,更不用说超导。这一结果无疑使一些相信安德森预言的人有些沮丧。

显然,物理学家可以找到许多历史实例来证明没有必要沮丧。继续折腾是国王。很明显,有些人会问:这种负面结果是否真的有任何理由看起来正常?如果是正常的,有什么问题?

4.“不孕症”理论

南方科技大学近年来一直很高,已经扩展了许多年轻人。作者很幸运,被错误地收藏并收集到了物理系。当时,作者和美国Alex Zunger等合作者的工作所有者在了解到这个实验的结果时并没有感到沮丧,而是模糊地意识到问题的症结所在。我们认为我们不能责怪安德森。问题是这个系统有一些异常,我不按照安德森规则打牌。变态在哪里?我们纠缠在一起,看到变态是这个系统不仅没有超导,而且可以通过某种物理阻挡或吞噬掺杂的载流子。使用不称职的说法:这个系统是不孕症的主人,即不好,不蹲。

要说我们做出一点贡献,我们的贡献是我们在身体上揭示了为什么这个系统没有被提炼,而不是蹲着,也就是提出一个关于“不孕症”的理论。我的天啊!我们采用改进的单体平均场密度泛函理论方法研究了掺杂后这种Kagome晶格锌 - 铜羟基卤化物的电子结构。我们的计算澄清了这些系统在使用兴奋剂后不导电的原因。从这个意义上说,这项工作似乎可以说明哪个系统会构想,哪个系统是不育的。通过这种方式,可以警告在没有赚很多钱而不能生孩子的困境中可以避免的材料。当然,这种自相互作用校正的密度泛函理论方法仍然相当复杂,你需要冷静下来,慢慢品尝。由此,我们可以反过来理解安德森的预言实际上是春天和雪,“没有害处”。

对于那些擅长哈密顿模型的强大物理学家来说,吞下这些载体的想法似乎有点巧妙。然而,在半导体缺陷物理学家的情况下,这种想法长期以来一直是古怪的。值得注意的是,这两个群落通常没有太多沟通,导致许多理论物理学家仍然认为所有材料都可以随机混合电子和空穴如Si,掺杂后的效应是电子结构中的费米能级。自由移动。现在我们知道在许多情况下并非如此。

首先,可以证实在实验中不容易实现“自由载体”注射,并且有必要克服这个水平:

(1)溶解度。溶液中溶解度最高的溶质。掺杂剂原子需要在母体材料中具有足够高的溶解度,并且溶解度决定了可以引入载体的上限。过度溶解过度倾向于形成其他相。例如,如果Mg溶解度太高,则Mg掺杂的GaN容易形成Mg 3 N 2。

(2)电离能。在实验上,提供载流子掺杂的能力可以称为有效掺杂或“轻掺杂”。此时,杂质水平通常在导带和价带中,并且具有与母体材料类似的分散关系。电离能决定了杂质可以提供的载流子数量。当电离能太高时,倾向于发生“深掺杂”,在母材带隙的中间形成新的杂质态。

(3)掺杂原子位置。晶体中掺杂剂原子的不同位置也影响杂质所起的作用,甚至可能发生供体杂质和受体杂质之间的转变。例如,如果Li占据Ga的晶格位置,则Li掺杂的GaN是受主;然而,由于Li原子非常小,它可能占据原子间隙的位置,因此Li成为供体。

(4)补偿效果。半导体掺杂通常伴随着费米能级的移动,而费米能级的移动又与费米能级直接相关。以n掺杂为例,随着电子掺杂浓度越来越高,费米能级越来越高,使得电子掺杂越来越困难,空穴掺杂变得越来越容易。空穴的存在抵消了电子并发生了补偿效应。其次,即使1981年以后难以实现p掺杂或n掺杂,也常常面临一个严重的问题:许多材料具有“掺杂极化”,即只能实现p或n。掺杂之一是鱼和熊掌的味道。这是着名的ZnO的情况,似乎没有找到p型半导体。这里,必须提到的是,Si:Si掺杂的B是p掺杂的,P掺杂的是n掺杂的,并且掺杂机制简单而清晰。 Si被称为“上帝的礼物”。这是一个领主。它属于想成为女人和女人的主。

当然,有很多材料。如果你已经尝试了很长时间而没有找到半女性,他们会去咨询理论并希望找到原因。最好找一篇论文。如果它失败了,“理论”可能被打败和滥用。因此,理论物理学家往往无法预测材料缺陷的问题。

接下来,我们将使用相对专业的语言来澄清为什么某些材料不孕。

如前所述,“轻掺杂”或“深掺杂”与相对于母材的带边缘位置的杂质水平密切相关。这要求理论上预测的带隙值非常准确。目前,密度泛函理论(DFT)方法通常用于模拟材料的性质,而基于局部密度近似(LDA)或广义梯度近似的带隙预测较小。 ,GGA)Kohn-Sham密度泛函理论的主要缺点。另一方面,目前研究兴奋剂体系的主流方法是使用超级细胞。为了减少由周期性边界条件引入的虚拟电荷误差,超晶胞尺寸通常为100个原子,这也限制了混合功能和多体理论在缺陷预测中的应用。

追溯到源头,为什么DFT无法给出令人满意的带隙值?理论上,基于Hohenberg - Kohn定理的DFT可以给出系统的基态能量和电荷密度分布。然而,这需要一个前提,即必须知道相关功能及其衍生物的确切交换。在实际计算中,总是需要引入与交换相关的功能的近似,例如LDA或GGA。根据Koopmans理论,系统能量对电子占有率的二阶导数应为零(图3中的绿线)。在LDA或GGA近似下,二阶导数大于零(图3中的红线)。在Hartree - Fock(HF)理论中,二阶导数小于零(图3中的蓝线)[4]。这是LDA或GGA低估带隙和HF过高估计带隙的根本原因。这也是一种混合功能方法,其中将部分HF交换项添加到LDA或GGA功能,这给出了合理带隙值的根。图3.系统的基态能量与占据的电子数之间的关系。蓝线:HF理论结果;绿线:考普曼的理论结果,即实际情况;红线:LDA或GGA近似值。 [图片来源:Phys。 Rev. B 80,085202(2009)]。

通常的密度泛函理论基于个体的平均场近似。许多人认为这种近似不能合理地描述“强相关”系统。实际上,密度泛函理论的自相互作用误差可以表示为“电子相关”。 LDA或GGA功能无法消除这种电子关联,因此密度泛函理论只能应用于轨道极化较弱的系统。相反,HF理论中的电子相关性严格为零,这就是为什么它不能合理地预测各种系统的性质的原因。然而,近年来,在Kohn-Sham DFT框架中已经充分描述了具有强轨道极化的莫特绝缘体的一些固有和掺杂特性,例如过渡金属氧化物和La 2 CuO 4。如前所述,这一进步来自功能的改进,例如描述La2CuO4系统的半局部SCAN功能[5]。另一方面,这种改进来自于系统自相互作用的校正,它恢复了能量和电子占有之间的线性关系,这被称为Koopmans定理。例如,一些过渡金属氧化物属于此[6]。

还应该指出的是,LDA或GGA在预测电子定位特性方面还有另一个缺陷:它所提供的电子状态通常是非本地化的,以减少系统的能量。这种缺陷在缺陷研究中特别致命,因为它可以预测局部电子态(深度掺杂)为非定域电子态(轻掺杂)。

现在我们知道,医院的医生能够多次准确地诊断病因是非常合理的,因为身体上的人不能这样做,更不用说医生了!

5.让理论绝缘

到目前为止,最初的问题是:如何解释掺杂量子自旋液仍然不导电?为此,对于中国科学院物理研究所发现的ZnCu3(OH)6BrF,我们使用改进的单体平均场密度泛函理论方法来模拟该系统的内在和掺杂行为。使用ZnCu3(OH)6BrF代替ZnCu3(OH)6Cl2(Herbertsmithite)的原因是前者具有更简单的晶体结构并且可能具有更少的固有反转缺陷,因此更便于实验测量[7]。该架构如图4(a)所示。首先,该研究表明,固有的ZnCu3(OH)6BrF是宽带隙半导体。铜的3d电子态具有九个占据的价带和一个占据的导带,如图4(b)所示。

图4.(a)ZnCu3(OH)6BrF结构示意图。 (b)未掺杂的ZnCu3(OH)6BrF密度图。

其次,未校正的DFT方法预测掺杂系统的“轻掺杂”物理图像并非偶然。也就是说,在掺杂电子之后,费米能级移动到母材的导带(图5a),并且载体离域分布在整个系统中(图5c)。这显然与实验观察到的非导电现象相反。有趣的是,校正后,系统能量和电子占有数满足线性关系(图3绿线),并成功获得“深掺杂”物理图像。掺杂引起的影响不再是简单的移动费米能级,而是在母材带隙之间引入新的状态。这种电子态完全被最初分布在价带和导带中的铜3d电子所占据(图5b)。并入的电子不会成为预期的“自由载流子”,但局部区域围绕铜原子,引起局部变形和极化子的形成(图5d)。也就是说,在电子掺杂之后,ZnCu3(OH)6BrF不能实现半导体到导体的转变,而只是大大降低母体材料的带隙。

计算似乎令人满意地解释了实验结果。然而值得注意的是,该电子局部化图像基于长程反铁磁相模拟,因为自旋电阻效应的模拟已超过密度泛函平均场近似的能力。然而,在单体近似下获得电子定位图像。如果再次考虑由自旋引起的紊乱,可以预期Anderson定位将进一步增强,并且注入的载体的移动性将受到更多限制。

上述图像也与人类受精过程的粗俗形象相媲美,除了前者更生动,后者更生动。

图5.未校正的DFT方法给出掺杂的ZnCu3(OH)6BrF的状态密度(a)和电子电荷密度图(c)。改进的DFT方法给出了掺杂的ZnCu 3(OH)6BrF的状态密度(b)和掺杂电子电荷密度(d)。同样,我们知道一个好的理论不应该是一个仅适用于个人并且需要具有某种普遍性的理论。这就像一个好医生无法治愈这个,但杀了它。修改后的密度泛函理论能否合理地预测其他系统甚至“强相关系统”?这是普遍的吗?

我们将这种方法应用于典型的铜酸盐高温超导系统Nd2CuO4。事实上,对这种不同系统的普遍性进行测试是严格的物理评论快报评论员的要求。实验长期以来已经揭示,为了在Nd2CuO4系统中实现超导性,电子掺杂浓度需要高于某一临界值(约0.1e/Cu)。计算表明,Nd2CuO4在0.0625和0.125e/Cu掺杂浓度下的电子结构如图6a所示。在掺杂浓度为0.0625e/Cu时,掺杂电子也在Nd2CuO4中形成极化子。与ZnCu3(OH)6BrF不同,电子不再仅位于单个Cu原子周围,而是分布在Cu原子和与其相邻的四个O原子周围。 Nd2CuO4中的极化子半径远大于ZnCu3(OH)6BrF中的极化子半径。当掺杂浓度增加到0.125e/Cu时,这些极化子重叠并形成离域状态,实现Nd2CuO4。半导体到金属的转变(图6b)。在这一点上,我们可以认为理论计算的图像也解释了关于Nd2CuO4的实验结果。

图6.(a)0.0625e/Cu和(b)状态密度,掺杂电子电荷密度和Nd2CuO4在0.125e/Cu掺杂浓度下的极化子。

总之,似乎这种夯实方法很好地解释了在最近的实验中观察到的Kagome晶格锌 - 铜羟基卤化物在掺杂后不导电的现象。让我们说这是一种“绝缘理论”的工作,这很奇怪。此外,该结果还指出,为了实现量子自旋液体的超导性,找到量子自旋液体系统可能还不够。还必须实现有效掺杂以实现一定浓度的真实注入。自由载体“。这个警告??对于在该领域工作的实验物理人员来说应该是有价值和有意义的。另一方面,这种线性关系修正密度泛函理论方法应该扩展到其他强相关系统。应该指出,基于单体平均场近似的密度泛函理论对计算资源并不那么贪婪。相比之下,那些考虑多体相互作用的DFT方法,如GW和DMFT方法,在应用于大系统问题时具有不可逾越的障碍。作为兴奋剂物理学。此时,在量子计算机霸权时代来临之前,这里提出的方法有其地位。

这项工作最近发表在PhysicalReview Letters上,标题为“电子掺杂所提出的kagome量子自旋液体结果在带隙中的局部化状态”[PRL121,186402(2018)]。如果您有兴趣,可以点击文章末尾的“阅读原文”链接,看看会发生什么。

论文的主要计算由作者和博士后博士姚秋石博士完成。合作者包括约翰霍普金斯大学Tyrel McQueen团队,可再生能源国家实验室科学家Stephan Lany和科罗拉多大学博尔德分校Alex Zunger。

引用

1. T.H. Han,J。S. Helton,S. Chu,D.G.Nocera,J.A.Rodriguez-Rivera,C.Broholm,和Y.S。Lee,Nature 492,406(2012)。2. M. R. Norman,Rev。Mod。物理学。 88,041002(2016)。

3. Z. A. Kelly,M。J. Gallagher和T. M. McQueen,Phys。 Rev. X 6,041007(2016)。

4. S. Lany和A. Zunger,Phys。 Rev. B 80,085202(2009)。

5. J. W. Furness,Y。Zhang,C。Lane,I.G。Buda,B。Barbiellini,R。S. Markiewicz,A。Bansil和J. Sun,Commun。物理学。 1,11(2018)。

6. S. Lany,J。Osorio-Guillén和A. Zunger,Phys。 Rev. B 75,241203(2007)。

7. Z. Feng等人。下巴。物理学。快报。 34,077502(2017)。

备注:

(1)外行人Ising推荐标题为“插入理论”。这纯粹是有意义和写意的。

(2)诗伊辛的头部补充道。文中的罪和隐喻的词属于伊辛,与??作者无关。

(3)封面图片来自Steven R. White(加州大学欧文分校),参见Science 332(6034)(2011)的封面。

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