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量子材料光谱学研究科普直播
发布时间:2022-02-13

报告介绍:https://mp.weixin.qq.com/s/KB2QMjDuhs0VJm0jFVtY7Q

报告介绍:https://www.zgdxw.net/t/151595

报告视频:https://www.mittrchina.com/video/detail/652


现今,人们对量子这个词并不陌生,中国在量子通信领域的研究喜报频传,市场上出现了很多炒作 “量子科技” 概念的各种 “伪创新” 产品,比如,量子水杯、量子按摩、量子鞋垫、量子医学等。在这里插句题外话,凡是用钱能够买到的量子产品全是假的,当然电子产品手机、平板除外,它们算是量子力学周边产品(实际上就是晶体管)。


可以说,量子力学已经深入到人们的生活,几乎没人不知道 “量子” 这个词,但人们对量子力学的认识恰如 “水中望月,雾里看花” ,非专业领域的人对量子力学及其相关领域的认知总不那么真切,总有种似是而非的感觉——虽然我不知道量子力学讲什么,但肯定是很高大上的知识。甚至出现了 “遇事不决,量子力学” 这样的网络流行语,表达着人们对量子力学的直观感受:深奥和神秘。
近年来,量子力学的发展热火朝天,例如量子计算、量子通信、量子传感等新领域的研究如火如荼。正如中国量子物理学家、中国科技大学副校长潘建伟教授所说:“ 我们正处于第二次量子革命的时代 。” 与此同时,人们对其中量子效应在更大范围的能量和长度尺度上仍然明显的材料系统越来越感兴趣,这些材料统称为量子材料,什么是量子材料呢?
本次络绎学术 Online 直播第 103 期,我们邀请了上海大学物理系尹鑫茂教授,做了一场以“量子材料的光谱学研究”为主题的直播,为大家讲解量子材料光谱学研究最新进展,也分享了其团队正在进行的国际合作。

以下为直播内容回顾及延伸解读。


在提量子材料之前,必要地先介绍下量子力学。1900 年,普朗克首次提出了能量的不连续性,一把推开了量子力学这扇神奇的大门。在量子世界里,所有物质都可以被还原成 61 种基本粒子。其中最重的基本粒子,质量也不超过 3.1×10^-25 千克。所谓量子,就是指这些不可分割的最小单元。
什么是量子材料
什么是量子材料呢?需要先了解固体物理和凝聚态物理两个概念。
固体物理学是采用量子力学、统计力学、晶体学、电磁学研究固体的结构和组成粒子(原子、离子、电子等)之间相互作用与运动的规律以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系、从而阐明其性能与用途的科学,是包含电子科学与技术在内的诸多学科的基础。

以固体物理为基础,扩展为凝聚态物理学(研究凝聚态物质的物理学),为电子科学技术提供源源不断的材料与物理基础(石墨烯、蓝光发光二极管)。以固体物理学为基础发展起来的半导体材料与器件已成为现代科技发展中最核心、最重要的方向之一。


物体的形态主要有三种,分别为固态、液态和气态。“凝聚态”是前两种,固态和液态。因为这两种状态下的分子距离特别短,它们凝聚在一起,统称“凝聚态”。 
在“凝聚态物理学”的研究中,大多数研究的对象都是固体,也就是晶体。因为晶体内部有一个周期性的排布规律,相比非晶体比较易于研究。非晶体如玻璃,以及液体、流体实际上很难研究,只有在有规律地排成晶格的时候,做近似研究才比较容易。非晶体的非周期排布是非常难研究的,有着过大的计算量。

当凝聚态物理学家研究固体时,通常会研究它的三个性质:力学性质、电学性质、光学性质。晶体的原子排布形成晶格,晶格的不同排布形成物体的不同性质。一般情况下,使用改变结构、掺杂的方法就可以改变某种晶体的性质。因为晶体内部原子的排列方式决定了这种晶体的性质。在我们日常生活中使用的半导体、合金、航空器件、光伏电缆、量子材料等都源于“凝聚体”,它的研究还能用于改变一些材料的硬度。 


毫无疑问,衍生概念是量子材料研究的共同特征。换言之,量子材料作为一个标签,为凝聚态物理之重要前沿领域“强关联量子系统”提供了另一种定义。本领域所涉广泛,但其核心目标是发现与探索那些电子性质用传统的凝聚态物理教科书框架难以阐明的材料体系。
维基百科上现在已经有正式的定义:量子材料覆盖凝聚态物理之一大宽广领域,以将一大类材料归于其麾下。这类材料具有一定的量子关联特征,或者具有特定的量子序,包括超导电性、磁序/铁性序。那些电子性质呈现“反常”量子效应的材料也当属此类,例如拓扑绝缘体、狄拉克电子系统。那些集体行为呈现量子特征的系统如超冷原子、冷激子、极化子等等体系也可归于此类。因此,超导体、石墨烯、拓扑绝缘体、Weyl 半金属、量子自旋液体和自旋冰都属于量子材料的范畴。

量子材料的光谱技术科普


量子材料的光谱学研究需要研究量子材料中涌现出的性质与规律。光谱学是利用物质发射、吸收或散射光或粒子的现象(即光与物质相互作用),来研究物质中的多体相互作用的方法。不同能量(频率)的光将反应出不同的相互作用。
由电荷 ( charge ) -自旋 ( spin ) -轨道 ( orbital ) -晶格 ( lattice ) 自由度之间的相互作用而产生的特异的物理现象,即量子材料中的新奇物理规律,是现代凝聚态物理研究的中心主题,不同能量范围的光谱学技术正是研究这些相互作用的重要手段。
超导能隙、赝能隙、磁共振、声子、密度波能量等处于 0.1ev 以下范围,而Charge Transfer Gap、 Mott Gap、等离子、激子,极化子能量等处于 0.1eV 以上范围。通过不同能量范围的光谱来测量高温超导不同相态下的自旋 -轨道-晶格-电荷自由度的相互作用,从而有助于挖掘其高温超导机制。

光谱技术举例 ( Spectroscopic Ellipsometry ) :


椭圆偏振光谱通过分析从样品反射光线的偏振状态的变化,可测得样品厚度、折射率或介电函数,以此可获得样品基本的物理参数,并且这与样品的物理性质有所关联,包括晶体形态、化学成分或电子结构等。

同步辐射光源 ( Synchrotron Light Source ) :同步辐射是非常高速的带电粒子在电磁场中偏转时,沿运动的切线方向发出的一种电磁辐射,是一种能量范围非常广的实验手段。


光电子能谱 ( PES ) ( Photoemission spectroscopy ):通过分析器测得样品光电效应射出的电子的动能,从而得到电子的结合能。主要用于样品表面的电子结构分析。虽然入射光子能穿入固体的深部,但只有固体表面下 20 ~ 30 埃的一薄层中的光电子能逃逸出来。可以测得表面的元素构成及比例。
光谱技术举例- X 射线吸收光谱 ( XAS ) ( X-ray Absorption spectroscopy ) X 射线吸收谱技术原理光子激发出芯能级的电子到费米面附近的未占据能带。光子能量达到一定值后,其吸收系数呈阶梯增长,此时对应着原子内层电子跃迁。每一种元素都有其特征的吸收边。
X 射线吸收谱可得到不同轨道的未占据态的信息,以及不同原子的电子轨道的耦合信息。X 射线吸收光谱就是利用X射线入射前后信号变化来分析材料元素组成,电子结构及微观结构等信息的光谱学手段,XAS 方法通常具有元素分辨性。
X 射线磁圆二色性光谱 ( XMCD ) ( X-ray magnetic circular dichroism ) X 射线磁圆二色性光谱技术原,XMCD 测量两个不同圆偏振光(左旋/右旋)吸收光谱在磁场中的差谱,获得原子的自旋磁矩、轨道磁矩等磁性信息。XMCD 的磁性测量具有元素分辨率敏感,可测极小的磁矩,纳米结构。
二维量子相变的光谱学研究 

尹鑫茂教授长期着眼于不同量子材料的光谱学研究,尤其是超导量子材料的光谱学研究。2021 年以来,已利用光谱技术与不同单位合作发表高水平论文 10 余篇,并在 2021 年前半年以第一或通讯作者身份分别在 Science 子刊 Science Advances 、美国物理联合会 AIP 旗下应用物理顶级期刊 Applied Physics Reviews 和国际顶级期刊 Chemical Society Reviews 发表高水平论文 3 篇。


当量子材料的厚度缩减到原子层级时,将引起量子限域效应,这使其表现出很多新奇的物理性质。二维层状材料(如 MoS2, WSe2 等)具有可见或近红外光谱范围内的带隙,近年来成为半导体材料和拓扑超导研究领域新的增长点。由于结构扭曲,准金属相的 ( 1T' ) 二维材料中形成了周期性堆叠的一维 zig-zag 链,使其具有各向异性,并带来了新的物理现象,如超导、磁阻等现象。尹鑫茂教授与新加坡国立大学 Andrew Wee 教授合作,发表题为 1D chain structure in 1T′ - phase 2D transition metal dichalcogenides and their anisotropic electronic structures 的论文 ( Appl. Phys. Rev. 2021, 8, 011313 ) 。 

二维层状材料(如 MoS2, WSe2 等)具有可见或近红外光谱范围内的带隙。通过不同的调控、刺激手段,可以实现丰富的量子和超导相变,在改变其带隙的同时获得新的量子态及量子现象。近年来该研究领域成为拓扑超导和新型半导体材料研究领域新的增长点 [1] 。


该论文总结了团队近几年来在二维层状材料和超导及其量子相变领域的研究成果,系统地概述了该领域从理论到实验的最新研究进展。具体内容包括:二维量子材料的概况;不同量子相态下二维层状材料的晶体结构和电子结构;二维层状材料量子相变的多种实验实现手段及其不同机理;二维层状材料与不同金属界面的界面效应及量子相变;以及量子相变后的二维层状材料在不同领域的实际应用。
同时,文章还从二维层状材料量子相变的研究现状出发,阐明了现下该领域面临的主要挑战,并指出它们在未来传感器、医药治疗、神经系统计算和人工智能等领域具有可以期待的应用前景。
团队重点研究成果介绍
1)三维量子材料电子、光学信息的光谱研究
高温超导铜氧化物的光谱学研究
尽管高温超导体铜氧化物已经被发现三十多年了,其高温超导机制目前仍尚不清楚,且它是凝聚态物理领域现存最大的挑战之一。为了理解高温超导机制,科学家们提出了几种理论模型,这包括了 resonating valence bond 模型、 electron - phonon interaction 模型以及 spin fluctuation 模型。这些模型都与其电子关联性有关,因此研究高温超导体铜氧化物正常态中的电子结构是解决这一问题的有效方法之一。

已有的研究结果表明,界面效应也是研究高温超导机制的突破口之一。尹鑫茂博士期间,与黄载贤教授课题组合作,将超薄薄膜 La1.85Sr0.15CuO4 长在 SrTiO3 基底上时,在薄膜中发现新的电荷局域化 ( charge localization ) 。同时形成新的能带带隙 mid-gap ,并伴随着新的等离激元 ( plasmon ) 和高能激子 ( exciton ) 激发。


随着技术的发展和应用的普及,材料中电荷局域化的诱导和调控在材料物理和器件应用中起着非常重要的作用。深入研究由电荷局域化带来的物理效应将更有利于器件应用。例如,电荷局域化对于控制钙钛矿太阳能电池以及基于有机和纳米结构的光伏系统中的电荷动态性至关重要。同时电荷局域化会影响物体的宏观物理性质,例如电荷局域化引起的超导赝能态、reentrant superconductivity 以及 Verwey transitions 。
由于电子的强关联性以及系统环境变量的复杂性,在诱导和调控物体中的电荷局域化时将存在局限性。为了更好地发挥其在未来器件应用中的潜在作用,对强关联体系中的电荷局域化进行深入研究具有重要意义。而对高温超导铜氧化中的电荷局域化的研究,将有助于理解其高温超导机制。
尹鑫茂设计了一种新的实验方法——通过界面耦合效应实现诱导和调控铜氧化物中的电荷局域化。研究团队将最佳掺杂的 La1.85Sr0.15CuO4 超薄薄膜生长在 TiO2 界面的 SrTiO3 基底上,利用多种光谱学研究其电子结构、电荷局域化及电子相关性。通过光谱学测量,他们在厚度为 6uc 以下的铜氧化物薄膜中发现了新的电荷局域化以及新的等离激元。 

他们通过光谱学证明,界面轨道耦合效应引起了电荷局域化和高能激子激发,将导致电荷局域化并在费米面附近产生新的能带带隙 mid-gap ,从而导致形成新的等离激元。其中,电荷局域化效应是通过发现新的能带带隙 mid-gap 的存在而证明的,而界面耦合效应的存在是通过超薄薄膜中存在的高能激子的激发来证明的。


在该项研究中,尹鑫茂团队采用了一种强大而有效的新光谱学手段,即整合椭圆偏振光谱以及同步辐射 X 射线光谱的测量,从而发现了这些有趣的物理现象。这种先进的光谱学手段可用于探索不同材料中的电子结构及电子关联性的变化,从而解析其物理特性的机理,这包括前沿的二维材料及钙钛矿材料。
超薄铜氧化物高温超导量子材料薄膜
该研究采用新光谱技术,发现当超薄 LSCO 长在 SrTiO3 基底上时,薄膜中出现新电荷局域化,形成 mid-gap,并伴随等离激元和高能激子激发。揭示了界面轨道耦合可调控超导薄膜中电荷局域化及电子关联强度,从而产生新准粒子激发。
此发现为高温超导中电子结构的调控提供了新理论模型,并为探索高温超导潜在机制提供线索。

成果发表于 Advanced Materials 32, 2000153, 2020。此外,利用场效应实现了对电子型铜氧化物绝缘到超导的量子相变调控,合作成果发表于 ACS Nano 11, 9950, 2017


镍氧化物高温超导量子材料
团队在镍氧化物中发现的超导性让研究者对高温超导机制有了新认识,学界掀起了对不同镍氧化物电子结构探索的热潮。
其中,PNNL 合作者通过分子束外延法成功生长出相分离的 SrNiO3 ( Sr2NiO3 和 SrNi2O3 相 ) 薄膜。尹鑫茂课题组利用光谱学解析了该体系电子结构,确认了共存的缺氧 Ruddlesden-Popper 两相。成果发表于 Science Advances 7, eabe2866, 2021。此外,通过异价掺杂研究构建了完整的镍基超导相图,发现费米面附近多能带结构特征。该项合作成果发表于 Physical Review Letters 125, 147003, 2020。另外,尹鑫茂课题组对无限层镍基超导的光谱学研究正在 Nature Communications 审稿中,论文初稿请参见arXiv:2104.14195

其他三维磁性量子材料——锰氧化物的电子信息及量子相变的光谱学研究发表于 NPG Asia Material 7, e196, 2015 和 ACS Applied Materials & Interfaces 10, 35563, 2018


2)二维量子材料电子、光学信息的光谱研究
二维新能隙与量子相变
设计一种在金衬底上对二维材料 MoS2 进行加热退火的简便方法,成功诱导半导体相 1H- 准金属相 1T' 的相变。采用新光谱技术,发现 1T' 相费米面附近的能带倒置,形成 Fundamental Gap 和 Inverted Gap 。揭示了 Inverted Gap 是由强电声耦合所导致,由此可调控其大小;描述了其相变机制。该结果揭示了强电声耦合作用对低维量子相变及其电子结构调控的重要意义。成果发表于 Nature Communications 8, 486, 2017
二维界面效应
该项研究发现将更低势垒的二维材料转移到更高活性的金属上并加热退火可显著提高 1T' 相变转化率。采用新光谱技术,揭示了二维材料与金属的界面作用演变过程及 1H-1T' 相变机制,解释了转化率提高的原理。该结果不仅可作为二维材料在金属基底上受控生长的模型系统,也为低维量子相变与界面效应的关系提供新见解。
论文总结尹鑫茂团队近几年在二维量子相变及界面效应的研究,撰写了关于二维量子材料的不同相变机理及应用的综述,发表在顶级期刊 Chemical Society Reviews。该文章受到 5 个审稿专家的一致高度好评,并被编辑部推荐为该期的封面文章发表。成果发表于 Advanced Science 6, 1802093, 2019
二维电子气
其他二维量子材料——钙钛矿氧化物 LAO/STO 界面(二维电子气)的电子信息及调控的光谱学研究,合作成果发表于 Physical Review Letters 121, 146802 ( 2018 ) 
3)新量子态准粒子的发现及光谱研究
高能激子的发现

该研究制作了二维 MoS2/SrTiO3 新型异质结,成功将高能激子引入二维材料。与此同时,结合多种光谱测量,在该异质结中发现了高能激子激发及新型费米面结构,证实了利用三维氧化物的界面效应可实现对二维材料中多体作用的调控,并改变其物性。揭示了高能激子与界面作用之间的内在联系,开辟了一种通过界面系统来调控高能激子的新方法。成果发表于 Advanced Science 6, 1900446, 2019

通过改变二维材料的厚度、温度及元素等条件,利用光谱学可探测到不同强度的自旋-轨道耦合。我们在二维 WSe2 中发现具有三维特性的高能激子。这是因为单层 WSe2 具有合适强度的自旋-轨道耦合,使得高能激子的激发得到增强。证明了自旋-轨道耦合强度跟高能激子激发能的关系。成果发表于 ACS Nano 13, 14529, 2019


等离激元的探索
该项是针对相变后的 1T' 二维材料进行光谱学研究,发现了新型等离激元激发——不同于金属中传统等离激元,及其新一维电荷动态性。证明此集体激发只出现在垂直于 zig-zag 链方向,具有各向异性,其激发能量可由自旋 - 轨道耦合强度调控。揭示了 zig-zag 链之间存在长程相互作用,它是导致此集体激发的主因。
此外,该研究还探讨了二维材料中超导性与集体激发的内在联系,对揭示其超导性机制具有重要意义。成果发表于 Advanced Science 7, 1902726, 2020。
结论
近年来,尹鑫茂教授所在的上海市高温超导重点实验室在高温超导量子态、超导量子磁通涡旋、超导量子约瑟夫森结型器件、非常规高温超导、强关联氧化物电子自旋、新型低维拓扑结构及量子计算、超导强电应用等方向上取得了重要研究进展。
该团队利用光谱研究的成果主要可归纳为三个方面:
其一,三维量子材料电子、自旋结构光谱学研究,研究亮点是高温超导铜氧化物的光谱学研究;其二,二维量子材料量子相变的光谱学研究,亮点是二维量子相变的光谱学研究;其三,新型量子态准粒子的发现及光谱学研究,亮点是高能激子的光谱学研究。


此外,尹鑫茂团队在不断发展的过程中,达成了多项国际合作,例如新加坡国立大学、香港理工大学等知名机构。随着研究的深入量子材料的光谱学研究将在人工智能、量子信息、生物技术等领域有越来越多的可期待应用。


参考文献:

1.Chi Sin Tang†, Xinmao Yin†,* Andrew T. S. Wee†,*. 1D chained structure in quasi-metallic phase 2D transition metal dichalcogenides and their anisotropic electronic structures. Applied Physics Reviews 8, 011313 (2021) 2.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d1cs00236h3.https://www.x-mol.com/groups/yinxinmao/publications