《物理評論快報》等報道量子物質科學協同創新中心系列成果：氧化物與新穎量子态

最近量子物質科學協同創新中心、beat365官方网站量子材料科學中心的馮濟課題組在氧化物新穎量子态的計算和理論研究中取得了一系列進展。這一系列工作包括對氧化物自旋液體材料磁基态結構問題的探索，氧化物界面拓撲電子态和可調能谷簡并劈裂的研究。這些工作近期分别被《物理評論快報》(Physical Review Letters)、《納米快報》(Nano Letters)和《物理評論B-快訊》 (Physical Review B (Rapid Communications))報道。

近年來，5d金屬氧化物Na2IrO3因為有望實現Kitaev模型而廣受關注。Kitaev模型描述了二維蜂窩狀晶格上自旋為1/2的體系，其基态為量子自旋液體，可應用于實現拓撲量子計算，因此人們對尋找可實現Kitaev模型的材料有廣泛的興趣。Na2IrO3是目前人們研究得最多的相關材料。Na2IrO3具有層狀結構，其中Ir構成層狀二維蜂窩格子（圖1）。在晶體場和強自旋軌道耦合的共同作用下，Ir的d電子可以用大小為1/2的赝自旋來描述。

然而，在實驗上對Na2IrO3結構與磁性結構的研究幾經曲折。馮濟課題組的博士後胡凱歌運用第一性原理計算詳細研究了Na2IrO3的磁性結構，發現其基态zigzag磁序的磁矩方向并不是以往實驗認為的晶格a方向，也不在Ir的二維晶格平面（即晶格ab平面）内，而是位于ac平面内、平行于g=a+c（圖1），進而通過修改Kitaev-Heisenberg模型解釋了計算結果。最後，他們強調理論預言的g方向符合現有的實驗結果，并對理解該材料的基本電子結構及設計實現Kitaev基态的方案具有重要意義。該工作于2015年10月16日發表于《物理評論快報》：Physical Review Letters 115, 167204 (2015)，胡凱歌博士為第一作者。值得一提的是，此工作的主要理論預言近期已被獨立的實驗所證實（Nature Physics 11, 462 (2015)）。

凝聚态物理中近年出現的新的量子拓撲态受到廣泛關注。量子反常霍爾（QAH）效應是沒有外場作用下的具有非零陳數的拓撲電子态。迄今，唯一實現量子反常霍爾效應的途徑是對拓撲絕緣體的表面态進行磁摻雜。馮濟課題組與合作者提出了不需要拓撲絕緣體和磁摻雜實現QAH電子态理論方案，實現嚴格意義上的“陳絕緣體”。通過電子軌道設計和第一性原理計算，在二氧化鉻和二氧化钛異質結構的能帶結構中發現了四個單自旋的狄拉克點，即這種材料可以看做單自旋版本的“石墨烯”。在自旋軌道耦合作用下, 面外磁化的二氧化鉻和二氧化钛超晶格無需外加磁性摻雜，便可以實現真正的“陳絕緣體”。因此，這兩個高度産業化的氧化物有望進一步應用于高保真的數據存儲和低能耗的電子學器件中。該工作于8月25日發表于《納米快報》：Nano Letters 15, 6434 (2015)。量子中心王恩哥和馮濟共同指導的博士李曉（目前在德州大學從事博士後研究）為文章的共同第一作者。

氧化物材料也可以作為基底材料，在調控新穎二維層狀材料性質方面發揮重要作用。二維過渡金屬二硫族化物材料是一類有前途的谷電子學材料，有一對簡并的能谷。為實現穩态多途徑的光電操縱，需要實現對能谷簡并度的有效調節。然而，現有的外加磁場隻能引起很小的能谷劈裂（~0.1 meV/T）。馮濟課題組與合作者以MoTe2/EuO異質結為例，通過第一性原理計算提出借助磁性氧化物基底産生的近鄰塞曼效應，可以使過渡金屬二硫族化物産生巨大的能谷劈裂（>300 meV）。通過旋轉氧化物基底的磁化方向，能谷劈裂進而可以連續調節。巨大可調的能谷劈裂使基于磁電和磁光耦合的新穎光電子學器件成為可能。該工作于9月發表于《物理評論B –快訊》：Physical Review B (Rapid Communications) 92, 121403 (2015)。李曉是文章的共同第一作者。

以上研究得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中組部“青年千人”計劃以及量子物質科學協同創新中心等資助。這一系列工作的主要合作者包括beat365的王垡和牛謙教授，江蘇師範大學的齊景山教授，蘇州大學的雎勝和蔡田怡教授。