物理学家突破量子材料电子行为微调难题，有望加速下一代技术发展

量子材料，比如双层石墨烯和钌酸锶，展现出了超导性、磁性等非凡特性，这些特性有望给计算、储能等领域带来革命性的变化。然而，由于在理解这类材料中电子（携带电荷的粒子）复杂行为方面存在诸多挑战，它们目前尚未在现实世界的应用中得到广泛使用。

1

引言

在量子材料里，电子之间相互作用强烈且错综复杂，常常会失去各自的特性，转而以复杂且难以预测的方式相互协作。

虽然正是这些相互作用造就了量子材料的独特性质，但它们也使得量子材料对环境变化（比如温度、压力或磁场的变化）极为敏感，进而可能导致其行为出现重大且不可预测的改变。

研究人员正在努力更好地理解并控制这些电子相互作用，以解锁量子材料应用于下一代技术的潜力。

其中一个很有前景的方法涉及范霍夫奇点（VHs），它是材料 “能带结构” 中的特定点。能带结构就如同一张地图，展示了电子在材料中能够移动的位置以及移动的速度。范霍夫奇点就是这张 “地图” 上电子聚集的位置，形成了对环境变化高度敏感的区域。

高阶范霍夫奇点（HOVHs）作为一种范霍夫奇点，尤其受到研究关注，因为它们对细微变化格外敏感。科学家们迫切想要探究如何对高阶范霍夫奇点进行操控，从而微调材料的特性。

不过，目前对于高阶范霍夫奇点的了解仍然有限，包括确定它们在材料中出现的位置以及驱动其形成的因素等方面。

因此，理论物理学对于推进该领域的研究至关重要，而拉夫堡大学的研究人员在他们所研发的用于检测和分析高阶范霍夫奇点的方法上取得了令人振奋的突破。

由约瑟夫・贝图拉斯（Joseph Betouras）教授带领的团队所研发的这一方法，借鉴了费曼 - 赫尔曼定理，这是量子力学中一个用于研究当某些参数发生变化时系统能量如何改变的原理。

在一篇发表于《自然・通讯》的新论文中，研究人员通过将该方法应用于钌酸锶（Sr₂RuO₄）—— 一种具有复杂电子特性的知名金属，展示了这一方法的有效性。

通过结合理论与计算建模，以及圣安德鲁斯大学提供的实验数据，该团队检测并分析了高阶范霍夫奇点，揭示了材料表面的结构差异是如何导致在材料主体中不存在的高阶范霍夫奇点出现的。

研究结果表明，由于材料的基本组成单元 “RuO₆八面体” 发生了轻微旋转，高阶范霍夫奇点仅出现在钌酸锶的表面。

基于这些发现，研究人员针对表面结构的改变如何影响高阶范霍夫奇点的性质给出了理论预测，其潜在应用不仅涉及钌酸锶，还可能涵盖其他量子材料。

研究人员建议，现在的实验研究应当聚焦于通过对这类结构进行改造来测试这些预测，这有助于验证该方法，并为定制用于下一代电子技术的先进量子材料铺平道路。

谈到这项研究的重要性时，约瑟夫・贝图拉斯教授表示：“这个研究领域可以被看作是量子材料世界里的工程与设计领域。得益于我们的研究，现在可以设想创造这类奇点以改变材料电子和磁性特性的方法了。例如，这或许能够让我们制造出在接近室温的条件下实现电子无电阻流动的超导体。”

《自然・通讯》这篇论文的第一作者阿尼鲁德・钱德拉塞卡兰（Anirudh Chandrasekaran）博士补充道：“这篇论文引入了一套新工具，用于在量子材料中构建具有高阶范霍夫奇点的结构。这能够更高效地实现超导性、磁性等现象。因此，这项工作将有助于发现可用于技术应用的新型材料。”

这篇题为《二维高阶范霍夫奇点的构建》的《自然・通讯》论文可在网上全文阅读。

拉夫堡大学的研究人员目前计划在这项研究的基础上，进一步理解高阶范霍夫奇点周围的超导现象等相关内容。

微信号

世说新材

G-Research