碳基超级电容器的“曲率-电容”关系 | 前沿快讯No.12

原创中国物理学会中国物理学会

编者按

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

碳基超级电容器中的曲率-电容关系

超级电容器既拥有与传统电容器一样较高的放电功率，又拥有与电池一样较大的储存电荷的能力，是高能量密度、高功率密度电化学容器的研究热点。由于超级电容器中的能量存储不是通过氧化还原反应发生的，而是存储在电极和电解质之间形成一个薄薄的界面区域，因此可获得的电容很大程度上受到该电双层的显式结构和动力学的影响。微孔碳中异常高电容的发现引发了许多相关研究活动，以解读其潜在的分子机制。除了微孔碳促进的电极表面积能有效地增加电容外，高边电极的特定形状，如孔径和曲率，也会影响电双层的结构和组成，从而影响电容。从物理角度来看，电极上与电解质接触并保持电势恒定电位的电荷受到热波动的影响，热波动编码了微观界面过程的信息。纳米尺度的表面曲率，无论是凸的还是凹，都强烈地影响超级电容器的充电行为。通过从电极原子的单个电荷变化推导出的电荷-电荷协方差矩阵的不同元素，很可能理解电极原子对电容的个别影响。

本文作者汉堡理工大学Jannes Seebeck等人在一种限制于两个电极之间的乙腈溶解的离子液体，每个电极由三个波状的石墨烯层组成的超级电容器中，演示了电容与电极曲率之间明显且非平凡的相关性特征。此外，施加的电压决定凸或凹表面是否有助于增加电容。同时在电极的凹区形成的双层中，低电压区域的电容变化一般与离子数密度变化密切相关；而对于某些电极设计，在较高和较低的电压下，凸部分对差分电容都有惊人的较强贡献。

相关研究成果以Elucidating Curvature-Capacitance Relationships in Carbon-Based Supercapacitors为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 086001 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.086001

狄拉克体系的量子临界

金属量子临界性对应于在金属环境中，由诸如掺杂、磁场或压力等非热控制参数改变所引发的自发对称性破缺。在温度-参数相图中序参量的涨落经常引起非费米液体行为。金属量子临界性对于强相关材料中的异常输运和奇异金属行为的理解至关重要，比如重费米子化合物、铜基和铁基高温超导体。尽管付出了广泛的努力，在费米面附近对这个问题的可控分析处理仍然是一个主要的挑战。主要的困难是如何处理由费米面附近大量的无能隙粒子-空穴模式所产生的强量子涨落。从数值的角度来看，这些转变以大于一的动态临界指数为特征（z>1），阻碍了在大晶格上达到足够低温度的可能性。相比之下，狄拉克系统具有新奇的洛伦兹对称性：空间和时间是可互换的，动态临界指数z=1。此外，它们的特征不再是一个扩展的费米表面，而是一个孤立的费米点。

本文作者维尔茨堡大学Zihong Liu基于自旋轨道液体物理学，研究了半填充时双层蜂窝晶格上狄拉克费米子相互作用的模型，其具有显式的SO3 ×U1对称性。利用大尺度辅助场量子蒙特卡罗方法，伴随增加相互作用强度，定位了两个零温相变。首先观察到一个从弱相互作用的半金属到另一个半金属相的连续转变，其中SO3对称性自发破缺，三个狄拉克锥中有两个获得有质量的能隙。伴随的的量子临界点可以用Gross-Neveu-SO3理论来理解。随后观察到一个向绝缘相的转变，其中SO3对称性被恢复，U1对称自发破缺。虽然在平均场水平上具有强的一阶效应，但量子蒙特卡罗模拟的数据与直接和连续的相变一致。因此，它是一种具有无间隙费米子自由度的新型无限制量子临界点的候选对象。

相关研究成果以Metallic and Deconfined Quantum Criticality in Dirac Systems为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 087201 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.087201

通过储层工程研究耗散相变

耗散在物理系统中普遍存在，并且在量子信息科学中经常被堪称是一个不希望出现的误差来源。然而，通过良好地控制，耗散也可以作为有用的资源，并在制备多体纠缠态、量子信息处理和非平衡相变的研究中得到了较多应用。特别得，耗散相变已经在各种实验系统中被观察到，如光腔中的玻色-爱因斯坦凝聚态、半导体微腔和超导电路。然而，由于实验上利用耗散的困难，所有这些实验都利用的是系统中无法调谐的内在耗散。一个仍然存在得突出的目标是通过储层工程来实现耗散相变，以产生一个可控制的大小合适的耗散。捕获离子系统为研究储层工程实现耗散相变提供了一个理想的平台。作为最早发现的物理系统之一，也是量子计算的主要系统，捕获离子系统支持对量子态的精确和相干操纵，并可以很好地与环境隔离，以提供较低的内在退相干。通过光泵浦，自旋耗散和运动模式也被证明可以用来初始化系统，以准备所需的纠缠态和模拟开放系统的量子动力学问题。

本文作者清华大学蔡明磊、刘子都、姜越等人单一捕获离子与工程储层实验模拟了耗散相变模型。发现在量子拉比（Rabi）模型哈密顿量和边带冷却条件下，交替应用酉演化后，离子的空间振荡模式达到稳态。以振荡模态的平均声子数作为序参量，为耗散相变提供了证据。其工作强调了捕获离子系统对模拟开放量子系统的适用性，并将有助于进一步研究具有不同耗散项的耗散相变。