融冰的不同形态 | 前沿快讯No.10

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地形或景观的外形为其历史和其产生的环境条件提供了线索。由于涉及到复杂的多个尺度和交互作用过程，比如侵蚀和沉积，溶解和凝固，熔化和冻结等，解释地质形态具有极大的挑战性。其中熔化和冻结产生了许多不同尺度下的例子，包括波纹状的冰柱、尖顶状的冰山、有纹理的冰洞和大的冰脊。由于地球上日益增加的冰储量的融化速率，理解和解释这些不同冰的形式及其背后的物理机制变得更加重要。在冰的融化过程中，由于垂直于表面的温度梯度，固液界面逐渐后退，而在相变过程中释放的能量反过来改变了流体中的温度场。在许多情况下，这些温度变化导致密度变化，驱动重力对流，也再次反馈到界面运动上。

本文作者纽约大学Scott Weady等人研究了悬浮在冰冷淡水中和冰融化过程中受到自然对流影响的冰的形状动力学。实验揭示了形状随着升高远场温度改变：低温下形成向下的尖锐的塔状，在5-7摄氏度之间形成扇形波浪状，在高温下形成向上的尖点状。相场模拟重现了这些不同的形态，这与液态水反常的密度-温度分布密切相关。边界层流产生随着尖端曲率的加速增长而增强的尖顶，扇形波浪状的出现则源于在形成涡旋阵列的逆流中的开尔文-亥姆霍兹式不稳定性。将水密度异常背后的分子尺度效应与表面的宏观流动联系起来，这些结果表明融化冰的形态是环境温度的一个敏感指标。

相关研究成果以Anomalous Convective Flows Carve Pinnacles and Scallops in Melting Ice为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 044502 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.044502

氢是最轻的元素，预测在极端压力下将成为具有高温超导性的金属固体，其超导温度在100K到760K。然而，在高达400GPa的高压实验中，固体氢的金属化仍然具有不确定性。理论预测表明，通过将氢与其他元素“化学预压”，可以在足够低得到压下金属化，在氢化物材料中实现类似的高温超导性。基于此，一系列氢基超导体被预测，并且有一部分在实验中实现了成功合成，比如H3S，LaH10等等。氢化物超导体为人们长期寻求的室温超导性目标提供了一条途径，但金属化这些材料所需的高压限制了它们的应用。例如，实验室制造的第一个室温超导体碳质硫氢化物，只有在267GPa的极端压力下才能达到288K的临界温度。下一个公认的挑战是在明显较低的压力下实现室温超导性。

本文作者吉林大学Zihan Zhang提出了一种合理设计低温高温超导体的策略，通过合金化小半径元素和氢，形成具有合金骨架的三元氢化物超导体。作者确定了一个“橄榄石型”骨干的形式AXH8，与其他报道的氢化物超导体相比，它们在中等压力下表现出高温超导性。具有Fm-3m结构的LaBeH8，具有橄榄石型高温合金骨架，预计在98GPa以上的热力学稳定，在20GPa下动力学稳定并具有185K的高转变温度。其压力远低于几何上相似的氢化物所需的合成压力，LaH10 (170 GPa)。这种方法为寻找接近环境压力条件下的高转变温度的三元氢化物基超导体提供了道路。

相关研究成果以Design Principles for High-Temperature Superconductors with a Hydrogen-Based Alloy Backbone at Moderate Pressure为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 047001 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.047001

铜氧化物高温超导体的母体化合物是一种典型的莫特绝缘体，其基态的物理性质相对可以很好地理解。由于强的库伦排斥作用，CuO2平面上Cu的3d轨道劈裂为上下两个Hubbard能带。由于与氧2𝑝轨道的杂化，它是一种电荷转移型的莫特绝缘体，被称为电荷转移绝缘体。其最低的能量激发是从杂化电荷转移带激发到上哈伯德带，它们之间的能量差是电荷转移能隙。通过中间O配体在相邻Cu位点上的超交换作用，基态莫特绝缘体具有长程反铁磁序。在母体化合物中掺杂载流子，抑制长程反铁磁序，产生了高温超导性。

本文作者清华大学李海威和叶树森用扫描隧道显微镜研究了铜氧化物Ca3Cu2O4Cl2母体莫特绝缘体中电子结构随温度演化规律。发现随着温度的升高，上哈伯德带向费米能量移动，而电荷转移带基本保持不变。这导致了在高温下电荷转移能隙的减小，并且其减小的速度比传统的半导体要快得多。在反铁磁序转变温度附近，电子结构没有突然的变化。这些结果为铜氧化物母体莫特绝缘体的理论模型提供了新的思路。

相关研究成果以Temperature Dependence of the Electronic Structure of Ca3Cu2O4Cl2 Mott Insulator为题发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 017402 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/1/017402#1