室温铁电性 | 前沿快讯No.11

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编者按

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多层ReS2中的室温铁电性

现代电子器件小型化的需求推动了量子领域中二维铁电材料的探索，最近在超薄范德华材料中取得了重大进展。在这些二维铁电体中，自发电极化起源于单层材料中原子位置相对反演中心的微小位移，受到晶格对称性和结构稳定性的严格限制。因此，到目前为止，只有少数范德华晶体被实验验证具有本征铁电性。为了扩展二维铁电体家族，利用范德华材料的层数自由度，通过层间平移在多层范德华材料中可以产生滑动铁电性。这种类型的垂直铁电性，原则上广泛适用于范德华材料，即使它们的单层形式是中心对称的。范德华材料具有固有的层自由度，因此是探索由层间平移引起的偶然二维铁电性的极好的候选材料。然而，尽管在理论上有所预测，这种类型的铁电性在目前阶段仍缺乏实验验证。

本文作者南京理工大学Yi Wan，Ting Hu和 Xiaoyu Mao通过理论和实验的综合研究，证明了半导体ReS2多层膜中的存在稳健的滑动铁电性。在层数大于两层的二维ReS2中观察到室温垂直铁电性。电极化源于层间的无补偿电荷转移，并且可以通过层间滑动进行切换。根据二次谐波测量，估计双层ReS2的铁电转变温度为405K。其研究结果突出了层间工程在实现原子尺度铁电性中的重要性。

相关研究成果以Room-Temperature Ferroelectricity in 1T-ReS2 Multilayers为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 067601 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.067601

电子体系中观测到瞬时宇称-时间(PT)对称性

宇称-时间(PT)对称的哈密顿量，作为一种非厄米的哈密顿量，由于其相变和真实谱学特性引起了人们的广泛关注。在过去的十年中，许多研究已经证明了光子学、电子和声学中的PT对称性。创建并理解PT对称性的快速发展导致了各种非平凡的特征，比如单向隐形、隐形传感、单模激光、高敏读出以及稳定的无线功率传输等。然而，对构建增益的严格要求阻碍了在实际设备中验证和实现这些概念的可能性。例如，构造了一类由两个耗散分量组成的简单哈密顿数，只有在规范变换后才能揭示隐藏的PT对称性。隐藏PT对称的多层结构在光子学和声学中得到了广泛的研究，表明在无源系统中，一个异常点及其相关的相变可以是可测量的量，并具有单向响应。

本文作者湖南大学Xin Yang等人根据电子系统的开关状态，通过等效电路变换揭示了电子学中的瞬时PT对称性。采用相量法和拉普拉斯变换，推导了开关振荡中隐藏的PT对称哈密顿量，其特征是具有自由振荡模式。PT对称电子结构的光谱性质和动态性质都证明了其具有本征模正交的相变。重要的是，观察到的瞬态PT对称使异常点诱导的最佳开关振荡抑制，说明PT对称性在具有临时响应的电子系统中的具有重要意义。其工作为PT对称理论的突破铺平了道路，并在抗干涉开关模式电子学中具有重要应用。

相关研究成果以Observation of Transient Parity-Time Symmetry in Electronic Systems为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 065701 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.065003

氮气高压同构结构转变

高压同构结构转变的特征是具有晶体结构的对称不变性，总是伴随着晶胞体积、轴向比和声子行为的异常，可能是由电子态的变化或原子的轻微位移所引起。高压同构结构转变在金属、金属化合物、分子晶体中有所报道。作为一种简单的单核双原子分子，氮气与氢气和氧气表现出类似的高压行为。由于具有较强的N≡N共价三键，氮成为最稳定的双原子分子，并在高压下表现出复杂的高压相变行为。自上世纪初首次报道氮固体以来，在广泛的压力-温度相图中，至少有20种固体氮相被实验报道。尽管取得了这些重要进展，但还需要更多的工作来解释其中可能的高压同构结构转变。在以往工作的基础上，晶格结构的稳定性和电子带色散分量的压缩是发生高压同构结构转变的关键因素。

本文作者四川大学范春梅等观察到固体氮𝜆-N2在约50GPa时发生同构结构转变，并伴有晶格参数、原子体积和拉曼振动模的异常。这种异常现象可归因于氮分子的轻微重定向，但并不影响单斜空间群的对称性。第一性原理计算进一步证实了这一现象，并提出了𝜆-N2相的优化晶体结构。此外，为了探索𝜆-N2的相稳定性，通过对氮气压力-温度相图的详细研究，还发现了一种新的高压非晶相。研究结果可能为双原子分子晶体中解离跃迁的晶体学性质提供有用的信息。