光晶格不连续量子相变 | 前沿快讯No.15

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相变在物理学中无处不在，从水的热现象到固体中的磁相变，从早期宇宙的宇宙相变到高能碰撞中的夸克-胶子等离子体。其中，特别有趣的是发生在接近绝对零度的温度下，并且是由量子涨落而不是热涨落驱动的量子相变。到目前为止，研究的焦点一直是连续二阶或更高阶的量子相变，比如大多数磁性或超流体到莫特绝缘体的相变。一阶不连续量子相变和相关的亚稳态在物理的各个领域发挥着核心作用，但是它们的动力学特性依然有待研究。超冷原子为量子相变的实验模拟提供了一个理想的平台。然而，到目前为止，对一阶相变的研究仅限于具有弱相互作用的系统，在这些系统中，量子效应以指数形式被抑制。

本文作者英国剑桥大学卡文迪许实验室Bo Song等人实现了一个强关联驱动的多体系统，其相变可以从连续调控到不连续。一维光学晶格的共振振荡使两个最低的布洛赫能带杂化，驱动了从莫特绝缘体到具有交错相位序的超流体的新转变。对于弱振动振幅，这种转变是不连续的，系统可以在亚稳态保持冻结。而对于强烈的振动，则会经历一个向超流体的连续转变。这种亚稳态和滞后现象的观察结果与数值模拟一致，并为探索量子涨落在不连续转变中的关键作用铺平了道路。

相关研究成果以Realizing discontinuous quantum phase transitions in a strongly correlated driven optical lattice为题，发表在《自然物理》 Nature Physics 18, 259-264 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01476-w

对粒子辐射的研究是核物理学的基础。例如，α粒子发射的过程自现代物理开始进行研究，但花了近三十年，加莫夫，格尼和康顿，才分别能够独立地描述氦核如何穿透库仑和离心势垒；而在经典图像中，这些势垒会阻止α粒子从原子核核心附近逃逸。他们的工作可以被视为支持量子力学的概率论的基本突破之一。通过势垒的量子力学隧穿的计算相对简单，但一个适当的α衰减变模型应该解释非常复杂的α粒子的预形成过程才算成功。单组成核子的发射情况则更加简单，比如质子衰变。尽管质子发射的想法很早就已经提出，直到20世纪70年代初，才观察到一个从Co53的异构态开始的质子衰变的弱质子衰变分支。10年后发现了Lu151是一个基态质子发射器。

本文作者捷瓦斯基拉大学K. Auranen等人利用融合-蒸发反应和真空模式反冲分离器，发现了一种新的质子发射同位素Lu149。测量到的衰变Q值为1920（20）keV，是基态质子衰变的最高值，导致基态质子发射器对应最短的直接测量的半衰期约为450ns。其衰减速率与lp=5的发射速率一致，表明质子发射态的波函数具有主要的πh(11/2)成分。通过非绝热准粒子计算，发现Lu149是迄今为止观察到的最扁圆变形的质子发射器。

相关研究成果以Nanosecond-Scale Proton Emission from Strongly Oblate-Deformed Lu149为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 128, 112501 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.112501

在扫描隧道显微镜中隧穿电子可以作为从纳米级扫描隧道结产生光子的局部激发源，这通常被称为扫描隧道诱导发光。光学技术与扫描隧道显微镜的结合提供了在原子尺度上光子发射的空间扫描，揭示了局部光学、电子和光电子特性的相关性。到目前为止，扫描隧道诱导的发光已在金属、半导体、和单分子等各种材料中广泛观察到。金属中的发光通常是由金属局域表面等离子体的辐射衰减和分子的轨道间跃迁引起的，而半导体中的发光机制有所不同。对于间接半导体，如硅和碳化硅，观察到的电致发光归因于局部等离子体发射或样品表面态和尖端态之间的非弹性跃迁。同时，在CdS和III-V族半导体异质结构中，扫描隧道诱导发光也很常见。在直接半导体中，掺杂砷化镓因其高发光性而被广泛研究，在发光二极管、激光器和光伏电池等光电器件上的应用前景广阔。在扫描隧道结中，几个研究小组在正偏置电压的p型砷化镓（110）中也观察到强发光。而在负的样品偏置电压下，电致发光几乎不存在。

本文作者复旦大学物理系顾乐华等重新研究了来自p型砷化镓（110）表面的扫描隧道诱导发光。发现纳米尺度的电致发光光谱不仅在正偏置电压下可以观察，而且在负偏置电压下也可以观察到。虽然电致发光发生在相同的带隙能量下，但负偏置电压的发光比正样品偏置的发光弱两个数量级。负偏置电压下的发光显示出偏置电压的线性依赖性，与正偏置下的共振电子注入引起的快速上升有所不同。同时，负偏置下电致发光的阈值偏置电压几乎是砷化镓带隙的两倍，而不仅仅是满足电子空穴对的能量守恒。通过理论计算，作者提出了一个冲击电离模型来很好地解释新观察到的负偏置下的电致发光。这种冲击电离机制可以很容易地应用于其他纳米尺度的光电子学领域，包括二维半导体和一维纳米结构等。

相关研究成果以Nanoscale Impact Ionization and Electroluminescence in a Biased Scanning-Tunneling-Microscope Junction为题发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 037801 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/3/037801#1