美中俄德科学家发现电子晶体中的神秘转变

诸平

A cartoon illustrates a hysteresis—when the value of a physical property lags behind changes in the effect causing it—during hiking, with different uphill and downhill paths. Credit: Xinyue Lu

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年2月7日提供的消息，该校物理系的研究人员发现电子晶体中的神秘转变（Scientists discover a mysterious transition in an electronic crystal），分层化合物中的热跨度有望在下一代电气开关和非易失性存储器中得到应用。上述一幅漫画说明了一种滞后现象——当物理属性的价值落后于导致它的影响的变化时——在徒步旅行中，有不同的上坡和下坡路径。

当温度变化时，许多材料会发生相变，例如液态水到冰，或金属到超导体。有时，所谓的磁滞回线会伴随这样的相变，因此转变温度会根据材料是冷却还是升温而有所不同。

2022年1月21日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站发表的一篇新论文——B. Q. Lv, Alfred Zong, D. Wu, A. V. Rozhkov, Boris V. Fine, Su-Di Chen, Makoto Hashimoto, Dong-Hui Lu, M. Li, Y.-B. Huang, Jacob P. C. Ruff, Donald A. Walko, Z. H. Chen, Inhui Hwang, Yifan Su, Xiaozhe Shen, Xirui Wang, Fei Han, Hoi Chun Po, Yao Wang, Pablo Jarillo-Herrero, Xijie Wang, Hua Zhou, Cheng-Jun Sun, Haidan Wen, Zhi-Xun Shen, N. L. Wang, Nuh Gedik. Unconventional Hysteretic Transition in a Charge Density Wave. Physical Review Letters, Vol. 128, Iss. 3 — 21 January 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.036401. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.036401.

是由MIT的物理学教授努赫·格迪克（Nuh Gedik）领导的一个全球研究小组，在一种名为 EuTe₄的层状化合物中发现了一种不寻常的滞后转变（hysteretic transition）。其中滞后覆盖超过 400 K的巨大温度范围。这种大的热跨度不仅打破了晶体固体的记录，而且有望在具有层状结构的材料中引入一种新型的过渡。这些发现将为极端温度范围内固体滞后行为的基础研究创建一个新平台。此外，存在于巨大磁滞回线(hysteresis loop)内的许多亚稳态,为科学家提供了充分控制材料电气特性的机会，这可以在下一代电气开关或非易失性存储器（nonvolatile memory）中找到应用。这是当断电时，一种保留数据的计算机存储器。 

参与此项研究的除了来自MIT的研究人员之外，还有来自美国加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）、美国斯坦福大学（Stanford University, USA）、SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory, USA）、康奈尔大学（Cornell University, USA）、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, USA）、美国克莱姆森大学（Clemson University, South Carolina, USA）；中国北京大学（Peking University）、中国东莞松山湖材料实验室（Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan, China）、中国科学院上海高等研究院（Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, China）、北京量子信息科学研究院（Beijing Academy of Quantum Information Sciences, China）、香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology, China）；俄罗斯科学院理论与应用电动力学研究所（Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, Russian Academy of Sciences, Moscow）、俄罗斯莫斯科物理与技术研究所(Moscow Institute of Physics and Technology, Russia)以及德国莱比锡大学（University of Leipzig, Germany）的研究人员近30人。本文进行的实验工作利用了美国和中国最先进的同步加速器设施，在千米长的圆形轨道上快速移动的带电粒子产生了明亮的光源，强光聚焦于EuTe₄以揭示其内部结构。努赫·格迪克和他的团队还与包括来自德国和俄罗斯的鲍里斯·法恩（Boris Fine）教授和 A. V. 罗日科夫（A. V. Rozhkov）教授在内的理论家团队合作，他们都帮助将实验观察中的许多难题整合到一致的画面中。 

滞后和热记忆（Hysteresis and thermal memory）

滞后是一种现象，其中材料对扰动（例如温度变化）的响应取决于材料的历史。滞后现象表明系统被困在能源景观（energy landscape）中的某个局部而非全局最小值中。在以长程有序为特征的结晶固体中，即在整个晶体上存在原子排列的周期性模式的情况下，滞后通常发生在相当窄的温度范围内，在大多数情况下从几开尔文到几十开尔文。

努赫·格迪克实验室的博士后研究者、此论文的第一作者吕伯庆（Bai-Qing Lv音译）说：“在EuTe₄中，我们发现滞后的温度范围非常宽，超过400 K。实际数字可能要大得多，因为这个值受到当前实验技术能力的限制。这一发现立即引起了我们的注意，我们对EuTe₄的实验和理论表征对晶体中可能发生的滞后转变类型的传统观念提出了挑战。”

滞后行为的一种表现形式是材料的电阻。通过冷却或加热EuTe₄晶体，研究人员能够将它们的电阻率改变几个数量级。

努赫·格迪克实验室的博士研究生阿尔弗雷德·宗（Alfred Zong音译）解释说：“在给定温度下，例如在室温下，电阻率的值取决于晶体过去是更冷还是更热。这一观察向我们表明，材料的电学特性以某种方式对其热历史有记忆，并且在微观上，材料的特性可以保留过去不同温度的特性。这种“热记忆”可以用作永久温度记录器。例如，通过在室温下测量EuTe₄的电阻，我们可以立即知道材料过去经历过的最冷或最热温度是多少。”

发现的怪事（Oddities found）

研究人员还发现了滞后现象中的几个奇怪之处。例如，与晶体中的其他相变不同，他们没有观察到在大温度范围内电子或晶格结构的任何改变。吕伯庆补充道：“没有微观变化对我们来说看起来真的很奇怪。更神秘的是，与其他敏感地依赖于冷却或升温速率的滞后转变不同，EuTe₄的滞后回线（hysteresis loop）似乎不受这个因素的影响。”

研究人员的一条线索是电子在EuTe₄中的排列方式。阿尔弗雷德·宗解释说：“在室温下，EuTe₄晶体中的电子自发凝聚成低密度和高密度区域，在原始周期晶格之上形成二次电子晶体。我们认为与巨大磁滞回线相关的奇怪现象可能与这种次级电子晶体有关，这种化合物的不同层在建立长程周期性的同时表现出无序运动。”  

吕伯庆说：“EuTe₄的分层性质对于解释滞后现象至关重要。不同层中的次级晶体之间的弱相互作用使它们能够相对移动，从而在滞后回线中产生许多亚稳态配置（metastable configurations）。”

下一步是设计方法，除了改变温度，在EuTe₄中诱导这些亚稳态。这将使科学家能够以技术上有用的方式操纵其电气特性。

努赫·格迪克说：“我们可以产生短于10^-12秒的强激光脉冲。下一个目标是在单次闪光后诱使 EuTe₄进入不同的电阻状态，使其成为可用于例如计算设备的超快电子开关。”

这项研究主要得到了美国能源部（U.S. Department of Energy）的支持。美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）、戈登和贝蒂摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）、美国陆军研究办公室（ U.S. Army Research Office）和米勒研究所（Miller Institute）为麻省理工学院的研究人员提供了额外的支持；其他共同作者得到了中国国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China）、中国国家重点研发计划（National Key Research and Development Program of China）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Aberrant electronic and structural alterations in pressure-tuned perovskite

Abstract

Hysteresis underlies a large number of phase transitions in solids, giving rise to exotic metastable states that are otherwise inaccessible. Here, we report an unconventional hysteretic transition in a quasi-2D material, EuTe₄. By combining transport, photoemission, diffraction, and x-ray absorption measurements, we observe that the hysteresis loop has a temperature width of more than 400 K, setting a record among crystalline solids. The transition has an origin distinct from known mechanisms, lying entirely within the incommensurate charge density wave (CDW) phase of EuTe4 with no change in the CDW modulation periodicity. We interpret the hysteresis as an unusual switching of the relative CDW phases in different layers, a phenomenon unique to quasi-2D compounds that is not present in either purely 2D or strongly coupled 3D systems. Our findings challenge the established theories on metastable states in density wave systems, pushing the boundary of understanding hysteretic transitions in a broken-symmetry state.