2024-08

高钛在 CoNi 基高温合金中诱导局部 eta 相变和蠕变孪生

分类： 材料科学

作者： Zhida Liang, Jing Zhang, Li Wang, Florian Pyczak

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00463v1

摘要： 本工作研究了不同 Ti/Al 比例的含 L12 CoNi 基合金压缩蠕变过程中的析出剪切机制。间断蠕变试验在空气中950度、恒定负载应力241 MPa下进行。研究发现，CoNi 基合金的蠕变抗力随着 Ti/Al 比例的增加而增加。此外，我们首次发现随着Ti含量的增加，析出物剪切过程中（111）面上的平面缺陷类型从反相边界（APB）向超晶格外在堆垛层错（SESF）转变——γ'相的剪切主要由APB 在无钛和低钛合金中占主导地位，但在高钛合金中以 SESF 为主。通过密度泛函理论（DFT），发现无钛合金和低钛合金中的APB能低于复杂堆垛层错（CSF）能，但在高钛合金中情况相反。此外，L12-(Co,Ni)3Ti 结构中的 SESF 能量低于 SISF 能量，有力地支持了高钛合金中 SESF 的形成。通过扫描透射电子显微镜模式下的能量色散X射线光谱分析，观察到化学偏析使APB在无Ti和低Ti合金中成为无序γ相结构，并使SESF在高Ti合金中成为局部有序Eta相结构。然而，在高钛合金中也发现了微孪晶，这种合金通常比其他平面缺陷（例如钛合金）产生更高的蠕变应变。 SESF 和 APB。这一发现为如何在高温合金设计中合理利用Ti含量提供了新的见解。

键合相互作用可以驱动 Zintl 反铁磁绝缘体中的拓扑相变

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Tanya Berry, Jaime M. Moya, David Smiadak, Scott B. Lee, Sigalit Aharon, Alexandra Zevalkink, Tyrel M. McQueen, Leslie M. Schoop

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00455v1

摘要： 虽然据报道 $\sim$30% 的材料是拓扑的，但拓扑绝缘体却很少见。磁拓扑绝缘体（MTI）更难找到。识别可实现拓扑绝缘相与磁序共存的晶体学特征对于寻找本征 MTI 材料至关重要。到目前为止，大多数用于确定 MTI 的材料都是已知拓扑绝缘体与磁性离子（例如 MnBi$2$Te$4$）的某种组合。受近期 EuIn${2}$As${2}$ 成功的启发，我们通过 Ga 取代研究了化学压力对拓扑平凡绝缘体 Eu$_5$In$_2$Sb$_6$ 的作用。 Eu$_5$Ga$2$Sb$6$ 预计是拓扑的，但综合起来很难稳定。我们通过理论工作研究了Eu$5$In$2$Sb$6$和Eu$5$Ga$2$Sb$6$之间的中间成分，以探索拓扑相变和能带反转机制。我们将能带反转机制归因于 Eu-Sb 杂化的变化，因为化学压力下 Ga 取代了 In。我们还合成了Eu${5}$In${4/3}$Ga${2/3}$Sb${6}$，Eu${5}$In$中Ga浓度最高{2-x}$Ga${x}$Sb${6}$，并报告热力学、磁性、输运和霍尔特性。总的来说，我们的工作通过能带工程描绘了一幅可能的 MTI 画面，并解释了为什么基于 Eu 的 Zintl 化合物适合磁性和拓扑的共存。

多对象色散相互作用中的吸引项和排斥项

分类： 材料科学, 软凝聚态物质, 生物物理学

作者： Subhojit Pal, Barry W. Ninham, John F. Dobson, Mathias Boström

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00419v1

摘要： 我们考虑 N 个平行细长物体（例如 DNA/RNA 链或金属纳米管）之间的色散（范德华，vdW）相互作用，这些物体主要沿长轴极化。在准一维模型中，我们证明不可约 N 对象 vdW 能量贡献对于偶数 N 为负（有吸引力），对于奇数 N 为正（排斥）。我们通过3 维等离子圆柱体模型。这表明纳米科学和生物学中对细长结构的偶数 N 聚类的偏好。这项工作可能会产生影响，例如用于纳米管束的形成和长链生物分子在超过化学键长度的分离时的聚集。

室温笼形物状态下的结晶水结构：氢键五角环

分类： 材料科学

作者： Ching-Hsiu Chen, Wei-Hao Hsu, Ryoko Oishi-Tomiyasu, Chi-Cheng Lee, Ming-Wen Chu, Ing-Shouh Hwang

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00415v1

摘要： 水氢键的用途极其广泛；已鉴定出大约20种冰结构和几种类型的笼形水合物结构。这些结晶水结构在低于室温的温度和/或高压下形成。我们使用透射电子显微镜研究了一种新的笼形结晶水结构，该结构是通过在环境条件下将气体过饱和水夹在石墨烯层之间而制备的。在这种笼形状态下，水分子形成三维氢键网络，包围着尺寸为 2-4 nm 的充气笼。我们通过记录和分析电子衍射图并进行第一原理计算得出了结晶水结构。该结构纯粹由五边形环组成，其拓扑结构与水冰 XVII 类似。该研究提出了笼形态形成的机制。目前的结果提高了对水和小非极性分子之间相互作用的理解，并为周围液态水的局部结构提供了新的见解。

通过机器学习辅助提取非简谐力常数，将声子热导率预测加速一个数量级

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Yagyank Srivastava, Ankit Jain

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00360v1

摘要： 根据密度泛函理论计算材料声子热导率需要对非谐原子间力常数进行昂贵的计算评估，并且仍然是材料高通量发现的计算瓶颈。在这项工作中，我们提出了一种机器学习辅助方法，通过势能表面的局部学习来提取非简谐力常数。我们在 220 种三元材料的不同集合上展示了我们的方法，其中非简谐力常数评估的总计算时间减少了一个数量级以上，从 480,000 个 cpu 小时减少到不到 12,000 个 cpu 小时，同时保留了热导率预测准确度在10%以内。我们的方法消除了计算导热系数评估的主要障碍，并将为材料的高通量发现铺平道路。

拉曼散射在探测磁激发及其与晶格动力学耦合中的潜力

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Reshma Kumawat, Shubham Farswan, Simranjeet Kaur, Smriti Bhatia, Kaushik Sen

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00332v1

摘要： 拉曼散射是同时确定晶格、自旋和电荷自由度动力学的绝佳方法。此外，拉曼散射中的偏振选择规则可以实现动量分辨的准粒子动力学。在这篇综述中，我们强调了拉曼散射在探测磁性准粒子或各种磁性材料中的激发方面的潜力。我们演示了温度相关的拉曼散射数据如何证实长程有序磁体中磁振子的存在以及基塔耶夫自旋液体候选物中的分级激发。为了使新手能够轻松理解这篇综述，我们提供了有关磁振子和分段激发的背景信息，并解释了它们如何在拉曼散射过程中变得可见。我们还展示了如何根据数据估计磁交换相互作用。对于两种类型的磁性材料，我们讨论了自旋声子耦合对声子模式线形的影响。在材料方面，我们提供了反铁磁性 Sr2IrO4 和 La2CuO4、铁磁性 CrI3 单层以及 Kitaev 自旋液体候选物 {\alpha}-RuCl3 和 \b{eta}-Li2IrO3 的磁性拉曼散射数据。总的来说，我们的综述证明了拉曼散射技术在探测磁性量子材料中的准粒子方面的多功能性。该综述旨在让年轻的实验研究人员了解拉曼散射的潜力，从而激励他们在研究中使用这项技术。

范德华材料中的量子涨落 $\rm NiPS_3$

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Paula Mellado, Mauricio Sturla

发布时间： 2024-08-31

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00318v1

摘要： 我们展示了量子磁体 $\rm NiPS_3$ 靠近最小蜂窝自旋哈密顿量的锯齿形基态的磁激发谱，其中包括双线性和双二次自旋相互作用。我们的分析使用适用于自旋 S=1 系统的多玻色子广义自旋波理论，揭示了线性水平上的两种正常模式。较低能量的对应于单磁振子模式，与光谱实验的结果一致。由于没有单离子各向异性，该模式在布里渊区的拐角处具有戈德斯通模式。当引入单离子各向异性时，之字形相位的全局 U(1) 不变性被打破，从而产生间隙。高能模式对应于二磁振子涨落，其出现在广义自旋波理论中的谐波水平上。由于双线性自旋相互作用，该模式形成带隙平带，并且当考虑双二次相互作用时变得色散。较高的能量色散与四极涨落有关，这在有序参数在 SU(3) 空间中波动的磁体中是可行的。谱分析对序参数进行了量子校正，并检测到 $\rm NiPS_3$ 偶极相的不稳定性。识别实验中的最高能量分支可以深入了解 $\rm NiPS_3$ 和其他范德华磁体中隐藏的向列序。

氧化镁中的 NV 中心作为混合量子技术的自旋量子位

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Vrindaa Somjit, Joel Davidsson, Yu Jin, Giulia Galli

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00246v1

摘要： 最近的预测表明，氧化物（例如 MgO 和 CaO）可以作为具有长相干时间的自旋缺陷的主体，因此成为量子应用的有前途的材料。然而，在大多数情况下，具体缺陷尚未确定。在这里，通过使用高通量第一原理框架和先进的电子结构方法，我们在 MgO 中识别出一个类 NV 中心，该中心具有适合混合量子技术的电子和光学特性。我们证明这种缺陷具有稳定的三重态基态和激发态，单重态搁置态能够实现光学初始化和自旋相关读出。我们预测了一些特性，包括吸收、发射和零声子线能，以及零场分裂张量和超精细相互作用参数，这可以帮助实验识别这种缺陷。我们的计算表明，由于强烈的赝 Jahn Teller 效应和低频声子模式，MgO 中的 NV 中心受到显着的振动耦合。我们讨论了减少这种耦合并增加德拜-沃勒因子的设计策略，包括应变的影响和缺陷态的局部化。我们认为，NV 缺陷的有利特性以及 MgO 的技术成熟度可以实现混合经典量子应用，例如自旋电子量子传感器和单量子位门。

经典变分相场模型无法预测断裂成核

分类： 材料科学, 数学物理, 数学物理

作者： Oscar Lopez-Pamies, John E. Dolbow, Gilles A. Francfort, Christopher J. Larsen

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00242v1

摘要： 尽管有证据反对它们，经典的变分相场模型仍然被继续使用和追求，试图描述弹性脆性材料中的断裂成核。在这种背景下，本文的主要目的是对现有证据进行全面审查，以反对此类模型作为断裂成核描述符。为此，首先回顾了准静态加载条件下名义弹性脆性材料断裂成核的大量实验观察，以及经典变分相场模型（无能量分裂和有能量分裂）。然后，这些模型将面临实验观察。结论是它们不可能一般地描述断裂成核。这是因为经典的变分相场模型无法将材料强度解释为独立的宏观材料属性。本文的最后部分简要总结了一类可以描述断裂成核的相场模型。它还讨论了在整体断裂分析中如何普遍忽视材料强度，以及对弹性脆性材料基本设置之外的断裂成核建模的展望。

利用摇摆曲线成像测量 4H-SiC 中的位错

分类： 材料科学

作者： Ahmar Khaliq, Felix Wittwer, Niklas Pyrlik, Giovanni Fevola, Svenja Patjens, Jackson Barp, Gero Falkenberg, Sven Hampel, Michael Stuckelberger, Jan Garrevoet, Dennis Bruckner, Peter Modregger

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00200v1

摘要： 4H 碳化硅 (4H-SiC) 结合了许多有吸引力的特性，例如高载流子迁移率、宽带隙和高导热率，使其成为高功率电子器件的理想选择。然而，利用 4H-SiC 的主要挑战是外延层中存在缺陷，这会显着降低器件性能。在本研究中，我们使用 X 射线透射形貌和摇摆曲线成像技术来表征 4H-SiC 中缺陷的类型和分布。从拟合高斯参数导出的图用于研究 4H-SiC 中的位错。了解位错的分布可以为整体晶体质量提供有价值的见解，从而可以指导制造工艺的改进。

使用绝缘交流磁体的旋转过滤

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Kartik Samanta, Ding-Fu Shao, Evgeny Y. Tsymbal

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00195v1

摘要： 交变磁（AM）材料最近引起了人们的极大兴趣，因为其电子能带结构具有非相对论动量依赖性自旋分裂，这可能对反铁磁（AFM）自旋电子学有用。然而，到目前为止，大多数研究都集中在可用于自旋电子器件的 AM 金属，例如 AFM 隧道结 (AFMTJ)。与此同时，在 AFM 自旋电子学领域，AM 绝缘体在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们建议采用 AM 绝缘体 (AMI) 作为高效的自旋过滤材料。通过分析金红石型交流磁体 $MF_2$ ($M$ = $Fe, Co, Ni$) 的复杂能带结构，我们证明这些 AMI 中的倏逝态表现出与自旋和动量相关的衰减率，从而导致隧道电流的动量相关自旋极化。使用跨自旋相关势垒的自旋滤波器隧道模型，我们估计了自旋滤波器磁性隧道结 (SF-MTJ) 中的 TMR 效应，其中包括两个磁解耦 $MF_2$ (001) 势垒层。如果费米能量调整到接近价带最大值，我们预测基于 AMI $CoF_2$ 和 $NiF_2$ 的 SF-MTJ 中的自旋滤波器 TMR 比率约为 150-170%。我们的结果表明，AMI 提供了传统铁磁或亚铁磁自旋滤波器材料的可行替代品，有可能推动下一代 AFM 自旋电子器件的开发。

从铁磁半导体到外延 Cr$_x$Te$_y$ 单层中的反铁磁金属

分类： 材料科学

作者： Naina Kushwaha, Olivia Armitage, Brendan Edwards, Liam Trzaska, Peter Bencok, Gerrit van der Laan, Phil D. C. King, Akhil Rajan

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00189v1

摘要： 二碲化铬 (CrTe$_2$) 是一种具有吸引力的候选范德华材料，可用于承载二维磁性。然而，随着样品减薄至单层极限，块体的室温铁磁性如何演变已被证明是有争议的。这在一定程度上反映了其亚稳态性质，与一系列具有更高相对 Cr:Te 化学计量的更稳定的自插层化合物相比。在这里，利用最近开发的方法来增强过渡金属硫属化物分子束外延生长中的成核，我们证明了高覆盖率 CrTe$2$ 和 Cr${2+\varepsilon}$Te$_3$ 的选择性稳定外延单层。结合 X 射线磁圆二色性、扫描隧道显微镜和温度依赖性角分辨光发射，我们证明两种化合物都具有相似的 Tc 磁性有序性。然而，我们发现单层 CrTe$2$ 形成为反铁磁金属，而单层 Cr${2+\varepsilon}$Te$_3$ 具有固有的铁磁半导体状态。因此，这项工作表明，对亚稳态 Cr 基硫族化物的自插层的控制为调整其金属丰度和磁性结构提供了强大的途径，从而将 Cr-Te 系统确立为未来二维自旋电子学的柔性材料类别。

二维范德华磁性半导体 CrSBr 中的巨大磁激子效应

分类： 材料科学

作者： R. Komar, A. Łopion, M. Goryca, M. Rybak, T. Woźniak, K. Mosina, A. Söll, Z. Sofer, W. Pacuski, C. Faugeras, M. Birowska, P. Kossacki, T. Kazimierczuk

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00187v1

摘要： 二维磁性半导体本质上将丰富的磁序景观与紧密束缚的电子空穴对（激子）耦合在一起，为研究原子尺度上的光学和磁性现象之间的相互作用提供了一个令人兴奋的平台。在此类系统中，磁光效应的强度决定了磁特性可以揭示的深度。在这里，我们报告了在二维磁性半导体 CrSBr 中观察到的非常强的磁激子效应，这使得能够以前所未有的灵敏度探测其磁序。通过研究高于基本激子能量的光学跃迁，我们发现在外加磁场下存在接近 100 meV 的巨大光谱偏移，比之前观察到的磁激子响应大一个数量级。我们全面的磁光实验以及详细的 DFT 计算表明了表现出如此有趣行为的跃迁的可能起源。这些发现为在新近可及的范围内利用磁激子现象开辟了道路，从而使以前受弱磁响应限制的新型光自旋电子应用成为可能。

二维铅有机硫属化物中相干光学声子的缓慢失相

分类： 材料科学

作者： Hanjun Yang, Sagarmoy Mandal, Bowen Li, Tushar Kanti Ghosh, Jonas Mark Peterson, Peijun Guo, Letian Dou, Ming Chen, Libai Huang

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00180v1

摘要： 具有强电子-声子相互作用的有机-无机杂化半导体为通过控制这些相互作用来开发各种电子、光电和量子材料提供了一个可编程平台。然而，在当前的混合半导体中，例如卤化物钙钛矿，快速失相的非简谐振动阻碍了相干操纵声子的能力。在这里，我们报告了在铅有机硫属化物（LOC）（一种新的混合二维半导体家族）中观察到的长寿命相干声子。尽管晶格扭曲，这些材料仍具有谐波声子动力学，将长声子相移时间与可调谐半导体特性相结合。观察到在 10 K 下的相移时间长达 75 ps，散射事件之间的声子振荡周期高达 500 个周期，这对应于比卤化物钙钛矿大一个数量级以上的无量纲谐波参数。声子相移时间受到非谐性和中心对称性的显着影响，由于有机和无机基序之间的直接键合，这两者都可以通过有机配体的设计来调节。这项研究为利用混合半导体中的相干声子操纵电子特性开辟了新的机会。

环形 X 射线光学器件为辐射敏感样品提供卓越的分辨率

分类： 医学物理, 材料科学, 光学

作者： Felix Wittwer, Peter Modregger

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00166v1

摘要： 高分辨率 X 射线显微镜需要高光子通量来测量弱散射样品的信号。这会使样品暴露在高辐射剂量下，可能会因辐射损伤而损坏或毁坏它们。在这项工作中，我们建议在扫描显微镜中使用环形光学器件作为全孔径光学器件的替代品。环形光学器件充当高通滤波器。与具有相同数值孔径的常规光学器件相比，环形光学器件使样品暴露在更少的剂量下，同时从小样品特征产生相同的信号。环形光学器件显着受益于最新 X 射线源的高光子通量，以补偿其整体较小的横截面。通过数值模拟，我们表明环形光学器件为接近光学器件分辨率极限的样本特征提供了卓越的光学性能。

角度敏感粉末衍射断层扫描中的视差

分类： 图像和视频处理, 材料科学, 光学

作者： Peter Modregger, Ahmar Khaliq, Felix Wittwer

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00157v1

摘要： 虽然有几种确定深度分辨应变分布的方法可用，每种方法都具有固有的局限性，但断层扫描重建仅在有限的意义上应用于该问题。挑战之一是几何视差的潜在影响，它构成了探测器上不同样本深度产生的衍射信息的不可忽略的横向偏移。在这里，研究了视差的影响并得出了两个主要结果。首先，发现视差的影响与其他偏移贡献相加，这意味着直接的校正。其次，对于利用完整 360{\deg} 旋转视差的断层扫描，已发现对角度信息的重建没有影响。

稀土镍酸盐中极化手性自旋歧化的特征

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Jiarui Li, Robert J. Green, Claribel Domínguez, Abraham Levitan, Yi Tseng, Sara Catalano, Jennifer Fowlie, Ronny Sutarto, Fanny Rodolakis, Lucas Korol, Jessica L. McChesney, John W. Freeland, Dirk Van der Marel, Marta Gibert, Riccardo Comin

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17450v1

摘要： 在稀土镍酸盐 (RENiO$_3$) 中，电子晶格耦合驱动同时发生的金属到绝缘体和键歧化相变，其微观起源长期以来一直是激烈争论的主题。在几种提出的机制中，我们在这里测试了这样的假设：成对的自掺杂配体空穴在空间上凝聚以提供与 Ni 自旋反铁磁耦合的局部自旋矩。这些单重态为长程键和螺旋自旋顺序提供了基础。利用 NdNiO$3$ 薄膜上的磁共振 X 射线散射，我们观察到自旋歧化态的手性性质，自旋螺旋沿着晶体 (101)$\mathrm{ortho}$ 方向传播。人们发现这些自旋螺旋优先与 X 射线螺旋性耦合，从而确定了迄今为止未观察到的宏观手性的存在。这种手性磁性配置的存在表明，非共线磁性排列与不正确的铁电行为之间存在潜在的多铁性耦合，如先前对 NdNiO$3$ (101)$\mathrm{ortho}$ 薄膜和 RENiO$_3$ 单晶的研究中观察到的那样。实验约束的理论双团簇计算证实存在能量稳定的自旋歧化态，其中 Ni 和配体矩的张-莱斯单线态组合。

稀土方晶格反铁磁体NdKNaNbO$_5$的磁场和晶体电场研究

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： S. Guchhait, A. Painganoor, S. S. Islam, J. Sichelschmidt, M. D. Le, N. B. Christensen, R. Nath

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17417v1

摘要： 低维受挫磁体中的磁关联、晶体电场相互作用和自旋轨道耦合的相互作用，促进了具有异常激发的新基态。在这里，我们报告了稀土基方晶格反铁磁体 NdKNaNbO$5$ 的磁性和晶体电场（CEF）方案，通过磁化强度、比热、电子自旋共振（ESR）和非弹性中子散射（INS）进行研究）实验。低温居里-魏斯温度 $\theta{\rm CW} \simeq -0.6$ K 意味着 Nd$^{3+}$ 离子之间的净反铁磁相互作用。在磁场中的低温比热数据中观察到两个宽的最大值，表明由于 CEF 的影响而出现多级肖特基异常。低至 0.4 K 时未检测到磁性长程有序。通过 INS 实验探测的克莱默离子 Nd$^{3+}$ ($J=9/2$) 的 CEF 激发表明无色散激发，表征了CEF 能量水平。 INS 谱的拟合使得能够绘制 CEF 哈密顿量和克莱默双峰的能量本征值。使用获得的 CEF 参数进行的模拟再现了零场以及不同应用场中比热的广泛最大值。 $J_z = \pm 1/2$ 态对基态双峰波函数的显着贡献表明了低温下强量子涨落的作用。发现磁性基态是克莱默双峰，在低温下有效自旋 $J_{\rm eff} = 1/2$。

加压 Re${0.10}$Mo${0.90}$B$_2$ 中的超导性

分类： 超导, 材料科学

作者： S. Sinha, J. Lim, Z. Li, J. S. Kim, A. C. Hire, P. M. Dee, R. S. Kumar, D. Popov, R. J. Hemley, R. G. Hennig, P. J. Hirschfeld, G. R. Stewart, J. J. Hamlin

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17416v1

摘要： 最近令人惊讶地发现 MoB$2$ 中超过 70 GPa 的临界温度 $T_c$ = 32 K 具有超导性，这促使人们寻找可以在类似的高 $T_c$ 值和较低压力下超导的相关材料。我们研究了 Re${0.10}$Mo$_{0.90}$B$_2$ 在 170 GPa 下的超导和结构特性。从 R3m 到 P6/mmm 的结构相变在 48 GPa 时开始，超导性的第一个特征出现在 44 GPa 以上。观察到临界温度随着压力的增加而增加。仅在高于 150 GPa 时才能观察到完整的电阻转变，同时也实现了 30 K 的最高起始 $T_c$。释放压力后，发现高压超导相是亚稳态的。在卸载过程中，在低至 20 GPa 的压力下观察到完整的电阻超导转变（起始 $T_c \sim 20$ K）。我们的结果表明 P6/mmm 结构是造成观察到的超导性的原因。

通过铕掺杂在 Bi2Se3 拓扑绝缘体的表面态上引入反铁磁有序化

分类： 材料科学

作者： Sumana Paul, Moumita Das, Sujoy Datta, Raja Chakraborty, Prabhat Mandal, P. K. Giri

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17338v1

摘要： 拓扑绝缘体 (TI) 是具有绝缘体的材料，其特征在于有隙能带结构，以及无间隙金属表面态，具有动量空间中具有螺旋自旋结构的狄拉克锥。表面态的螺旋自旋动量锁定源于本征自旋轨道耦合（SOC），并为表面态提供拓扑保护，防止来自外部扰动（如缺陷和非磁性杂质）的散射。打破拓扑绝缘体表面态的拓扑保护是探索其应用的必要前提。稀土离子通常表现出比过渡金属离子更大的磁矩，因此有望在拓扑绝缘体的狄拉克表面态中打开更宽的交换间隙。 Bi$_2$Se$_3$ 是一种有趣的材料；一方面，当它是薄片时，它具有半导体特性；另一方面，当结构至少具有六个五元层（QL）时，它是一种拓扑绝缘体，在光热、热电和光学特性方面具有多种应用。在这里，我们开发了一种低温受控胶体合成和一种经济高效的工艺，用于合成未掺杂和 Eu 掺杂的二维层状 Bi$_2$Se$_3$ 纳米片。扫描隧道光谱测量证明了狄拉克点位置的位移与掺杂剂含量之间的相关性，这一相关性已通过能带结构计算在理论上建立。在低于 10K 的低温下，对于 10% Eu 掺杂的样品，磁性数据表明样品中存在反铁磁有序，这可能是铕混合价态的贡献。我们的结果支持反铁磁交换相互作用可以存在于稀土Eu掺杂Bi$_2$Se$_3$的拓扑表面态中，这可以为新的量子现象打开新的窗口。

模拟熔点的通用自动化方法

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Fu-Zhi Dai, Si-Hao Yuan, Yan-Bo Hao, Xin-Fu Gu, Shipeng Zhu, Jidong Hu, Yifen Xu

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17270v1

摘要： 材料的熔点是一个关键特性，对科学、工程和技术的各个学科具有深远的影响。机器学习潜力的最新进展已经彻底改变了该领域，使得能够通过原子尺度模拟从头开始预测材料的熔点。然而，可普遍应用于任何材料的通用模拟方法仍然难以实现。在本文中，我们提出了一种通用的全自动工作流程，旨在利用分子动力学模拟预测材料的熔点。该工作流程包含两种定制的模拟模式，每种模式都解决固相和液相之间有或没有元素分配的场景。当两相的组成在熔化或凝固时保持不变时，表明不存在分配，熔点被确定为这些相平衡共存的温度。相反，在发生元素分配的情况下，我们的工作流程会估计标称熔点（标记从固体到液体的初始转变）和标称凝固点（指示相反的过程）。为了确保精确确定这些临界温度，我们采用了创新的温度体积数据拟合技术，适用于固态和液态之间表现出显着体积差异的各种材料。这种综合方法为预测熔点提供了强大且多功能的解决方案，促进了材料科学和技术的进步。

通过去噪进行晶体特性预测的自监督学习

分类： 机器学习, 材料科学

作者： Alexander New, Nam Q. Le, Michael J. Pekala, Christopher D. Stiles

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17255v1

摘要： 准确预测晶体材料的特性对于有针对性的发现至关重要，并且这种预测越来越多地通过数据驱动的模型来完成。然而，对于许多感兴趣的特性，已确定特定特性的材料数量远小于已知材料的数量。为了克服这种差异，我们提出了一种新颖的自监督学习（SSL）策略来预测材料性能。我们的方法，晶体去噪自监督学习（CDSSL），通过基于在给定这些结构的扰动版本时恢复有效材料结构的借口任务来预训练预测模型（例如图网络）。我们证明，在材料类型、属性和数据集大小方面，CDSSL 模型的性能优于未使用 SSL 训练的模型。

使用能量过滤微分相衬法对原子级磁性进行成像

分类： 材料科学

作者： Devendra Singh Negi, Peter A. van Aken, Jan Rusz

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17238v1

摘要： 我们提出使用能量过滤电子的微分相衬（DPC）成像在原子尺度上对材料的磁性进行成像。与弹性电子的 DPC 测量相比，我们的模拟预测相对磁信号强度和对磁化的所有三个矢量分量的灵敏度高出大约两个数量级。

Fe$_2$O$_3$ 中冲击驱动的非晶化和熔化

分类： 材料科学, 高能物理-实验

作者： Céline Crépisson, Alexis Amouretti, Marion Harmand, Chrystèle Sanloup, Patrick Heighway, Sam Azadi, David McGonegle, Thomas Campbell, David Alexander Chin, Ethan Smith, Linda Hansen, Alessandro Forte, Thomas Gawne, Hae Ja Lee, Bob Nagler, YuanFeng Shi, Guillaume Fiquet, François Guyot, Mikako Makita, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Tommaso Vinci, Kohei Miyanishi, Norimasa Ozaki, Tatiana Pikuz, Hirotaka Nakamura, Keiichi Sueda, Toshinori Yabuuchi, Makina Yabashi, Justin S. Wark, Danae N. Polsin, Sam M. Vinko

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17204v1

摘要： 我们通过时间分辨原位 X 射线衍射，在高达 209(10) GPa 的激光驱动冲击压缩下对 Fe$_2$O$_3$ 非晶化和熔化进行了测量。在 122(3) GPa 下，观察到扩散信号，表明存在非晶相。结构因子已提取至 182(6) GPa，显示存在两个明确的峰。两个峰的强度比在 145(10) 和 151(10) GPa 之间发生快速变化，表明发生了相变。目前沿 Fe$_2$O$_3$ Hugoniot 的温度 DFT+$U$ 计算结果与 SESAME 7440 一致，表明温度相对较低，低于 2000 K，高达 150 GPa。因此，非晶态漫散射与尚未报道的 Fe$_2$O$_3$ 在 122(3) 和 145(10) GPa 之间的冲击非晶化一致，随后在 151 以上发生非晶态到液态的转变。 （10）GPa。释放后，在结晶 $\alpha$-Fe$_2$O$_3$ 旁边观察到非结晶相。该释放相的提取结构因子和对分布函数与环境压力下 Fe$_2$O$_3$ 熔体的报告类似。

通过多功能姜黄素修饰埋入界面实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Xianhu Wu, Jieyu Bi, Guanglei Cu, Nian Liu, Gaojie Xia, Jilong Sun, Jiaxin Jiang, Ning Lu, Ping Li, Chunyi Zhao, Zewen Zuo, Min Gu

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17167v1

摘要： 电子传输层和钙钛矿层之间的掩埋界面存在严重的界面缺陷和不完善的能级对准。为了解决这个问题，本研究采用多功能有机分子姜黄素来修饰 SnO2 和钙钛矿层之间的界面。姜黄素上的官能团有效钝化了界面两侧的缺陷，减少了SnO2表面的-OH和氧空位缺陷，钝化了钙钛矿层中不配位的Pb2+。这导致界面处的能级排列更加兼容，缺陷密度更低，从而增强了载流子在界面上的传输。因此，基于姜黄素的器件实现了 24.46% 的令人印象深刻的冠军功率转换效率 (PCE)，而控制器件的功率转换效率 (PCE) 为 22.03%。该工作展示了一种简单、绿色、疏水、高效的埋入界面分子修饰方法，为开发高性能、稳定的钙钛矿太阳能电池奠定了基础。

通过 DFT 计算探索新的 212 MAB 相：M2AB2（M=Mo、Ta；A=Ga、Ge）

分类： 材料科学

作者： A. K. M Naim Ishtiaq, Md Nasir Uddin, Md. Rasel Rana, Shariful Islam, Noor Afsary, Karimul Hoque, Md. Ashraf Ali

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17160v1

摘要： 最近开发的 MAB 相是 MAX 相的延伸，由于其更好的热机械性能，引起了科学家们的研究兴趣。在本文中，我们探索了四种新的 MAB 相 M2AB2（M=Mo、Ta 和 A=Ga、Ge），并研究了弹性、电子、热和光学特性，以预测可能的应用。通过计算形成能（Ef）、形成焓（H）、声子色散曲线（PDC）和弹性常数（Cij）证实了新相的稳定性。研究表明，M2AB2（M=Mo、Ta 和 A=Ga、Ge）比其对应的 211 硼化物表现出明显更高的弹性常数、弹性模量和维氏硬度值。 Ta2AB2 (A=Ga, Ge) 比 Mo2AB2 (A=Ga, Ge) 更高的维氏硬度值已根据键重叠总体值进行了解释。态密度和电子能带结构的分析揭示了所检查的硼化物的金属性质。使用准谐波德拜模型研究了 M2AB2（M=Mo、Ta 和 A=Ga、Ge）在高温（0 至 1000 K）下的热力学特性。还计算了熔化温度 (Tm)、Gruneisen 参数、最小热导率 (Kmin)、德拜温度等临界热属性。与 211 MAX 相相比，212 相表现出更高的德拜温度和 Tm 值，以及更低的 Kmin 值。这些发现表明，所研究的化合物表现出适合实际应用的优异热性能。光学特性已经过检查，反射光谱表明这些材料具有减轻各个能源区域的太阳加热的潜力。

第一性原理计算确定 Ru2Al5 金属间化合物的晶体结构和物理性能

分类： 材料科学

作者： Jing Luo, Meiguang Zhang, Xiaofei Jia, Xuanmin Zhu, Qun Wei

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17159v1

摘要： 新型有序金属间化合物引起了人们的广泛兴趣。 Ru-Al 合金是一类重要的高温结构材料，但实验报道的金属间 Ru2Al5 相的晶体结构仍然难以捉摸且存在争议。为了解决这一争议，我们利用第一性原理计算结合晶体结构预测技术对 Ru2Al5 的晶体结构进行了广泛的探索。在计算出的五种候选 Ru2Al5 结构的 X 射线衍射图和晶格参数中，正交晶系 Pmmn 结构的 X 射线衍射图和晶格参数与最近的实验结果最吻合。通过形成能、弹性常数和声子谱计算证实了五种 Ru2Al5 结构的结构稳定性。我们还全面分析了五种候选材料的机械和电子性能。该工作可以指导Ru-Al合金中新型有序金属间化合物的探索。

用于场效应晶体管量子传输预测的物理集成神经网络

分类： 无序系统和神经网络, 材料科学, 计算物理

作者： Xiuying Zhang, Linqiang Xu, Jing Lu, Zhaofu Zhang, Lei Shen

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17023v1

摘要： 基于量子力学的输运仿真对于超短沟道场效应晶体管（FET）的设计具有重要意义，因为它能够理解物理机制，同时面临高计算强度的主要挑战。传统机器学习有望加速 FET 设计的优化，但其在该领域的应用因缺乏高保真数据集和物理知识的集成而受到限制。在这里，我们引入了物理集成神经网络框架，使用内部开发的高保真数据库来预测 5 nm 以下环栅 (GAA) FET 的传输曲线。数据库中的传输曲线是从文献和我们的第一性原理计算中收集的。除了硅之外，我们还采用不同结构相的砷化铟、磷化铟和硒纳米线作为 FET 沟道材料。然后，我们构建了一个物理知识集成的超矢量神经网络（PHVNN），其中在输入中添加了五个新的物理特征以预测传输特性，实现了 0.39 的足够低的平均绝对误差。特别是，约 98% 的当前预测残差都在一个数量级之内。使用 PHVNN，我们有效地筛选出了与 n 型具有相同品质因数的对称 p 型 GAA FET，这对于同质 CMOS 电路的制造至关重要。最后，我们的自动微分分析为 PHVNN 提供了可解释的见解，突出了我们新输入参数的重要贡献并提高了 PHVNN 的可靠性。我们的方法提供了一种快速筛选合适 GAA FET 的有效方法，有望加速下一代电子设备的设计过程。

连续薄膜中亚稳态目标斯格明子态的实验实现

分类： 材料科学

作者： Elizabeth M. Jefremovas, Noah Kent, Jorge Marqués-Marchán, Miriam G. Fischer, Agustina Asenjo, Mathias Kläui

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17020v1

摘要： 目标斯格明子 (TSks) 是拓扑自旋纹理，其中磁化的面外分量扭转整数 $m$-$\pi$ 旋转。基于 $n\times$[CoFeB/MgO/Ta] 形式的磁性多层堆叠，设计为通过偶极子和 DMI 能量承载拓扑自旋纹理，我们成功稳定了 1$\pi$、2$\pi$ 3$\pi$ 通过调整材料特性和接近室温的热激发来瞄准斯格明子。通过克尔和磁力显微镜成像的有核纹理在零磁场下保持稳定，并且在接近室温（RT = 292 K）的温度（数十开尔文）范围内和长时间尺度（数月）内保持稳定。在外加磁场 (mT) 下，TSks 塌陷到中央斯格明子核心中，该核心可抵抗更高的磁场（$\approx$ 2 $\times$ TSk 湮灭场），因为核心受到拓扑保护。微磁模拟支持我们的实验结果，表明实验样品参数在 0 K 时没有 TSk 成核，但在 300 K 时出现 $\approx$ 30 $%$ 概率。我们的工作提供了一种简单的方法来定制连续薄膜中的自旋纹理，实现二维空间中的自由运动，创建一个可转移到技术应用的平台，在该平台上可以超越几何限制利用拓扑纹理的动态。

声子晶格缺陷散射的精确散射截面

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： Zhun-Yong Ong

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.17004v1

摘要： 使用结构复杂的晶格缺陷（例如官能团、嵌入式纳米颗粒和纳米柱）来产生声子散射是热电应用声子工程中的一种流行方法。然而，这种散射现象的理论处理仍然是一个巨大的挑战，特别是在确定与这种晶格缺陷相关的散射截面和速率方面。使用扩展的原子格林函数（AGF）方法，我们描述了如何计算由单个晶格缺陷散射的声子的数值精确的模式分辨散射截面σ。我们通过两个例子来说明基于 AGF 的治疗的普遍性和实用性。在第一个例子中，我们处理原子谐波链中声子的同位素散射。在第二个示例中，我们处理碳纳米管 (CNT) 中更复杂的声子散射问题，该碳纳米管包含封装的 C60 分子，该分子充当 CNT 声子的散射体。该方法的应用可以更精确地表征晶格缺陷散射，并导致在热电应用的声子工程中更受控地使用纳米结构和晶格缺陷。

通过基面氧化显着增强单层石墨烯和水之间的界面热传输

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Haoran Cui, Iyyappa Rajan Panneerselvam, Pranay Chakraborty, Qiong Nian, Yiliang Liao, Yan Wang

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16998v1

摘要： 石墨烯和水之间的传热对于各种应用至关重要，包括太阳能热蒸汽产生和溶液中基于石墨烯的分层结构的先进制造。在这项研究中，我们采用从头算分子动力学衍生的深层神经网络势，对具有不同石墨烯层氧化水平（碳/氧比）的单层石墨烯水系统进行广泛的模拟。值得注意的是，我们的研究结果表明，在石墨烯表面用羟基或环氧基团氧化石墨烯时，传热增强了一个数量级，强调了该系统内传热的显着可调性。在相同的氧化率下，石墨烯表面官能团的位置越分散，散热到水的速度就越快。

凝聚态物理中的狄拉克双线性：可观测量和共轭电磁场的相对论校正

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Shintaro Hoshino, Tatsuya Miki, Michi-To Suzuki, Hiroaki Ikeda

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16983v1

摘要： 受电子手性最新进展的启发，我们基于相对论量子理论中狄拉克双线性的非相对论极限，重新考虑一些在凝聚态物理中被忽视或很少受到关注的微观物理量。我们用凝聚态物理中通常使用的二分量薛定格场来识别由四分量狄拉克场定义的物理量的表达式，并阐明其共轭电磁场。这种考虑在以下领域之间架起了桥梁：我们的研究结果为低对称性材料特有的手性和轴向性等材料特性的{\it ab initio}量化方法铺平了道路。 ，并刺激对有用的新功能的系统搜索。

上海同步辐射装置BL07U Nano-ARPES终端站现状

分类： 材料科学

作者： Han Gao, Hanbo Xiao, Feng Wang, Fangyuan Zhu, Meixiao Wang, Zhongkai Liu, Yulin Chen, Cheng Chen

发布时间： 2024-08-30

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16977v1

摘要： 在本文中，我们介绍了上海同步辐射装置（SSRF）BL07U的新型NanoARPES终端站的现状，该终端站有助于研究几何尺寸有限的材料系统的电子能带结构。

熔盐体系混合焓的分子相互作用体积模型：LaCl$_3$-(LiCl-KCl)的集成量热模型案例研究

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Vitaliy G. Goncharov, William Smith, Jiahong Li, Jeffrey A. Eakin, Erik D. Reinhart, James Boncella, Luke D. Gibson, Vyacheslav S. Bryantsev, Rushi Gong, Shun-Li Shang, Zi-Kui Liu, Hongwu Xu, Aurora Clark, Xiaofeng Guo

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16943v1

摘要： 多组分熔盐的混合焓 ($\Delta$H${\rm mix}$) 的量热测定通常采用缺乏具有明确物理解释的参数（例如配位数、摩尔体积和电势对）的经验模型。尽管并不总是需要这种基于物理的模型，但对混合过剩能量与局部到中间溶剂化结构之间关系的热力学理解对于热化学分离特别重要，例如镧系元素 (Ln) 的情况，镧系元素是常见的中子毒物和乏核燃料中发现的关键工业元素。在这里，我们实现了分子相互作用体积模型（MIVM）来合成来自实验测量的$\Delta$H${\rm mix}$（使用高温熔滴量热法）的信息以及从头算分子动力学的溶剂化结构的分布（ AIMD）模拟。熔盐系统由 LaCl$3$ 与共晶 LiCl-KCl（58mol% 至 42mol%）在 873 K 和 1133 K 混合组成的熔盐系统案例研究证明了这一点。从 MIVM 建模的参数用于推断多余的吉布斯能量($\Delta$G${\rm mix}$)，以及 LaCl$3$-(LiCl-KCl) 体系中 La$^{3+}$ 活性的成分依赖性。相反，通过 AIMD 或极化离子模型 (PIM) 模拟，如果直接根据分子动态轨迹计算，则可以看到预测的 $\Delta$H${\rm mix}$ 存在显着偏差。 MIVM 形式中的综合实验和模拟数据可推广到各种熔盐，并证明比目前用于研究核科学和分离科学熔盐的方法有显着改进。

PMMA 中冲击驱动的孔隙塌陷和失效模式的全场定量可视化

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Barry P Lawlor, Vatsa Gandhi, Guruswami Ravichandran

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16931v1

摘要： 冲击载荷下孔隙的动态塌陷被认为与热点的产生和材料失效直接相关，这对于多孔含能和结构材料的性能至关重要。然而，多孔材料在局部、单个孔隙尺度上的冲击压缩响应尚不清楚。本研究定量研究了 PMMA 中单个球形空隙在 0.4-1.0 GPa 的冲击应力下的塌陷现象。利用新开发的内部数字图像相关技术结合板块冲击实验，首次对塌陷孔周围的材料进行全场定量变形测量。实验结果揭示了随着冲击应力增加的两种失效模式转变：（i）通过绝热剪切带剪切局部化的第一个现场证据和（ii）孔隙表面的动态断裂萌生。使用热粘塑性动态有限元分析的数值模拟可以深入了解绝热剪切带 (ASB) 的形成以及发生故障模式转变的应力。进一步的数值和理论模型表明，动态断裂将沿着绝热剪切带内的弱化材料发生。最后，对孔隙不对称性演化和 ASB 间距模型的分析阐明了剪切带起始位置的机制，而弹性静力学理论解释了实验观察到的 ASB 和基于最大剪切方向的断裂路径。

微观结构表征揭示 Campo del Cielo 陨石碎片冲击变形的证据

分类： 材料科学, 地球物理学

作者： Graeme J. Francolini, Thomas B. Britton

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16901v1

摘要： 陨石及其微观结构的研究是一个跨越多个研究领域的主题，例如陨石学和材料科学。对于材料科学家和工程师来说，这些微观结构形成的极端和不寻常的条件使我们能够深入了解处于我们热机械加工能力边缘的材料。在低冲击事件铁陨石中发现的一种这样的微观结构是诺伊曼带。这些带是透镜状变形孪晶阵列，在整个 Fe-Ni 基体中形成，具有许多交叉点，从而在材料表面内产生许多高应力和应变区域。这些区域的存在以及形成它们的冲击促进了材料的非典型应变适应机制和结构变化。然而，对变形孪晶交叉点以及这些区域及其周围的微观结构行为的直接研究受到限制。在这项工作中，通过电子背散射衍射 (EBSD) 和前散射电子 (FSE) 成像对 Campo del Cielo 陨石碎片中的这些区域进行了研究，揭示了两个主要发现： -孪晶交叉和整个样品表面的微带形成，这表明多层孪晶和孪晶-孪晶交叉点晶体结构的约束。发现微带沿着{110}平面和诺伊曼带附近的区域形成。这里针对 BCC 材料提出了诺依曼带（微孪生）和微带的同时存在，并且据信诺依曼带和微带是在不同类型和/或冲击事件期间形成的。 BCC 铁陨石中同时存在诺依曼带和微带的现象此前从未有过报道，这对于进一步了解铁基材料内的冲击变形可能具有重要意义。

通过 X 射线光电子能谱表征 AlGaAs/GeSn 异质结能带排列

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Yang Liu, Jiarui Gong, Sudip Acharya, Yiran Lia, Alireza Abrand, Justin M. Rudie, Jie Zhou, Yi Lu, Haris Naeem Abbasi, Daniel Vincent, Samuel Haessly, Tsung-Han Tsai, Parsian K. Mohseni, Shui-Qing Yu, Zhenqiang Ma

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16884v1

摘要： 具有成像、传感和通信功能的基于 GeSn 的短波红外激光器最近得到了蓬勃发展。然而，现有的SiGeSn/GeSn双异质结构缺乏足够的电子限制，不足以实现室温激光发射。最近展示的半导体接枝技术为 AlGaAs/GeSn p-i-n 异质结提供了一种可行的方法，具有更好的电子限制和高质量的界面，有望用于室温电泵浦 GeSn 激光器件。因此，理解和定量表征这种接枝异质结中的能带排列至关重要。在本研究中，我们探索了接枝单晶 Al0.3Ga0.7As /Ge0.853Sn0.147 p-i-n 异质结中的能带排列。通过光致发光测量，我们确定 AlGaAs 和 GeSn 的带隙值分别为 1.81 eV 和 0.434 eV。我们进一步进行了X射线光电子能谱测量，并提取了0.19 eV的价带偏移和1.186 eV的导带偏移。证实了 I 型能带排列，有效地将电子限制在 AlGaAs/GeSn 界面上。这项研究增进了我们对接枝AlGaAs/GeSn异质结界面能带结构的理解，为AlGaAs和GeSn之间的I型能带排列提供了实验证据，并为它们在激光技术中的应用铺平了道路。

高通量搜索的新型磁性拓扑材料

分类： 材料科学

作者： Iñigo Robredo, Yuanfeng Xu, Yi Jiang, Claudia Felser, B. Andrei Bernevig, Luis Elcoro, Nicolas Regnault, Maia G. Vergniory

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16851v1

摘要： 我们对 MAGNDATA 中的 522 种新的、实验报告的相应磁性结构进行了拓扑磁性材料的高通量搜索，使拓扑磁性材料数据库中可用材料的数量增加了一倍。这使之前由于新材料的发现而变得不完整的研究得到了更新。对于每种材料，我们进行了第一原理电子计算，并将拓扑诊断为 Hubbard U 参数的函数。我们的高通量计算使我们预测了 250 种实验相关的拓扑非平凡材料，占新分析材料的 47.89%。我们提出了这些材料的五个显着示例，每个示例都展示了不同的拓扑相：Mn${}_2$AlB${}_2$ (BCSID 1.508)，其表现出作为 SOC、CaMnSi 函数的节点线半金属到拓扑绝缘体的转变(BCSID 0.599)，一种窄间隙轴子绝缘体，UAsS (BCSID 0.594) 一种 5f 轨道 Weyl 半金属，CsMnF${}_4$ (BCSID 0.327)，一种新型准对称保护闭合节点表面的材料和 FeCr ${}_2$S${}_4$ (BCSID 0.613)，一种具有双外尔和自旋极化表面态的强制对称半金属。

同素异形性对高熵合金相形成的作用

分类： 材料科学

作者： Kevin Kaufmann, Haoren Wang, Jaskaran Saini, Kenneth S. Vecchio

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16836v1

摘要： 过去十年来，识别单相高熵系统一直是材料工程的一个突出研究重点。在计算建模和实验验证方面付出的巨大努力已经产生了几种用于预测是否会形成单相的方法和描述符。然而，所产生的晶体结构的细节在很大程度上仍然是个谜。在这里，我们对同素异形性在确定单相高熵合金晶体结构中的作用提出了令人信服的论据。高熵合金可以包含 5 种或更多元素，并且必须实现大于 1.5R 的构型熵。这项研究表明，当满足这些高熵材料条件时，非同素异形体形成元素的主要晶体结构在晶体结构测定中起主导作用。该理论通过多种方法得到证明，包括对文献中 434 种独特的已知单相成分进行分析、对 1,400 多种成分进行热力学建模，以及测试这一假设的九种特定合金的实验合成。结果表明，同素异形性可以识别不太可能形成单相的成分子集，并以高精度预测各种简单元素（例如 5 个等原子元素）和更复杂元素（例如 Al0.3B0.3）的晶体结构。 6CoCrFeNiCu0.7Si0.1）高熵合金。同素异形性为控制无主元素材料中所得晶体结构的基本物理学提供了新的见解。由于高熵材料仍然是开发具有独特性能的材料的重点领域，这项研究预计将成为筛选特定晶体结构材料的重要工具。

有效质量变化引起介观环非线性折射率变化和吸收系数

分类： 光学, 材料科学, 计算物理

作者： Denise Assafrao, A. G. de Lima, Edilberto O. Silva, Cleverson Filgueiras

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16746v1

摘要： 本研究探讨了具有位置相关可变有效质量的量子点和量子解点系统中的线性和非线性光学吸收系数（OAC）和折射率变化（RIC）。观察到对线性和非线性 OAC 和 RIC 的显着贡献。我们的研究结果表明，质量参数的变化会改变子带间偶极子矩阵元素和能量间隔，导致光学特性发生明显变化。结果表明，较高的 {\gamma} 值会将共振峰移向更高的能量，而振荡器频率的变化会导致突变和峰值减小。这些见解使我们能够更深入地了解所考虑的量子系统中的光学行为，为设计具有最佳效率的设备铺平道路

释放光激发分子电子自旋在室温量子信息处理中的潜力

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Kuan-Cheng Chen, Alberto Collauto, Ciarán J. Rogers, Shang Yu, Mark Oxborrow, Max Attwood

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16743v1

摘要： 量子存储设备等未来的信息处理技术有潜力存储和传输量子态，以实现量子计算和网络。此类设备实际应用中的一个核心考虑因素是光-物质界面的性质，它决定了存储状态密度和效率。在这里，我们采用有机自由基，$\alpha$,$\gamma$-双二亚苯基-$\beta$-苯基烯丙基（BDPA）掺杂到邻三联苯主体中，探索在中使用可调谐和高性能分子介质的潜力。基于微波的量子应用。我们证明，该激进系统在室温下表现出毫秒长的自旋晶格弛豫和微秒长的相位记忆时间，同时还具有使用共溶解的光激活四苯基卟啉部分产生振荡自旋极化态的能力，所有这些通过使用粘性液体主体来实现。这个最新的系统建立在先前分子换量子文献的集体智慧的基础上，通过将仔细的主矩阵选择与动态解耦和光激发三重态自由基自旋极化相结合，以实现多功能且强大的量子自旋介质。

超薄天然黑云母晶体作为范德华异质结构应用的介电层

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Raphaela de Oliveira, Ana Beatriz Yoshida, Cesar Rabahi, Raul O. Freitas, Christiano J. S. de Matos, Yara Galvão Gobato, Ingrid D. Barcelos, Alisson R. Cadore

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16697v1

摘要： 黑云母是一种富含铁的矿物，属于三八面体云母族，是一种天然丰富的层状材料（LM），在纳米器件中的应用中表现出有吸引力的电子特性。 Biotite 作为一种在环境条件下不可降解的 LM 脱颖而出，具有高质量的基底裂解，这是范德华异质结构 (vdWH) 应用的显着优势。在这项工作中，我们展示了黑云母的微机械剥落至单层（1L），产生具有大面积和原子级平坦表面的超薄薄片。为了识别和表征矿物，我们使用能量色散光谱图对黑云母进行了多元素分析。此外，还采用同步加速器红外纳米光谱来探测其几层形式的振动特征，并对层数敏感。我们还观察到超薄黑云母片在热退火过程后具有良好的形态和结构稳定性（长达 12 个月），并且其物理性能没有发生重大变化。导电原子力显微镜评估了其电容，显示其电击穿强度约为 1 V/nm。最后，我们探索了在 vdWH 应用中使用黑云母作为基底和封装 LM。我们在低温下进行了光学和磁光测量。我们发现，与六方氮化硼薄片相比，超薄黑云母片是 1L-MoSe2 的良好基材，但它会引起 1L-MoSe2 g 因子值的微小变化，很可能是由于其晶体结构上的天然杂质所致。此外，我们的结果表明，黑云母片是一种有用的系统，可以保护敏感的 LM（例如黑磷）在环境空气中长​​达 60 天不被降解。我们的研究介绍了黑云母作为一种有前景、具有成本效益的 LM，可促进未来超薄纳米技术的发展。

Fe 簇的吉布斯自由能可以通过托尔曼校正来近似，以准确模拟簇的成核和生长

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Alexander Khrabry, Louis E. S. Hoffenberg, Igor D. Kaganovich, Yuri Barsukov, David B. Graves

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16693v1

摘要： 需要准确的 Fe 团簇吉布斯自由能来预测冷却蒸汽冷凝过程中 Fe 团簇生长的模型。我们提出了一种使用分子动力学（MD）模拟提供的数据计算簇形成自由能的简单方法。我们应用这种方法来计算具有 2 到 100 个原子的 Fe 团簇的自由能。通过与亚饱和蒸气中 MD 模拟的平衡簇尺寸分布进行比较来验证自由能。我们表明，这些自由能与常用的球团近似法获得的自由能显着不同 - 球团近似依赖于平坦表面的表面张力系数。可以通过使用与簇尺寸相关的表面张力托尔曼校正来改进球形簇近似。推导了托尔曼长度和有效表面张力的值，这与常用的基于势能的实验测量的表面张力不同。这种改进的近似没有考虑造成相邻簇大小密度的尖峰和低谷的几何幻数效应。尽管如此，它仍然可以对冷却蒸汽的团簇形成进行建模，并准确地再现冷凝时间线、团簇尺寸分布的整体形状、平均团簇尺寸和分布宽度。使用恒定的表面张力系数会导致冷凝动力学扭曲和簇尺寸分布不准确。更新了经典成核理论 (CNT) 中团簇成核速率的解析表达式，以考虑团簇表面张力的尺寸依赖性。

石墨的超低摩擦在受污染的环境中是否可持续？

分类： 材料科学

作者： Hongyu Gao, Sergey Sukhomlinov

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16677v1

摘要： 结构润滑性通常出现在不相称、明确的干接触处，其中短程弹性不稳定性显着减轻。然而，在环境条件下，空气中的分子吸附在固体表面上，形成中间的粘性介质，从而改变界面特性。使用分子动力学模拟和新参数化的界面势，我们研究了以物理吸附的正十六烷（HEX）作为模型污染物的石墨上超低摩擦的保持。我们的研究结果表明，有序的 HEX 分子单层牢固地粘附在石墨表面，复制其晶格结构并保持类固体行为，从而导致方向依赖的剪切应力，而金 (111) 表面上不存在这种效应。随着污染物膜变厚，这种取向效应减弱。此外，随着覆盖率从零增加到一个单层，剪切应力-速度关系从库仑转变为准斯托克斯，然后转变为准库仑，突出了分子位移在高速耗散中的作用。尽管剪切应力比干滑动增加了一百倍，但石墨的超润滑性在环境条件下仍然存在，增强了我们对结构润滑性的传统理解。

卤化物钙钛矿和新兴半导体的缺陷容限的多方面性质

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Irea Mosquera-Lois, Yi-Teng Huang, Hugh Lohan, Junzhi Ye, Aron Walsh, Robert L. Z. Hoye

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16663v1

摘要： 卤化铅钙钛矿（LHP）作为高效的能量转换材料而备受关注，可以使用具有成本效益的制造方法进行加工。其卓越性能的一个被广泛引用的原因是它们能够容忍缺陷，尽管缺陷密度很高，但仍能实现较长的载流子寿命。在更广泛的材料类别中实现缺陷容限将对半导体行业产生重大影响。在过去的十年中，人们付出了巨大的努力来揭示缺陷容忍的根本根源，以设计由无毒元素组成的 LHP 的稳定替代品。然而，很明显，理解 LHP 中的缺陷容限远非易事。本综述讨论了卤化物钙钛矿缺陷容限提出的模型，评估了这些模型的实验和理论支持及其局限性。我们介绍了应用这些模型来识别卤化铅系统之外也可以表现出缺陷容限的材料的尝试，以及过去十年中遇到的成功和陷阱。最后，讨论了更深入理解和预测模型所需的一些重要缺失信息，这些模型实现了容错半导体的逆向设计。

实时超导量子电路中单个两能级材料缺陷的原位扫描门成像

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 超导, 量子物理学

作者： M. Hegedüs, R. Banerjee, A. Hutcheson, T. Barker, S. Mahashabde, A. V. Danilov, S. E. Kubatkin, V. Antonov, S. E. de Graaf

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16660v1

摘要： 非晶结构材料的低温物理受到两级系统缺陷（TLS）的控制，尽管经过了数十年的研究，其确切的起源和性质仍然难以捉摸。最近在实现稳定的量子计算高相干平台方面取得的进展增加了研究固态量子电路中的 TLS 的重要性，因为它们是退相干和不稳定性的持久来源。在这里，我们在毫开温度下对实时超导量子电路进行扫描门显微镜来定位单个 TLS。我们的方法直接揭示了 TLS 的微观本质，并且还能够推导出单个 TLS 电偶极矩的三维方向。这些见解与基础材料的结构信息相结合，可以帮助揭示 TLS 的详细微观性质和化学起源，从而指导最终缓解的策略。

Al$_{12}$M (M=Cu, Zn) 团簇的振动和电子性质：DFT 计算

分类： 材料科学, 80A50, 82D80

作者： Peter Ludwig Rodríguez-Kessler

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16651v1

摘要： 在这项工作中，利用密度泛函理论 (DFT) 计算研究了 Al${12}$M (Zn, Cu) 团簇的振动和电子特性。结果表明，当使用三种不同的泛函（PBE、PBE0 和 TPSSh）进行评估时，簇有利于低自旋状态。此外，与中性 Al${13}$ 团簇相比，掺杂团簇表现出较低的电离能和电子亲和力。与 Al${12}$Zn 相比，Al${12}$Cu 的态密度显示出更高的杂化程度。

I型和II型节点线半金属的热电性能：比较研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Mohammad Norman Gaza Laksono, M Aziz Majidi, Ahmad R. T. Nugraha

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16644v1

摘要： 我们结合玻尔兹曼线性输运理论中的半解析计算和弛豫时间近似，以及所谓的 I 型和类型的第一性原理计算，研究了节点线半金属 (NLS) 的热电 (TE) 特性。 -II NLS。我们通过典型 I 型 (TiS) 和 II 型 (Mg$3$Bi$2$) NLS 的第一性原理计算来考虑在这些材料的费米能级附近交叉的导带和价带，并使用双能带模型拟合以找到将用作初始能量色散参数的费米速度 $v{F}$ 和有效质量 $m$。通过调整能量色散参数来搜索每个能带的最佳曲率值，以改善NLss的TE性能。与使用第一类NLS中的初始参数值相比，我们可以得到塞贝克系数峰值的最佳$\sim$$3.5%$增幅，塞贝克系数范围为$0.509S{0}$到$0.527S_ {0}$ 其中 $S_0 \约 86.17~\mu$V/K。同时，当$v_{F}$降低时，在II型NLS中可以获得与初始值$\sim$$83%$一样大的功率因数的最佳增加。通过系统地比较我们所有的计算结果，我们观察到，与调整 $m$ 相比，调整 $v_{F}$ 显着改善了两种类型 NLS 中的 TE 属性。我们的工作预计将引发进一步的计算，以扫描其他潜在的 TE 材料，特别是半金属类材料，通过其能带曲率的变化来操纵它们的能带结构。

扭曲多铁 NiI$_2$ 双层中莫尔斯格明子相的电场控制

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Tiago V. C. Antão, Jose L. Lado, Adolfo O. Fumega

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16600v1

摘要： 扭曲磁性范德华材料提供了一个灵活的平台来设计新形式的非常规磁性。在这里，我们展示了自旋螺旋多铁性 NiI$_2$ 扭曲双层中电可调拓扑莫尔磁性的出现。我们建立了丰富的相图，具有均匀的螺旋相、各种 $k\pi$-skyrmion 晶格以及按莫尔尺度排序的向列旋转纹理。这些相的出现是由局部堆叠以及由莫尔图案产生的旋转螺旋中所产生的调制挫败驱动的。值得注意的是，当自旋螺旋波长与莫尔条纹长度比例达到整数 $k$ 时，多壁斯格明子就会固定在莫尔条纹图案上。我们表明，莫尔多铁性表现出的强磁电耦合允许通过面外电场对$k\pi$-斯格明子晶格进行电控制，该电场耦合到莫尔'e感应电极化。虽然电场的绝热变化保留了自旋构型的拓扑结构，但突然的变化可以触发不同斯格明子晶格基态之间的转变。我们的研究结果建立了一个基于扭曲范德华多铁性的斯格明电子的高度可调平台，有可能实现新一代超薄拓扑保护自旋电子器件。

聚合二氧化碳替代途径的预测：亚稳态含能材料

分类： 材料科学

作者： Reetam Paul, Jonathan C. Crowhurst, Stanimir A. Bonev

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16487v1

摘要： 利用压力获得可恢复到环境条件的新材料特性是高压物理学的中心问题。尽管经过了数十年的研究，这一目标仅在实验室中实现了一些著名的例子，例如金刚石和氮化硼。一个令人感兴趣的领域是轻元素分子化合物在压缩下向延伸共价键合（聚合）固体的转变。其中，CO2因其作为具有丰富相图的典型简单分子系统的地位以及其在地球物理和化学中的基础作用而被广泛研究。它的一种聚合物结晶相可在极端压力和温度下获得，最近已被淬火至环境压力，但仅在低温下进行。在这里，我们报告了第一原理计算，预测一氧化碳和氧气混合物 (CO+O2) 的等温压缩，而不是纯 CO2，可将室温下的聚合起始压力从约 118 GPa 降低至约 8 GPa。此外，它导致形成本质上不同的具有增强亚稳定性的聚合物。我们证明这种致密相是一种高能材料，可以恢复到环境压力和温度。

使用生成模型自动解析范德华界面处的原子结构

分类： 材料科学

作者： Wenqiang Huang, Yuchen Jin, Zhemin Li, Lin Yao, Yun Chen, Zheng Luo, Shen Zhou, Jinguo Lin, Feng Liu, Zhifeng Gao, Jun Cheng, Linfeng Zhang, Fangping Ouyang, Shanshan Wang, Jin Zhang

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16802v1

摘要： 揭示原子结构对于构建材料的微观构型和宏观性质之间的关系具有重要意义。然而，我们仍然缺乏一种快速、准确和稳健的方法来自动解析原子分辨率显微镜中的复杂图案。在这里，我们提出了一种 Trident 策略增强的解缠表示学习方法（生成模型），该方法利用少量未标记的实验图像和丰富的低成本模拟图像来生成大量与实验条件非常相似的带注释的模拟数据语料库，实现了同步实现高质量和大量的训练数据集。然后通过残差神经网络训练结构推理模型，该模型可以直接推导出各种材料（ReS2、ReSe2 和 MoS2）范德华 (vdWs) 界面处多样化且复杂的堆叠模式的层间滑移和旋转，精度达到皮米级精度）具有不同的层数（双层和三层），并展示了对缺陷、成像质量和表面污染的鲁棒性。该框架还可以识别图案转换界面，量化微妙的图案变化，并区分在频域中无法区分的莫尔图案。我们方法的高通量处理能力有助于发现一种新颖的 vdW 外延，其中各种热力学有利的滑移堆叠可以共存，这证明了机器学习对新知识出现的贡献。

具有晶格膨胀的非等温相场晶体模型：分析和基准

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Maik Punke, Marco Salvalaglio, Axel Voigt, Steven M. Wise

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16449v1

摘要： 我们引入了一个非等温相场晶体模型，包括晶格的热通量和热膨胀。通过分析得出热相容条件以及正熵产特性，并通过数值基准模拟进一步验证。此外，我们通过广泛的参数研究研究了不同的模型参数如何控制枝晶凝固过程中的密度和温度演变。最后，我们将我们的框架扩展到考虑外部质量和热通量的开放系统建模。这项工作为非等温凝固的综合介观模型奠定了基础，包括正熵产生框架内的热膨胀，并为进一步的介观到宏观凝固建模提供了基准。

通过合成声学晶体对声音进行混合宽带传导和振幅驱动拓扑限制

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Mathieu Padlewski, Xinxin Guo, Maxime Volery, Romain Fleury, Hervé Lissek

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16801v1

摘要： 精确的波浪操纵无疑塑造了我们今天蓬勃发展的技术格局。尽管自从最早观察沙漠沙丘或海浪以来，我们对波浪现象的理解已经取得了长足的进步，但数学的不受阻碍的发展使得更加复杂和奇异的物理现象能够得到全面的描述。在这里，我们通过引入一种前所未有的合成声学晶体，能够实现同时线性宽带传导和非线性拓扑绝缘，从而进一步对波进行操纵，描绘了位于内部深处的鲁棒的振幅相关模式，即振幅驱动的声音拓扑限制。后者是通过内衬非局部和非线性耦合有源电声谐振器链的开放式声波导来实现的。从经典波的综合拓扑模型开始，我们证明可以通过增加驱动振幅来访问不同的拓扑状态，并且针对耦合紊乱的拓扑鲁棒性是耦合谐振器之间对称和同时响应的直接结果。理论预测通过完全可编程的实验装置得到验证，该装置能够实现超晶体特性的实时操纵。总而言之，我们的结果为未来涉及非线性、非局域性和非隐性的人造材料经典波的设计和操纵研究奠定了坚实的基础。

二维金属有机铁磁体

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Egzona Isufi Neziri, Céline Hensky, Hien Quy Le, Diego Radillo Ochoa, Aleksandra Cebrat, Manfred Parschau, Karl-Heinz Ernst, Christian Wäckerlin

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16369v1

摘要： 在信息技术应用的推动下，人们不断寻找具有稳定、长程磁有序性的新材料。金属有机磁体涉及金属原子与特定有机配体的配位，是深入研究的焦点。这些磁体通过对配体或配位化学的合成调整来提供可定制的特性。本文报道了二维氰碳磁体 NiTCNE 的合成、结构表征和磁性能。通过在超高真空条件下在 Au(111) 表面上共沉积配体 TCNE（四氰乙烯）和 Ni 原子，该单层金属有机网络的二维晶域尺寸达到超过 30 纳米。非接触式原子力显微镜以原子分辨率可视化结构。 X 射线磁性圆二色性将 2D NiTCNE 确定为铁磁体，具有非常高的剩磁、约 1 特斯拉的矫顽场和 10 到 20 开尔文之间的居里温度。由于金属有机化学开辟了多种合成途径，我们预计这种材料研究将为自旋电子学应用的新型磁性纳米材料铺平道路。

多铁性金属单层 Cu(CrSe2)2

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ke Yang, Yuxuan Zhou, Yaozhenghang Ma, Hua Wu

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16363v1

摘要： 二维 (2D) Cu(CrSe$2$)$2$ 单层因其结合的铁磁 (FM)、铁电 (FE) 和金属特性而脱颖而出，使其成为一种突出的 2D 多铁性金属。这项工作使用密度泛函计算、蒙特卡罗模拟和 $ab$ $initio$ 分子动力学研究这些性质和相关物理。我们的结果表明，Cu(CrSe$2$)$2$ 单层处于 Cr$^{3+}$ $t{2g}^3$ 状态，其中 $S$ = 3/2 且 Cu$^{1+ }$ $3d^{10}$，$S$ = 0。Se 4$p$ 轨道中的配体空穴会产生金属行为，并增强局部 Cr$^{3+}$ $S 之间的 FM 耦合$ = 3/2 次旋转。观察到的面内磁各向异性主要来自交换各向异性，这与 Cr-Se-Cr 巡回铁磁性有关。相比之下，单离子各向异性和形状磁各向异性的贡献都可以忽略不计。 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用也很弱，仅占层内交换参数的 3% 左右。我们的蒙特卡罗模拟显示 FM 居里温度 ($T{\rm C}$) 为 190 K。此外，单层表现出 1.79 pC/m 的垂直 FE 偏振和 182 meV/f.u. 的 FE 偏振切换势垒，并且$ab$ $initio$ 分子动力学模拟表明，FE 状态在 800 K 以上保持稳定。此外，磁电耦合部分表现为与有限元到顺电转变相关的从面内到面外的磁化旋转。磁化旋转也可以通过空穴或电子掺杂引起，空穴掺杂将 $T{\rm C}$ 提高到 238 K。此外，拉伸应变降低了 FE 极化，但增强了 $T{\rm C}$ }$ 至 290 K，而压缩应变会产生相反的效果。因此，多铁性金属Cu(CrSe$_2$)$_2$单层可用于先进的多功能电子器件。

磁隧道结中隧道磁阻对势垒厚度的振荡依赖性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： B. C. Lee

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16362v1

摘要： 从理论上研究了磁隧道结中隧道电导和隧道磁阻（TMR）对势垒厚度的依赖性。考虑到绝缘体复杂的能带结构，推导了隧道电导和TMR的解析公式。使用紧束缚模型的数值计算验证了分析公式。绝缘体能带结构的复杂性导致隧道电导和 TMR 作为势垒厚度的函数出现显着振荡。结果表明，这些 TMR 振荡不是由势垒内的量子限制引起的，而是类似于经典的双缝光学干涉。

从层状 2D 碳到 3D 四面体原始同素异形体 C12 和 C18，其物理性质与金刚石相关：晶体化学和 DFT 研究

分类： 材料科学

作者： Samir F. Matar

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16341v1

摘要： 提出了两种从 2D 到 3D（D = 维数）的变化机制，涉及 2D C(sp2) 三角铺砌到 C(sp3) 四面体堆叠，一方面通过 2D 层的褶皱，另一方面通过层间插入额外的 C。这种转变产生了原始的 3D 六方 C12 和 C18 同素异形体，分别具有 lon 和 bac 拓扑结构。使用密度泛函理论 DFT 计算，发现这两种同素异形体在机械（弹性特性）和动态（声子）方面都具有内聚性和稳定性。与已知的 uni C6 的物理特性进行比较，以确定大维氏硬度的范围：HV (uni C6) = 89 GPa、HV (lon C12) = 97 GPa 和 HV (bac C18) = 70 GPa。虽然 C6 被认为具有声学声子不稳定性，但发现 C12 和 C18 在整个声学和光学频率范围内动态稳定。进一步研究同素异形体的热性能，其比热 CV 的温度依赖性曲线接近最适合新型 C18 的金刚石的实验数据。电子能带结构显示，uni C6 具有 1 eV 的小带隙，而其他两种 3D 同素异形体具有 3 eV 的较大直接带隙。这种电子和物理特性的调节应该会开拓碳研究的范围。

图神经网络适用于高熵合金吗？

分类： 机器学习, 材料科学

作者： Hengrui Zhang, Ruishu Huang, Jie Chen, James M. Rondinelli, Wei Chen

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16337v1

摘要： 由于图表示的表现力，图神经网络（GNN）在晶体和分子的预测建模方面表现出色。然而，高熵合金（HEA）缺乏化学长程有序，限制了当前图形表示的适用性。为了克服这一挑战，我们提出将 HEA 表示为局部环境 (LE) 图的集合。基于这种表示，我们引入了 LESets 机器学习模型，这是一种用于 HEA 属性预测的准确、可解释的 GNN。我们证明了 LESet 在模拟四元 HEA 机械性能方面的准确性。通过分析和解释，我们进一步深入了解 HEA 的建模和设计。从更广泛的意义上讲，LESets 将 GNN 的潜在适用性扩展到由不同成分及其灵活配置形成的具有组合复杂性的无序材料。

光电特性的增强估计：一种利用轨道相互作用参数和紧束缚的新方法

分类： 量子物理学, 材料科学, 原子物理学, 计算物理, 光学

作者： Ali Haji Ebrahim Zargar, Ali Amini, Ahmad Ayatollahi

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16329v1

摘要： 本文主张采用一种创新方法，利用紧束缚（TB）理论来估计量子结构的光电特性。基于估计属性和实际属性之间的比较分析，该研究力求验证该技术的有效性；特别关注带隙能量的计算。据观察，先前的方法在预测超晶格和量子阱等复杂结构时精度有限。为了解决这一差距，我们提出了一种使用轨道相互作用参数（OIP）和 TB 理论的涉及三个不同阶段的方法。该研究采用砷化铝（AlAs）和砷化镓（GaAs）作为主要块体材料。我们的新颖方法引入了一个计算框架，该框架首先专注于批量计算，随后扩展到超晶格结构。这项研究的结果表明，在预测光电特性（尤其是截止波长）的准确性方面取得了有希望的结果。这项研究为未来的研究铺平了道路，有可能提高所提出方法的精度及其在量子光电子学领域的应用范围。

表面预变形对 Al-Mg 合金中 Portevin-Le Chatelier 效应及塑性流动相关多尺度复杂性的影响

分类： 材料科学

作者： Hafsa Jaber, Benoît Beausir, Denis Entemeyer, Tatiana Lebedkina, Marc Novelli, Mikhail Lebyodkin

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16320v1

摘要： 使用铝镁合金的扁平拉伸样品研究了表面预变形对由 Portevin-Le Chatelier (PLC) 效应引起的急流的影响。尽管急流代表了宏观塑性不稳定性，但其潜在机制源于位错的自组织，涉及介观尺度的变形过程。为了提供全面的方法，研究通过耦合拉伸测试、数字图像相关和声发射技术进行，每种技术都针对特定的尺度范围。使用表面机械磨损技术（SMAT）对薄表面层进行预变形。研究发现，观察到的效果取决于所处理的表面。总体而言，与初始材料相比，经过处理的样品表现出增强的屈服强度，而延展性没有恶化。一般机械行为的这些变化可能与急动流的变化相关。使用数字图像相关性，发现 PLC 带和带外较小规模的应变不均匀性有塑性流动爆发离域的趋势，后者迄今为止很少被研究。出乎意料的是，SMAT 竟然在这种规模上极大地改变了塑性流动。除了阐明表面在 PLC 效应中所起的作用之外，这些发现还为不同尺度的变形过程之间的关系提供了新的见解。

块体范德华合金单晶中层内、层间和里德伯激子的高温观察

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Pravrati Taank, Asif Ali, Aravind Raji, Ajay K. Poonia, Matthew C. Beard, Ravi Shankar Singh, K. V. Adarsh

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16306v1

摘要： 过渡金属二硫属化物（TMD）由于具有多种强束缚激子而表现出显着的光学性质，这些强束缚激子可以通过合金化进行微调。尽管在表征这些激子方面开展了大量的研究活动，但仍缺乏对其随温度变化的行为的全面而深刻的理解。在这里，我们报告了块状范德华合金 Mo${0.5}$W${0.5}$S$2$ 和 Mo${0.5}$W${0.5}$Se 中丰富的激子特征谱$2$ 通过温度相关反射光谱和第一原理计算的单晶。我们在两个单晶中观察到里德伯激子和层间激子。值得注意的是，我们首次提供了室温下 Mo${0.5}$W${0.5}$S$2$ 中高能 A$^\prime$ 和 B$^\prime$ 激子的实验证据。强载流子声子散射显着展宽了室温下块状 Mo${0.5}$W$_{0.5}$S$_2$ 单晶中的 A$^\prime$、B$^\prime$ 和层间激子与其硒化物相比。我们的研究结果得到了密度泛函理论和 Bethe-Salpeter 方程计算的支持，表明了载流子-声子相互作用的关键作用。这些结果为下一代高温下运行的光电器件和量子技术开辟了道路。

反铁磁有序和电子关联对MnTiO$_3$电子结构的影响

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Asif Ali, R. K. Maurya, Sakshi Bansal, B. H. Reddy, Ravi Shankar Singh

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16301v1

摘要： 电子关联和长程磁有序对固体的电子结构和物理性质有重大影响。在这里，我们使用室温光电子能谱和密度泛函理论 (DFT)、DFT+$U$ 和 DFT+动态平均场理论 (DMFT) 中的理论方法研究了钛铁矿 MnTiO${3}$ 的电子结构。 Mn 2$p$ (Ti 2$p$) 核心级光电子发射光谱，证实了 Mn$^{2+}$ (Ti$^{4+}$) 氧化态，表现出与 MnO 非常相似的多个卫星(TiO${2}$)，表明该系统中各种相互作用的强度相似。在不同光子能量下收集的价带光谱表明，在具有宽绝缘间隙的最高占据带中占主导地位的 Mn 3$d$ 特征。 DFT(+$U$) 正确预测了实验观察到的 MnTiO$3$ 的反铁磁 (AFM) 绝缘基态，其中需要较大的 $U$ 来重现磁矩和带隙的实验值，这表明了电子相关性。磁无序顺磁 (PM) 相可以在 DFT+DMFT 内很好地捕获，这为实验带隙、顺磁矩、价带谱以及最高占据带中的主要 Mn 3$d$ 特征提供了极好的一致性。计算出的谱函数基本上不受影响，并且在磁有序 AFM 相中表现出更清晰的特征。我们表明，PM 和 AFM 相中 MnTiO${3}$ 的电子结构都可以在 DFT+DMFT 中准确描述。

无序金属、温稠密物质和热稠密等离子体的群电导率和非绝热有效电荷

分类： 材料科学, 原子物理学, 化学物理, 计算物理, 等离子体物理

作者： Vidushi Sharma, Alexander J. White

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16230v1

摘要： 平均电离态是带电粒子输运、状态方程和光学响应的​​等离子体模型中的关键参数。通过第一原理时间相关密度泛函理论计算的动态或非绝热玻恩有效电荷 (NBEC) 为金属和绝缘材料提供了体电子响应的精确离子分配。 NBEC 可以简单地转化为“群电导率”，即归因于离子子集的电子电导率。我们表明，对于无序金属系统，例如热致密物质（WDM）和热致密等离子体，静态NBEC 的极限与平均电离态不同，但即使在混合系统中，也可以从基团电导率中提取电离态，我们使用一组典型示例（包括冷铝和热铝、低铝和高铝）演示了这种方法。 -密度WDM碳，以及WDM碳-铍-氢混合物。

相互作用的超细 NiFe2O4 纳米颗粒中的磁死层

分类： 材料科学

作者： Yu. V. Knyazev, D. A. Balaev, S. V. Stolyar, A. O. Shokhrina, D. A. Velikanov, A. I. Pankrats, A. M. Vorotynov, A. A. Krasikov, S. A. Skorobogatov, M. N. Volochaev, O. A. Bayukov, R. S. Iskhakov

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16203v1

摘要： 使用透射电子显微镜、X 射线衍射、^57Fe M"ossbauer 光谱以及直流磁化强度和交流磁化率研究了超细相互作用 NiFe2O4 纳米颗粒 ( = 4 nm) 中磁死层和结构缺陷的关系根据磁性数据，我们发现了 NiFe2O4 纳米颗粒中的三个磁性子系统，第一个磁性子系统是由 d < 4 的磁无序粒子的原子磁矩建立的。另外两个子系统是由尺寸大于 4 nm 的纳米粒子“核心”的磁矩和纳米粒子簇中相关的表面自旋形成的，相应地，亚铁磁有序“核心”的磁矩在较高温度下会被阻挡。 \约40 K）已经表明，对能量耗散的最重要贡献是在阻止来自纳米粒子表面上的磁死层的相关纳米粒子表面自旋时做出的。根据磁数据，对于 约 4 nm 的粒子，该层的厚度为 dmd 约 1 nm。与此同时，^57Fe M"ossbauer 光谱揭示了在 = 4 nm 的粒子中渗透至 dcd \约 0.6 nm 深度的结构紊乱。这证明了当从颗粒中心移动到其外围时，与晶体顺序相比的磁顺序。

Li$_2$MnCl$_4$单晶：红光中子闪烁体的新候选者

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Vojtech Vanecek, Robert Kral, Katerina Krehlikova, Romana Kuverkova, Vladimir Babin, Petra Zemenova, Jan Rohlicek, Zuzana Malkova, Terezia Jurkovicova, Martin Nikl

发布时间： 2024-08-29

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16178v1

摘要： 新型红光闪烁体 Li$_2$MnCl$_4$ 被提议作为热中子探测的候选材料。它具有高锂含量、低密度、低有效原子序数、在红-近红外区域发射的特点。这些特性使其成为恶劣环境中长距离中子探测的有趣候选者。 g。核电站退役。在田边-菅野图的范围内彻底研究了吸收光谱。深入研究了未掺杂Li$_2$MnCl$_4$的发光机理。引入Eu$^{2+}$和Ce$^{3+}$掺杂作为提高闪烁效率的尝试。我们在 Eu$^{2+}$ 和 Ce$^{3+}$ 掺杂 Li$_2$MnCl$_4$ 中表明，发光机制涉及从掺杂剂到 Mn$^{2+}$ 的能量转移，并且提出掺杂剂周围的局部晶格畸变和可能的电荷补偿机制。

摩擦电荷转移的定量模型

分类： 材料科学

作者： Karl P. Olson, Laurence D. Marks

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16083v1

摘要： 当摩擦或接触材料时，摩擦电会引起电荷转移，摩擦电在许多领域中普遍存在，并且已经被详细研究了几个世纪。尽管如此，对摩擦电的完整描述仍然难以捉摸。在这里，我们分析了金属粗糙体和半导体之间的接触，包括半导体耗尽区和由于粗糙体接触处的应变梯度而产生的挠曲电极化的贡献。然后讨论并计算电荷转移中涉及的自由电荷。因此，我们开发了一个摩擦电电荷转移的定量模型，该模型详细说明了电荷转移如何随接触参数、耗尽和挠曲电的相对影响而变化，并且与多类摩擦电实验中的各种趋势一致。

几何受挫磁体的有序和无序

分类： 强关联电子, 无序系统和神经网络, 介观和纳米物理, 材料科学, 量子气体

作者： Arthur P. Ramirez, Sergey Syzranov

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16054v1

摘要： 在几何挫败（GF）磁体中，由于原始三角形结构单元的存在，传统的长程有序受到抑制，并且随之而来的基态的性质仍然难以捉摸。一类候选态是量子自旋液体（QSL），在实验中广泛寻找并在理论上进行了大力研究，这是一种磁无序态，其中所有自旋都参与量子相干多体态。所有材料中存在的随机分布的杂质可能会阻止 QSL 的形成，反而导致自旋玻璃态的形成。在本文中，我们回顾了有关 GF 材料的比热、磁化率和中子散射的可用数据。这些数据表明，纯GF磁体具有明显超过材料中其他微观能级的特征“隐藏能级”。当冷却到低于隐藏能级的温度时，GF材料会产生显着的短程有序，这决定了其性能，特别是决定了实验上可获得的杂质密度的自旋玻璃化转变温度。我们回顾了 GF 材料中常见热力学量中短程有序的表现、隐藏能量尺度的可能场景以及相关的悬而未决的问题。

全磁性范德华异质结构中纳米级斯格明子和双聚子的稳定性和定位

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Dongzhe Li, Moritz A. Goerzen, Soumyajyoti Haldar, Tim Drevelow, Hendrik Schrautzer, Stefan Heinze

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15974v1

摘要： 诸如斯格明子和双聚子之类的磁孤子在基础研究和自旋电子学应用方面都显示出巨大的前景。由于高可调性、增强的功能和小型化，稳定和控制原子薄范德华 (vdW) 材料中的拓扑自旋纹理已引起极大关注。通过严格的第一原理计算和原子自旋模拟，我们预测全磁 vdW 异质结构 Fe$_3$GeTe$_2$/Cr$_2$Ge$_2$Te$_6$ 中存在多个磁孤子 (FGT/资本利得税）。 N'eel型斯格明子形成于FGT/CGT两侧，具有相反的手性。 FGT 层的斯格明子和 CGT 层的双聚子在零场下仍保留在异质结构中，而如果施加场，后者会经历双聚子-斯格明子转变。我们进一步证明，尽管斯格明子和双聚体在拓扑上是等效的，但它们表现出非常不同的定位行为。斯格明子具有各向同性局域性，而双分子则表现出各向异性非局域性，从而导致有限尺寸效应。我们分析了这如何影响受限材料中双聚体的稳定性。我们的工作代表了拓扑自旋纹理的基本特性向前迈出了重要一步，并为基于原子薄 vdW 异质结构的斯格明子器件铺平了道路。

体积对压力和温度的依赖性的基本原理

分类： 材料科学, 统计力学

作者： Zi-Kui Liu

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15963v1

摘要： 在本工作中，根据 Hillert 非平衡热力学分析了体积随压力而减小、随温度而增大的常识。结果表明，在稳定系统中，体积对压力的导数始终为负，即当系统的所有其他自然变量保持不变时，体积随着压力的增加而减小。这源于稳定系统中共轭变量（例如体积和负压）必须沿同一方向变化的稳定性要求。因此，由于体积和温度不是共轭变量，因此它们不必沿相同方向变化，因此在自然和人造系统中都沿相反方向变化。结果表明，体积随温度升高而减小，文献中通常称为负热膨胀（NTE），源于当亚稳态构型的体积小于地面体积时系统中构型的统计竞争-状态配置。证明了Zentropy理论可以在密度泛函理论的基础上简洁地解释和准确预测NTE，无需拟合参数。

直接测量由环保材料制成的粘性微胶囊所经历的表面相互作用

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Hairou Yu, Christopher L. Wirth

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15945v1

摘要： 我们提出了一项结合实验测量、理论分析和模拟的研究，以研究核壳微胶囊与固体边界的相互作用，特别关注于理解由系留力产生的短程势能。使用带有肉桂油核和海藻酸钙壳的皮克林乳液模板制造的微胶囊，对其尺寸（直径 5-6 微米）和表面电荷（-20 mV）进行了表征。我们采用全内反射显微镜和粒子跟踪来测量微胶囊边界相互作用和扩散，从中得出势能和扩散率曲线。通过考虑静电、重力和系留力来分析和模拟势能分布，同时将扩散率与固体颗粒边界相互作用的扩散率（包括流体动力）进行比较。扩散率表示为归一化扩散系数，以消除流体粘度的影响。发现聚合物壳微胶囊的归一化扩散系数（0.02）比固体聚苯乙烯颗粒的归一化扩散系数（0.2）小一个数量级。微胶囊对由两个不同最小值组成的势阱进行采样，正如实验观察到的那样，并得到解析表达式和布朗动力学模拟的支持。通过将我们的模型与实验数据进行拟合，获得了临界系留高度（49.8 nm）和藻酸盐半径（35.2 nm）。这项工作的结论是，这些良性核壳微胶囊通过瞬态束缚相互作用与附近边界相互作用，总体上产生温和的粘性相互作用，这可能有利于消费品中的应用。

对连续体中的拓扑软盘模式进行分类

分类： 软凝聚态物质, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Ian Tan, Anton Souslov

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15850v1

摘要： 在软机械晶格中，鲁棒边缘态和体外尔模式是潜在拓扑不变量的表现。为了探索这些现象与微观细节无关的普遍性，我们在连续体中制定了拓扑力学。通过用额外的软模场增强标准线性弹性，我们定义了麦克斯韦计数的连续版本，它平衡了自由度和机械约束。通过增加一个场，这些增强弹性理论可以打破空间反演对称性并隐藏拓扑边缘态。我们还表明，需要两个额外的字段来在二维中容纳 Weyl 点，并定义连续统不变量来对这些状态进行分类。除了基于对称性构建拓扑弹性的一般形式外，我们还根据微观晶格的系统均质化推导了系数。通过求解所得的偏微分方程，我们可以有效地预测拓扑软盘模式引起的粗粒度变形，而无需进行详细的基于晶格的模拟。我们的发现为物质的拓扑状态制定了新颖的设计原理和高效的计算工具，并指出了它们在机械超材料中的实验实施。

工程双金属纳米结构超晶格中增强电子-声子相互作用和高$T_c$超导性的可能性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Shinjan Mandal, Shrihari Soundararajan, Manish Jain, H. R. Krishnamurthy

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15820v1

摘要： 我们从理论上探索了工程双金属纳米结构超晶格的特性，其中简单（单带）金属的纳米簇阵列周期性地嵌入另一种具有不同功函数的简单金属内。该探索是使用包含库仑相互作用的简化紧束缚模型以及密度泛函理论来完成的。以周期性嵌入“Au”矩阵中的固定尺寸和配置（未松弛时）的“Ag”簇阵列为例，我们表明电子-声子相互作用随之显着增强，这意味着高$T_c$超导性的可能性。这种增强源于金-银界面处形成的偶极电荷分布与笼在较重金基体中的轻银原子的呼吸和其他振动模式之间通过库仑相互作用的强耦合。界面偶极子的形成是由于 Ag 和 Au 位点处的 Wannier 轨道中的传导电子所看到的局部电势不匹配（Ag 位点相对于 Au 位点稍有排斥）和（长程）之间的相互作用而形成的。占据这些万尼尔轨道的电子之间的库仑斥力。我们还讨论了此类系统中的直流传输。

钇(Y)对钴酸镧性能的影响

分类： 材料科学

作者： Mohammad Abu Thaher Chowdhury, Shumsun Naher Begum

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15798v1

摘要： 许多材料在不同温度下表现出各种类型的相变，其中许多材料还表现出多晶型。掺杂材料可以显着改变其电导率。鉴于此，我们研究了 $LaCoO_3$ 的电导率，特别是掺杂钇 (Y) 时的温度依赖性。镧钇钴氧化物$(La_{1-x}Y_x Co O_3)$的晶体结构采用钙钛矿形式，其特征为一般化学计量$ABX_3$，其中A和B为阳离子，X为阴离子。该材料经历 $50-100$ K 之间的磁相变、$100-300$ K 之间的结构相变以及 $500$ K 的绝缘体到金属的转变。在室温下，$LaCoO_3$ 表现出极化子型跳跃传导。我们的目标是了解 $300$ K 下的电导率，以及当 $La^{3+}$ 替换为 $Y^{3+}$ 时电导率如何随温度变化。钙钛矿晶体的电学性质与小极化子跳变传导一致，理论上遵循莫特的变程跳变模型，其中电导率服从指数规律，电阻率遵循反指数规律。在这项工作中，我们将实验电阻率图与理论反演的电导率图进行了比较，表明我们的实验结果在一定范围内与极化子跳跃传导模型一致。此外，该实验证实了各种情况下的多态性。我们观察到增加 $Y^{3+}$ 的浓度可以增强 $La_{1-x} Y_x Co O_3$ 的金属性能，并且我们发现电导率和对称性之间存在显着相关性。此外，该研究还强调了材料的相变和多态行为。

CZTS 纳米墨水的“无氧化还原”合成

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Yixiong Ji, Paul Mulvaney

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15795v1

摘要： 较大的开路 (V$_{oc}$) 缺陷限制了当前的黄锡矿器件性能。主要挑战是实现对黄锡锌矿吸收剂的相组成和纯度的控制。由于金属铜和锡具有多价态，这不可避免地导致多相的形成，这一事实阻碍了这一点。特别是对于基于溶液的黄锡矿制造工艺，对相纯度的追求延伸到 CZTS 前体溶液或纳米颗粒分散油墨（纳米油墨）的合成。在这项工作中，通过在无毒溶剂中混合金属前体并仔细控制价态，开发了 CZTS 纳米墨水的“无氧化还原”合成。有效解决了黄锡锌矿合成过程中二次相形成的问题。此外，具有相同成分的分子溶液和纳米颗粒墨水在相位控制方面表现出显着不同的能力。在溶液状态下预合成的纳米粒子通过遵循更理想的相形成路径而表现出优异的相控制。这为合成黄锡锌矿提供了一条新的途径，并且对相组成和纯度进行了前所未有的控制。

快速准确的机器学习原子间势，用于大规模模拟铜、铝和镍

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Aslak Fellman, Jesper Byggmästar, Fredric Granberg, Kai Nordlund, Flyura Djurabekova

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15779v1

摘要： 机器学习 (ML) 已广泛应用于分子动力学模拟的原子间势的开发。然而，大多数机器学习势仍然比经典原子间势慢得多，并且通常是在接近平衡模拟的情况下进行训练的。在这项工作中，我们使用高斯近似势 (GAP) 方法开发了 Cu、Al 和 Ni 的 ML 势。具体来说，我们创建了势的低维表格版本（tabGAP），它的计算效率比 GAP 高两个数量级，从而能够模拟数百万个大型原子系统。机器学习势能使用各种精选的结构数据库进行训练，并包括用于短程交互的固定外部排斥势。这些势经过广泛验证并用于模拟各种基本材料特性，例如堆垛层错和阈值位移能。此外，我们利用这些势来模拟不同晶体取向的单晶单轴压缩载荷，包括原始模拟单元和包含预先存在缺陷的单元。

通过热退火前所未有地增强纤锌矿氮化物半导体的压电性

分类： 材料科学

作者： Shubham Mondal, Md Mehedi Hasan Tanim, Garrett Baucom, Shaurya S. Dabas, Jinghan Gao, Venkateswarlu Gaddam, Jiangnan Liu, Aiden Ross, Long-Qing Chen, Honggyu Kim, Roozbeh Tabrizian, Zetian Mi

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15770v1

摘要： 在纤锌矿氮化物半导体（例如钪合金氮化铝（ScAlN））中加入稀土元素可以显着增强压电响应，这对于广泛的声学、电子、光子和量子器件和应用至关重要。然而，通过实验，测量到的氮化物半导体的压电响应远远低于理论预测。在这里，我们证明使用简单、可扩展的生长后热退火工艺可以显着提高 ScAlN 薄膜的压电响应。对于 Sc 含量为 30% 的 ScAlN，我们的压电模量 d33 显着增加了 3.5 倍，从生长状态的 12.3 pC/N 增加到 45.5 pC/N，是 AlN 的八倍。压电性的增强已通过三种独立的测量技术得到明确证实。 d33 的如此显着增强已被证明会影响有效机电耦合系数 kt2：将其从 13.8% 增加到 76.2%，这与毫米厚铌酸锂薄膜中报道的最高值相匹配，但在 10,000 的 100 nm ScAlN 中实现厚度成倍减少，从而为体声波谐振器带来了极端频率缩放的机会，适用于 5G 以上的应用。通过利用一系列材料表征技术，我们阐明了显着增强压电响应的潜在机制，包括宏观尺度上结构质量的提高、介观尺度上域结构分布更加均匀和有序以及晶格参数的降低原子尺度纤锌矿晶体结构的比率 (c/a)。总体而言，研究结果提出了一种简单但高效的途径，可以扩展到其他材料系列，以进一步增强其压电响应。

磁性三层层中的层间和界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用：第一原理计算

分类： 材料科学

作者： Tim Matthies, Levente Rózsa, László Szunyogh, Roland Wiesendanger, Elena Y. Vedmedenko

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15734v1

摘要： 我们通过从头计算确定了由非磁性间隔物分隔的两个磁性钴层内部和之间的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。我们研究了非磁性层的不同材料，重点关注实验实现的 Co/Ag/Co 系统。我们横向移动非磁性层中的原子，以实现层间 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用所需的对称性破缺。我们将产生的相互作用与 L'evy-Fert 模型进行比较，并观察到该模型与从头计算对原子位置的依赖性之间具有良好的总体一致性。此外，我们还推导出了取决于非磁性层中原子位置的层间各向同性交换相互作用强度的公式，并将其与第一原理结果进行了比较。我们通过分别关闭非磁性和磁性原子上的自旋轨道耦合并研究能带填充的影响来研究 L'evy-Fert 模型的局限性。我们的工作增进了对层间 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用微观机制的理解，并深入了解具有强层间 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的可能新材料组合。

通过掺入磁性 CrSb 增强 $p$ 型 BiSbTe 的热电性能

分类： 材料科学

作者： Raphael Fortulan, Suwei Li, Michael John Reece, Illia Serhiienko, Takao Mori, Sima Aminorroya Yamini

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15704v1

摘要： 有证据表明，磁性可能会增加材料的热电势，这很可能是由于磁振子散射所致，这表明将本征磁性半导体纳入非磁性热电材料中。这里，$\textit{p}$-型 Bi${0.5}$Sb${1.5}$Te$_{3}$ 的样品（Te 过量 10 at.%）以不同的比率进行球磨反铁磁半导体 CrSb（0、0.125、0.5 和 1 wt.%），通过放电等离子烧结技术制备大块样品。由于载流子有效质量的增加，含有 CrSb 的样品的热电势增加，表明存在源自磁性颗粒的阻力效应。然而，这是以载流子迁移率降低导致电导率降低为代价的。虽然总体上仅观察到功率因数略有改善，但与单相材料相比，这些样品的导热率明显较低。结果，对于含有 0.125 wt.% CrSb 的样品，在 325 K 时达到 $\textit{zT}$ 峰值 $\sim$1.4。这些结果凸显了掺入磁性第二相以增强材料热电性能的潜力。

通过在柔性 Kesterite 太阳能电池中插入单晶石墨烯实现准欧姆背接触

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yixiong Ji, Wentong Yang, Di Yan, Wei Luo, Jialu Li, Shi Tang, Jintao Fu, James Bullock, Mei Gao, Xin Li, Zhancheng Li, Jun Yang, Xingzhan Wei, Haofei Shi, Fangyang Liu, Paul Mulvaney

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15684v1

摘要： 柔性光伏电池具有轻质、适应性强的特点，可以部署在曲面和建筑立面上，一直是薄膜太阳能电池技术研究人员孜孜以求的目标。最近在提高锌黄锡矿 Cu${2}$ZnSn(S, Se)${4}$ (CZTSSe) 的太阳光到电能转换效率方面取得的进展表明它是一个完美的候选者。然而，在CZTSSe太阳能电池中使用稀有Mo箔会导致严重的热膨胀匹配问题、晶粒生长不均匀以及器件背接触的严重问题。在此，提出了一种利用单晶石墨烯修饰柔性CZTSSe太阳能电池背面界面的策略。结果表明，在Mo箔/CZTSSe界面插入石墨烯为随后沉积CZTSSe吸收层提供了强有力的物理支撑，提高了吸收层和Mo箔基底之间的粘附力。此外，石墨烯钝化了Mo箔表面的粗糙位点，增强了基底的化学均匀性，并在Mo箔基底上形成了更加结晶和均匀的CZTSSe吸收层。 Mo 和 CZTSSe 之间的有害反应也已被消除。通过电性能分析发现，背界面引入石墨烯促进了背接触处准欧姆接触的形成，降低了太阳能电池的背接触势垒，从而实现了太阳能电池的高效收集。背面接口充电。这项研究表明，基于溶液的 CZTSSe 光伏器件可以成为廉价且灵活的太阳能电池的基础。

建立基于深度学习的核磁共振化学位移预测的统一基准和框架

分类： 计算物理, 无序系统和神经网络, 材料科学, 化学物理

作者： Fanjie Xu, Wentao Guo, Feng Wang, Lin Yao, Hongshuai Wang, Fujie Tang, Zhifeng Gao, Linfeng Zhang, Weinan E, Zhong-Qun Tian, Jun Cheng

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15681v1

摘要： 结构-光谱关系的研究对于光谱解释至关重要，影响结构阐明和材料设计。由于分子结构的复杂关系，预测光谱具有挑战性。在此，我们介绍 NMRNet，这是一种使用 SE(3) Transformer 进行原子环境建模的深度学习框架，遵循预训练和微调范例。为了支持 NMR 化学位移预测模型的评估，我们根据以前的研究和数据库建立了一个全面的基准，涵盖不同的化学体系。将 NMRNet 应用于这些基准数据集，我们在液态和固态 NMR 数据集中实现了最先进的性能，展示了其在现实场景中的稳健性和实用性。这标志着固态和液态核磁共振首次集成在统一的模型架构中，凸显了对不同原子环境进行特定领域处理的需求。我们的工作为 NMR 预测设立了新标准，推动了分析和结构化学领域的深度学习应用。

晶相和晶界的大正则生成扩散模型

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Bo Lei, Enze Chen, Hyuna Kwon, Tim Hsu, Babak Sadigh, Vincenzo Lordi, Timofey Frolov, Fei Zhou

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15601v1

摘要： 扩散模型已成为生成材料科学原子结构的强大工具。这项工作引起了人们对当前基于粒子的扩散模型（将原子表示为点云）在生成最简单的有序晶体结构方面的缺陷的关注。该问题归因于在扩散过程的分数驱动模拟退火过程中粒子被困在局部最小值中，类似于力驱动模拟退火的物理过程。我们开发了一个解决方案，即大正则扩散模型，它采用了一种替代的基于体素的表示，具有连续而不是固定数量的粒子。该方法适用于生成几种常见的晶相以及技术上重要且具有挑战性的晶界结构问题。

热产生磁振子的非互易输运

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： M. Cosset-Chéneau, S. H. Tirion, X. Y. Wei, J. Ben Youssef, B. J. van Wees

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15595v1

摘要： 我们使用放置在超薄 YIG 薄膜顶部的 Py 线的磁化方向证明了电和热产生的非相干磁振子传输的非互易性。我们表明，Py 线下热产生磁振子的传输特性取决于温度梯度和 Py 磁化方向之间的相对方向。这种非互易磁振子传输的对称性与 YIG 和 Py 磁振子之间的远程偶极相互作用所预测的对称性相匹配，由 YIG 磁振子偶极杂散场的手性控制。我们还表明，Py 线的自旋塞贝克效应产生的定向磁振子显示出手性自旋塞贝克效应所预期的对称性。

利用通用原子间势的先验概率对原子结构进行贝叶斯优化

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Peder Lyngby, Casper Larsen, Karsten Wedel Jacobsen

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15590v1

摘要： 原子结构的优化在理解和设计具有所需性能的材料方面发挥着关键作用。然而，传统方法常常难以应对巨大势能面的艰巨任务，特别是在具有许多局部最小值的高维空间中。机器学习驱动的代理模型的最新进展为减轻这种计算负担提供了一条有希望的途径。在这项研究中，我们提出了一种新颖的方法，它将通用机器学习潜力的优势与 GOFEE/BEACON 框架的贝叶斯方法相结合。通过利用预先训练的通用机器学习势中编码的全面化学知识作为能量和力的事先估计，我们使高斯过程能够专注于捕获势能表面的复杂细微差别。我们通过对不同系统（包括周期性散装材料、表面结构和簇）的比较分析来证明我们方法的有效性。

自旋极化反铁磁金属

分类： 材料科学

作者： Soho Shim, M. Mehraeen, Joseph Sklenar, Steven S. -L. Zhang, Axel Hoffmann, Nadya Mason

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15532v1

摘要： 自旋极化反铁磁体最近引起了人们的极大兴趣，因为它们结合了自旋电子学应用中铁磁体（自旋极化）和反铁磁体（无净磁化）的优点。特别是，自旋极化反铁磁金属可用作活性自旋电子材料，因为它们具有高电导率和导热率，并且能够在电荷传输和磁自旋纹理之间承载强相互作用。我们回顾了自旋极化反铁磁金属中的自旋和电荷输运现象，其中金属导电性和自旋分裂能带的相互作用为反铁磁性提供了新颖的实际应用和新的基本见解。我们关注三种类型的反铁磁体：倾斜反铁磁体、非共线反铁磁体和共线交替磁体。我们还讨论了自旋极化反铁磁金属的研究如何为未来的研究方向打开大门。

了解多价盐溶液中的长程相反电荷排斥

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学

作者： Nikhil R. Agrawal, Carlo Carrao, Rui Wang

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15520v1

摘要： 离子之间的静电相关性深刻地影响双电层内的结构和力。在这里，我们应用修正的高斯重整波动理论来研究两个带相反电荷的表面之间反直觉的排斥现象，并讨论其与过度充电的关系。通过准确地考虑空间变化的离子-离子相关性的影响，我们捕获了二价、三价和四价离子的排斥力，与报告的模拟结果定量一致。我们证明，相反电荷的斥力是长程的，有效长度为几纳米。相反电荷排斥的强度随着多价盐浓度单调增加，与其他离子相关驱动现象（例如过度充电和同种电荷吸引）的非单调盐浓度依赖性形成鲜明对比。我们还阐明，相反电荷排斥的根源是由于离子-离子相关性，大量离子被吸引到双层，导致渗透压更高，静电吸引力屏蔽更强，从而导致整体两个带相反电荷的表面之间的排斥力。此外，我们证明相反电荷排斥与表面过度充电之间不存在因果关系。相反电荷排斥伴随着大间隔距离处的过度充电，但也可能发生在普通双层中，而在中间间隔距离处没有过度充电。

超导 II 型狄拉克半金属中的电子态：1T-PdSeTe

分类： 超导, 材料科学

作者： Yogendra Kumar, Shiv Kumar, Venkateswara Yenugonda, Ryohei Oishi, Jayita Nayak, Chaoyu Chen, Ravi Prakash Singh, Takahiro Onimaru, Yasuyuki Shimura, Shinichiro Ideta, Kenya Shimada

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15500v1

摘要： 我们研究了超导 II 型狄拉克半金属 1T-PdSeTe 的表面和体电子结构。 1T-PdTe$_2$ 中的超导转变温度 $T_C = 3.2$ K 几乎是 $T_C = 1.6$ K 的两倍。扫描透射电子显微镜测量显示硫族层中 Se 和 Te 原子均匀混合，与 CdI$_2$ 型晶体结构一致。角分辨光电子能谱测量和密度泛函理论计算表明拓扑表面态的存在，整体能带结构与1T-PdTe$_2$相似。这些结果表明，无论硫族层中的原子无序如何，CdI$_2$ 型晶格对称性决定了能带色散。由于电子能带色散和局部结构在取代后持续存在，$T_C$ 的增强可能与化学压力有关。我们的结果深入了解固溶体对表面和体电子态以及超导转变温度的影响。

高温物理气相沉积单层MoSe$_2$中激子的双轴应变调谐

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： S. Patel, T. Faltermeier, S. Puri, R. Rodriguez, K. Reynolds, S. Davari, H. O. H. Churchill, N. J. Borys, H. Nakamura

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15469v1

摘要： 我们通过使用高温物理气相沉积（PVD）提出了单层 MoSe$2$ 中激子发射的应变调谐。使用两种非晶衬底 Si${3}$N${4}$ 和 SiO${2}$ 提供两个设定点来诱导由热膨胀确定的不同量的 \textit{biaxis} 拉伸应变单层和基底之间的不匹配。通过光致发光（PL）发现$A$-激子跃迁能的调谐率为103meV/%，这代表了过渡金属二硫属化物中双轴应变实现的最高值。拉伸应变的双轴性质通过偏振分辨二次谐波的产生得到证实，这揭示了单层的不受扰动的面内三重对称性。此外，在拉曼光谱中发现了 $A_\mathrm{1g}$ 面外晶格振动的软化，已知这对于单轴应变来说是微不足道的。与此同时，我们的 PVD ​​单层的 PL 映射表明 (i) 与边缘相比，单域岛的内部发生更大的应变，并且 (ii) 诱导应变的大小不存在岛尺寸依赖性。我们的结果证明了通过使用生长基板进行激子应变工程的有效途径，这作为未来光电应用的构建模块具有广阔的前景。

光激发量子点的超快对称控制

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： Burak Guzelturk, Joshua Portner, Justin Ondry, Samira Ghanbarzadeh, Mia Tarantola, Ahhyun Jeong, Thomas Field, Alicia M. Chandler, Eliza Wieman, Thomas R. Hopper, Nicolas E. Watkins, Jin Yue, Xinxin Cheng, Ming-Fu Lin, Duan Luo, Patrick L. Kramer, Xiaozhe Shen, Alexander H. Reid, Olaf Borkiewicz, Uta Ruett, Xiaoyi Zhang, Aaron M. Lindenberg, Jihong Ma, Richard Schaller, Dmitri V. Talapin, Benjamin L. Cotts

发布时间： 2024-08-28

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15464v1

摘要： 对称控制对于实现铁电性、非线性光学响应和复杂拓扑序等非常规特性至关重要，因此它为新兴量子和光子系统的设计带来了希望。然而，快速且可逆地控制材料的对称性仍然是一个挑战，特别是对于纳米级系统。在这里，我们揭示了胶体铅硫族化物量子点在皮秒时间尺度上的可逆对称性变化。结合超快电子衍射和全 X 射线散射，结合原子尺度结构建模和第一性原理计算，我们揭示了对称性破缺的硫化铅量子点在光激发后恢复到中心对称相。对称性恢复由光激发电子载流子驱动，可抑制铅偏心约 100 ps。此外，如瞬态光学测量所示，对称性的变化与电子特性密切相关。总的来说，这项研究阐明了胶体量子点的可逆对称性变化，并更广泛地定义了一种在超快时间尺度上光学控制纳米级系统对称性的新方法。

用于多晶材料应力场建模的无发散神经算子

分类： 计算工程、金融和科学, 材料科学, 机器学习, 偏微分方程分析

作者： Mohammad S. Khorrami, Pawan Goyal, Jaber R. Mianroodi, Bob Svendsen, Peter Benner, Dierk Raabe

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15408v1

摘要： 当前工作的目的是开发和比较傅里叶神经算子（FNO），用于多晶材料准静态机械响应的代理建模。这里考虑三种类型的 FNO：物理引导的 FNO (PgFNO)、物理通知的 FNO (PiFNO) 和物理编码的 FNO (PeFNO)。借助来自具有周期性晶粒微观结构的异质弹性材料参考模型的应力场数据，对这些数据进行训练和比较。 PgFNO 训练仅基于这些数据，而 PiFNO 和 PeFNO 的训练还受到应力场满足机械平衡（即无发散）要求的限制。 PiFNO 和 PeFNO 之间的区别在于如何考虑此约束；在 PiFNO 中，它包含在损失函数中，而在 PeFNO 中，它被“编码”在算子架构中。在当前的工作中，这种编码基于应力势和傅里叶变换。因此，只有PiFNO的训练受到机械平衡的约束；相反，机械平衡限制了 PeFNO 的训练和输出。特别是由于这一点，在所考虑的示例情况中，由训练有素的 PeFNO 计算的应力场明显比由训练有素的 PiFNO 计算的应力场更准确。

利用电子背散射衍射改善低碳奥氏体中的母体-奥氏体孪晶晶重构

分类： 材料科学

作者： Ruth M Birch, T. Ben Britton, Warren J Poole

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.16788v1

摘要： 热机械控制加工 (TMCP) 广泛用于通过微观结构工程优化高强度低合金 (HSLA) 钢的最终性能。室温微观结构受到高温奥氏体相的影响，并且通常通过使用最终微观结构的电子背散射衍射（EBSD）数据重建来获得奥氏体微观结构。 PAG 微观结构重建和随后的奥氏体晶粒尺寸测量面临的挑战是奥氏体相退火孪晶的存在，我们通过新的“重新排序”算法解决了这一挑战。我们的算法已使用残留奥氏体区域（通过 EBSD 图案的高级图案匹配恢复）进行了验证。我们证明，重新排序算法显着改善了 PAG 重建，特别是对于晶界网络以及与其他晶粒尺寸评估方法和 TMCP 钢开发的相关性。

非均匀反常霍尔效应的界限和异常

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Christopher Ard, Evan Camrud, Olivier Pinaud, Hua Chen

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15195v1

摘要： 众所周知，当测量的样品在空间上不均匀时，解释传输实验结果可能具有挑战性。然而，对非均匀系统中测量的传输系数和实际传输系数之间的差异（尤其是霍尔效应）的差异缺乏定量理解。在这项工作中，我们使用均质化理论在最小假设下找到非均质导体中测量的或均质的反常霍尔电导率 (AHC) 的精确界限。特别是，我们证明均质 AHC 不能超过局部 AHC 的界限。然而，在常见的实验设置中，可能会出现违反上述界限的异常情况，一个常见的例子是霍尔磁滞曲线的“驼峰”或“下降”，通常归因于拓扑霍尔效应 (THE)。我们给出了两个例子，展示了不同类型的不均匀性如何导致这种明显的异常，并讨论了它们在实验中的相关性。

用于远程交互机器学习的潜在埃瓦尔德求和

分类： 机器学习, 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Bingqing Cheng

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15165v1

摘要： 机器学习原子间势（MLIP）通常忽略长程相互作用，例如静电力和​​色散力。在这项工作中，我们引入了一种简单而有效的方法来解释远程交互，通过从局部原子描述符中学习潜在变量并对这个变量应用埃瓦尔德求和。我们证明，在包括带电、极性或非极性分子二聚体、大量水和水蒸气界面的系统中，即使采用消息传递，标准的短程 MLIP 也可能导致非物理预测。远程模型有效地消除了这些伪影，其计算成本仅为短程 MLIP 的两倍左右。

延性材料与脆性材料中随机离散位错动力学的模拟

分类： 材料科学, 数值分析, 数值分析

作者： Santosh Chhetri, Maryam Naghibolhosseini, Mohsen Zayernouri

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15157v1

摘要： 材料在制造过程中不可避免地会出现缺陷。这些缺陷的存在及其动态显着影响材料的响应。彻底了解不同类型材料在各种条件下的位错动力学对于分析材料的性能至关重要。材料的延展性与施加载荷下位错的运动和重新排列直接相关。在这项工作中，我们使用简化的二维离散位错动力学 (2D-DDD) 模拟来研究延性和脆性材料中的位错动力学。我们分别将铝 (Al) 和钨 (W) 视为延性材料和脆性材料的代表示例。我们研究域内位错相互作用期间的速度分布、应变场、位错计数和结形成。此外，我们研究了两种材料位错运动的概率密度。在介观尺度上，移动位错可以被认为是粒子扩散，通常是随机的和超扩散的。经典扩散模型无法解释这些现象和位错的长程相互作用。因此，我们提出了概率密度的非局部传输模型，并使用机器学习框架获得了非局部算子的参数。

由于电压依赖性动力学和热力学之间的相互作用，银电极对 CO$_2$ 电还原中的 CO 具有高度选择性

分类： 材料科学

作者： Michele Re Fiorentin, Francesca Risplendi, Clara Salvini, Juqin Zeng, Giancarlo Cicero, Hannes Jónsson

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15124v1

摘要： 电化学还原是利用 CO$_2$ 作为生产可再生燃料和有价值化学品的原料的一种有前景的方法。电催化剂中可以使用多种金属来生成二氧化碳和甲酸，但氢气的形成是一种不需要的副反应，甚至可能是主要副反应。缺乏选择性通常是一个重大问题，但银基电催化剂已被证明对 CO 具有高度选择性，当施加的电压低于 -1 V（相对于 RHE）时，法拉第效率超过 90%。即使热力学上有利，氢的形成也微不足道，并且几乎没有甲酸盐形成。我们计算了各个基本步骤的活化自由能，作为三个低折射率面 Ag(111)、Ag(100) 和 Ag(110) 处施加电压的函数，以及对多晶电极的实验测量，找出这种高选择性的原因。由于吸附氢的覆盖率低以及对 HCOO* 中间体形成的动力学阻碍，甲酸的形成受到抑制，而 *COOH（CO 形成的关键中间体）在热力学上不稳定，直到施加的电压达到 -1 V vs RHE，此时其形成动力学比氢更有利。计算结果与酸性条件下进行的实验测量一致，并提供了对银基电催化剂的高 CO 选择性的原子尺度洞察。

通过给 Si 悬键充电增强 Si(100)-Cl 对 PBr3 的反应活性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： T. V. Pavlova, V. M. Shevlyuga

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15112v1

摘要： 研究了 PBr3 分子与氯化 Si(100) 表面上 Si 悬空键 (DB) 的相互作用。 DB 在扫描隧道显微镜 (STM) 中充电，然后直接在 STM 室中暴露于 PBr3。不带电的 DB 很少与分子发生反应。相反，几乎所有带正电的 DB 都充满了分子碎片。由于 PBr3 与带正电荷的 DB 相互作用，分子解离成 PBr2 和 Br，并形成 Si-Br 键和 PBr2 解吸。这些发现表明，带电 DB 显着改变了表面对 PBr3 的反应性。此外，我们计算了带有 DB 的 Si(100)-2x1-H 表面上的 PH3 吸附，发现 DB 电荷也有显着的影响。结果，我们证明了带正电的双空载态 DB 增强了具有孤对电子的分子的吸附。

解决方钴矿 CoSb3 中压力引起的“自插入”问题

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 其他凝聚态物质, 强关联电子

作者： Bihan Wang, Anna Pakhomova, Saiana Khandarkhaeva, Mirtha Pillaca, Peter Gille, Zhe Ren, Dmitry Lapkin, Dameli Assalauova, Pavel Alexeev, Ilya Sergeev, Satishkumar Kulkarni, Tsu-Chien Weng, Michael Sprung, Hanns-Peter Liermann, Ivan A. Vartanyants, Konstantin Glazyrin

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15105v1

摘要： CoSb3 是一种方钴矿化合物，是研究热电材料的关键。在压缩下，它会经历“自插入”同构转变，在晶体位点之间重新分配大的锑原子。我们使用单晶 X 射线衍射和高分辨率 X 射线散射（包括布拉格相干衍射成像）研究了 CoSb3 高达 70 GPa 的结构稳定性。我们检查了三种压力传输介质 (PTM) 中的材料，探索 PTM 和非静水应力如何影响 CoSb3。值得注意的是，“自插入”转变可能会降低压缩率，甚至使压缩率变为负值。此外，我们报告了在 40 GPa 以上从立方 Im-3 到三角 R-3 的先前未知的相变，并讨论了这些相的独特行为。

数据驱动的 3D 打印壳体非线性变形设计

分类： 图形, 材料科学, 机器学习

作者： Samuel Silverman, Kelsey L. Snapp, Keith A. Brown, Emily Whiting

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15097v1

摘要： 设计和制造具有特定机械性能的结构需要了解设计参数和性能之间的复杂关系。对于非线性变形，理解设计与性能的关系变得越来越复杂。尽管在模拟弹性变形方面取得了成功，但基于模拟的技术很难对表现出塑性和致密化的大型弹塑性变形进行建模。我们提出了一种基于实验数据训练的神经网络，以了解 3D 打印壳体及其压缩力-位移行为之间的设计与性能关系。经过数千次物理实验的训练，我们的网络有助于正向和逆向设计，以生成表现出所需弹塑性和超弹性变形的壳体。我们通过制造和测试验证生成的设计的子集。此外，我们还展示了网络在为多个应用程序生成自定义 shell 方面的逆向设计功效。

基于多通道机器学习的半导体非局域动能密度泛函

分类： 材料科学

作者： Liang Sun, Mohan Chen

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.15062v1

摘要： 构建精确的动能密度泛函（KEDF）仍然是无轨道密度泛函理论领域的主要挑战。我们提出了一种基于多通道机器学习的物理约束非局部 (CPN) KEDF 并在 ABACUS 包中实现它。 CPN KEDF 扩展了之前提出的 MPN KEDF [Phys. Rev. B 109, 115135 (2024)]通过集成从多个通道收集的信息来实现半导体系统，每个通道在实际空间中具有特定的长度尺度。 CPN KEDF 对半导体（包括硅和二元半导体）进行了系统测试。我们的研究结果表明，多通道架构有利于基于机器学习的模型捕获半导体的特性，特别是在处理共价键方面。特别是，采用五个通道的 CPN5 KEDF 在所有测试系统中都表现出出色的准确性。这些结果为设计可迁移的、基于机器学习的半导体 KEDF 提供了新的思路。

用于多栅极Ge基量子器件的高保真TiN处理模式

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Sinan Bugu, Sheshank Biradar, Alan Blake, CheWee Liu, Maksym Myronovd, Ray Duffy, Giorgos Fagas, Nikolay Petkov

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14966v1

摘要： 电荷或自旋量子位可以通过在半导体中使用栅极定义的量子点 (QD) 来实现，其方式与传统场效应晶体管或更新的鳍式 FET 技术的 CMOS 中使用的工艺类似。然而，为了实现更多数量的门定义的量子位，需要具有最终高分辨率和保真度的多个门。电子束光刻 (EBL) 为门定义的自旋量子位器件提供灵活且可调谐的图案，用于研究重要的量子现象。虽然此类器件通常通过使用金属剥离的正抗蚀剂工艺来实现，但在分辨率和图案保真度方面存在一些明显的限制。在此，我们报告了基于最高分辨率氢倍半硅氧烷 (HSQ) EBL 抗蚀剂和所有相关处理模式的替代 TiN 多栅极定义方法的系统研究。形成的 TiN 门阵列显示出出色的保真度、尺寸低至 15 nm、各种密度和复杂性。开发的处理模式用于证明该方法在形成两种类型的自旋量子位器件原型的多栅极架构方面的适用性：i) 纳米线/鳍型 FET 和 ii) 平面量子阱型器件，两者均采用外延在 Si 上生长 Ge 器件层，其中 GeSn 或 Ge 是 QD 的主体材料。

使用基于逆变分自动编码器的生成方法来瞄准化学无序材料的配分函数

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Maciej J. Karcz, Luca Messina, Eiji Kawasaki, Emeric Bourasseau

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14928v1

摘要： 计算化学无序材料的原子尺度特性需要对其巨大的配置空间进行有效的探索。蒙特卡罗或特殊拟随机结构等传统方法要么需要对过量的配置进行采样，要么不能确保配置空间已被正确覆盖。在这项工作中，我们提出了一种新颖的方法，其中使用生成机器学习来生成一组代表性的配置，以进行准确的属性评估，并以最小的计算成本提供原子尺度属性的准确估计。我们的方法采用特定类型的变分自动编码器，编码器和解码器具有相反的角色，从而能够应用不需要任何初始训练数据库的无监督主动学习方案。该模型迭代地生成配置批次，其属性是使用传统的原子尺度方法计算的。然后将这些结果反馈到模型中以估计配分函数，重复该过程直到收敛。我们通过计算 (U, Pu)O2 混合氧化物燃料中的点缺陷形成能和浓度来说明我们的方法。此外，机器学习模型还提供了有关影响目标属性的物理因素的宝贵见解。我们的方法通常适用于探索理想或非理想无序材料（如高熵合金）的其他特性，例如原子尺度扩散系数。

海湾边缘之字形石墨烯纳米带的电子结构和拓扑

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Tsai-Jung Liu, Florian M. Arnold, Alireza Ghasemifard, Qing-Long Liu, Dorothea Golze, Agnieszka Kuc, Thomas Heine

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14839v1

摘要： 借助先进的合成技术，可以以原子精度生产各种结构明确的石墨烯纳米带（GNR）。因此，找到它们的结构和性能之间的关系对于GNR的合理设计变得非常重要。在这项工作中，我们探索了海湾边缘锯齿形石墨烯纳米带（ZGNR-Gs）的完整化学空间，锯齿形石墨烯纳米带是锯齿形石墨烯纳米带的一个子类，其中锯齿形边缘以规则序列缺失碳原子。我们证明 ZGNR-G 的电子特性取决于四个结构参数：带宽度、海湾边缘尺寸、单位长度和海湾偏移。使用紧束缚计算和 Hubbard 模型，我们发现所有 ZGNR-G 都是具有不同带隙的半导体；此类材料中不含金属。值得注意的是，当考虑自旋极化时，大多数 ZGNR-G 表现出反铁磁行为，自旋矩和自旋引起的带隙开口通过边缘处的较长锯齿形段来稳定。此外，我们提供了简单的经验规则来描述基于上述结构参数的 Z2 拓扑不变量。通过分析 ZGNR-G 的完整化学空间，我们为具有纳米电子应用所需的电子、磁性和拓扑特性的 GNR 设计提供了见解。

商用 In-Sn 焊料中涡流捕获驱动的非易失性磁热开关

分类： 超导, 材料科学

作者： Poonam Rani, Takumi Murakami, Yuto Watanabe, Hossein Sepehri-Amin, Hiroto Arima, Aichi Yamashita, Yoshikazu Mizuguchi

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14824v1

摘要： 磁热开关（MTS）是高效热管理的关键技术。最近，在 Sn-Pb 焊料中观察到具有非挥发性的大 MTS [H. Arima 等人，Commun。马特。 5, 34 (2024)] 其中相分离、Sn 和 Pb 的不同超导转变温度 (Tc) 以及磁通俘获是非易失性 MTS 的原因。为了进一步了解该机制并获得提高开关比的策略，需要探索具有非易失性 MTS 的新型相分离超导体。在这里，我们展示了 In52-Sn48 商用焊料是一种相分离超导复合材料，具有两个 Tc，并在现场冷却后捕获涡流。在 T = 2.5 K 时观察到非挥发性 MTS 的清晰特征。从特定的热分析中，我们得出结论，场冷却后涡流主要被困在较低 Tc 相（{\gamma}-相）中，这证明了涡流捕获还致力于在相分离超导复合材料中实现非易失性 MTS。

电子叠层描记术揭示了由阴离子位移主导的铁电性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Harikrishnan K. P., Ruijuan Xu, Kinnary Patel, Kevin J. Crust, Aarushi Khandelwal, Chenyu Zhang, Sergey Prosandeev, Hua Zhou, Yu-Tsun Shao, Laurent Bellaiche, Harold Y. Hwang, David A. Muller

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14795v1

摘要： 铌酸钠是一种无铅铁材料，具有微妙平衡的竞争有序参数，包括可以通过外延应变稳定的铁电态。在这里，我们使用多层电子叠层成像技术表明，由此产生的宏观铁电表现出非常规的微观结构。该技术克服了限制传统电子显微镜的多重散射伪影，使横向空间分辨率超出衍射极限并恢复三维结构信息。这些成像功能使我们能够将样品的铁电内部与松弛的表面结构分开，并以皮米精度识别软声子模式和相关的结构畸变。与传统的铁电钙钛矿不同，我们发现这种材料的极性畸变涉及阳离子亚晶格的最小畸变，而是由阴离子位移主导。我们对界面八面体旋转工程的薄膜厚度建立了限制，并直接可视化由相关声子模式的平坦色散引起的不相称的八面体旋转图案。

亚铁磁体在其补偿温度范围内的内部磁化强度的偏振中子测量

分类： 材料科学

作者： C. D. Hughes, K. N. Lopez, T. Mulkey, J. C. Long, M. Sarsour, M. Van Meter, S. Samiei, D. V. Baxter, W. M. Snow, L. M. Lommel, Y. Zhang, P. Jiang, E. Stringfellow, P. Zolnierczuk, M. Frost, M. Odom

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14794v1

摘要： 我们展示了模型 Ne'el 亚铁磁材料多晶铽铁石榴石（Tb${3}$Fe${5}$O${12}$，简称 TbIG）的第一张偏振中子透射图像，因为它是通过其补偿温度 $T{comp}$ 获取的，根据亚铁磁性理论，内部磁化强度应该消失。我们的偏振中子成像数据以及使用中子自旋回波谱和 SQUID 磁力测量的附加支持测量都与 $T_{comp}$ 处消失的内部磁化一致。

圆柱形晶界的动力学和平衡形状

分类： 材料科学

作者： Anqi Qiu, Caihao Qiu, Ian Chesser, Jian Han, David Srolovitz, Elizabeth Holm

发布时间： 2024-08-27

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14752v1

摘要： 在这项工作中，我们通过分子动力学模拟和连续体、基于断开的晶界迁移模型，研究了 Ni 中旋转、嵌入、初始圆柱形晶粒（具有 [001] 圆柱轴）在施加的合成驱动力下的形状演化。对于一些初始的错误取向，膨胀的晶粒形成明确的、多面的形状，而对于其他的，形状保持圆柱形。嵌入的晶粒在晶界迁移过程中倾向于旋转，旋转方向取决于初始取向差和生长方向（膨胀/收缩）。由低迁移率晶界平面界定的动力学形状不同于平衡形状（由低能晶界界定）。基于多模式断开模型的预测与分子动力学结果一致，包括刻面趋势、动态晶粒形状和晶粒旋转（作为错误取向的函数）以及晶粒是膨胀还是收缩。这表明晶界迁移和相关的晶粒旋转是由沿晶界的断开流介导的。

使用基于忆阻器的神经网络进行片上学习：评估器件变化、电导误差和输入噪声下的准确性和效率

分类： 神经和进化计算, 材料科学, 机器学习

作者： M. Reza Eslami, Dhiman Biswas, Soheib Takhtardeshir, Sarah S. Sharif, Yaser M. Banad

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14680v1

摘要： 本文提出了一种基于忆阻器的内存计算硬件加速器，用于片上训练和推理，重点关注其针对设备变化、电导误差和输入噪声的准确性和效率。该研究利用市售银基金属自引导通道 (M-SDC) 忆阻器的真实 SPICE 模型，将固有的器件非理想性纳入电路模拟中。该硬件由 30 个忆阻器和 4 个神经元组成，利用三种不同的 M-SDC 结构以及钨、铬和碳介质来执行二值图像分类任务。片上训练算法精确调整忆阻器电导以实现目标权重。结果表明，在训练期间加入中等噪声 (<15%) 可增强对设备变化和噪声输入数据的鲁棒性，尽管存在电导变化和输入噪声，仍可实现高达 97% 的准确度。该网络可以容忍 10% 的电导误差，而不会造成明显的精度损失。值得注意的是，在训练期间省略初始忆阻器复位脉冲可以大大减少训练时间和能耗。采用铬基忆阻器设计的硬件表现出卓越的性能，实现了 2.4 秒的训练时间和 18.9 mJ 的能耗。这项研究为开发强大且节能的基于忆阻器的神经网络提供了见解，用于边缘应用中的片上学习。

掺杂范德华铁磁体 CrBr3:Yb3+ 中的光学解析交换分裂

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Thom J. Snoeren, Kimo Pressler, Daniel R. Gamelin

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14663v1

摘要： 三卤化铬（CrX3；X = Cl、Br、I）长期以来一直作为理解离子晶体中的磁性和磁光的模型系统，并且最近它们还作为磁性二维（2D）范德华的原型出现。瓦尔斯材料。尽管现在已经对 CrX3 化合物的物理性质进行了深入的探索，但令人惊讶的是，利用杂质掺杂来产生新的性质仍然没有得到充分的探索。在这里，我们报告了镧系元素掺杂 CrBr3 的磁和磁光性质，其中 Yb3+ 被引入作为自旋承载光学点缺陷。 CrBr3-to-Yb3+ 能量转移可有效地敏化窄线近红外掺杂剂光致发光。磁光测量表明，周围的 CrBr3 晶格可以轻松地对顺磁性 Yb3+ 杂质进行自旋操纵。光致发光数据表明，基态和激发态 Yb3+ 双峰的 Kramers 自旋简并通过与邻近 Cr3+ 离子的强磁交换自发提升，因此即使在零外部磁场下，单个 Yb3+ 自旋跃迁也很容易解析。这些分裂的温度和场依赖性可用于探测局部和远程自旋相关性。这些结果强调了使用外在光学杂质为这种经典的 2D 范德华磁体添加新的自旋光子功能。

使用金钝化 Nb 或 NbN 上的铟微球作为凸块下金属化层的超导倒装芯片器件

分类： 超导, 材料科学, 应用物理

作者： Achintya Paradkar, Paul Nicaise, Karim Dakroury, Fabian Resare, Witlef Wieczorek

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14655v1

摘要： 超导倒装芯片互连对于传感和量子技术应用中超导电路的三维集成至关重要。我们展示了一种超导倒装芯片的简化方法，使用市售的铟微球和内部构建的转移台来粘合两个用超导薄膜图案化的芯片。我们使用金钝化铌或氮化铌层作为铝基超导层和铟互连之间的凸块下金属化 (UBM) 层。在毫开尔文温度下，我们的倒装芯片组件可以传输数十毫安的超电流，但受到 UBM 层的最小几何特征尺寸和临界电流密度的限制。我们还表明，铟互连本身可以承载超过 1,A 的超电流。我们的倒装芯片组装不需要铟的图案化和电镀，也不需要倒装芯片键合机。因此，所提出的倒装芯片器件可用于需要很少的超导互连以在毫开尔文温度下承载大电流的应用。

加速结构稳定性无能计算器

分类： 材料科学, 原子和分子簇

作者： Alexandre Boucher, Cameron Beevers, Bertrand Gauthier, Alberto Roldan

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14577v1

摘要： 计算模型是催化研究的一个组成部分。有了它，新的方法正在被开发和实施，以提高模拟的准确性，同时降低计算成本。特别是，特定的机器学习技术已被应用于从头开始的结果构建原子间势。在这里，我们报告了一种无能量机器学习计算器，它结合了三个单独训练的神经网络来预测颗粒物质的能量和原子力。研究了三种结构：单金属纳米粒子、双金属纳米合金和负载金属微晶。原子能是通过图神经网络预测的，密度泛函理论 (DFT) 计算的平均绝对误差 (MAE) 在 0.004 eV 以内。预测原子力的任务分为两个前馈网络，一个预测力的范数，另一个预测力的方向。力预测得出的 MAE 与 DFT 结果相比在 0.080 eV/A 以内。图神经网络预测的可解释性通过内聚能形式的单金属粒子的物理原理得到了证明。

通用 MJ 自旋电子模型：在量子世界中进行一次偶然的探险

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Manish Kumar Mohanta, Puru Jena

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14571v1

摘要： 这项工作介绍了一对新颖的通用 MJ 自旋电子模型，可以精确地反映在材料中观察到的复杂自旋纹理。自旋轨道耦合（SOC）哈密顿量 $\mathcal{H}{MJ1}$ 和 $\mathcal{H}{MJ2}$ 通过调节自旋轨道相互作用揭示了一系列新颖且有趣的自旋现象。这些哈密顿量举例说明了两种不同的自旋纹理： $\mathcal{H}{MJ1}$ 区分单向动量无关的持久自旋纹理 (PST) 和双向部分 PST，而 $\mathcal{H}{MJ2}$ 描绘螺旋自旋纹理在概念上可以与二维平面中量子宇宙的膨胀/收缩联系起来。我们还探讨了早期分析模型的基本方面，这些模型支撑着当前 MJ 自旋电子模型的构建。这些模型的物理解释以图形方式说明，并且使用简单的矢量模型阐明了复杂 SOC 引起的新出现的自旋现象。

扭曲莫尔结构中维格纳晶体和莫特绝缘体的稳定性

分类： 材料科学

作者： Daniel Erkensten, Samuel Brem, Raul Perea-Causin, Ermin Malic

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14553v1

摘要： 过渡金属二硫化物 (TMD) 构成了一个有趣的平台，用于研究电荷有序态，包括传统和广义的维格纳晶体以及莫特绝缘态。在这项工作中，我们将电子晶体振动的声子模式展开与林德曼准则相结合，研究 MoSe$_2$ 单层和扭曲 MoSe$_2$-WSe$ 示例材料中这些强相关相的量子和热稳定性_2$ 异质结构。我们发现异双层中的莫尔势充当谐波陷阱，使声子激发的能量色散平坦，并导致与单层维格纳晶体相比熔化温度高一个数量级。此外，我们还探讨了相关态相对于介电环境和双层堆叠的可调谐性。特别是，我们表明，与 hBN 封装的 TMD 相比，独立式 TMD 的筛选减少导致熔化温度提高十倍。此外，R型堆叠异质结构中更深的莫尔势使得广义维格纳晶体比H型堆叠中更稳定。总的来说，我们的研究为基于 TMD 的结构中电荷有序态的稳定性和可调性提供了重要的微观见解。

用于改进近场换能器中等离子体激元传输和纳米加热的金基合金的多尺度设计

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理, 计算物理, 光学

作者： Okan K. Orhan, Frank Daniel Bello, Nicolás Abadía, Ortwin Hess, John F. Donegan, David D. O'Regan

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14451v1

摘要： 等离子近场换能器 (NFT) 在从医疗设备到下一代数据处理技术等多种应用的纳米级加热管理中发挥着关键作用。我们提出了一种新颖的多尺度方法，将量子多体微扰理论与有限元建模相结合，来预测各种金基贵金属 (M) 合金的电和热材料参数。具体来说，我们专注于在 NFT 中对其性能进行建模，该 NFT 旨在聚焦高强度、亚衍射光，用于纳米级蚀刻、操纵、传感和热辅助磁记录 (HAMR) 等技术。元素金由于其在相关波长下具有优异的等离子体性能，是长期存在的通用 NFT 介质。然而，单质金是一种柔软的延展性材料，容易因极端温度梯度而挤压和变形。因此，将 Au 与其他贵金属（如 Ag、Cu、Pd 或 Pt）合金化，引起了人们极大的兴趣，以提高机械和热鲁棒性，同时在标准光电工作波长（例如，$\约 830$nm）下达到等离子体产生阈值，并且近似高功率 NFT 温度（$\约 400$K）。我们预测，与单质 Au 相比，某些 Au-Ag 合金作为全 NFT 介质可能会提供更高的热稳定性，并且其等离子体品质因数与 Au 相当。对某些固溶体 Au-Pd/Pt 合金的模拟使我们能够预测导热率显着增强。我们预测，低浓度 $\sim 10%$ 与 Pd 合金化可以保留 Au 的 NFT 性能，同时提供改善的热稳定性和机械稳定性的优点。

渠道光在二氧化钒中创建定向和可切换的表面结构

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Daniel Kazenwadel, Noel Neathery, Peter Baum

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14364v1

摘要： 具有可切换纳米结构表面的材料具有超越天然材料的光学和电子功能。在这里，我们报告了在单晶二氧化钒中创建自组织、可重写、激光诱导的表面结构。我们发现了由只能沿一个晶轴传播的管道化表面等离子体激元引起的各向异性特征。纳米结构保持单晶状态，并保留原材料的金属到绝缘体的转变，从而能够通过温度或光进行飞秒切换。

Fe/CoO 双层超快铁磁-反铁磁有序动力学的元素选择性探测

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Chowdhury S. Awsaf, Sangeeta Thakur, Markus Weißenhofer, Jendrik Gördes, Marcel Walter, Niko Pontius, Christian Schüßler-Langeheine, Peter M. Oppeneer, Wolfgang Kuch

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14360v1

摘要： 通过共振软 X 射线反射率以元素分辨方式检查 Ag(001) 上外延 Fe/CoO 双层的超快磁化动力学。在时间分辨率为 120 fs 的泵浦探针实验中，通过反射测量 Co L2 边缘处的瞬态磁线性二色性和 Fe L3 边缘处的磁圆二色性，分别表明 CoO 和 Fe 中反铁磁和铁磁序的损失。用 800 和 400 nm 波长的 60 fs 光脉冲激发后 300 fs 内。与使用原子自旋模型的自旋动力学模拟进行比较表明，在 800 nm 激发的情况下，从 Fe 中的激光激发电子到 CoO 中的磁矩的直接能量转移提供了主要的退磁通道。

Al-Al3Ni 体系中从不规则共晶生长到规则共晶生长：定向凝固过程中的原位观察

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： Paul Chao, Shanmukha Kiran Aramanda, Xianghui Xiao, Sabine Bottin-Rousseau, Silvère Akamatsu, Ashwin J. Shahani

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14346v1

摘要： 我们研究了 Al-Al3Ni 合金的不规则共晶生长动力学，其中固相之一 (Al3Ni) 从液体中生长成小面。利用原位光学显微镜和同步加速器透射 X 射线显微镜，我们解决了生长前沿处 Al 和 Al3Ni 之间的耦合程度以及定向凝固过程中在块体固体中留下的微结构形状的问题。实时光学观测提供了从低凝固速度 V（通常为 1 ${\mu}ms^{-1}$）下的共晶晶粒依赖性、不规则共晶生长到弱各向异性、规则生长的形态转变的证据在较高的 V 处（达到 10 ${\mu}ms^{-1}$）。布鲁克海文国家实验室 NSLS-II 的新定向凝固 (DS) 装置使前所未有的固液界面 X 射线纳米成像和生长模式的 3D 表征成为可能。在低 V 时，观察到部分刻面的 Al3Ni 晶体的前导尖端在 Al 生长前沿之前不远的地方生长。关联原位图像和死后 3D 断层扫描重建表明，固体中 Al3Ni 晶体的小面和非小面区域的存在分别是 DS 期间耦合和解耦的直接结果。随着 V 的增加，Al3Ni 的引线距离消失，并且 Al3Ni 的形状不再受刻面生长的控制。这些观察揭示了 Al3Ni 系统中随 V 增加而控制从刻面生长到棒状生长转变的基本机制（刻面生长、扩散耦合和三结动力学），对一大类不规则共晶具有广泛的影响。

MoTe$_{2-x}$ kagome 单层中的 Kagome 能带和磁性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Jiaqi Dai, Zhongqin Zhang, Zemin Pan, Cong Wang, Chendong Zhang, Zhihai Cheng, Wei Ji

发布时间： 2024-08-26

链接： http://arxiv.org/abs/2408.14285v2

摘要： Kagome 晶格促进各种量子相，但在块体材料中，其 Kagome 平带经常与块体带相互作用，抑制 Kagome 电子特性以容纳这些相。在这里，我们使用密度泛函理论计算来预测一系列由镜像孪生边界（山地车）循环。我们分析了十种不同尺寸和布置的 MTB 环路配置，以评估它们对各种性能的影响。在 MoTe${2}$ 的固有带隙内，我们识别出两组 kagome 能带，主要分别源自 MTB 环边缘和顶点处的面内和面外 Mo d 轨道。三种配置表现出卓越的稳定性，而其他三种配置则表现出相当的稳定性。其中，四个显示带隙和潜在的非零 Z${2}$ 拓扑不变量，表明可能的拓扑相，而其余两个是金属性的并具有斯通纳磁化特征。这些发现指导了具有可调电子、拓扑和磁性特性的基于 kagome 的二维材料的设计。

Isolation and characterization of atomically thin mica phyllosilicates

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Kristine L. Haley, Noah F. Lee, Vergil M. Schreiber, Nicholas T. Pereira, Randy M. Sterbentz, Timothy Y. Chung, Joshua O. Island

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13249v1

摘要： One of the roadblocks to employing two-dimensional (2D) materials in next generation devices is the lack of high quality insulators. Insulating layered materials with inert and atomically flat surfaces are ideal for high performance transistors and this has been exemplified with commonly used boron nitride. While the list of insulating 2D materials is limited, the earth-abundant phyllosilicates are particularly attractive candidates. Here, we investigate the properties of atomically thin biotite and muscovite, the most common and commercially important micas from the rock-forming minerals. From a group of five natural bulk samples, energy dispersive X-ray spectroscopy is used to classify exfoliated flakes into three types of biotite, including the phlogopite endmember, and two muscovites. We provide a catalog of RGB contrast values for exfoliated flakes ranging from bilayer to approximately 175 nm. Additionally, we report the complex index of refraction for all investigated materials based on micro-reflectance measurements. Our findings suggest that earth-abundant phyllosilicates could serve as scalable insulators for logic devices employing 2D materials, potentially overcoming current limitations in the field.

Rules governing Jahn-Teller order in Prussian blue analogues

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Elodie A. Harbourne, John Cattermull, Hanna L. B. Boström, Rebecca Witte, Nikolaj Roth, Mauro Pasta, David A. Keen, Andrew L. Goodwin

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13169v1

摘要： Jahn-Teller distortions of transition-metal coordination environments link orbital occupancies to structure. In the solid state, such distortions can be strongly correlated through the propagation of strain and/or through orbital interactions. Cooperative Jahn-Teller (CJT) order of this kind affects the electronic, magnetic, and structural properties of the materials in which it occurs. Conventionally studied in dense ceramics, CJT order also occurs in hybrid materials, albeit the underlying phenomenology is not well established. Here we use synchrotron powder X-ray diffraction measurements to determine links between composition and Jahn-Teller effects in a series of Prussian blue analogue (PBA) families. We develop a simple model based on the dual considerations of strain and crystal-field stabilisation that can account for the stability, extent of CJT order, and crystallite strain measured experimentally. This model shows how PBA compositions might be tuned to control the emergence and nature of CJT effects. A key implication of the model is that PBAs harbour their own complex interplay between compositional, structural, orbital, and magnetic degrees of freedom related to that of strongly-correlated functional materials such as the manganite perovskites.

Theory of circular dichroism in angle- and spin-resolved photoemission from the surface state on Bi(111)

分类： 材料科学

作者： E. E. Krasovskii

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13148v1

摘要： Circular dichroism (CD) of photoemission from a surface state on Bi(111) is considered within an {\it ab initio} one-step theory of photoemission. The symmetry of the azimuthal distribution of CD for different spin directions is discussed in terms of the spin structure of the initial states. Both normal and off-normal light incidence are considered. Strong photon energy dependence of photoemission in the ultraviolet range is observed. The principal difference between the initial state spin polarization and the spin photocurrent is emphasized and problems with revealing the orbital angular moment with photoemission are pointed to.

Modeling scale-up of particle coating by atomic layer deposition

分类： 材料科学, 应用物理, 化学物理

作者： Angel Yanguas-Gil, Jeffrey W. Elam

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13116v1

摘要： Atomic layer deposition (ALD) is a promising technique to functionalize particle surfaces for energy applications including energy storage, catalysis, and decarbonization. In this work, we present a set of models of ALD particle coating to explore the transition from lab scale to manufacturing. Our models encompass the main particle coating manufacturing approaches including rotary bed, fluidized bed, and continuously vibrating reactors. These models provide key metrics, such as throughput and precursor utilization, required to evaluate the scalability of ALD manufacturing approaches and their feasibility in the context of energy applications. Our results show that designs that force the precursor to flow through fluidized particles transition faster to a transport-limited regime where throughput is maximized. They also exhibit higher precursor utilization. In the context of continuous processes, our models indicate that it is possible to achieve self-extinguishing processes with almost 100% precursor utilization. A comparison with past experimental results of ALD in fluidized bed reactors shows excellent qualitative and quantitative agreement.

EBSD and TKD analyses using inverted contrast Kikuchi diffraction patterns and alternative measurement geometries

分类： 材料科学

作者： Grzegorz Cios, Aimo Winkelmann, Gert Nolze, Tomasz Tokarski, Benedykt R. Jany, Piotr Bała

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13104v1

摘要： Electron backscatter diffraction (EBSD) patterns can exhibit Kikuchi bands with inverted contrast due to anomalous absorption. This can be observed, for example, on samples with nanoscale topography, in case of a low tilt backscattering geometry, or for transmission Kikuchi diffraction (TKD) on thicker samples. Three examples are discussed where contrast-inverted physics-based simulated master patterns have been applied to find the correct crystal orientation. As the first EBSD example, self-assembled gold nanostructures made of Au fcc and Au hcp phases on single-crystal germanium were investigated. Gold covered about 12% of the mapped area, with only two-thirds being successfully interpreted using standard Hough-based indexing. The remaining third was solved by brute force indexing using a contrast-inverted master pattern. The second EBSD example deals with maps collected at a non-tilted surface instead of the commonly used 70 degree tilted one. As TKD example, a jet-polished foil made of duplex stainless steel 2205 was examined. The thin part close to the hole edge producing normal-contrast patterns were standard indexed. The areas of the foil that become thicker with increasing distance from the edge of the hole produce contrast-inverted patterns. They covered three times the evaluable area and were successfully processed using the contrast-inverted master pattern. In the last example, inverted patterns collected at a non-tiled sample were mathematically inverted to normal contrast, and Hough/Radon-based indexing was successfully applied.

Energy-efficient field-free unconventional spin-orbit torque magnetization switching dynamics in van der Waals heterostructures

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Lalit Pandey, Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Himanshu Bangar, Aya Ali, Mahmoud Abdel-Hafiez, Gaojie Zhang, Hao Wu, Haixin Chang, Lars Sjöström, Prasanna Rout, Saroj P. Dash

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13095v1

摘要： The van der Waals (vdW) heterostructure of emerging two-dimensional (2D) quantum materials, with control over their quantum geometries, crystal symmetries, spin-orbit coupling, and magnetic anisotropies, provides a new platform for generating unconventional nonlinear Hall effects, spin polarization and efficiently controlling the magnetization dynamics for non-volatile spin-based computing. However, so far, the generation of a large out-of-plane spin polarization is limited to achieve energy-efficient field-free magnetization switching and spin dynamics measurements in all-2D vdW heterostructure are so far missing, where the interplay between spins and magnetization dynamics should enable the design of ultrafast spintronic devices. Here, we demonstrate magnetization dynamics and energy-efficient field-free spin-orbit torque (SOT) switching of out-of-plane magnet Fe3GaTe2 due to unconventional Berry curvature-induced out-of-plane spin polarization from a topological Weyl semimetal TaIrTe4 in a vdW heterostructure at room temperature. We observed a large non-linear 2nd harmonic Hall signal at room temperature and evaluated the SOT-induced magnetization dynamics with a large damping-like torque. Deterministic field-free SOT magnetization switching in vdW heterostructure of TaIrTe4/Fe3GaTe2 is observed at room temperature with a low current and power density, which is an order of magnitude better than that of conventional systems. From the magnetization switching experiments, a large SOT efficiency and a very large spin Hall conductivity. These findings on all-vdW heterostructures offer a promising route to energy-efficient and external field-free ultrafast spintronic technologies.

Direct observation of structural phase transformations during continuous phosphorus deposition on Cu(111)

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Jiří David, František Jeřábek, Pavel Procházka, Miroslav Černý, Cristian V. Ciobanu, Stanislav Průša, Tomáš Šikola, Suneel Kodambaka, Miroslav Kolíbal

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13090v1

摘要： Blue phosphorene -- two-dimensional, hexagonal-structured, semiconducting phosphorus -- has gained attention as it is considered easier to synthesize on metal surfaces than its allotrope, black phosphorene. Recent studies report different structures of phosphorene, for example, on Cu(111), but the underlying mechanisms of their formation are not known. Here, using a combination of in situ ultrahigh vacuum low-energy electron microscopy and in vacuo scanning tunneling microscopy, we determine the time-evolution of the surface structure and morphology during the deposition of phosphorus on single-crystalline Cu(111). We find that during early stages of deposition, phosphorus intermixes with Cu, resulting in copper phosphide structures. With increasing surface concentration of phosphorus, the phosphide phase disappears and a blue phosphorene layer forms, followed by self-assembly of highly ordered phosphorus clusters that eventually grow into multilayer islands. We attribute the unexpected transformation of stable phosphide to a phosphorene layer, and the previously unreported multilayer growth, to the presence of a large concentration of P2 dimers on the surface. Our results constitute direct evidence for a new growth mode leading to a phosphorene layer via an intermediary phase, which could underpin the growth of other 2D materials on strongly interacting substrates.

Continuum mechanics of differential growth in disordered granular matter

分类： 软凝聚态物质, 无序系统和神经网络, 材料科学

作者： Noemie S. Livne, Tuhin Samanta, Amit Schiller, Itamar Procaccia, Michael Moshe

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13086v1

摘要： Disordered granular matter exhibits mechanical responses that occupy the boundary between fluids and solids, lacking a complete description within a continuum theoretical framework. Recent studies have shown that, in the quasi-static limit, the mechanical response of disordered solids to external perturbations is anomalous and can be accurately predicted by the theory of odd-dipole-screening. In this work, we investigate responsive granular matter, where grains change size in response to stimuli such as humidity, temperature, or other factors. We develop a geometric theory of odd dipole-screening, incorporating the growth field into the equilibrium equation. Our theory predicts an anomalous displacement field in response to non-uniform growth fields, confirmed by molecular dynamics simulations of granular matter. Although the screening parameters in our theory are phenomenological and not derived from microscopic physics, we identify a surprising relationship between the odd parameter and Poissons ratio. This theory has implications for various experimental protocols, including non-uniform heating or wetting, which lead to spatially varying expansion field.

Magnetic correlations and Griffith-like phase in Co$2$TiSi${0.5}$Al$_{0.5}$ Heusler alloy

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Priyanka Yadav, Brajesh K. Mani, Rajendra S. Dhaka

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13081v1

摘要： We present a comprehensive study aimed at elucidating the complex magnetic correlations in Co$2$TiSi${0.5}$Al${0.5}$ Heusler alloy having the partial B2-type structure amid L2$1$ cubic main phase. The thermo-magnetization measurements at 100 Oe reveal the presence of two magnetic transitions at T$\rm{C1}=278~K$ and T$\rm{C2}=270K$, respectively, with saturation magnetization of around 1.2 $\mu \rm_ B$/f.u. at 5K. Our magnetic field dependent studies reveal the dominance of T$\rm_{C1}$ transition at lower fields ($\mu_0\rm H \leqslant 0.03Tesla$); however, at higher fields the T$\rm_{C2}$ transition becomes more pronounced. The observation of remnant magnetization above Curie temperature suggests the development of Griffiths-like phase, which is extensively analyzed through {\it ac} and {\it dc}- magnetic susceptibility ($\chi$) data. The evaluation of magnetocaloric potential indicates second order phase transition with notable $\Delta S_{\rm M}=$ 2.22 Jkg$^{-1}$K$^{-1}$ at 7 Tesla. The low-field ($\mu_0\rm H \leqslant 0.1Tesla$) magnetic entropy ($\Delta S_{\rm M}$) curves exhibit two non-identical positive peaks. The nature and range of spin interactions near T$\rm_C$ were scrutinized through rigorous critical phenomenon analysis, and the values of exponents $\alpha, \beta, \gamma$ and $\delta$ to be $0.063, 0.361, 1.108$ and $3.943$, respectively, which are found to be slightly deviating from mean-field theory towards 3D Heisenberg model. Additionally, the exchange magnetic interactions are found to decay as $J(r) \sim r^{-4.6}$. Furthermore, the density functional theory results reveal the half-metallic nature exhibiting 100% spin polarization (SP). However, the electronic and magnetic properties are greatly affected by the incorporation of structural disorder, which results in drastic reduction of SP to mere 8.3%.

Sub-wavelength localized all-optical helicity-independent magnetic switching using plasmonic gold nanostructures

分类： 材料科学, 光学

作者： Themistoklis Sidiropoulos, Puloma Singh, Tino Noll, Michael Schneider, Dieter Engel, Denny Sommer, Felix Steinbach, Ingo Will, Bastian Pfau, Clemens von Korff Schmising, Stefan Eisebitt

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13079v1

摘要： All-optical helicity-independent switching (AO-HIS) is of interest for ultrafast and energy efficient magnetic switching in future magnetic data storage approaches. Yet, to achieve high bit density magnetic recording it is necessary to reduce the size of the magnetic bits addressed by laser pulses at well-controlled positions. Metallic nanostructures that support localized surface plasmons enable spatial electromagnetic confinement well below the diffraction limit and rare-earth transition metal alloys such as GdTbCo have demonstrated nanometre-sized stable domains. Here, we deposit plasmonic gold nanostructures on a GdTbCo film and probe the magnetic state using magnetic force microscopy. We observe localized AO-HIS down to a critical dimension of 240 nm after excitation of the gold nanostructures by a single 370 fs long laser pulse with a centre wavelength of 1030 nm. We demonstrate that the strong localization of optical fields through plasmonic nanostructures enables reproducible localized nanoscale AO-HIS at sub-wavelength length scales. We study the influence of the localized electromagnetic field enhancement by the plasmonic nanostructures on the required fluence to switch the magnetization.

Eliminating Surface Oxides of Superconducting Circuits with Noble Metal Encapsulation

分类： 超导, 材料科学, 量子物理学

作者： Ray D. Chang, Nana Shumiya, Russell A. McLellan, Yifan Zhang, Matthew P. Bland, Faranak Bahrami, Junsik Mun, Chenyu Zhou, Kim Kisslinger, Guangming Cheng, Alexander C. Pakpour-Tabrizi, Nan Yao, Yimei Zhu, Mingzhao Liu, Robert J. Cava, Sarang Gopalakrishnan, Andrew A. Houck, Nathalie P. de Leon

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13051v1

摘要： The lifetime of superconducting qubits is limited by dielectric loss, and a major source of dielectric loss is the native oxide present at the surface of the superconducting metal. Specifically, tantalum-based superconducting qubits have been demonstrated with record lifetimes, but a major source of loss is the presence of two-level systems (TLSs) in the surface tantalum oxide. Here, we demonstrate a strategy for avoiding oxide formation by encapsulating the tantalum with noble metals that do not form native oxide. By depositing a few nanometers of Au or AuPd alloy before breaking vacuum, we completely suppress tantalum oxide formation. Microwave loss measurements of superconducting resonators reveal that the noble metal is proximitized, with a superconducting gap over 80% of the bare tantalum at thicknesses where the oxide is fully suppressed. We find that losses in resonators fabricated by subtractive etching are dominated by oxides on the sidewalls, suggesting total surface encapsulation by additive fabrication as a promising strategy for eliminating surface oxide TLS loss in superconducting qubits.

Anisotropic sub-band splitting mechanisms in strained HgTe: a first principles study

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Eeshan Ketkar, Giovanni Marini, Pietro Maria Forcella, Giorgio Sangiovanni, Gianni Profeta, Wouter Beugeling

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13042v1

摘要： Mercury telluride is an intriguing compound that is well known for the first realization of topological states. Despite being known for a long time, a quantitative understanding of its electronic properties remains challenging due to the presence of many concomitant subtle effects. By combining accurate first principles calculations and $k.p$ modelling, we investigate the topological phase diagram of mercury telluride as a function of strain. Our research demonstrates the significance of including the linearly $k$-dependent higher-order $C_4$ strain terms into the usual $k.p$ treatment. In particular, we report a unique $k$-dependence of the sub-band splitting, which arises from the interplay between strain and the standard bulk inversion asymmetry terms within our $k.p$ model. The impact of this phenomenon is explored in relation to the camel's back shape during the tensile strain phase and its implications for the Weyl semimetal state in the compressive strain case are discussed.

Assessing the nature of nanoscale ferroelectric domain walls in lead titanate multilayers

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Edoardo Zatterin, Petr Ondrejkovic, Louis Bastogne, Céline Lichtensteiger, Ludovica Tovaglieri, Daniel A. Chaney, Alireza Sasani, Tobias Schülli, Alexei Bosak, Steven Leake, Pavlo Zubko, Philippe Ghosez, Jirka Hlinka, Jean-Marc Triscone, Marios Hadjimichael

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12993v1

摘要： The observation of unexpected polarisation textures such as vortices, skyrmions and merons in various oxide heterostructures has challenged the widely accepted picture of ferroelectric domain walls as being Ising-like. Bloch components in the 180{\deg} domain walls of PbTiO3 have recently been reported in PbTiO3/SrTiO3 superlattices and linked to domain wall chirality. While this opens exciting perspectives, the ubiquitous nature of this Bloch component remains to be further explored. In this work, we present a comprehensive investigation of domain walls in PbTiO3/SrTiO3 superlattices, involving a combination of first- and second-principles calculations, phase-field simulations, diffuse scattering calculations, and synchrotron based diffuse x-ray scattering. Our theoretical calculations highlight that the previously predicted Bloch polarisation in the 180{\deg} domain walls in PbTiO3/SrTiO3 superlattices might be more sensitive to the boundary conditions than initially thought and is not always expected to appear. Employing diffuse scattering calculations for larger systems we develop a method to probe the complex structure of domain walls in these superlattices via diffuse x-ray scattering measurements. Through this approach, we investigate depolarization-driven ferroelectric polarization rotation at the domain walls. Our experimental findings, consistent with our theoretical predictions for realistic domain periods, do not reveal any signatures of a Bloch component in the centres of the 180{\deg} domain walls of PbTiO3/SrTiO3 superlattices, suggesting that the precise nature of domain walls in the ultrathin PbTiO3 layers is more intricate than previously thought and deserves further attention.

Closing in on possible scenarios for infinite-layer nickelates: comparison of dynamical mean-field theory with angular-resolved photoemission spectroscopy

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Liang Si, Eric Jacob, Wenfeng Wu, Andreas Hausoel, Juraj Krsnik, Paul Worm, Simone Di Cataldo, Oleg Janson, Karsten Held

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12985v1

摘要： Conflicting theoretical scenarios for infinite-layer nickelate superconductors have been hotly debated, particularly regarding whether {only} a single Ni-3$d_{x^2-y^2}$ band is relevant at low energies besides electron pockets or whether multi-orbital physics including Ni-3$d_{z^2}$ is instead essential. The first scenario has emerged from density-functional theory plus dynamical mean-field theory (DFT+DMFT) calculations. Comparing the previous DFT+DMFT spectra to recent angular-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) experiments, we find excellent agreement for both the Fermi surface and the strongly renormalized quasi-particle bands, supporting the first scenario. Our key findings further suggest that the "waterfalls" observed in ARPES might emerge from the quasi-particle--to--Hubbard-band crossover, and that additional spectral weight close to the $A$-pocket likely originates from the Ni-3$d_{xy}$ orbital.

Zeoformer: Coarse-Grained Periodic Graph Transformer for OSDA-Zeolite Affinity Prediction

分类： 材料科学, 人工智能

作者： Xiangxiang Shen, Zheng Wan, Lingfeng Wen, Licheng Sun, Ou Yang Ming Jie, Xuan Tang, Xian Zeng, Mingsong Chen, Xiao He, Xian Wei

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12984v1

摘要： To date, the International Zeolite Association Structure Commission (IZA-SC) has cataloged merely 255 distinct zeolite structures, with millions of theoretically possible structures yet to be discovered. The synthesis of a specific zeolite typically necessitates the use of an organic structure-directing agent (OSDA), since the selectivity for a particular zeolite is largely determined by the affinity between the OSDA and the zeolite. Therefore, finding the best affinity OSDA-zeolite pair is the key to the synthesis of targeted zeolite. However, OSDA-zeolite pairs frequently exhibit complex geometric structures, i.e., a complex crystal structure formed by a large number of atoms. Although some existing machine learning methods can represent the periodicity of crystals, they cannot accurately represent crystal structures with local variability. To address this issue, we propose a novel approach called Zeoformer, which can effectively represent coarse-grained crystal periodicity and fine-grained local variability. Zeoformer reconstructs the unit cell centered around each atom and encodes the pairwise distances between this central atom and other atoms within the reconstructed unit cell. The introduction of pairwise distances within the reconstructed unit cell more effectively represents the overall structure of the unit cell and the differences between different unit cells, enabling the model to more accurately and efficiently predict the properties of OSDA-zeolite pairs and general crystal structures. Through comprehensive evaluation, our Zeoformer model demonstrates the best performance on OSDA-zeolite pair datasets and two types of crystal material datasets.

Room Temperature Hydrogen Atom Scattering Experiments Are Not a Sufficient Benchmark to Validate Electronic Friction Theory

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Connor L. Box, Nils Hertl, Reinhard J. Maurer

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12949v1

摘要： In the dynamics of atoms and molecules at metal surfaces, electron-hole pair excitations can play a crucial role. In the case of hyperthermal hydrogen atom scattering, they lead to nonadiabatic energy loss and highly inelastic scattering. Molecular dynamics with electronic friction simulations where friction is computed under an isotropic homogeneous electron gas approximation have previously shown good agreement with measured kinetic energy loss distributions, suggesting that this level of theoretical description is sufficient to describe nonadiabatic effects of atomic scattering. In this work, we show that similar agreement with room temperature experiments can also be achieved with friction derived from density functional theory linear response calculations. The apparent agreement of the homogeneous electron gas approximation with experiment arises from a fortuitous cancellation of errors where friction is overestimated close to the surface and the spin transition is neglected. Only for scattering at low temperatures can both approximations be distinguished and differences rationalised in terms of the number of bounces of the atom on the surface. We identify the signatures of nonadiabatic energy loss of different levels of theory, which future low-temperature scattering experiments will be able to measure.

Cylindrical Cavity Expansion: A Novel Method for Characterizing the Mechanical Properties of Soft Materials

分类： 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Jian Li, Zihao Xie, Hannah Varner, Chockalingam Senthilnathan, Tal Cohen

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12920v1

摘要： The low elastic modulus of soft materials, combined with geometric nonlinearity and rate dependence, presents significant challenges in the characterization of their mechanical response. We introduce a novel method for measuring the mechanical properties of soft materials under large deformations via cylindrical cavity expansion. In this method, a cylindrical cavity is fabricated in the material and expanded by volume-controlled injection of an incompressible fluid with simultaneous measurement of the applied pressure at the cavity wall. The relationship between applied pressure and deformation at the cavity wall is then employed to characterize the nonlinear mechanical properties. We demonstrate the feasibility of the proposed method and validate it by measuring the mechanical properties of synthetic polydimethylsiloxane (PDMS) and comparing with reported values in the literature. Results indicate that the cylindrical cavitation method effectively captures the response of PDMS over a wide range of stiffness (shear modulus ranging from 5 kPa to 300 kPa) and exhibit high repeatability. The proposed method overcomes limitations in characterization of ultra-soft materials using traditional testing methods, such as challenges with fabrication and clamping in unaxial tension testing and friction and adhesion effects in compression and indentation testing, thus enabling accurate and precise characterization. It also offers improved accuracy and repeatability over other needle induced cavity expansion methods due to precise control over the initial cavity dimension and shape at the cost of increased invasiveness of testing.

Carrier Mobility of Strongly Anharmonic Materials from First Principles

分类： 材料科学

作者： Jingkai Quan, Christian Carbogno, Matthias Scheffler

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12908v1

摘要： First-principle approaches for phonon-limited electronic transport are typically based on many-body perturbation theory and transport equations. With that, they rely on the validity of the quasi-particle picture for electrons and phonons, which is known to fail in strongly anharmonic systems. In this work, we demonstrated the relevance of effects beyond the quasi-particle picture by combining ab initio molecular dynamics and the Kubo-Greenwood (KG) formalism to establish a non-perturbative, stochastic method to calculate carrier mobilities while accounting for all orders of anharmonic and electron-vibrational couplings. In particular, we propose and exploit several numerical strategies that overcome the notoriously slow convergence of the KG formalism for both electronic and nuclear degree of freedom in crystalline solids. The capability of this method is demonstrated by calculating the temperature-dependent electron mobility of the strongly anharmonic oxide perovskites SrTiO3 and BaTiO3 across a wide range of temperatures. We show that the temperature-dependence of the mobility is largely driven by anharmonic, higher-order coupling effects and rationalize these trends in terms of the non-perturbative electronic spectral functions.

Identifying band structure changes of FePS3 across the antiferromagnetic phase transition

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, J.2

作者： Benjamin Pestka, Jeff Strasdas, Gustav Bihlmayer, Adam K. Budniak, Marcus Liebmann, Niklas Leuth, Honey Boban, Vitaliy Feyer, Iulia Cojocariu, Daniel Baranowski, Simone Mearini, Yaron Amouyal, Lutz Waldecker, Bernd Beschoten, Christoph Stampfer, Lukasz Plucinski, Efrat Lifshitz, Peter Kratzer, Markus Morgenstern

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12896v1

摘要： Magnetic 2D materials enable novel tuning options of magnetism. As an example, the van der Waals material FePS3, a zigzag-type intralayer antiferromagnet, exhibits very strong magnetoelastic coupling due to the different bond lengths along different ferromagnetic and antiferromagnetic coupling directions enabling elastic tuning of magnetic properties. The likely cause of the length change is the intricate competition between direct exchange of the Fe atoms and superexchange via the S and P atoms. To elucidate this interplay, we study the band structure of exfoliated FePS3 by mu m scale ARPES (Angular Resolved Photoelectron Spectroscopy), both, above and, for the first time, below the Neel temperature TN. We find three characteristic changes across TN. They involve S 3p-type bands, Fe 3d-type bands and P 3p-type bands, respectively, as attributed by comparison with density functional theory calculations (DFT+U). This highlights the involvement of all the atoms in the magnetic phase transition providing independent evidence for the intricate exchange paths.

Reentrant polar phase induced by the ferro-ionic coupling in Bi$_{1-x}$Sm$_x$FeO$_3$ nanoparticles

分类： 材料科学

作者： Anna N. Morozovska, Eugene A. Eliseev, Igor V. Fesych, Yuriy O. Zagorodniy, Oleksandr S. Pylypchuk, Evgenii V. Leonenko, Maxim V. Rallev, Andrii D. Yaremkevych, Lesya Demchenko, Sergei V. Kalinin, Olena M. Fesenko

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12856v1

摘要： Using the model of four sublattices, the Landau-Ginzburg-Devonshire-Kittel phenomenological approach and the Stephenson-Highland ionic adsorption model for the description of coupled polar and antipolar long-range orders in ferroics, we calculated analytically the phase diagrams and polar properties of Bi$_{1-x}$Sm$_x$FeO$3$ nanoparticles covered by surface ions in dependence on their size, surface ions density, samarium content "x" and temperature. The size effects and ferro-ionic coupling govern the appearance and stability conditions of the long-range ordered ferroelectric, reentrant ferrielectric and antiferroelectric phases in the Bi1-xSmxFeO3 nanoparticles. Calculated phase diagrams are in a qualitative agreement with the X-ray diffraction phase analysis, electron paramagnetic resonance, infra-red spectroscopy and electrophysical measurements of the Bi${1-x}$Sm$_x$FeO$3$ nanopowders sintered by the solution combustion method. The combined theoretical-experimental approach allows to establish the influence of the ferro-ionic coupling and size effects in Bi${1-x}$Sm$_x$FeO$_3$ nanoparticles on their polar properties.

Unveiling the nature of cathodoluminescence from photon statistics

分类： 光学, 材料科学, 数据分析、统计和概率

作者： Sotatsu Yanagimoto, Naoki Yamamoto, Tatsuro Yuge, Takumi Sannomiya, Keiichirou Akiba

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12824v1

摘要： Cathodoluminescence (CL), the emission of light induced by accelerated free electrons, has been extensively utilized in various applications, such as displays, streak cameras, and high-spatial-resolution analysis of optical material, surpassing the diffraction limit of light. Despite its long history, the photon statistics of CL have only recently been examined, revealing unexpectedly large bunching of photons. Here we find that this peculiar photon bunching contains information of intervening excitation processes before the photon emission, which can be extracted from the photon statistics within each excitation event by a single free electron. Using this approach, we experimentally unveiled the statistical differences of coherent CL involving a single electromagnetic interaction process and incoherent CL involving multiple excitation processes. The developed formulation is universally applicable for particle generation processes in general to investigate the nature of cascade reactions.

Oxide MBE-ARPES at SSRL Beamline 5-2

分类： 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Makoto Hashimoto, Yong Zhong, Donghui Lu

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12782v1

摘要： In this article, we highlight our synchrotron ARPES studies of oxide thin films grown by in-situ connected MBE at beamline 5-2 of Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

Surface plasmon-mediated photoluminescence boost in graphene-covered CsPbBr$_3$ quantum dots

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Youngsin Park, Elham Oleiki, Guanhua Ying, Atanu Jana, Mutibah Alanazi, Vitaly Osokin, Sangeun Cho, Robert A. Taylorb, Geunsik Lee

发布时间： 2024-08-23

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12776v1

摘要： The optical properties of graphene (Gr)-covered CsPbBr$_3$ quantum dots (QDs) were investigated using micro-photoluminescence spectroscopy, revealing a remarkable three-orders-of-magnitude enhancement in photoluminescence (PL) intensity compared to bare CsPbBr$_3$ QDs. To elucidate the underlying mechanisms, we combined experimental techniques with density functional theory (DFT) calculations. DFT simulations showed that the graphene layer generates interfacial electrostatic potential barriers when in contact with the CsPbBr$_3$ surface, impeding carrier leakage from perovskite to graphene and enhancing radiative recombination. Additionally, graphene passivates CsPbBr$_3$ surface defect states, suppressing nonradiative recombination of photo-generated carriers. Our study also revealed that graphene becomes n-doped upon contact with CsPbBr$_3$ QDs, activating its plasmon mode. This mode resonantly couples with photo-generated excitons in the perovskite. The momentum mismatch between graphene plasmons and free-space photons is resolved through plasmon scattering at Gr/CsPbBr$_3$ interface corrugations, facilitating the observed super-bright emission. These findings highlight the critical role of graphene as a top contact in dramatically enhancing CsPbBr$_3$ QDs' PL. Our work advances the understanding of graphene-perovskite interfaces and opens new avenues for designing high-efficiency optoelectronic devices. The multifaceted enhancement mechanisms uncovered provide valuable insights for future research in nanophotonics and materials science, potentially leading to breakthroughs in light-emitting technologies.

Progress in superconductor-semiconductor topological Josephson junctions

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： William F. Schiela, Peng Yu, Javad Shabani

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12749v1

摘要： Majorana bound states (MBSs) are quasiparticles which are their own antiparticles. They are predicted to emerge as zero-energy modes localized at the boundary of a topological superconductor. No intrinsic topological superconductor is known to date. However, by interfacing conventional superconductors and semiconductors with strong spin--orbit coupling it is possible to create a system hosting topological states. Hence epitaxial superconductors and semiconductors have emerged as an attractive materials system with atomically sharp interfaces and broad flexibility in device fabrications incorporating Josephson junctions. We discuss the basics of topological superconductivity and provide insight on how to go beyond current state-of-the-art experiments. We argue that the ultimate success in realizing MBS physics requires the observation of non-Abelian braiding and fusion experiments.

Segment Anything Model for Grain Characterization in Hard Drive Design

分类： 计算机视觉和模式识别, 材料科学, 机器学习

作者： Kai Nichols, Matthew Hauwiller, Nicholas Propes, Shaowei Wu, Stephanie Hernandez, Mike Kautzky

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12732v1

摘要： Development of new materials in hard drive designs requires characterization of nanoscale materials through grain segmentation. The high-throughput quickly changing research environment makes zero-shot generalization an incredibly desirable feature. For this reason, we explore the application of Meta's Segment Anything Model (SAM) to this problem. We first analyze the out-of-the-box use of SAM. Then we discuss opportunities and strategies for improvement under the assumption of minimal labeled data availability. Out-of-the-box SAM shows promising accuracy at property distribution extraction. We are able to identify four potential areas for improvement and show preliminary gains in two of the four areas.

Strain-driven domain wall network with chiral junctions in an antiferromagnet

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Vishesh Saxena, Mara Gutzeit, Arturo Rodríguez-Sota, Soumyajyoti Haldar, Felix Zahner, Roland Wiesendanger, André Kubetzka, Stefan Heinze, Kirsten von Bergmann

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12580v1

摘要： Materials with antiferromagnetic order have recently emerged as promising candidates in spintronics based on their beneficial characteristics such as vanishing stray fields and ultra-fast dynamics. At the same time more complex localized non-coplanar magnetic states as for instance skyrmions are in the focus of applications due to their intriguing properties such as the topological Hall effect. Recently a conceptual shift has occurred to envision the use of such magnetic defects not only in one-dimensional race track devices but to exploit their unique properties in two-dimensional networks. Here we use local strain in a collinear antiferromagnet to induce non-coplanar domain wall junctions, which connect in a very specific way to form extended networks. We combine spin-polarized scanning tunneling microscopy with density functional theory to characterize the different building blocks of the network, and unravel the origin of the handedness of triple-junctions and the size of the arising topological orbital moments.

All-Electrical Layer-Spintronics in Altermagnetic Bilayer

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Rui Peng, Jin Yang, Wee-Liat Ong, Pin Ho, Chit Siong Lau, Zhi-Ming Yu, Yee Sin Ang

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12504v1

摘要： Electrical manipulation of spin-polarized current is highly desirable yet tremendously challenging in developing ultracompact spintronic device technology. Here we propose a scheme to realize the all-electrical manipulation of spin-polarized current in an altermagnetic bilayer. Such a bilayer system can host layer-spin locking, in which one layer hosts a spin-polarized current while the other layer hosts a current with opposite spin polarization. An out-of-plane electric field breaks the layer degeneracy, leading to a gate-tunable spin-polarized current whose polarization can be fully reversed upon flipping the polarity of the electric field. Using first-principles calculations, we show that CrS bilayer with C-type antiferromagnetic exchange interaction exhibits a hidden layer-spin locking mechanism that enables the spin polarization of the transport current to be electrically manipulated via the layer degree of freedom. We demonstrate that sign-reversible spin polarization as high as 87% can be achieved at room temperature. This work presents the pioneering concept of layer-spintronics which synergizes altermagnetism and bilayer stacking to achieve efficient electrical control of spin.

Collective nature of phonon energies in solids beyond harmonic oscillators

分类： 材料科学

作者： Jaeyun Moon, Leo Zella, Lucas Lindsay

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12467v1

摘要： Phonon quasi-particles have been monumental in microscopically understanding thermodynamics and transport properties in condensed matter for decades. Phonons have one-to-one correspondence with harmonic eigenstates and their energies are often described by simple independent harmonic oscillator models. Higher order terms in the potential energy lead to interactions among them, resulting in finite lifetimes and frequency shifts, even in perfect crystals. However, increasing evidence including constant volume heat capacity different from the expected Dulong-Petit law suggests the need for re-evaluation of phonons having harmonic energies. In this work, we explicitly examine inter-mode dependence of phonon energies of a prototypical crystal, silicon, through energy covariance calculations and demonstrate the concerted nature of phonon energies even at 300 K, questioning independent harmonic oscillator assumptions commonly used for phonon energy descriptions of thermodynamics and transport.

Ultrafast quantum dynamics in $\mathbf{\mathrm{SrTiO_3}}$ under impulsive THz radiation

分类： 材料科学

作者： Francesco Libbi, Anders Johansson, Boris Kozinsky, Lorenzo Monacelli

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12421v1

摘要： Ultrafast spectroscopy paved the way for probing transient states of matter produced through photoexcitation. Despite significant advances, the microscopic processes governing the formation of these states remain largely unknown. This study discloses the nuclear quantum dynamics of $\mathrm{SrTiO_3}$ when excited by THz laser pumping. We use a first-principles machine-learning approach accounting for all atomistic degrees of freedom to examine the time-resolved energy flow across phonon modes following the photoexcitation, revealing the mechanism underpinning the observed phonon upconversion and quantifying the lifetime of the out-of-equilibrium motion. Crucially, our simulations predict that THz pump pulses can generate persistent out-of-equilibrium stress capable of inducing polar order. We observe a correlation between the experimentally measured lifetime of the transient inversion-symmetry-broken state and the duration of the out-of-equilibrium nuclear state. This work not only explains the experimental results on $\mathrm{SrTiO_3}$ but also establishes a framework for simulating the photoexcited quantum dynamics of nuclei from first principles without any empirical input. It lays the groundwork for systematic explorations of complex materials sensitive to photoexcitation.

Density dependence of thermal conductivity in nanoporous and amorphous carbon with machine-learned molecular dynamics

分类： 材料科学

作者： Yanzhou Wang, Zheyong Fan, Ping Qian, Miguel A. Caro, Tapio Ala-Nissila

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12390v1

摘要： Disordered forms of carbon are an important class of materials for applications such as thermal management. However, a comprehensive theoretical understanding of the structural dependence of thermal transport and the underlying microscopic mechanisms is lacking. Here we study the structure-dependent thermal conductivity of disordered carbon by employing molecular dynamics (MD) simulations driven by a machine-learned interatomic potential based on the efficient neuroevolution potential approach. Using large-scale MD simulations, we generate realistic nanoporous carbon (NP-C) samples with density varying from $0.3$ to $1.5$ g cm$^{-3}$ dominated by sp$^2$ motifs, and amorphous carbon (a-C) samples with density varying from $1.5$ to $3.5$ g cm$^{-3}$ exhibiting mixed sp$^2$ and sp$^3$ motifs. Structural properties including short- and medium-range order are characterized by atomic coordination, pair correlation function, angular distribution function and structure factor. Using the homogeneous nonequilibrium MD method and the associated quantum-statistical correction scheme, we predict a linear and a superlinear density dependence of thermal conductivity for NP-C and a-C, respectively, in good agreement with relevant experiments. The distinct density dependences are attributed to the different impacts of the sp$^2$ and sp$^3$ motifs on the spectral heat capacity, vibrational mean free paths and group velocity. We additionally highlight the significant role of structural order in regulating the thermal conductivity of disordered carbon.

Unraveling the Atomic-Scale Pathways Driving Pressure-Induced Phase Transitions in Silicon

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Fabrizio Rovaris, Anna Marzegalli, Francesco Montalenti, Emilio Scalise

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12358v1

摘要： Silicon exhibits several metastable allotropes which recently attracted attention in the quest for materials with superior (e.g. optical) properties, compatible with Si technology. In this work we shed light on the atomic-scale mechanisms leading to phase transformations in Si under pressure. To do so, we synergically exploit different state-of-the-art approaches. In particular, we use the advanced GAP interatomic potential both in NPT molecular dynamics simulations and in solid-state nudged elastic band calculations, validating our predictions with ab initio DFT calculations. We provide a link between evidence reported in experimental nanoindentation literature and simulation results. Particular attention is dedicated to the investigation of atomistic transition paths allowing for the transformation between BC8/R8 phases to the hd one under pure annealing. In this case we show a direct simulation of the local nucleation of the hexagonal phase in a BC8/R8 matrix and its corresponding atomic-scale mechanism extracted by the use of SS-NEB. We extend our study investigating the effect of pressure on the nucleation barrier, providing an argument for explaining the heterogeneous nucleation of the hd phase observed in experiments reported in the literature.

The Critical Metallization of Hydrogen in Pressurized LaBeH8 Hydride

分类： 材料科学, 超导

作者： Zihan Zhang, Tian Cui, Yansun Yao, Tianchen Ma, Qiwen Jiang, Haojun Jia, Bartomeu Monserrat, Chris J. Pickard, Defang Duan

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12297v1

摘要： Behaviours of hydrogen, such as fluidity and metallicity, are crucial for our understanding of planetary interiors and the emerging field of high-temperature superconducting hydrides. These behaviours were discovered in complex phase diagrams of hydrogen and hydrides, however, the transition mechanism of behaviours driven by temperature, pressure and chemical compression remain unclear, particularly in the processes of metallization. Until now, a comprehensive theoretical framework to quantify atomization and metallization of hydrogen in phase diagram of hydrides has been lacking. In this study, we address this gap by combining molecular dynamics and electronic structure analysis to propose a theoretical framework, which clarify the content and properties of atomic hydrogen under various temperature and pressure conditions and chemical compression exerted by non-hydrogen elements in hydrides. Applying this framework to the superconducting hydride LaBeH8, we identify three general hydrogen orderings within its phase diagram: molecular, sublattice and warm hydrogens. During the phase transition from molecule to sublattice, hydrogen exhibits different properties from three general hydrogen orderings, such as fast superionicity, metallicity and unusual atomic content response to temperature. These abnormal behaviours were defined as the critical metallization of hydrogen, which not only suggests a potential synthesis route for the metastable phase but also provides valuable insights into the complex synthetic products of superconducting hydrides.

Tuning THz magnons in a mixed van-der-Waals antiferromagnet

分类： 材料科学

作者： F. Le Mardele, I. Mohelsky, D. Jana, A. Pawbake, J. Dzian, W. -L. Lee, K. Raju, R. Sankar, C. Faugeras, M. Potemski, M. E. Zhitomirsky, M. Orlita

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12230v1

摘要： Alloying stands out as a pivotal technological method employed across various compounds, be they metallic, magnetic, or semiconducting, serving to fine-tune their properties to meet specific requirements. Ternary semiconductors represent a prominent example of such alloys. They offer fine-tuning of electronic bands, the band gap in particular, thus granting the technology of semiconductor heterostructures devices, key elements in current electronics and optoelectronics. In the realm of magnetically ordered systems, akin to electronic bands in solids, spin waves exhibit characteristic dispersion relations, featuring sizeable magnon gaps in many antiferromagnets. The engineering of the magnon gap constitutes a relevant direction in current research on antiferromagnets, aiming to leverage their distinct properties for THz technologies, spintronics, or magnonics. In this study, we showcase the tunability of the magnon gap across the THz spectral range within an alloy comprising representative semiconducting van-der-Waals antiferromagnets FePS$_3$ and NiPS$3$. These constituents share identical in-plane crystal structures, magnetic unit cells and the direction of the magnetic anisotropy, but differ in the amplitude and sign of the latter. Altogether these attributes result in the wide tunability of the magnon gap in the Fe${1-x}$Ni$_x$PS$_3$ alloy in which the magnetic order is imposed by stronger, perpendicular anisotropy of iron.

Formation mechanism of the (2 x 1) reconstruction of calcite (104)

分类： 材料科学

作者： Haojun Zhou, Yingquan Chen, Mingyue Ding, Xiaoliang Zhong

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12222v1

摘要： Calcite has recently attracted extensive research interest in fields ranging from geoscience to carbon dioxide removal. Although much effort has been made to study the (2x1) reconstruction of the most stable (104) surface, the origin of this reconstruction remains unclear. Here, we carefully investigate the atomic and electronic structures of calcite (104) via density functional theory methods with van der Waals corrections. The results unambiguously show that the driving force for this reconstruction is the intrinsic demands of surface atoms to increase the coordination numbers. On reconstructing, calcite (104) forms four additional Ca-O bonds per (2x1) unit cell. Besides, phonon spectrums indicate both unreconstructed and reconstructed surfaces are dynamically stable. Finally, by applying the climbing image nudged elastic band method, an energy barrier is predicted during the reconstructing. This work delivers a full picture for the formation of calcite (104)-(2x1) reconstruction and can greatly advance the understanding of surface science for calcite.

Electron States Emerging at Magnetic Domain Wall of magnetic semiconductors with strong Rashba effect

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： I. P. Rusinov, V. N. Men'shov, E. V. Chulkov

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12207v1

摘要： In the present article, we explore the electron properties of magnetic semiconductors with strong Rashba spin-orbit coupling taking into account the presence of domain walls at the sample surface. We consider antiphase domain walls separating domains with both in-plane and out-of-plane magnetization as well as noncollinear domain walls. First, we propose the model and unveil general physical picture of phenomenon supported by analytical arguments. Further, we perform a comprehensive tight-binding numerical calculations to provide a profound understanding of our findings. A domain wall separating domains with any polarization directions is demonstrated to host a bound state. What is more interesting is that we predict that either of these domain walls also induces one-dimensional resonant state. The surface energy spectrum and spin polarization of the states are highly sensitive to the magnetization orientation in the adjacent domains. The spectral broadening and the spatial localization of the resonant state depend significantly on a relation between the Rashba splitting and the exchange one. Our estimation shows that chiral conducting channels associated with the long-lived resonant states can emerge along the magnetic domain walls and can be accessed experimentally at the surface of BiTeI doped with transition metal atoms.

Machine learning-based determination of magnetic parameters from magnetic images with different imaging scales

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Akito Watanabe, Yoshinobu Nakatani, Hiroyuki Awano, Kenji Tanabe

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12181v1

摘要： The determination of material parameters is significantly important in material science, which is often a challenging task. Recently, advancements have shown that magnetic parameters, such as the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), can be estimated from a magnetic domain image using machine learning (ML). This development suggests a potential shift in how magnetic parameters are determined, moving away from traditional measurement techniques to more innovative methods involving image-based inputs processed by ML. In previous studies, the test images used for estimation always matched the training images in size. However, since image size is contingent on the microscopy technique used, the ability to accurately estimate parameters from images of varying sizes is essential. Here, we investigated the feasibility of estimating the DMI constant and saturation magnetization from magnetic domain images of different sizes using ML. We successfully demonstrated that it is possible to estimate these parameters even when the imaging sizes differ between training and test datasets. Additionally, our comparison of the estimation accuracy for the DMI constant and saturation magnetization revealed that the tolerance for differences in image size varies depending on the specific parameter being estimated. These findings could have a significant impact on the future methods of determining magnetic parameters.

Itinerant magnetism vis-à-vis structural phases in AlCuFeMn multi-principal-component medium entropy alloy

分类： 材料科学

作者： Palash Swarnakar, Partha Sarathi De, Amritendu Roy

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12176v1

摘要： The exploration of multi-principal-component alloys (MPCAs) as potential functional materials in research is still in its early phase, with most studies centred on their potential application as structural materials. Magnetic materials possessing superior performance characteristics are essential for functional applications. Experimental observations and ab-initio density functional theory calculations were used to design and investigate an MPCA, AlCuFeMn, based on the medium-entropy effect. This study examines the microstructure evolution, phase formation, and soft magnetic behaviour of a cast and annealed AlCuFeMn MPCA. We conducted first-principles density-functional-theory (DFT) calculations to explain a selected multi-phase alloy's atomic, electronic, and magnetic structures at absolute zero temperature to understand the experimental findings better. We verified the predictions based on DFT by comparing them with the experimental observations. Despite the emphasis on equimolar compositions, the findings and conclusions of this study can enhance phase prediction and magnetic characteristics in non-equimolar alloys.

Low Temperature Deposition of Functional Thin Films on Insulating Substrates: Selective Ion Acceleration using Synchronized Floating Potential HiPIMS

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Jyotish Patidar, Oleksandr Pshyk, Lars Sommerhäuser, Sebastian Siol

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12174v1

摘要： Ionized physical vapor deposition techniques, such as high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) are gaining popularity due to their ability to produce high-quality thin films at low deposition temperatures. In those techniques, ions are commonly accelerated onto the growing film using negative potential applied to the substrate. One key challenge however is, how such potentials can be applied on insulating or electrically floating substrates. In this work, we present a novel approach for low-temperature deposition of high-quality thin films on insulating substrates using Synchronized Floating Potential High-Power Impulse Magnetron Sputtering (SFP-HiPIMS). This technique leverages the negative floating potential, induced on the substrate during the HiPIMS discharge. By synchronizing the ion arrival with the substrate's floating potential, specific ions can be accelerated preferentially, thereby enhancing adatom mobility and improving film quality while mitigating the detrimental effects of Ar+ ion bombardment. Our proof-of-concept study demonstrates the deposition of high-quality, textured Al0.8Sc0.2N thin films on various insulating substrates at low temperatures. We show that synchronizing the Al and Sc ion fluxes with the induced negative floating potential significantly enhances the films' crystallinity, c-axis texture and at the same time reduces residual stress. In addition, it enables epitaxial growth on sapphire at temperatures as low as 100{\deg}C. The results of this study demonstrate that SFP-HiPIMS provides a practical and economical solution for a long-standing challenge in physical vapor deposition, which can be implemented in standard deposition equipment. SFP-HiPIMS therefore paves the way for advanced manufacturing processes in various emerging technologies.

Unusual strong ferromagnetism in site-ordered cubic Laves phase compound LuInCo$_4$ with Co-pyrochlore lattice

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Taiki Shiotani, Hiroto Ohta, Takeshi Waki, Yoshikazu Tabata, Hiroyuki Nakamura

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12166v1

摘要： We have successfully synthesized single crystals of the site-ordered cubic (C15b) Laves phase compound LuInCo$_4$ with the Co-pyrochlore sublattice for the first time. LuInCo$4$ undergoes a ferromagnetic transition at 306 K and has a saturation moment of 3.43 $\mu{\rm{B}}$/f.u. at 5 K. The strongly ferromagnetic nature was verified by DFT calculations, suggesting that Co-3$d$ flat bands near the Fermi level induce the spin polarization. The magnetization is isotropic above $\sim$100 K, saturates most easily in the [100] direction at low temperatures. In this anisotropic ferromagnetic state, the magnetization undergoes a metamagnetic transition in the [111] direction. Our results suggest that LuInCo$_4$ is a new strong but unusual itinerant electron ferromagnet, which deserves further study as a pyrochlore metal.

Mitigation of Gilbert Damping in the CoFe/CuOx Orbital Torque System

分类： 材料科学

作者： Shilei Ding, Hanchen Wang, William Legrand, Paul Noël, Pietro Gambardella

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12165v1

摘要： Charge-spin interconversion processes underpin the generation of spin-orbit torques in magnetic/nonmagnetic bilayers. However, efficient sources of spin currents such as 5d metals are also efficient spin sinks, resulting in a large increase of magnetic damping. Here we show that a partially-oxidized 3d metal can generate a strong orbital torque without a significant increase in damping. Measurements of the torque efficiency {\xi} and Gilbert damping {\alpha} in CoFe/CuOx and CoFe/Pt indicate that {\xi} is comparable. The increase in damping relative to a single CoFe layer is {\Delta}{\alpha}<0.002 in CoFe/CuOx and {\Delta}{\alpha} ~ 0.005 - 0.02 in CoFe/Pt, depending on CoFe thickness. We ascribe the nonreciprocal relationship between {\Delta}{\alpha} and {\xi} in CoFe/CuOx to the small orbital-to-spin current ratio generated by magnetic resonance in CoFe and the lack of an efficient spin sink in CuOx. Our findings provide new perspectives on the efficient excitation of magnetization dynamics via the orbital torque.

Excellent and CO$2$${0.85}$Nd${0.1}$Cu${0.05}$O${2-δ}$-Nd$x$Sr${1-x}$Fe${1-y}$Cu$y$O${3-δ}$ dual-phase oxygen transport membranes

分类： 材料科学

作者： Chao Zhang, Yue Zhu, Xiaopeng Wang, Yanhao Huang, Lingyong Zeng, Kuan Li, Peifeng Yu, Kangwang Wang, Longfu Li, Zaichen Xiang, Rui Chen, Xuefeng Zhu, Huixia Luo

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12164v1

摘要： Oxygen transport membranes(OTMs)have provided great opportunities in the last decades but are suffering from the trade-off effect between stability and oxygen permeability. Here, we report a group of new planar dual-phase mixed ionic-electronic conducting (MIEC) OTMs consisting of CO$2$${0.85}$Nd${0.1}$Cu${0.05}$O$2$ (CNCO) and Nd$x$Sr${1-x}$Fe${1-y}$Cu$_y$O$_3$(NSFCO; $x = 0.4, 0.6$; $y = 0.05, 0.1$) phases, showing excellent oxygen permeability while comparable CO$_2$-resistant stability. The substitution of Cu as a bifunctional additive decreases the sintering temperature and enhances bulk diffusion and oxygen permeability with the co-doping of Nd.The oxygen permeation fluxes reached 2.62 and 1.52 mL min$^{-1}$ cm$^{-2}$ at 1000$^\circ$C through the optimal 60wt%Ce0.85Nd0.1Cu0.05O2-40wt%Nd0.4Sr0.6Fe0.9Cu0.1O3 (CNCO-NSFCO41) composition with He and CO$_2$ sweeping, respectively, higher than all reported dense dual-phase OTMs. Such excellent CO$_2$-tolerant permeability meets the needs of potential industrial applications. Analysis with Zhu's oxygen permeation model shows lower bulk diffusion resistance of CNCO-NSFCO41 than that of reported 60wt%Ce0.85Pr0.1Cu0.05O2-40wt%Pr0.4Sr0.6Fe0.9Cu0.1O3(CPCO-PSFCO41)and more limitation by the interfacial exchange at high temperature. All the prepared OTMs also show good long-term stability over 100 hours in both atmospheres. Our results confirm the excellent oxygen permeability and stability under a high-concentration CO2 atmosphere, providing a material candidate for CO2 capture in oxyfuel combustion.

Mapping Hydrogen Evolution Activity Trends of V-based A15 Superconducting Alloys

分类： 材料科学, 超导

作者： Peifeng Yu, Jie Zhan, Xiaobing Zhang, Kangwang Wang, Lingyong Zeng, Kuan Li, Chao Zhang, Longfu Li, Ying Liang, Kai Yan, Yan Sun, Huixia Luo

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12160v1

摘要： Exploring high-efficiency and low-cost electrocatalysts is valuable for water-splitting technologies. Recently, Si-group compounds have attracted increasing attention in electrocatalysis, considering the abundant Si-group elements on Earth. However, Si-group compounds for HER electrocatalysis have not been systematically studied. In this study, we unveil the activity trends of non-noble metal catalyst A15-type V3M (i.e., V3Si, V3Ge, and V3Sn) superconductors and show that V3Si is the most efficient HER catalyst because of the high electronic conductivity and suitable d-band center. Among them, the V3Si only requires 33.4 mV to reach 10 mA cm-2, and only 57.6 mV and 114.6 mV are required to attain a high current density of 100 mA cm-2 and 500 mA cm-2, respectively. These low overpotentials are close to the 34.3 mV at 10 mA cm-2 of state-of-art Pt/C (20 %) but superior to 168.5 mV of Pt/C (20 %) at 100 mA cm-2. Furthermore, the V3Si illustrates exceptional durability with no obvious decay in the 120 h at the different current densities (i.e., 10 - 250 mA cm-2). The excellent HER activity of V3Si alloy can be ascribed to the synergies of superior electronic conductivity and suitable d-band center. Moreover, DFT calculations reveal that the absolute hydrogen adsorption Gibbs free energy is decreased after introducing the V to Si. Beyond offering a stable and high-performance electrocatalyst in an acidic medium, this work inspires the rational design of desirable silicide electrocatalysts.

Time series forecasting of multiphase microstructure evolution using deep learning

分类： 材料科学

作者： Saurabh Tiwari, Prathamesh Satpute, Supriyo Ghosh

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.13111v1

摘要： Microstructure evolution, which plays a critical role in determining materials properties, is commonly simulated by the high-fidelity but computationally expensive phase-field method. To address this, we approximate microstructure evolution as a time series forecasting problem within the domain of deep learning. Our approach involves implementing a cost-effective surrogate model that accurately predicts the spatiotemporal evolution of microstructures, taking an example of spinodal decomposition in binary and ternary mixtures. Our surrogate model combines a convolutional autoencoder to reduce the dimensional representation of these microstructures with convolutional recurrent neural networks to forecast their temporal evolution. We use different variants of recurrent neural networks to compare their efficacy in developing surrogate models for phase-field predictions. On average, our deep learning framework demonstrates excellent accuracy and speedup relative to phase-field simulations. Moreover, we use quantitative measures to demonstrate how surrogate model predictions can replace phase-field timesteps without compromising accuracy in the long-term evolution trajectory. Finally, by emulating a transfer learning approach, our framework performs satisfactorily in predicting new microstructures resulting from alloy composition and physics unknown to the model. As such, our approach demonstrates a useful data-driven alternative or accelerator to microstructure simulation workflow.

Sr4Os3O12- A Layered Osmate (V,VI) that is Magnetic close to Room Temperature

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Gohil S. Thakur, Julia-Maria Hübner, Kati Finzel, Thomas Doert, Michael Ruck

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12117v1

摘要： Black crystals of the mixed-valence osmate(V,VI) Sr4Os3O12 were grown via a gas phase reaction in an evacuated silica tube. The material is attracted to a permanent magnet at room temperature (295 K) but loses this property when heated or cooled. In this temperature interval, soft magnetic behavior with vanishing coercivity is observed, but the saturation magnetization is only 0.05 MuB per formula unit. Resistivity measurements show that Sr4Os3O12 is a semiconductor with a small band gap of about 0.26 eV at room temperature. X-ray diffraction on a single-crystal revealed a rhombohedral structure with the space group R-3m and lattice parameters ar = 554.64(2) pm and cr = 2700.1(1) pm at 300(1) K. The compound crystallizes in the La4Ti3O12 structure type and is isostructural to Sr4CoRe2O12. The structure is a rhombohedral stack of layered blocks, each of which can be considered as a section of three layers of the cubic perovskite structure cut perpendicular to one of its threefold axes. The Os-O-Os bond angle of about 175{/deg} favors superexchange that leads to antiferromagnetic coupling between the osmium atoms with 5d3 and 5d2 configurations. Sr4Os3O12 exhibits strong lattice dynamics. One aspect is the antiferro-rotative lattice modes of the corner-sharing [OsO6] octahedra, which freeze upon cooling. At 100 K, an ordered, yet twinned triclinic superstructure is formed. Strong spin-orbit coupling and other effects cause deformations of the [OsO6] octahedra that differ significantly at 300 K and 100 K, suggesting a change in the electronic configuration. Competing ground states could also explain the temperature dependent band gap and the magnetic fluctuations manifested in the magnetization peak at room temperature.

Spin relaxation in graphite due to spin-orbital-phonon interaction from first-principles density-matrix approach

分类： 计算物理, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Junqing Xu

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12054v1

摘要： We predict "intrinsic" spin relaxation times ($T_{1}$) of graphite due to spin-orbit-phonon interaction, i.e., the combination of spin-orbit coupling and electron-phonon interaction, using our developed first-principles density-matrix approach. We obtain ultralong $T_{1}$, e.g., $\sim$600 ns at 300 K, which leads to ultralong in-plane spin diffusion length $\sim$110 $\mu$m within the drift-diffusion model. Our prediction sets the upper bound of $T_{1}$ of graphite at each given temperature and Fermi level. The anisotropy ratios of $T_{1}$ or values of $T_{1z}/T_{1x}$ are found small and around 0.6. We examine the applicability of the well-known Elliot-Yafet (EY) relation, which declares that spin relaxation rate $T_{1\alpha}^{-1}$ ($\alpha=x,y,z$) is proportional to the product of the ensemble average of spin mixing parameter $\left\langle b_{\alpha}^{2}\right\rangle $ and carrier relaxation rate $\tau_{p}^{-1}$. Our numerical tests suggest that the EY relation works qualitatively if the degeneracy threshold $t^{\mathrm{deg}}$ for evaluating $b_{\alpha}^{2}$ is elatively large (not much smaller than or comparable to $k_{B}T$), e.g., $10^{-3}$ eV or larger, but fails if $t^{\mathrm{deg}}$ is too tiny (much smaller than $k_{B}T$), e.g., $10^{-6}$ eV or smaller.

Mid-infrared optical waveguides: missing link of integrated photonics

分类： 光学, 材料科学, 78A60, 82D30

作者： T Toney Fernandez, Yongsop Hwang, Dale Otten, Alex Fuerbach, David Lancaster

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12050v2

摘要： Lack of low phonon energy glass waveguides delays the progress of integrated photonics in the mid-infrared wavelength. This perspective provides insights on the history of waveguide production in the past and what to expect in the near future.

Synthesis of Group-IV ternary and binary semiconductors using epitaxy of $\rm GeH_3Cl$ and $\rm SnH_4$

分类： 材料科学

作者： Aixin Zhang, Dhruve A. Ringuala, Matthew A. Mircovich, Manuel A. Roldan, John Kouvetakis, José Menéndez

发布时间： 2024-08-22

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12044v1

摘要： $\rm{Ge}{1-x-y}Si{x}Sn_{y}$ alloys were grown on Ge buffer layers at ultra-low temperature using reactions of $\rm SnH_{4}$ and $\rm GeH_{3}Cl$ for the first time. The latter is a newly introduced CVD source designed for epitaxial development of group IV semiconductors under low thermal budgets and CMOS compatible conditions. The $\rm{Ge}{1-x-y}Si{x}Sn_{y}$ films were produced between 160-200oC with 3-5% Si and ~ 5-11 % Sn, which traverses the indirect to direct gap transition in Ge-Sn materials. The films were fully strained to Ge and exhibited defect-free microstructures, flat surfaces, homogeneous compositions, uniform thicknesses and sharp interfaces as required for device manufacturing. A comparative study was then conducted to investigate the applicability of $\rm GeH_{3}Cl$ for the synthesis of $\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$ binaries under similar experimental conditions. The$\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$ films were grown fully strained to Ge, but with reduced Sn compositions ranging from ~ 2 - 7 % and lower thicknesses relative to $\rm{Ge}{1-x-y}Si{x}Sn_{y}$. This prompted efforts to further investigate the growth behavior of $\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$ using the $\rm GeH_{3}Cl$ method, bypassing the Ge buffer to produce samples directly on Si, with the aim of exploring how to manage interface strain. In this case the $\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$ on Si films exhibited compositions and thicknesses comparable to $\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$-on-Ge films; however, their strain states were mostly relaxed, presumably due to the large misfit between $\rm Ge_{1-y}Sn_{y}$ and Si. Efforts to increase the concentration and thickness of these samples resulted in non-homogeneous multi-phase materials containing large amounts of interstitial Sn impurities.

Two-dimensional non-volatile valley spin valve

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Kai Huang, Kartik Samanta, Ding-Fu Shao, Evgeny Y. Tsymbal

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12028v1

摘要： A spin valve represents a well-established device concept in magnetic memory technologies, whose functionality is determined by electron transmission being controlled by the relative alignment of magnetic moments of the two ferromagnetic layers. Recently, the advent of valleytronics has conceptualized a valley spin valve (VSV) - a device that utilizes the valley degree of freedom and spin-valley locking to achieve a similar valve effect without relying on magnetism. In this study, we propose a non-volatile VSV (n-VSV) based on a two-dimensional (2D) ferroelectric semiconductor where the resistance of the n-VSV is controlled by the ferroelectric domain wall between the two uniformly polarized domains. Focusing on the 1T'' phase of MoS2, which is known to be ferroelectric down to a monolayer and using density functional theory (DFT) combined with the quantum-transport calculations, we demonstrate that switching between the uniformly polarized state and the state with oppositely polarized domains separated by a domain wall results in resistance change of as high as 10^7. This giant VSV effect occurs due to transmission being strongly dependent on matching (mismatching) the valley-dependent spin polarizations in the two domains with the same (opposite) ferroelectric polarization orientations, when the chemical potential of 1T''-MoS2 lies within the spin-split valleys. Our work paves a new route for realizing high-performance nonvolatile valleytronics.

Determining van der Waals materials' optical and polaritonic properties using cryogenic FTIR micro-spectroscopy

分类： 光学, 材料科学

作者： Siddharth Nandanwar, Aditya Desai, S. Maryam Vaghefi Esfidani, Tristan McMillan, Eli Janzen, James H. Edgar, Thomas G. Folland

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.12015v1

摘要： Van-der-Waals materials have been shown to support numerous exotic polaritonic phenomena originating from their layered structures and associated vibrational and electronic properties. This includes emergent polaritonic phenomena, including hyperbolicity and exciton-polariton formation. However, many van-der-Waals materials' unique properties are most prominent at cryogenic temperatures. This presents a particular challenge for polaritonics research, as reliable optical constant data is required for understanding light-matter coupling. For infrared polaritonics (3-100um), the small size of exfoliated flakes makes conventional ellipsometry impossible. This paper presents a cryogenic Fourier transform infrared microscope design constructed entirely from off-the-shelf components and fitting procedures for determining optical constants. We use this microscope to present the first temperature-dependent characterization of the optical properties of hexagonal boron nitride grown with isotopically pure boron. We show that Fabry Perot-type resonances close to the transverse optical phonon show the key temperature-dependent tuning of several parameters. Our full analysis of the infrared dielectric function shows small but significant tuning of the optical constants, which is highly consistent with Raman data from the literature. We then use this dielectric data to perform and analyze the polariton propagation properties, which agree extremely well with published cryogenic scattering-type nearfield microscopy results. In addition to the insights gained into hyperbolic polaritons in hBN, our paper represents a transferable framework for characterizing exfoliated infrared polaritonic materials and other infrared devices. This could accelerate discoveries in other material systems, especially those that are spatially inhomogeneous or cannot be prepared as large single crystals.

Magnetic proximity coupling to defects in a two-dimensional semiconductor

分类： 材料科学

作者： Muhammad Hassan Shaikh, Matthew Whalen, Dai Q. Ho, Aqiq Ishraq, Collin Maurtua, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Yafei Ren, Anderson Janotti, John Xiao, Chitraleema Chakraborty

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11986v1

摘要： The ultrathin structure and efficient spin dynamics of two-dimensional (2D) antiferromagnetic (AFM) materials hold unprecedented opportunities for ultrafast memory devices, artificial intelligence circuits, and novel computing technology. For example, chromium thiophosphate (CrPS4) is one of the most promising 2D A-type AFM materials due to its robust stability in diverse environmental conditions and net out-of-plane magnetic moment in each layer, attributed to anisotropy in crystal axes (a and b). However, their net zero magnetic moment poses a challenge for detecting the Neel state that is used to encode information. In this study, we demonstrate the detection of the Neel vector by detecting the magnetic order of the surface layer by employing defects in tungsten diselenide (WSe2). These defects are ideal candidates for optically active transducers to probe the magnetic order due to their narrow linewidth and high susceptibility to magnetic fields. We observed spin-polarized charge transfer in the heterostructure of bulk CrPS4 and single-layer WSe2 indicating type-II band alignment as supported by density functional theory (DFT) calculations. In the A-type AFM regime, the intensity of both right-handed and left-handed circularly polarized light emanating from the sample remains constant as a function of the applied magnetic field, indicating a constant polarized transition behavior. Our results showcase a new approach to optically characterizing the magnetic states of 2D bulk AFM material, highlighting avenues for future research and technological applications.

Flat Band Generation through Interlayer Geometric Frustration in Intercalated Transition Metal Dichalcogenides

分类： 材料科学

作者： Yawen Peng, Ren He, Peng Li, Sergey Zhdanovich, Matteo Michiardi, Sergey Gorovikov, Marta Zonno, Andrea Damascelli, Guo-Xing Miao

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11985v1

摘要： Electronic flat bands can lead to rich many-body quantum phases by quenching the electron's kinetic energy and enhancing many-body correlation. The reduced bandwidth can be realized by either destructive quantum interference in frustrated lattices, or by generating heavy band folding with avoided band crossing in Moire superlattices. Here we propose a general approach to introduce flat bands into widely studied transition metal dichalcogenide (TMD) materials by dilute intercalation, featuring both destructive interference and band folding. A flat band with vanishing dispersion is observed by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) over the entire momentum space in intercalated Mn1/4TaS2. Polarization dependent ARPES measurements combined with symmetry analysis reveal the orbital characters of the flat bands. Supercell tight-binding simulations suggest that such flat bands arise from destructive interference between Mn and Ta wave functions on the S hopping pathways and are ubiquitous in a range of TMD families as well as in different intercalation configurations. Our findings establish a new material platform to manipulate flat band structures and explore their corresponding emergent correlated properties.

Efficient nanoscale imaging of solid-state phase transitions by transmission electron microscopy demonstrated on vanadium dioxide nanoparticles

分类： 材料科学

作者： Michal Horák, Peter Kepič, Jiří Kabát, Martin Hájek, Filip Ligmajer, Andrea Konečná, Tomáš Šikola, Vlastimil Křápek

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11972v1

摘要： We present annular dark field scanning transmission electron microscopy (ADF-STEM) as an efficient, fast, and non-destructive nanoscale tool for monitoring solid-state phase transition. Using metal-insulator transition in vanadium dioxide nanoparticles as an example, we characterize lattice and electronic signatures of the phase transition using analytical transmission electron microscopy including diffraction and electron energy-loss spectroscopy. We demonstrate that ADF-STEM shows a clear contrast across the transition, interpreted with the help of convergent electron beam diffraction as stemming from the crystal-lattice modification accompanying the transition. In addition, ADF-STEM utilizes 3--6 orders of magnitude lower electron dose when compared to electron microscopy techniques able to reveal the phase transition with the same spatial resolution and universality. The benefits of ADF-STEM are emphasized by recording a full hysteresis loop for the metal-insulator transition of a single vanadium dioxide nanoparticle. Our study opens the prospect for fast, non-destructive, large-area and nanoscale characterization of solid-state phase transitions.

Machine learning unveils the materials physical properties driving thermoelectric generators efficiency: half-Heuslers case

分类： 材料科学

作者： Anastasiia Tukmakova, Patrizio Graziosi

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11949v1

摘要： We report the machine learning (ML)-based approach allowing thermoelectric generator (TEG) efficiency evaluation directly from 5 parameters: 2 physical properties - carriers density and energy gap, and 3 engineering parameters - external load resistance, TEG hot side temperature and leg height. Then, we propose to use genetic algorithm to optimize the proposed parameters in a way to maximize TEG efficiency. To prepare data, physical properties of n- and p-type materials were computed by coupling Density Functional Theory to Boltzmann Transport, and used for Finite Elements simulations. TEG efficiency was evaluated from a finite elements model considering design, radiative heat loss, contacts, external load resistance and different combinations of materials, resulting in 5300 different scenarios. For ML model, physical properties and engineering parameters were used as input features, skipping transport coefficients, while TEG efficiency was a target. Model was built on gradient boosting algorithm, its performance was evaluated using the coefficient of determination that reached a value of 0.98 on test dataset. Features importance analysis revealed the most crucial features for Half-Heusler-based TEG efficiency: carriers density or Fermi level, indicating the predominant role of electrical conductivity and electronic part of electrical conductivity. Features that were less important, but able to increase model performance were: energy gap, lattice thermal conductivity, charge carrier relaxation time and carriers conductivity effective mass. Features showed no impact were: density of states effective mass, heat capacity, density, relative permittivity and leg width. The proposed approach can be applied for the identification of the most important physical properties and their optimal values, the optimization of TEG design and operation conditions in a way to maximize TEG efficiency.

Two relaxation mechanisms for rejuvenation of stable polymer glass

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Saba Karimi, Junjie Yin, James A. Forrest

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11783v1

摘要： We report on the rejuvenation of thin films of polystyrene (PS) as they are heated from stable glassy states - prepared either through vapour deposition or physical aging. For films with thickness $h \gtrsim 200$ nm, the rejuvenation of vapour deposited stable PS glass films follow behaviour well-documented for other stable glasses. For films with thickness $h \lesssim 160$nm the behaviour of the vapour deposited films becomes more complicated. This behaviour is characterized for different film thicknesses. The results are compared with vapour deposited films that are aged after rejuvenation or spincast and aged. Collectively, the results of these studies strongly suggest two distinct mechanisms that can result in rejuvenation, and hence two distinct relaxation processes that can couple to the material density. The two physical mechanisms can provide insight into poorly understood or apparently contradictory aspects of $T_g$ measurements in thin PS films.

Bridging experiment and theory of relaxor ferroelectrics at the atomic scale with multislice electron ptychography

分类： 材料科学

作者： Menglin Zhu, Michael Xu, Yubo Qi, Colin Gilgenbach, Jieun Kim, Jiahao Zhang, Bridget R. Denzer, Lane W. Martin, Andrew M. Rappe, James M. LeBeau

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11685v1

摘要： Introducing structural and/or chemical heterogeneity into otherwise ordered crystals can dramatically alter material properties. Lead-based relaxor ferroelectrics are a prototypical example, with decades of investigation having connected chemical and structural heterogeneity to their unique properties. While theory has pointed to the formation of an ensemble of ``slush''-like polar domains, the lack of direct, spatially resolved volumetric data comparable to simulations presents a significant challenge in measuring the spatial distribution and correlation of local chemistry and structure with the physics underlying relaxor behavior. Here, we address this challenge through three-dimensional volumetric characterization of the prototypical relaxor ferroelectric \ce{0.68Pb(Mg${1/3}$Nb${2/3}$)O3-0.32PbTiO$_3$} using multislice electron ptychography. Direct comparison with molecular dynamics simulations reveals the intimate relationship between the polar structure and unit-cell level charge imbalance induced by chemical disorder. Further, polar nanodomains are maintained through local correlations arising from residual short-range chemical order. Acting in concert with the chemical heterogeneities, it is also shown that compressive strain enhances out-of-plane correlations and ferroelectric-like order without affecting the in-plane relaxor-like structure. Broadly, these findings provide a pathway to enable detailed atomic scale understanding for hierarchical control of polar domains in relaxor ferroelectric materials and devices, and also present significant opportunities to tackle other heterogeneous systems using complementary theoretical and experimental studies.

Surface reconstruction limited magnetism of the nodal loop semimetal Ca$_3$P$_2$

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 统计力学

作者： Assem Alassaf, János Koltai, Amador García-Fuente, László Oroszlány

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11668v1

摘要： Nodal loop semimetals are topological materials with drumhead surface states characterized by reduced kinetic energy. If the Fermi energy of such a system is near these nondispersive states interaction among charge carriers substantially impacts their electronic structure. The emergence of magnetism in these surface states is one of the possible consequences. Ca3P2 an already synthesized material possesses a remarkably large nodal loop which is situated exactly at the Fermi level of the bulk system. In the present work, we investigate how surface magnetism is impacted by surface reconstruction and lattice termination in finite slabs in this material. We show that a slight deviation from the stoichiometric occupation of Ca sites results in the stabilization of magnetic patterns.

Spin-orbit-splitting-driven nonlinear Hall effect in NbIrTe4

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ji-Eun Lee, Aifeng Wang, Shuzhang Chen, Minseong Kwon, Jinwoong Hwang, Minhyun Cho, Ki-Hoon Son, Dong-Soo Han, Jun Woo Choi, Young Duck Kim, Sung-Kwan Mo, Cedomir Petrovic, Choongyu Hwang, Se Young Park, Chaun Jang, Hyejin Ryu

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11658v1

摘要： The Berry curvature dipole (BCD) serves as a one of the fundamental contributors to emergence of the nonlinear Hall effect (NLHE). Despite intense interest due to its potential for new technologies reaching beyond the quantum efficiency limit, the interplay between BCD and NLHE has been barely understood yet in the absence of a systematic study on the electronic band structure. Here, we report NLHE realized in NbIrTe4 that persists above room temperature coupled with a sign change in the Hall conductivity at 150 K. First-principles calculations combined with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements show that BCD tuned by the partial occupancy of spin-orbit split bands via temperature is responsible for the temperature-dependent NLHE. Our findings highlight the correlation between BCD and the electronic band structure, providing a viable route to create and engineer the non-trivial Hall effect by tuning the geometric properties of quasiparticles in transition-metal chalcogen compounds.

High-areal-capacity Na-ion battery electrode with uncompromised energy and power densities by simultaneous electrospinning-spraying fabrication

分类： 材料科学

作者： Mengzheng Ouyang, Zhenyu Guo, Luis E Salinas-Farran, Yan Zhao, Siyu Zhao, Kaitian Zheng, Hao Zhang, Mengnan Wang, Guangdong Li, Feiran Li, Xinhua Liu, Shichun Yang, Fei Xie, Paul R. Shearing, Maria-Magdalena Titirici, Nigel P. Brandon

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11655v1

摘要： Sodium-ion batteries (SIBs) are cost-effective alternatives to lithium-ion batteries (LIBs), but their low energy density remains a challenge. Current electrode designs fail to simultaneously achieve high areal loading, high active content, and superior performance. In response, this work introduces an ideal electrode structure, featuring a continuous conductive network with active particles securely trapped in the absence of binder, fabricated using a universal technique that combines electrospinning and electrospraying (co-ESP). We found that the particle size must be larger than the network's pores for optimised performance, an aspect overlooked in previous research. The free-standing co-ESP Na2V3(PO4)3 (NVP) cathodes demonstrated state-of-the-art 296 mg cm-2 areal loading with 97.5 wt.% active content, as well as remarkable rate-performance and cycling stability. Co-ESP full cells showed uncompromised energy and power densities (231.6 Wh kg-1 and 7152.6 W kg-1), leading among reported SIBs with industry-relevant areal loadings. The structural merit is analysed using multi-scale X-ray computed tomography, providing valuable design insights.Finally, the superior performance is validated in the pouch cells, highlighting the electrode's scalability and potential for commercial application.

Complex Reluctivity and Dynamic Hysteresis Model for Soft Magnetic Composite Materials

分类： 材料科学, 应用物理

作者： J. Vesa

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11597v1

摘要： In this article, we derive a Cauer network reluctivity model for soft magnetic composite materials. The Cauer network components are closed-form expressions consisting only of such parameters that have a clear physical meaning. The parameters include particle permeability, particle conductivity, insulation permeability, insulation thickness, volume fraction, mean particle diameter, variance of particle diameters, and maximal particle diameter. The particle volumes are assumed to be beta-distributed. Since the model is a network, it is immediately available in both frequency- and time domains.

Dissecting mode-coupling theory for supercooled liquids

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学, 计算物理

作者： Ilian Pihlajamaa, Liesbeth M. C. Janssen

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11579v1

摘要： The mode-coupling theory (MCT) of the glass transition ranks among the most successful first-principles kinetic theories to describe glassy dynamics. However, MCT does not fully account for crucial aspects of the dynamics near the glass transition. To facilitate improving the theory, we critically test the approximations inherent in MCT for a supercooled mixture using Brownian dynamics simulations. Although each MCT approximation significantly impacts the predicted dynamics, our findings show that long-time cancellations of errors occur due to static and dynamic approximations of four-point correlation functions, with the validity of these approximations remaining relatively constant across different temperatures. Notably, the MCT form of the memory functional maintains remarkably high accuracy even in the supercooled regime when evaluated with the intermediate scattering function from simulations. The primary discrepancies between theoretical predictions and experimental results arise from the self-consistent nature of the MCT equations, which amplify minor errors in the memory kernel. This suggests that minor corrections to the memory functional could substantially enhance the theory's predictive accuracy.

Structure and dynamics of the magnetite(001)/water interface from molecular dynamics simulations based on a neural network potential

分类： 计算物理, 材料科学, 化学物理

作者： Salvatore Romano, Pablo Montero de Hijes, Matthias Meier, Georg Kresse, Cesare Franchini, Christoph Dellago

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11538v1

摘要： The magnetite/water interface is commonly found in nature and plays a crucial role in various technological applications. However, our understanding of its structural and dynamical properties at the molecular scale remains still limited. In this study, we develop an efficient Behler-Parrinello neural network potential (NNP) for the magnetite/water system, paying particular attention to the accurate generation of reference data with density functional theory. Using this NNP, we performed extensive molecular dynamics simulations of the magnetite (001) surface across a wide range of water coverages, from the single molecule to bulk water. Our simulations revealed several new ground states of low coverage water on the Subsurface Cation Vacancy (SCV) model and yielded a density profile of water at the surface that exhibits marked layering. By calculating mean square displacements, we obtained quantitative information on the diffusion of water molecules on the SCV for different coverages, revealing significant anisotropy. Additionally, our simulations provided qualitative insights into the dissociation mechanisms of water molecules at the surface.

How to use the dispersion in the $χ^{(3)}$ tensor for broadband generation of polarization-entangled photons

分类： 量子物理学, 材料科学, 光学

作者： Valeria Vento, Francesco Ciccarello, Sakthi Pryia Amirtharaj, Christophe Galland

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11477v1

摘要： Polarization-entangled photon pairs are a widely used resource in quantum optics and technologies, and are often produced using a nonlinear process. Most sources based on spontaneous parametric downconversion have relatively narrow optical bandwidth because the pump, signal and idler frequencies must satisfy a phase-matching condition. Extending the bandwidth, for example to achieve spectral multiplexing, requires changing some experimental parameters such as temperature, crystal angle, poling period, etc. Here, we demonstrate broadband (tens of THz for each photon) generation of polarization-entangled photon pairs by spontaneous four-wave mixing in a diamond crystal, with a simple colinear geometry requiring no further optical engineering. Our approach leverages the quantum interference between electronic and vibrational contributions to the $\chi^{(3)}$ tensor. Entanglement is characterized in a single realization of a Bell test over the entire bandwidth using fiber dispersion spectroscopy and fast single-photon detectors. The results agree with the biphoton wavefunction predicted from the knowledge of the $\chi^{(3)}$ and Raman tensors and demonstrate the general applicability of our approach to other crystalline materials.

Nanostructured multiferroic liquids: on the way to fluid ferroelectric magnets

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Hajnalka Nádasi, Peter Medle Rupnik, Melvin Küster, Alexander Jarosik, Rachel Tuffin, Matthias Bremer, Melanie Klasen-Memmer, Darja Lisjak, Nerea Sebastián, Alenka Mertelj, Frank Ludwig, Alexey Eremin

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11442v1

摘要： Responsiveness to multiple stimuli and adaptivity are paramount for designing smart multifunctional materials. In soft, partially ordered systems, these features can often be achieved via self-assembly, allowing for the combination of diverse components in a complex nanostructured material. Here, we demonstrate an example of a liquid that simultaneously displays both ferroelectric and ferromagnetic types of order. This material is a nanostructured liquid crystalline hybrid comprising ferrimagnetic barium hexaferrite nanoplatelets suspended in a ferroelectric nematic host. Director-mediated interactions drive the self-assembly of nanoplatelets in an intricate network. Due to the couplings between the polar electric and magnetic types of order, this material demonstrates magnetically driven electric and nonlinear optical responses, as well as electrically driven magnetic response. Such multiferroic liquids are highly promising for applications in energy harvesting, nonlinear optics, and sensors.

A short introduction to Neural Networks and their application to Earth and Materials Science Science

分类： 数据分析、统计和概率, 无序系统和神经网络, 材料科学, 地球物理学

作者： Duccio Fanelli, Luca Bindi, Lorenzo Chicchi, Claudio Pereti, Roberta Sessoli, Simone Tommasini

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11395v1

摘要： Neural networks are gaining widespread relevance for their versatility, holding the promise to yield a significant methodological shift in different domain of applied research. Here, we provide a simple pedagogical account of the basic functioning of a feedforward neural network. Then we move forward to reviewing two recent applications of machine learning to Earth and Materials Science. We will in particular begin by discussing a neural network based geothermobarometer, which returns reliable predictions of the pressure/temperature conditions of magma storage. Further, we will turn to illustrate how machine learning tools, tested on the list of minerals from the International Mineralogical Association, can help in the search for novel superconducting materials.

High quality epitaxial piezoelectric and ferroelectric wurtzite Al$_{1-x}$Sc$_x$N thin films

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Yang Zeng, Yihan Lei, Yanghe Wang, Mingqiang Cheng, Luocheng Liao, Xuyang Wang, Jinxin Ge, Zhenghao Liu, Wenjie Ming, Chao Li, Shuhong Xie, Jiangyu Li, Changjian Li

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11379v1

摘要： Piezoelectric and ferroelectric wurtzite are promising to reshape modern microelectronics because they can be easily integrated with mainstream semiconductor technology. Sc doped AlN (Al$_{1-x}$Sc$x$N) has attracted much attention for its enhanced piezoelectric and emerging ferroelectric properties, yet the commonly used sputtering results in polycrystalline Al${1-x}$Sc$x$N films with high leakage current. Here we report the pulsed laser deposition of single crystalline epitaxial Al${1-x}$Sc$_x$N thin films on sapphire and 4H-SiC substrates. Pure wurtzite phase is maintained up to $x = 0.3$ with minimal oxygen contamination. Polarization is estimated to be 140 $\mu$C/cm$^2$ via atomic scale microscopy imaging and found to be switchable via a scanning probe. The piezoelectric coefficient is found to be 5 times of undoped one when $x = 0.3$, making it desirable for high frequency radiofrequency (RF) filters and three-dimensional nonvolatile memories.

Revealing the nontrivial topological surface states of catalysts for effective photochemical carbon dioxide conversion

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： Kangwang Wang, Longfu Li, Peifeng Yu, Nannan Tang, Lingyong Zeng, Kuan Li, Chao Zhang, Rui Chen, Zaichen Xiang, Huichao Wang, Yongqing Cai, Kai Yan, Huixia Luo

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11373v1

摘要： Topological semimetals with protected surface states mark a new paradigm of research beyond the early landmarks of band-structure engineering, allowing fabrication of efficient catalyst to harness the rich metallic surface states to activate specific chemical processes. Herein, we demonstrate a facile solid-phase method for in-situ doping of Ir at the Os sites in the Os3Sn7, an alloy with topological states, which significantly improves the photocatalytic performance for the reduction of CO2 to CO and CH4. Experimental evidence combined with theoretical calculations reveal that the nontrivial topological surface states greatly accelerate charge-separation/electron-enrichment and adsorption/activation of CO2 molecules, rendering highly efficient reaction channels to stimulate the formation of *COOH and CO, as well CHO. This work shows the promise of achieving high photocatalytic performances with synthesizing topological catalysts and provides hints on the design of novel topological catalysts with superior photoactivity towards the CO2 reduction reaction.

Non-trivial Topological Surface States Regulation of 1T-OsCoTe$_2$ Enables Selective C-C Coupling for Highly Efficient Photochemical CO$2$ Reduction Toward C${2+}$ hydrocarbons

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： Kangwang Wang, Mingjie Wu, Peifeng Yu, Hector F. Garces, Ying Liang, Longfu Li, Lingyong Zeng, Kuan Li, Chao Zhang, Kai Yan, Huixia Luo

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11369v1

摘要： Despite ongoing research, the rational design of nontrivial topological semimetal surface states for the selective photocatalytic CO$_2$ conversion into valuable products remains full of challenges. Herein, we present the synthesis of 1T-OsCoTe$_2$ for the photoreduction upgrading of CO$_2$ to tricarbon alkane C$_3$H$_8$,by the integration of experimental work and theory calculation. Experimental studies suggested a high electron based selectivity of 71.2% for C$_3$H$_8$ and an internal quantum efficiency of 54.6% at 380 nm. In-situ X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption fine structure spectroscopy demonstrated that Co and Os atoms coordinated with Te atoms enable an efficient Os-Te-Co electron transfer to activate the generation of *CH$_3$,*CHOCO and *CH$_2$OCOCO. Density functional theory calculations further confirmed Os-Te-Co electron bridging on the improved CO$_2$ conversion kinetics. To our knowledge, this is the first report suggesting the role of Os atoms in accelerating the photocatalytic CO$_2$ conversion activity of the topological semimetal 1T-OsCoTe$_2$.

Optical and microstructural studies of femtosecond laser treated amorphous germanium thin coatings

分类： 光学, 材料科学

作者： L. Kotsedi, A. Abdelmalek, V. Bharadwaj, C. B. Mtshali, Z. Y. Nuru, B. Sotillo, G. Coccia, S. M. Eaton, R. Ramponi, El-H. Amara, M. Maaza

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11354v1

摘要： The study of the relaxation mechanism of amorphous germanium after femtosecond laser irradiation is presented in this work. In particular, a thin germanium coating was deposited onto a glass substrate through the electron beam vacuum coating method. The substrate was kept at room temperature during the coating process, which resulted in a deposited layer characterized by an amorphous microstructure, as observed from the X-ray diffraction. The germanium layer was then irradiated with a femtosecond laser at 1030 nm wavelength, while varying the net fluence from 15 J cm-2 to 90 J cm-2. Moreover, an extended two temperature model was used to extract the electronic and lattice temperature of the laser heated germanium coating, showing a 32% contribution from heating due to the thermal accumulation effect. The microstructural and morphological studies of the irradiated samples were carried out using X-ray diffraction and high-resolution scanning electron microscopy. From the X-ray diffraction results, it was observed that at higher laser fluence there is an emergence of crystallinity on the germanium layer, with no evidence of oxidation. On the surface, the morphology was observed to evolve to granular sphere, attributed to melting of the material. Finally, an increase in absorbance with laser fluence was observed and the optical band gap of the coating was calculated.

Dielectric Reliability and Interface Trap Characterization in MOCVD grown In-situ Al$_2$O$_3$ on $β$-Ga$_2$O$_3$

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Saurav Roy, Arkka Bhattacharyya, Carl Peterson, Sriram Krishnamoorthy

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11342v1

摘要： In this article, we investigate the in-situ growth of Al$_2$O$_3$ on $\beta$-Ga$_2$O$_3$ using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) at a high temperature of 800{\deg}C. The Al$_2$O$_3$ is grown within the same reactor as the $\beta$-Ga$_2$O$_3$, employing trimethylaluminum (TMAl) and O$_2$ as precursors without breaking the vacuum. We characterize the shallow and deep-level traps through stressed capacitance-voltage (C-V) and photo-assisted C-V methods. The high-temperature deposited dielectric demonstrates an impressive breakdown field of approximately 10 MV/cm. Furthermore, we evaluate the reliability and lifetime of the dielectrics using time-dependent dielectric breakdown (TDDB) measurements. By modifying the dielectric deposition process to include a high-temperature (800{\deg}C) thin interfacial layer and a low-temperature (600{\deg}C) bulk layer, we report a 10-year lifetime under a stress field of 3.5 MV/cm along a breakdown field of 7.8 MV/cm.

High-quality imaging of large areas through path-difference ptychography

分类： 材料科学, 光学

作者： Jizhe Cui, Yi Zheng, Kang Sun, Wenfeng Yang, Haozhi Sha, Rong Yu

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11332v1

摘要： Tilting planar samples for multi-zone-axes observation is a routine procedure in electron microscopy. However, this process invariably introduces optical path differences in the electron beam across different sample positions, significantly compromising image quality, particularly over large fields of view. To address this challenge, we developed path difference ptychography (PDP), a method capable of decoupling path differences from the four-dimensional data during reconstruction. This enables the acquisition of high-quality, large-scale images, facilitating a more comprehensive understanding and analysis of materials microstructure. Moreover, PDP has the potential to promote the widespread application of ptychographic tomography in the analysis of planar samples.

Interplay between Nucleation and Kinetics in Dynamic Twinning

分类： 材料科学

作者： Janel Chua, Vaibhav Agrawal, Noel Walkington, George Gazonas, Kaushik Dayal

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11301v1

摘要： In this work, we apply a phase-field modeling framework to elucidate the interplay between nucleation and kinetics in the dynamic evolution of twinning interfaces. The key feature of this phase-field approach is the ability to transparently and explicitly specify nucleation and kinetic behavior in the model, in contrast to other regularized interface models. We use this to study 2 distinct problems where it is essential to explicitly specify the kinetic and nucleation behavior governing twin evolution. First, we study twinning interfaces in 2-d. When these interfaces are driven to move, we find that significant levels of twin nucleation occur ahead of the moving interface. Essentially, the finite interface velocity and the relaxation time of the stresses ahead of the interface allows for nucleation to occur before the interface is able to propagate to that point. Second, we study the growth of needle twins in antiplane elasticity. We show that both nucleation and anisotropic kinetics are essential to obtain predictions of needle twins. While standard regularized interface approaches do not permit the transparent specification of anisotropic kinetics, this is readily possible with the phase-field approach that we have used here.

Substrate-induced spin-torque-like signal in spin-torque ferromagnetic resonance measurement

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Dingsong Jiang, Hetian Chen, Guiping Ji, Yahong Chai, Chenye Zhang, Yuhan Liang, Jingchun Liu, Witold Skowroński, Pu Yu, Di Yi, Tianxiang Nan

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11299v1

摘要： Oxide thin films and interfaces with strong spin-orbit coupling have recently shown exceptionally high charge-to-spin conversion, making them potential spin-source materials for spintronics. Epitaxial strain engineering using oxide substrates with different lattice constants and symmetries has emerged as a mean to further enhance charge-to-spin conversion. However, high relative permittivity and dielectric loss of commonly used oxide substrates, such as SrTiO3, can cause significant current shunting in substrates at high frequency, which may strongly affect spin-torque measurement and potentially result in an inaccurate estimation of charge-to-spin conversion efficiency. In this study, we systematically evaluate the influence of various oxide substrates for the widely-used spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurement. Surprisingly, we observed substantial spin-torque signals in samples comprising only ferromagnetic metal on oxide substrates with high relative permittivity (e.g., SrTiO3 and KTaO3), where negligible signal should be initially expected. Notably, this unexpected signal shows a strong correlation with the capacitive reactance of oxide substrates and the leakage radio frequency (RF) current within the substrate. By revising the conventional ST-FMR analysis model, we attribute this phenomenon to a 90-degree phase difference between the RF current flowing in the metal layer and in the substrate. We suggest that extra attention should be paid during the ST-FMR measurements, as this artifact could dominate over the real spin-orbit torque signal from high-resistivity spin-source materials grown on substrate with high relative permittivity.

Nonmonotonic Hall effect of Weyl semimetals under magnetic field

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Xiao-Xiao Zhang, Naoto Nagaosa

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11265v1

摘要： Hall effect of topological quantum materials often reveals essential new physics and possesses potential for application. Magnetic Weyl semimetal is one especially interesting example that hosts an interplay between the spontaneous time-reversal symmetry-breaking topology and the external magnetic field. However, it is less known beyond the anomalous Hall effect thereof, which is unable to account for plenty of magnetotransport measurements. We propose a new Hall effect characteristically nonmonotonic with respect to the external field, intrinsic to the three-dimensional Weyl topology and free from chemical potential fine-tuning. Two related mechanisms from the Landau level bending and chiral Landau level shifting are found, together with their relation to Shubnikov-de Hass effect. This field-dependent Hall response, universal to thin films and bulk samples, provides a concrete physical picture for existing measurements and is promising to guide future experiments.

Bi3+ Doped Nanocrystalline Ni-Co-Zn Spinel Ferrites: Tuning of Physical, Electrical, Dielectric and Magnetic Properties for Advanced Spintronics Applications

分类： 材料科学

作者： Md. Mahfuzur Rahman, Nazmul Hasan, Sumaiya Tabassum, M. Harun-Or-Rashid, Md. Harunur Rashid, Md. Arifuzzaman

发布时间： 2024-08-21

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11260v1

摘要： This study reports the synthesis and characterization of nanocrystalline Ni0.5Co0.2Zn0.3BixFe2-xO4 x varis by 0.0, 0.025, 0.050, 0.075, 0.100 ferrites synthesized via the sol-gel auto combustion method.The low coercivity values 23.68 to 87.71 Oe are observed,classifying the investigated materials as soft ferromagnetic.The increased magnetic anisotropy K through Bi3+ doping indicates tunable stability in magnetic orientations,making them suitable for multifunctional applications.

GAP-DFT: A graph-based alchemical perturbation density functional theory for catalytic high-entropy alloys

分类： 材料科学

作者： Mohamed Hendy, Okan K. Orhan, Homin Shin, Ali Malek, Mauricio Ponga

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11238v1

摘要： High-entropy alloys (HEAs) exhibit exceptional catalytic performance due to their complex surface structures. However, the vast number of active binding sites in HEAs, as opposed to conventional alloys, presents a significant computational challenge in catalytic applications. To tackle this challenge, robust methods must be developed to efficiently explore the configurational space of HEA catalysts. Here, we introduce a novel approach that combines alchemical perturbation density functional theory (APDFT) with a graph-based correction scheme to explore the binding energy landscape HEAs. Our results demonstrate that APDFT can accurately predict binding energies for isoelectronic permutations in HEAs at minimal computational cost, significantly accelerating configurational space sampling. However, APDFT errors increase substantially when permutations occur near binding sites. To address this issue, we developed a graph-based Gaussian process regression model to correct discrepancies between APDFT and conventional density functional theory values. Our approach enables the prediction of binding energies for hundreds of thousands of configurations with a mean average error of 30 meV, requiring a handful of ab initio simulations.

Second and third harmonic generation of acoustic waves in a nonlinear elastic solid in one space dimension

分类： 材料科学, 模式形成和孤子

作者： Fernando Lund

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11184v1

摘要： The generation of second and third harmonics by an acoustic wave propagating along one dimension in a weakly nonlinear elastic medium that is loaded harmonically in time with frequency $\omega_0$ at a single point in space, is analyzed by successive approximations starting with the linear case. It is noted that nonlinear waves have a speed of propagation that depends on their amplitude. It is also noted that both a free medium as well as a loaded medium generate higher harmonics, but that although the second harmonic of the free medium scales like the square of the linear wave, this is no longer the case when the medium is externally loaded. The shift in speed of propagation due to the nonlinearities is determined imposing that there be no resonant terms in a successive approximation solution scheme to the homogeneous problem. The result is then used to solve the inhomogeneous case also by successive approximations, up to the third order. At second order, the result is a second harmonic wave whose amplitude is modulated by a long wave, whose wavelength is inversely proportional to the shift in the speed of propagation of the linear wave due to nonlinearities. The amplitude of the long modulating wave scales like the amplitude of the linear wave to the four thirds. At short distances from the source a scaling proportional to the amplitude of the linear wave squared is recovered, as is a second harmonic amplitude that grows linearly with distance from the source and depends on the third-order elastic constant only. The third order solution is the sum of four amplitude-modulated waves, two of them oscillate with frequency $\omega_0$ and the other two, third harmonics, with $3\omega_0$. In each pair, one term scales like the amplitude of the linear wave to the five-thirds, and the other to the seven-thirds.

Topological Defects in Semiconducting Carbon Nanotubes as Triplet Exciton Traps and Single-Photon Emitters

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Timur Biktagirov, Uwe Gerstmann, Wolf Gero Schmidt

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11134v1

摘要： We investigate the role of topological defects in exciton behavior in (6,5) semiconducting single-walled carbon nanotubes using density functional theory. Our study identifies the helical Stone-Wales defect as a prominent trap for triplet excitons, characterized by a large zero-field splitting consistent with experimental data and a small singlet-triplet gap. The weak electron-phonon coupling, as evidenced by a Huang-Rhys factor of 0.74, renders it a promising single-photon emitter, with the zero-phonon line predicted at 1.6 $\mu$m, within the telecom range. These insights into defect-engineered electronic structure and exciton dynamics offer promising opportunities for improving the performance of carbon nanotube-based quantum light sources and optoelectronic devices.

Role of the Adsorption of Alkali Cations on Ultrathin $n$-Layers of Two-dimensional Perovskites

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Israel C. Ribeiro, Pedro Ivo R. Moraes, Albert F. B. Bittencourt, Juarez L. F. Da Silva

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11127v1

摘要： Metal-halide semiconductors have great potential for real-life photovoltaic applications; however, surface defects induce several challenges to the thermodynamic stability. Here, we employed density functional theory calculations within van der Waals corrections (D3) to investigate the role of monovalent cations (Li, Na, K, Rb and Cs) in the passivation of 2D perovskite ultrathin films.

Parallel-Field Hall effect in ZrTe$_5$

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子

作者： Yongjian Wang, Thomas Boemerich, A. A. Taskin, Achim Rosch, Yoichi Ando

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11113v1

摘要： Parallel-field Hall effect is the appearance of a Hall voltage $V_{\rm H}$ that is transverse to the current $I$ when the magnetic field $B$ is applied parallel to $I$ (i.e. $B \parallel I \perp V_{\rm H}$). Such an effect is symmetry forbidden in most cases and hence is very unusual. Interestingly, the existence of a finite parallel-field Hall effect was reported for the layered topological semimetal ZrTe$_5$ and was proposed to be due to Berry curvature. However, it is forbidden for the known symmetry of ZrTe$_5$ and the possible existence of a misaligned out-of-plane magnetic field was not completely ruled out. Here, we elucidate the existence of the parallel-field Hall effect in ZrTe$_5$ with careful magnetic-field alignment. We interpret this result to originate from symmetry breaking and quantitatively explain the observed parallel-field Hall signal by considering a tilting of the Fermi surface allowed by broken symmetry.

Exploring Multiferroic Behavior in CaZnFeOsO$_6$: A Novel Layered 3$d$-5$d$ Double Perovskite Compound

分类： 材料科学

作者： Deepti Rajpoot, Paresh C. Rout, Nikita Acharya, Varadharajan Srinivasan

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11114v1

摘要： We present a novel multiferroic double perovskite compound, CaZnFeOsO$_6$ (CZFOO), exhibiting combined ferroelectric and ferrimagnetic properties. Through ab initio density functional theory calculations, we predict CZFOO as a unique example of an A-site and B-site ordered double perovskite structure, AA'BB'O$_6$. In this compound, Fe$^{3+}$ and Os$^{5+}$ ions generate substantial magnetization, while Ca$^{2+}$ and Zn$^{2+}$ ions create a layerwise polar environment, resulting in a synergistic combination for multiferroicity. We determine the magnitude of the spontaneous polarization, $\vert P_s \vert$, to be 16.8 $\mu$ C/cm$^2$, and the magnetic moment is approximately 2 $\mu_B$ per formula unit. The remarkable ferroelectric and ferrimagnetic behaviors exhibited by CZFOO make it a promising candidate for various device applications. Despite the significant magnetization and polarization observed, surpassing those of other double perovskites, we find a weak spin-orbit coupling, leading to the absence of any significant magnetoelectric effect in CZFOO. Our findings shed light on the potential of CZFOO as a multiferroic material and provide insights into the intricate interplay between ferroelectricity and ferrimagnetism in double perovskite compounds.

High-Throughput Search for Photostrictive Materials based on a Thermodynamic Descriptor

分类： 材料科学

作者： Zeyu Xiang, Yubi Chen, Yujie Quan, Bolin Liao

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.11044v1

摘要： Photostriction is a phenomenon that can potentially improve the precision of light-driven actuation, the sensitivity of photodetection, and the efficiency of optical energy harvesting. However, known materials with significant photostriction are limited, and effective guidelines to discover new photostrictive materials are lacking. In this study, we perform a high-throughput computational search for new photostrictive materials based on simple thermodynamic descriptors, namely the band gap pressure and stress coefficients. Using constrained density functional theory simulations, we establish that these descriptors can accurately predict intrinsic photostriction in a wide range of materials. Subsequently, we screen over 4770 stable semiconductors with a band gap below 2 eV from the Materials Project database to search for strongly photostrictive materials. This search identifies PtS$_2$ and Te$_2$I as the most promising ones, with photostriction exceeding 10$^{-4}$ with a moderate photocarrier concentration of 10$^{18}$ cm$^{-3}$. Furthermore, we provide a detailed analysis of factors contributing to strong photostriction, including bulk moduli and band-edge orbital interactions. Our results provide physical insights into photostriction of materials and demonstrate the effectiveness of using simple descriptors in high-throughput searches for new functional materials.

Generalizing the structural phase field crystal approach for modeling solid-liquid-vapor phase transformations in pure materials

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Daniel L. Coelho, Duncan Burns, Emily Wilson, Nikolas Provatas

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10992v1

摘要： In a recent class of phase field crystal (PFC) models, the density order parameter is coupled to powers of its mean field. This effectively introduces a phenomenology of higher-order direct correlation functions acting on long wavelengths, which is required for modelling solid-liquid-vapor systems. The present work generalizes these models by incorporating, into a single-field theory, higher-order direct correlations, systematically constructed in reciprocal space to operate across long {\it and} short wavelengths. The correlation kernels introduced are also readily adaptable to describe distinct crystal structures. We examine the three-phase equilibrium properties and phase diagrams of the proposed model, and reproduce parts of the aluminum phase diagram as an example of its versatile parametrization. We assess the dynamics of the model, showing that it allows robust control of the interface energy between the vapor and condensed phases (liquid and solid). We also examine the dynamics of solid-vapor interfaces over a wide range of parameters and find that dynamical artifacts reported in previous PFC models do not occur in the present formalism. Additionally, we demonstrate the capacity of the proposed formalism for computing complex microstructures and defects such as dislocations, grain boundaries, and voids in solid-liquid-vapor systems, all of which are expected to be crucial for investigating rapid solidification processes.

First-principles investigation of elastic, vibrational, and thermodynamic properties of kagome metals CsM$_3$Te$_5$ (M = Ti, Zr, Hf)

分类： 材料科学

作者： Yifan Wei, Arjyama Bordoloi, Chaon-En, Chuang, Sobhit Singh

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10978v1

摘要： Kagome metals are a unique class of quantum materials characterized by their distinct atomic lattice arrangement, featuring interlocking triangles and expansive hexagonal voids. These lattice structures impart exotic properties, including superconductivity, interaction-driven topological many-body phenomena, and magnetism, among others. The kagome metal CsM3Te5 (where M = Ti, Zr, or Hf) exhibits both superconductivity and nontrivial topological electronic properties, offering a promising platform for exploring topological superconductivity. This study employs first-principles density functional theory calculations to systematically analyze the elastic, mechanical, vibrational, thermodynamic, and electronic properties of CsM3Te5 (M = Ti, Zr, Hf). Our calculations reveal that the studied compounds - CsTi3Te5, CsZr3Te5, and CsHf3Te5 - are ductile metals with elastic properties akin to the hexagonal Bi and Sb, with average elastic constants, including a bulk modulus of 27 GPa, a shear modulus of 11 GPa, and Young's modulus of 29 GPa. We observe peculiar dispersionless, flat, phonon branches in the vibrational spectra of these metals. Additionally, we thoroughly analyze the symmetries of the zone-center phonon eigenvectors and predict vibrational fingerprints of the Raman- and infrared-active phonon modes. The analysis of thermodynamic properties reveals the Einstein temperature for CsTi3Te5, CsZr3Te5, and CsHf3Te5 to be 66, 54, and 53 K, respectively. Our orbital-decomposed electronic structure calculations reveal significant in-plane steric interactions and multiple Dirac band crossings near the Fermi level. We further investigate the role of spin-orbit coupling effect on the studied properties. This theoretical investigation sheds light on the intriguing quantum behaviour of kagome metals and provides valuable insights for their potential applications in future technologies.

Insulator-Metal Transition and Magnetic Crossover in Bilayer Graphene

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Amarnath Chakraborty, Aleksandr Rodin, Shaffique Adam, Giovanni Vignale

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10954v1

摘要： In-plane magnetic fields offer a relatively unexplored opportunity to alter the band structure of stacks of 2D materials so that they exhibit desired physical properties. Here we show that an in-plane magnetic field combined with a transverse electric field can induce an insulator-metal (IM) transition in bilayer graphene. Our study of the magnetic response reveals that the orbital magnetic susceptibility changes from diamagnetic to paramagnetic around the transition point. We discuss several strategies to observe the IM transition, switch the diamagnetism, and more generally control the band structure of stacked 2D materials at experimentally accessible magnetic fields.

Data-driven prediction of structure of metal-organic frameworks

分类： 材料科学

作者： Elizaveta Yakovenko, Iurii Nevolin, Anatoliy Chasovskikh, Artem Mitrofanov, Vadim Korolev

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10814v1

摘要： Crystal structure prediction (CSP) has proven to be a highly effective route for discovering new materials. Substantial advancements have been made in CSP of inorganic and molecular crystals, while hybrid materials, including metal-organic frameworks (MOFs), have been unfairly overlooked. The ab initio techniques adopted for the CSP of MOFs cannot be scaled to a high-throughput regime, which is required for efficient exploration of the immense chemical space. Here, we propose a data-driven method to tackle current needs of computational MOF discovery. By examining CSP through the lens of reticular chemistry, coarse-grained neural networks were implemented to predict underlying net topology of crystal graphs. The models showed satisfactory performance, which was next enhanced by limiting the applicability domain. Flue gas separation was used as an illustrative example to validate the proposed CSP approach. Several hundred in silico-generated systems revealed a notable discrepancy in adsorption capacity among competing polymorphs.

Low energy phonons in single crystal ZrW${2}$O${8}$

分类： 材料科学

作者： R. A. Ewings, K. Refson, T. G. Perring, J. Ollivier

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10797v1

摘要： ZrW${2}$O${8}$ is the prototypical example of a material exhibiting negative thermal expansion (NTE). As well as being among the first NTE materials to be studied in detail, it has served as a test bed for ideas for the physical mechanisms that lead to this unusual behavior. It is now widely accepted that here, and in many other framework materials exhibiting NTE, a collection of low energy phonon modes, as opposed to just one or two, are responsible for the anomalous thermal properties. However, quantitative verification and analysis of the density functional theory (DFT) calculations which underpin this proposal are still lacking. In particular, probing the low energy phonons directly throughout reciprocal space using inelastic neutron scattering, as opposed to other techniques which only probe the Brillouin zone center, is technically challenging and hence rarely done. Here we report inelastic neutron scattering measurements in a large number of Brillouin zones, achieved via the time of flight technique, over a 400 K temperature range. We find excellent agreement between DFT calculations and experimental data at low temperature, albeit with a rescaling of the calculated phonon energies, and of the lattice parameter used in the calculations compared to the measured value. However, the shifts in phonon modes due to the reduction in lattice parameter on warming, that can be predicted using DFT, are not observed. This is most likely due to counteractive anharmonic effects arising from the increased amplitude of lattice vibrations at elevated temperatures. Notwithstanding, the good agreement between experiment and DFT gives high confidence that the theory's predictions of atomic motions for different modes is correct, and hence can be used as a reliable basis for quantitative analysis of NTE effects.

Electron-overdoped Ag(II)F2: mixed-valence fluorides Ag(I)Ag(II)F3 and Ag(I)2Ag(II)F4

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Katarzyna Kuder, Kacper Koteras, Zoran Mazej, Wojciech Grochala

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10753v1

摘要： We have successfully prepared two novel mixed-valence compounds of silver, Ag(I)Ag(II)F3 and Ag(I)2Ag(II)F4. They may be considered to be long-sought strongly electron-overdoped Ag(II)F2. Their crystal structures indicate that both belong to the Class I (mixed-valence) family with frozen Ag(I) and Ag(II) valences. The measured Raman spectra are well-correlated with the theoretical ones. Density functional theory calculations reveal their smaller fundamental band gaps as compared to pristine AgF2, due to the presence of Ag(I) states in the valence band.

Impact of ALD-Deposited Ultrathin Nitride Layers on Carrier Lifetimes and Photoluminescence Efficiency in CdTe/MgCdTe Double Heterostructures

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Haris Naeem Abbasi, Xin Qi, Zheng Ju, Zhenqiang Ma, Yong-Hang Zhang

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10696v1

摘要： This work evaluates the passivation effectiveness of ultrathin nitride layers (SiNx, AlN, TiN) deposited via atomic layer deposition on CdTe/MgCdTe double heterostructures for solar cell applications. Time-resolved photoluminescence and photoluminescence measurements revealed enhanced carrier lifetimes and reduced surface recombination, indicating improved passivation effectiveness. These results underscore the potential of SiNx as a promising passivation material to improve the efficiency of CdTe solar cells.

Azide modification forming luminescent sp2 defects on single-walled carbon nanotubes for near-infrared defect photoluminescence

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Keita Hayashi, Yoshiaki Niidome, Tamehito Shiga, Boda Yu, Yasuto Nakagawa, Dawid Janas, Tsuyohiko Fujigaya, Tomohiro Shiraki

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10644v1

摘要： Azide functionalization produced luminescent sp2-type defects on single-walled carbon nanotubes, by which defect photoluminescence appeared in near infrared regions (1116 nm). Changes in exciton properties were induced by localization effects at the defect sites, creating exciton-engineered nanomaterials based on the defect structure design.

High-pressure torsion processing of serine and glutamic acid: Understanding mechanochemical behavior of amino acids under astronomical impacts

分类： 材料科学, 地球和行星天体物理学

作者： Kaveh Edalati, Jacqueline Hidalgo-Jiménez, Thanh Tam Nguyen, Motonori Watanabe, Ikuo Taniguchi

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10583v1

摘要： Astronomical impacts by small solar system bodies (meteoroids, asteroids, comets, and transitional objects) are considered a mechanism for delivering amino acids and their polymerization to proteins in early Earth conditions. High-pressure torsion (HPT) is a new methodology to simulate such impacts and clarify the behavior of biomolecules. In this study, two amino acids, crystalline L-serine and L-glutamic acid that were detected in meteorites, are processed by HPT and examined by ex situ X-ray diffraction, Raman spectroscopy, nuclear magnetic resonance, Fourier transform infrared spectroscopy, and in situ mechanical shear testing. No polymerization, chemical reactions, or phase transformations are detected after HPT, indicating that the stability and presence of these two amino acids in meteorites are quite reasonable. However, some microstructural and mechanical changes like crystal size reduction to the nanometer level, crystal defect formation, lattice expansion by vacancy formation, and shear strength enhancement to the steady state are found which are similar to the behaviors reported in metals and ceramics after HPT processing.

Impact of high-pressure torsion on hydrogen production from photodegradation of polypropylene plastic wastes

分类： 材料科学

作者： Thanh Tam Nguyen, Kaveh Edalati

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10579v1

摘要： Plastic waste entering the environment through landfilling or improper disposal poses substantial risks to ecosystems and human health. Photoreforming is emerging as a clean photocatalytic technology that degrades plastic waste to organic compounds while simultaneously producing hydrogen fuel. This study introduces high-pressure torsion (HPT), a severe plastic deformation (SPD) method, as an innovative technique to enhance the photoreforming of polypropylene (PP) plastic mixed with a brookite TiO2 photocatalyst. Hydrogen production systematically increases with the number of HPT turns, accompanied by the formation of valuable small organic molecules. The enhancement in photocatalytic activity is attributed to strain-induced defect formation in both catalysts and plastics, as well as the creation of catalyst/plastic interphases that enhance charge carrier transport between inorganic and organic phases. These findings reveal a new functional application for SPD in energy conversion and sustainability.

Brookite TiO2 as an active photocatalyst for photoconversion of plastic wastes to acetic acid and simultaneous hydrogen production: Comparison with anatase and rutile

分类： 材料科学

作者： Thanh Tam Nguyen, Kaveh Edalati

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10576v1

摘要： Photoreforming is a clean photocatalytic technology for simultaneous plastic waste degradation and hydrogen fuel production, but there are still limited active and stable catalysts for this process. This work introduces the brookite polymorph of TiO2 as an active photocatalyst for photoreforming with an activity higher than anatase and rutile polymorphs for both hydrogen production and plastic degradation. Commercial brookite successfully converts polyethylene terephthalate (PET) plastic to acetic acid under light. The high activity of brookite is attributed to good charge separation, slow decay and moderate electron trap energy, which lead to a higher generation of hydrogen and hydroxyl radicals and accordingly enhanced photo-oxidation of PET plastic. These results introduce brookite as a stable and active catalyst for the photoconversion of water contaminated with microplastics to value-added organic compounds and hydrogen.

Ground State Magnetic Structure and Magnetic Field Effects in the Layered Honeycomb Antiferromagnet YbOCl

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Zheng Zhang, Yanzhen Cai, Jinlong Jiao, Jing Kang, Dehong Yu, Bertrand Roessli, Anmin Zhang, Jianting Ji, Feng Jin, Jie Ma, Qingming Zhang

发布时间： 2024-08-20

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10515v1

摘要： YbOCl is a representative member of the van der Waals layered honeycomb rare-earth chalcohalide REChX (RE = rare earth, Ch = O, S, Se, and Te, and X = F, Cl, Br, and I) family reported recently. Its spin ground state remains to be explored experimentally. In this paper, we have grown high-quality single crystals of YbOCl and conducted comprehensive thermodynamic, elastic, and inelastic neutron scattering experiments down to 50 mK. The experiments reveal an antiferromagnetic phase below 1.3 K, which is identified as a spin ground state with an intralayer ferromagnetic and interlayer antiferromagnetic ordering. By applying sophisticated numerical techniques to a honeycomb (nearest-neighbor)-triangle (next-nearest-neighbor) model Hamiltonian which accurately describes the highly anisotropic spin system, we are able to well simulate the experiments and determine the diagonal and off-diagonal spin-exchange interactions. The simulations give an antiferromagnetic Kitaev term comparable to the Heisenberg one. The experiments under magnetic fields allow us to establish a magnetic field-temperature phase diagram around the spin ground state. Most interestingly, a relatively small magnetic field (~ 0.3 to 3 T) can significantly suppress the antiferromagnetic order, suggesting an intriguing interplay of the Kitaev interaction and magnetic fields in the spin system. The present study provides fundamental insights into the highly anisotropic spin systems and opens a new window to look into Kitaev spin physics in a rare-earth-based system.

Evolution of the Coulomb interactions in correlated transition-metal perovskite oxides from the constrained random phase approximation

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Liang Si, Peitao Liu, Cesare Franchini

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10440v1

摘要： Determining the strength of electronic correlations of correlated electrons plays important roles in accurately describing the electronic structures and physical properties of transition-metal (TM) perovskite oxides. Here, we study the evolution of electronic interaction parameters as a function of $d$-electron occupancy in an extended class of TM perovskite oxides $AB$O$3$ ($A$=Sr, Ca, and $B$=3$d$-5$d$ TM elements) using the constrained random-phase-approximation method adopting two distinct models: $t{2g}$-$t_{2g}$ and $d$-$dp$. For Sr$B$O$3$ with $B$=Fe, Ru, and Ir, the $t{2g}$-$t_{2g}$ model faces critical challenges, as the low-energy Hamiltonian spanning $t_{2g}$ manifolds is ill-defined. The $t_{2g}$-$t_{2g}$ model suggests that, for early $AB$O$3$ series ($B$=$d^1$-$d^3$), the bare Coulomb interaction parameters $V$ remain nearly constant due to the competition between extended $t{2g}$ Wannier orbitals and bandwidth reduction. As the $d$-electron filling increases, both partially screened Coulomb interaction parameters $U$ and fully screened Coulomb interaction parameters $W$ decrease, which are attributed to enhanced $e_g$-$t_{2g}$ and $e_g$-$p$ screenings. In contrast to the $t_{2g}$-$t_{2g}$ model, the $d$-$dp$ model effectively handles both early and late $AB$O$_3$ perovskites and reveals different trends. Specifically, $V$ varies inversely with the spreads of $d$-orbitals. $W$ reaches its minimum at the $d^3$ occupancy due to an interplay between increasing $d$-orbital localization and increasing screening effects. An unusual trend is observed for $U$, with local maxima at both $d^1$ and $d^4$ occupations. This can be understood from two aspects: (1) the increasing full screening effects from $d^1$ to $d^3$ and (2) the strongest $d$-$d$ and the weakest $d$-$p$ screening effects near $d^4$ for Sr$B$O$_3$.

Itinerant A-type Antiferromagnetic Order in Co$_{0.25}$TaSe$_2$

分类： 强关联电子, 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： H. Cein Mandujano, Gicela Saucedo Salas, Gicela Saucedo Salas, Peter Y. Zavalij, Alicia Manjón-Sanz, Nicholas P. Butch, Efrain E. Rodriguez

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10421v1

摘要： We present the magnetic behavior and resulting transport properties of TaSe$_2$ when intercalated by magnetically active cobalt cations. Acting as the layered host, TaSe$2$ is a transition metal dichalcogenide (TMD) that adopts the 2H-polytype. We find through our single crystal and powder diffraction studies that we can prepare the stoichiometry Co${0.25}$TaSe$2$, which crystallizes in the centrosymmetric space group $P6_3/mmc$. From magnetic susceptibility and x-ray photoelectron spectroscopy measurements, we find a transition consistent with antiferromagnetic order below the temperature $T_N$ = 173 K and Co$^{2+}$ in the high-spin state. Neutron powder diffraction and specific heat measurements, however, point to a much smaller than anticipated ordered moment in this sample. From the neutron results, the magnetic structure can be described as an A-type antiferromagnet with an ordered moment size of 1.35(11) $\mu_B$ per Co cation. The direction of the moments are all long the c-axis, which is consistent with the magnetization and susceptibility studies showing this direction to be the easy axis. Interestingly, we find that a weak and subtle ferromagnetic component appears to exist along the $ab$-plane of the Co${0.25}$TaSe$_2$ crystals. We place the results of this work in the context of other magnetic-ion intercalated TMDs, especially those of Ta and Nb.

Hall Transport in Organic Semiconductors

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Michel Panhans, Frank Ortmann

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10412v1

摘要： We establish a universal theory to understand quasiparticle Hall effects and transverse charge-carrier transport in organic semiconductors. The simulations are applied to organic crystals inspired by rubrene and cover multiple transport regimes. This includes calculations of the intrinsic Hall conductivity in pristine crystals, which are connected with a simple description of semi-classical electron transport that involves the concept of closed electronic orbits in the band structure, which can be easily calculated in density functional theory. Furthermore, this framework is employed to simulate temperature-dependent longitudinal and transverse mobilities in rubrene. These simulations are compared to experimental findings, providing insights into these results by characterizing the non-ideality of the Hall effect due to the influence of vibrational disorder. We finally investigate the conditions for the observation of Shubnikov-de Haas oscillations in the longitudinal resistivity and quantized Hall plateaus in the transverse resistivity. A clear picture why this is not observed in rubrene is developed. These insights into classical and quantum Hall effects and their intermediates in organic semiconductors establish a blueprint for future explorations in similar systems.

Magneto-optical properties of Group-IV--vacancy centers in diamond upon hydrostatic pressure

分类： 量子物理学, 材料科学

作者： Meysam Mohseni, Lukas Razinkovas, Vytautas Žalandauskas, Gergő Thiering, Adam Gali

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10407v1

摘要： In recent years, the negatively charged group-IV--vacancy defects in diamond, labeled as G4V($-$) or G4V centers, have received a great attention in quantum information processing. In this study, we investigate the magneto-optical properties of the G4V centers under high compressive hydrostatic pressures up to 180GPa. The spin-orbit splitting for the electronic ground and excited states and the hyperfine tensors are calculated by means of plane wave supercell density functional theory as unique fingerprints of these defects. To this end, we developed a theory for calculating the hyperfine tensors when the electronic states are subject to Jahn--Teller effect. We find that the zero-phonon-line energy increases with adding hydrostatic pressures where the coupling strength increases from SiV($-$) to PbV($-$). On the other hand, the calculated photoionization threshold energies indicate that the operation of PbV($-$) based quantum sensor is limited up to 30GPa of hydrostatic pressure whereas SnV($-$), GeV($-$) and SiV($-$) remain photostable up to 180~GPa of hydrostatic pressure.

Stacking-Dependent Van Hove Singularity Shifts in Three-Dimensional Charge Density Waves of Kagome Metals AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs)

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Chanchal K. Barman, Sun-Woo Kim, Youngkuk Kim

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10402v1

摘要： Vanadium-based kagome systems AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) have emerged as paradigmatic examples exhibiting unconventional charge density waves (CDWs) and superconductivity linked to van Hove singularities (VHSs). Despite extensive studies, the three-dimensional (3D) nature of CDW states in these systems remains elusive. This study employs first-principles density functional theory and a tight-binding model to investigate the stacking-dependent electronic structures of 3D CDWs in AV$_3$Sb$_5$, emphasizing the significant role of interlayer coupling in behaviors of the VHSs associated with diverse 3D CDW orders. We develop a minimal 3D tight-binding model and present a detailed analysis of band structures and density of states for various 3D CDW stacking configurations, including those with and without a $\pi$-phase shift stacking of the inverse star of David, as well as alternating stacking of the inverse star of David and the star of David. We find that VHSs exist below the Fermi level even in 3D CDWs without $\pi$-phase shift stackings, and that these VHSs shift downward in the $\pi$-phase shift stacking CDW structure, stabilizing the $2\times2\times2$ $\pi$-shifted inverse star of David distortions in alternating vanadium layers as the ground state 3D CDW order of AV$_3$Sb$_5$. Our work provides the electronic origin of 3D CDW orders, paving the way for a deeper understanding of CDWs and superconductivity in AV$_3$Sb$_5$ kagome metals.

Approaching the Physical Limits of Specific Absorption Rate in Hyperthermia Applications

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： S. Scheibler, H. Wei, J. Ackers, S. Helbig, S. Koraltan, R. Peremadathil-Pradeep, M. Krupiński, M. Graeser, D. Suess, I. K. Herrmann, H. J. Hug

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10377v1

摘要： Magnetic nanoparticle-based hyperthermia has emerged as a promising therapeutic modality for treating malignant solid tumors that exhibit resistance to conventional cancer treatments, including chemotherapy and radiation. Despite the clinical approval of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for the adjunct treatment of recurrent glioblastoma, their therapeutic potential is undercut by chemical synthesis-inherent limitations such as low saturation magnetization, superparamagnetic characteristics, and a wide nanoparticle size distribution. Here, we introduce an micromagnetic modelling-based SAF-MDP design with in-plane magnetization, optimized through specific uniaxial anisotropy adjustments to avert the spin-flop phenomenon and eliminate hysteresis-free hard-axis magnetization loops, paired with a mechanofluidic modeling approach to assess the alignment of the SAF-MDP to the applied alternating magnetic field (AMF). Magnetic Force Microscopy characterization provides unprecedented insights into the particle switching behaviour on a single particle scale. This comprehensive strategy spanning micromagnetics and advanced magnetic characterization enables the design of particles with heating efficiencies to approach the theoretical maximum, dictated by the saturation magnetization of the utilized materials and limited solely by the biologically acceptable frequencies and amplitudes of the oscillating magnetic field. Our work not only addresses the limitations encountered by previous methodologies but also sets the stage for the development of advanced SAF-MDP designs and alignment techniques. This opens a new avenue to hyperthermia-based cancer therapy, delineated only by the boundaries of physical laws and biological safety standards.

Quantum Transport Straintronics and Mechanical Aharonov-Bohm Effect in Quasi-metallic SWCNTs

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： L. Huang, G. Wei, A. R. Champagne

发布时间： 2024-08-19

链接： http://arxiv.org/abs/2408.10355v1

摘要： Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are effectively narrow ribbons of 2D materials with atomically precise edges. They are ideal systems to harness quantum transport straintronics (QTS), i.e. using mechanical strain to control quantum transport. Their large subband energy spacing ($\sim$ 0.8 eV) leads to transistors with a single quantum transport channel. We adapt an applied model to study QTS in uniaxially-strained quasi-metallic-SWCNT transistors. The device parameters are based on an existing experimental platform, with channel lengths of $L=$ 50 nm, diameters $d\approx$ 1.5 nm, and strains up to $\varepsilon_{\text{tot}}\approx$ 7 $%$. We demonstrate that the charge carrier's propagation angle $\Theta$ is fully tunable with $\varepsilon_{\text{tot}}$. When $\Theta$ reaches 90$^o$, the conductance $G$ is completely suppressed. A strain-generated band gap can be tuned up to $\approx$ 400 meV. Mechanical strain adds both scalar $\phi_{\varepsilon}$ and vector $\textbf{A}$ gauge potentials to the transistor's Hamiltonian. These potentials create a rich spectrum of quantum interferences in $G$, which can be described as a mechanical Aharonov-Bohm effect. The charge carriers' quantum phase can be controlled by purely mechanical means. For instance, a full 2$\pi$ phase shift can be induced in a (12,9) tube by a 0.7 $%$ strain change. This work opens opportunities to add quantitative quantum transport strain effects to the tools box of quantum technologies based on 2D materials and their nanotubes.

Gd$x$La${1-x}$PtSb 外延膜中的可调谐极性畸变和磁性

分类： 材料科学

作者： Dongxue Du, Cheyu Zhang, Jingrui Wei, Yujia Teng, Konrad Genser, Paul M. Voyles, Karin M. Rabe, Jason K. Kawasaki

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08290v1

摘要： 六方 $ABC$ 金属间化合物预计具有可调节的铁电、拓扑和磁性特性，作为 $BC$ 原子平面极屈曲的函数。我们报告了等价镧系元素取代对 c 面蓝宝石上分子束外延 (MBE) 生长的 Gd$x$La${1-x}$PtSb 薄膜的屈曲、结构相变以及电子和磁性的影响基材。 Gd$x$La${1-x}$PtSb 薄膜形成 x = 0 到 1 的固溶体，并保留极性六方结构 ($P6_3 mc$) 直至 $x \leq 0.95$。随着 $x$ 的增加，PtSb 屈曲增加，面外晶格常数 $c$ 由于镧系元素收缩而减小。虽然六方 LaPtSb 是一种高导电性极性金属，但载流子密度随 $x$ 降低，直到在 $x=1$ 处发现立方 GdPtSb 突然相变到零能带重叠半金属。磁化率在小但有限的 $x$ 处达到峰值，我们将其归因于 Ruderman Kittel Kasuya Yosida (RKKY) 局部 $4f$ 矩与浓度随 $x$ 增加的自由载流子与随 $x$ 减少的自由载流子之间的耦合。 $x\geq 0.3$ 的样品显示出反铁磁居里-韦斯行为以及随 $x$ 增加的尼尔温度。 Gd$x$La${1-x}$PtSb 系统提供了显着改变局部 $4f$ 矩的极屈曲和集中的机会，用于调整手性自旋纹理和拓扑相。

通过俄歇参数变化的原子和静电建模研究氢对非晶氧化铝局部化学键态和结构的影响

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Simon Gramatte, Olivier Politano, Claudia Cancellieri, Ivo Utke, Lars P. H. Jeurgens, Vladyslav Turlo

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08255v1

摘要： 本研究通过结合原子和静电建模来预测测量的俄歇参数变化，揭示了氢杂质对非晶氧化铝薄膜的局部化学键态和结构的影响。使用通用机器学习原子间势成功地对通过原子层沉积生长的具有可变氢含量和密度的不同非晶态氧化铝多晶型物进行了建模。在相应的原子层沉积温度下，对具有实验氢含量的高度缺陷的结晶氢氧化物结构进行退火，导致理论与实验在所得非晶氧化铝多晶型物的密度和结构方面具有极好的一致性。通过假设所有 H 原子都以随机互连的 4 倍、5 倍和 6 倍中的羟基配体的形式存在，可以准确预测此类多晶型物中 Al 阳离子的测量俄歇参数位移与 H 含量的关系。 Al 的最近配位球。原子和静电模型的结合表明，随着 H 含量的增加和氧化物密度的降低，测得的俄歇位移取决于局部配位、键长、键角和配体类型之间的复杂相关性。 ）围绕核心电离原子。此外，低温X射线光电子能谱可以通过降低热噪声，为晶体和非晶氧化物的局部化学和结构构建模块提供新的见解。这些发现和基础知识有助于推进例如氧化氢阻挡膜、用于氢气分离的氧化物膜、氢气储存材料以及用于氢经济的燃料电池。

玻璃态双电子量子理论的发现与应用

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 量子物理学

作者： Jia-Lin Wu

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08235v1

摘要： 玻璃态问题源于单电子理论或原子（分子）作为独立粒子所描述的失败。 2005年，de Gennes提出，用简单的术语解释玻璃化转变的方法是构建与所有现有玻璃模型接触的分子簇模型，并细化平均场硬球分子（HSM）的图像。互相接触。在完善这张图的过程中，我们发现了源自 de Gennes n = 0 的第二个解的双电子量子理论，其中两个 HSM 沿 z 轴的簇状接触是 16 个 z- 的顺序出现。当方向界面激发其耦合电子对的量子态时，两个 HSM 突然重叠 0.27%，形成幻界面二维矢量。两个耦合电子轨道同步逃离两个HSM 16次，与魔界面相切16次，以及16个间隔为5.9987{\deg}的平行排斥电子对，这是两个HSM之间的簇状玻色子相互作用。这是玻璃态玻色子峰和高温超导电子配对的共同起源。因此，双电子理论中电子的集体行为可以统一玻璃化转变和高温超导转变。这篇论文不仅是对玻璃化转变的完整理论陈述，也是对高温超导理论的全新诠释，为寻找室温超导材料提供了新的理论视角。

任意初始应力参考和无应力参考的响应

分类： 材料科学, 数学物理, 数学物理

作者： Soumya Mukherjee

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08170v1

摘要： 初始应力参考的本构关系通常使用虚拟无应力参考的响应来确定。然而，在不进行破坏性测试的情况下，通常很难识别相关无应力参考的本构关系。在本文中，我们介绍了三种方法，使用给定的初始受压参考的响应来确定无应力或任何任意初始受压参考的响应。第一种和第三种方法直接找出一个强调参考另一个的本构关系。第二种方法使用给定的受压参考的响应来识别无应力材料，然后确定任何受压参考的响应。非常有趣的是，尽管给定（已知）初始应力状态是格林弹性，但无应力材料或任意应力参考似乎可以是隐式的。我们还获得了一些显式本构关系的简单情况。这些改变参考配置的方法并不是从无应力状态开始的。利用当前的框架和对称性的概念，我们还探讨了本构关系对参考选择的依赖性或独立性。目前的工作还发展了无应力各向同性隐式弹性材料的普遍关系。

缺陷增强了 12 倍对称软物质准晶体的稳定性

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学, 计算物理

作者： Alptuğ Ulugöl, Robert J. Hardeman, Frank Smallenburg, Laura Filion

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08168v1

摘要： 准晶体是表现出长程有序而没有平移周期性的材料。在软物质中，最常见的准晶体具有 12 重对称性，由正方形和三角形组成的平铺组成。有趣的是，无论是在实验还是模拟中，这些瓷砖几乎总是出现许多与空位相关的缺陷，这些缺陷与附加瓷砖：菱形有关。在这封信中，我们探讨了菱形缺陷对方三角12倍准晶熵的作用。我们引入了一种新颖的基于晶格的蒙特卡罗模拟方法，该方法使用开放边界来允许缺陷浓度波动。我们的模拟表明，菱形瓦片显着增加了准晶相的构型熵，从而增强了其稳定性。这些发现强调了缺陷在稳定软物质准晶方面的关键作用。

凝聚态物质的结构多样性：晶体、非晶固体及其之间结构的一般表征

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 软凝聚态物质

作者： Yueran Wang, Peter Harrowell

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08154v1

摘要： 引入了根据生物多样性文献改编的结构多样性的定义，以提供凝聚态物质结构的一般特征。使用有利局部结构（FLS）晶格模型作为测试平台，发现多样性测量可以有效过滤外在噪声并提供晶体和非晶结构之间的有用区分。我们发现了一类介于晶体和玻璃之间的有趣结构，其特征是短程有序和长程无序的复杂组合。我们演示了如何将多样性用作顺序参数，通过结构变化来组织各种场景，以响应不断增加的多样性。

厚剥离戈薇薄膜中的二维超导性

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Fei Sun, Andrea Capa Salinas, Stephen D. Wilson, Haijing Zhang

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08117v1

摘要： 我们报告了在厚度远大于原子极限的剥离 kagome 金属 CsV$3$Sb$5$ 中观察到的二维超导性 (2D SC)。通过检查超导状态下 40-60 nm 厚膜的临界电流和上临界磁场 ($H{c2}$)，我们发现了明显的 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 转变行为，即过渡附近的超流体刚度，以及角度相关 $H{c2}$ 的尖点状特征，这两者都是二维 SC 的直接证据。此外，面内 $H_{c2}$ 超出泡利顺磁极限与 2D SC 性质一致。观察到的 2D SC 发生在具有最高超导转变温度 $T_c$ 和最低电荷密度波转变温度 $T_{\rm {CDW}}$ 的厚膜中，这表明电荷密度波态与超导态相互关联。我们的研究结果对理解 Kagome 超导体中 SC 的增强施加了限制，并阐明了在更稳定和更厚的系统中实现新型二维超导状态的途径。

使用密度泛函理论预测含 133Cs 化合物的 NMR 参数和几何形状

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Nurit Manukovsky, Noy Vaisleib, Michal Arbel-Haddad, Amir Goldbourt

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08079v1

摘要： 除了针对该特定应用的水泥基体组合物的优化尝试之外，固定低放核废料（特别是含 137Cs 的废料）的需求也导致人们对基于地质聚合物的废料基体越来越感兴趣。尽管这些基质的总体相组成和结构已得到很好的表征，但这些材料中 Cs 的结合位点尚未明确确定。最近的研究表明，将固态核磁共振 (SSNMR) 对局部原子结构的敏感性与其他结构技术相结合，可以深入了解 Cs 的结合和释放模式。密度泛函理论（DFT）可以提供光谱参数和几何性质之间的联系。然而，DFT 结果的可靠性在很大程度上依赖于选择合适的交换相关函数，而对于 133C（此类研究的 NMR 替代品）来说，该函数尚未得到充分确定。在这项工作中，我们对各种泛函在预测各种简单 Cs 化合物的几何形状、它们的 NMR 四极耦合常数和化学位移值方面的性能进行了基准测试。结果表明 rev-vdW-DF2 是这些系统的领先候选者，尽管不是完美的，并且显然是其他类别的含 Cs 系统的候选者。

使用碳化物中间层实现金刚石-AlGaN 界面的低热阻

分类： 材料科学, 原子物理学

作者： Henry T. Aller, Thomas W. Pfeifer, Abdullah Mamun, Kenny Huynh, Marko Tadjer, Tatyana Feygelson, Karl Hobart, Travis Anderson, Bradford Pate, Alan Jacobs, James Spencer Lundh, Mark Goorsky, Asif Khan, Patrick Hopkins, Samuel Graham

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08076v1

摘要： 这项研究研究了纳米晶金刚石/AlGaN 界面上的热传输，这对于增强 AlGaN/AlGaN 器件的热管理至关重要。直接在 AlGaN 上化学气相沉积生长金刚石会产生无序界面，其热边界电阻 (TBR) 高达 20.6 m^2-K/GW。我们采用溅射碳化物中间层（例如 $B_4C$、$SiC$、$B_4C/SiC$）来降低金刚石/AlGaN 界面的热边界电阻。对于具有 $B_4C$ 和 $SiC$ 中间层的 Al${0.65}$Ga${0.35}$N 样品，碳化物中间层产生了创纪录的低热边界电阻值，分别为 3.4 和 3.7 m^2-K/GW，分别。界面的 STEM 成像显示夹层厚度在 1.7-2.5 nm 之间，具有非晶结构。此外，STEM 图像部分的快速傅立叶变换 (FFT) 表征显示 AlGaN 层中清晰的晶体条纹，证实它在金刚石生长过程中得到了适当的保护，免受氢等离子体的损坏。为了准确测量热边界热阻，我们开发了一种混合技术，将时域热反射率和稳态热反射率拟合相结合，为埋藏热阻提供卓越的灵敏度。我们的研究结果强调了层间工程在增强热传输方面的功效，并证明了创新测量技术在准确表征复杂热界面方面的重要性。这项研究为未来通过界面工程和先进测量方法改善半导体器件热性能的研究奠定了基础。

铁电单轴四方钨青铜Ca_0.3Ba_0.7Nb_2O_6中共存的极化机制

分类： 材料科学

作者： E. Buixaderas, Š. Svirskas, C. Kadlec, M. Savinov, P. Lapienytė, Anirudh K. R., C. Milesi-Brault, D. Nuzhnyy, J. Dec

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.08051v1

摘要： 使用宽带介电谱方法（1 至 10^14 Hz），我们证明钨青铜 Ca0.3Ba0.7Nb2O6 (CBN-30) 表现出混合位移和有序-无序特征的铁电相变，并且其顺电相确实没有显示弛豫行为的痕迹，而是在低于约 550 K 时极性波动时出现先驱效应。对亚 MHz 介电响应以及红外和拉曼光谱的分析表明，同时极化机制是相变的原因。将 CBN-30 中的激发与 (Sr,Ba)Nb2O6 中的激发进行比较表明，这些机制是一致的，尽管在 CBN-30 中，由于域结构不同，主要弛豫过程表现不同。这些激励在现象学上分配给声子、起软中心模式作用的阳离子起源的非简谐振动，以及可能由于纳米尺寸的极化涨落而导致的 GHz 范围内的弛豫，纳米尺寸的极化涨落携带介电常数和介电常数的主要部分。在 TC 以下分裂成几个具有不同偏振相关长度的较弱激发。因此，整体介电响应可以通过具有不同热行为的几种激发的共存来解释，证实了四方钨青铜结构的复杂性。

主客体耦合在稳定超耐受杂化钙钛矿 MHyPbX3 相中的作用

分类： 材料科学

作者： Pradhi Srivastava, Sayan Maity, Varadharajan Srinivasan

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07979v1

摘要： $MHyPbBr_xCl_{3-x}$ 表现出有趣的温度诱导相图，从单斜晶（II 相）转变为斜方晶（I 相），并最终转变为高温无序立方相。然而，实验观察表明，在 x=0（氯化物）和 x=3（溴化物）的组合物中分别不存在立方相或斜方相。我们从系统的主/客体框架的角度解释了 MHyPbX3 (X = Cl, Br) 中相变序列的组成依赖性。我们认为，MHyPbX3 中的相变序列可以根据主体畸变和主体/客体耦合能量之间的竞争来预测。 MHyPbCl3 中的主要耦合确保了中间相 I 的稳定性，同时推动向立方相的转变超过其分解温度。另一方面，MHyPbBr3 中的能级平衡抑制了 I 相并稳定了立方相。我们的期望得到了基于第一性原理对两种化合物转变温度的估计的支持，其产生的趋势与实验观察结果一致。此外，从头算分子动力学模拟表明，MHyPbBr3 的立方相是由局部斜方结构无序引起的，这是能量尺度平衡的明显表现。我们建议可以采用相同的概念来预测其他杂化钙钛矿的稳定相。

Sb2Se3 和 SbBiSe3 表面覆盖和双轴应变协同工程调节 Bi2Se3 纳米片的表面电子特性 - 基于密度泛函理论的研究

分类： 材料科学

作者： Naresh Bahadursha, Banasree Sadhukhan, Tanay Nag, Swastik Bhattacharya, Sayan Kanungo

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07938v1

摘要： 在这项工作中，首次对存在表面覆盖层和机械应变的 Bi2Se3 纳米片的表面电子特性进行了基于密度泛函理论 (DFT) 的综合理论研究。该研究系统地引入了天然、Sb2Se3 表面封端和 SbBiSe3 表面封端 Bi2Se3 中高达 5% 的双轴压缩和拉伸应变，并从表面能带 (E-k) 结构、态（DOS）、带边能量和带隙变化、表面导电态局部化和费米表面自旋纹理。这项工作的主要发现是在表面覆盖层存在和施加双轴应变的情况下通过体进行表面态杂化进行系统分析的。结果表明，表面覆盖和应变的相互作用可以同时调整表面电子结构，自旋动量锁定是由电子定位和相互作用的变化引起的。从本质上讲，这项工作对 Bi2Se3 的表面覆盖和双轴应变协同工程提出了广泛的理论和设计层面的见解，这可能会促进工程纳米结构拓扑材料的现代光电子学、自旋电子学、谷电子学、体光伏应用的不同拓扑输运将来。

通过远程外延的独立外延氧化物：不断演变的石墨烯微结构的作用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Asraful Haque, Suman Kumar Mandal, Shubham Kumar Parate, Harshal Jason Dsouza, Sakshi Chandola, Pavan Nukala, Srinivasan Raghavan

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07920v1

摘要： 远程外延作为一种有前景的方法而受到了广泛关注，该方法可以利用石墨烯等二维 (2D) 材料夹层来促进薄膜的生长，从而复制基板的晶体学特征。所得薄膜可剥离以形成独立式薄膜，并且基材（如果昂贵）可重复使用。然而，原子级薄的二维材料在腔室中薄膜生长之前和过程中容易受到损坏，导致外延效果不佳。使用石墨烯（最常用的二维材料）进行氧化物远程外延特别具有挑战性，因为用于生长外延氧化物的常规条件也会降解石墨烯。在这项研究中，我们首次表明石墨烯的微观结构、暴露于脉冲激光沉积羽流时产生的缺陷以及沉积在顶部的钛酸钡薄膜的结晶质量之间存在直接相关性。采用控制孔径方法来减少石墨烯损伤。即便如此，石墨烯晶界处的损伤程度比晶粒内的损伤程度更大。石墨烯的晶粒尺寸大于 300 微米，因此受到的损伤较小，并且产生的薄膜与直接在钛酸锶基底上生长的薄膜相当，摇摆曲线半宽度为 0.6 度。使用大晶粒尺寸的双层石墨烯，4 mm x 5 mm 的氧化层成功剥离并转移到 SiOx-Si 上。这些见解为功能氧化物在异质基板上的异质集成铺平了道路，通过将钙钛矿氧化物与 Si-CMOS 和柔性电子器件集成来实现钙钛矿氧化物的商业化具有重大意义。

电子与电荷密度波涨落之间的耦合及其在超导中的可能作用

分类： 超导, 材料科学

作者： Yeonghoon Lee, Yeahan Sur, Sunghun Kim, Jaehun Cha, Jounghoon Hyun, Chan-young Lim, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Younsik Kim, Soonsang Huh, Changyoung Kim, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Kee Hoon Kim, Yeongkwan Kim

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07901v1

摘要： 在大多数不同材料类别的电荷密度波（CDW）系统中，从传统的低维相关系统到最近的具有Kagome晶格的拓扑系统，当系统通过以下方式被驱动到CDW的量子临界点（QCP）时，就会出现超导性掺杂和压力的外部参数。尽管存在这种相当普遍的趋势，但 CDW 和超导之间的基本铰链尚未确定。在这里，基于 2H-PdxTaSe2 角分辨光发射光谱中温度和插层依赖性扭结，报告了电子和 CDW 波动之间耦合的证据。仅当系统处于 CDW 阶段时才会观察到扭结，无论是建立长期订单还是短期订单。值得注意的是，尽管耦合能量规模有所降低，但长程 CDW 抑制后耦合强度有所增强。有趣的是，通过将观察到的耦合特性纳入麦克米伦方程来估计超导临界温度，得到的结果与超导圆顶的已知值非常相似。因此，我们的结果强调了这种新的耦合介导库珀对的令人信服的可能性，这不仅为 CDW 而且为其他竞争订单的竞争关系提供了新的见解。

反铁磁体 NdBiPt 中自旋轨道 U(1) 准对称性保护的拓扑电荷四极子

分类： 材料科学

作者： Ao Zhang, Xiaobing Chen, Jiayu Li, Pengfei Liu, Yuntian Liu, Qihang Liu

发布时间： 2024-08-15

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07887v1

摘要： 晶体固体中对称性和拓扑的相互作用产生了作为准粒子的各种基本激发。其中，那些具有显着的浆果相相关运输反应的化合物特别令人感兴趣。在这里，我们预测了一种称为拓扑电荷四极子（TCQ）的新型准粒子，它类似于电荷四极子，但由动量空间中两对紧密堆积的韦尔点组成，特别是在半赫斯勒反铁磁体 NdBiPt 中。有趣的是，TCQ 受到自旋轨道 $U(1)$ 准对称性的保护，而不是任何精确的晶体对称性。这种准对称性将对称性降低扰动引起的能量分裂限制为二阶效应。此外，TCQ 中靠近的贝里曲率源和汇导致较大的贝里曲率偶极子，从而产生显着的非线性霍尔效应。我们的工作为利用准对称性设计新型准粒子和开发具有增强非线性响应的材料开辟了一条途径。

薄膜 Al1-xRExN (RE = Pr3+, Tb3+) 异质结构合金的组合合成与表征

分类： 材料科学

作者： Binod Paudel, John S. Mangum, Christopher L. Rom, Kingsley Egbo, Cheng-Wei Lee, Harvey Guthrey, Sean Allen, Nancy M. Haegel, Keisuke Yazawa, Geoff L. Brennecka, Rebecca W. Smaha

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07848v1

摘要： 阳离子取代的 AlN 基材料（例如 Al1-xScxN、Al1-xGaxN 和 Al1-xBxN）具有优异的电子、机电和介电性能，其潜在影响推动了对这一广泛材料系列的研究。稀土（RE）阳离子特别有吸引力，因为它们还可以赋予光电或磁性功能。然而，迄今为止，将大量稀土阳离子掺入 AlN 中的成功受到限制，因为稳定这种异质结构合金在热力学上具有挑战性。使用组合共溅射，我们合成了 Al1-xRExN (RE = Pr, Tb) 薄膜，并对作为 RE 合金化函数的成分-结构-性能关系进行了快速调查。在我们的生长条件下，我们观察到 Al1-xPrxN 保持纯相纤锌矿结构，直到 x>0.22 转变为非晶态。 Al1-xTbxN在x<0.15之前呈现纯相纤锌矿结构，然后在0.16<x<0.28时呈现混合纤锌矿和岩盐相，最后变成非晶态。椭圆光度测量表明，吸收开始随着稀土掺入量的增加而减少，并且对存在的相有很强的依赖性。我们分别观察了 Pr3+ 和 Tb3+ 的特征阴极发光发射。使用这种合成方法，我们证明了将 Pr 和 Tb 掺入 AlN 纤锌矿结构中，其成分水平高​​于之前报道的水平，并首次测量了相应的结构和光电特性。

非磁性过渡金属中的自旋和轨道霍尔效应：外在贡献与内在贡献

分类： 材料科学

作者： Sergiy Mankovsky, Hubert Ebert

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07814v1

摘要： Kubo 的线性响应形式已用于计算非磁性未掺杂和掺杂过渡金属系统的轨道霍尔电导率 (OHC)，重点关注不同类型无序的影响以及 OHC 顶点校正的作用。研究了 OH 电导率的掺杂和温度依赖性，并与自旋霍尔电导率 (SHC) 的相应结果进行了比较。未掺杂和掺杂金属体系的结果之间存在很大差异。对于有限温度下的元素系统，我们发现了与温度相关的 OH 和 SH 电导率的内在贡献的主导作用。此外，与 SOC 无关的固有 OHC 和 SOC 驱动的 SCH 的不同温度依赖性行为表明这些量之间存在非平凡的关系。结果表明，与 OH 和 SH 电导率的内在部分相比，掺杂系统中的外在贡献是由它们两者的自旋轨道耦合决定的。它在低温下占主导地位，在较高温度下由于电子声子散射影响的增加而急剧下降。

具有量子化电阻和拓扑开关的高温量子谷霍尔效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Ke Huang, Hailong Fu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jun Zhu

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07804v1

摘要： 拓扑绝缘体的边缘态可用于探索低维和拓扑界面上出现的基础科学。然而，事实证明，对于螺旋边缘态来说，实现稳健的电导量化具有挑战性。在这里，我们展示了扭结态中的宽电阻平台 - 伯纳尔双层石墨烯中量子谷霍尔效应的表现 - 量子化到零磁场下的预测值。平台电阻在高达 50 开尔文的温度范围内具有非常弱的温度依赖性，并且在数十 mV 的直流偏置窗口内保持平坦。我们演示了开/关比为 200 的拓扑控制开关的电气操作。这些结果证明了扭结态的鲁棒性和可调谐性及其在构建电子量子光学器件中的前景。

交流磁体中的完美超导二极管效应

分类： 超导, 材料科学

作者： Debmalya Chakraborty, Annica M. Black-Schaffer

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07747v1

摘要： 我们研究了 $d$ 波交流磁体非常规超导状态下的固有超导二极管效应。我们发现在相图的广泛有限动量配对状态中二极管效率很高。值得注意的是，在存在外部磁场的情况下甚至可以获得 100% 的完美二极管效率。我们将最大的效率归因于多个零动量（BCS）和有限动量超导态之间的竞争，这与具有磁场的交流磁体中的拓扑节点到无节点转变有关，使我们的结果适用于各种交流磁体。

高熵合金空间可视化：方法和最佳实践

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Brent Vela, Trevor Hastings, Raymundo Arróyave

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07681v1

摘要： 多主元素合金 (MPEA) 已成为 2020 年代材料科学中令人兴奋的研究领域，因为通过元素组合发现具有独特和定制特性的合金具有巨大潜力。然而，MPEA 的化学复杂性对高维设计空间中的成分-性能关系可视化提出了重大挑战。如果没有有效的可视化技术，设计化学复杂的合金实际上是不可能的。在这篇方法/协议文章中，我们提出了一个可视化技术的“工具箱”，它允许对 MPEA 组合空间和属性空间进行有意义且富有洞察力的可视化。我们对该工具箱的贡献是整个合金空间的 UMAP 投影。我们在以下 MPEA 案例研究中部署了该可视化工具包：1）可视化文献综述，2）约束满足合金设计方案，3）贝叶斯优化合金设计活动。此外，我们还展示了如何将该方法应用于任何重心设计空间。虽然没有通用的可视化技术，但我们的工具箱提供了一系列方法和最佳实践，可以根据特定的 MPEA 研究需求进行定制。本文面向对多主元合金、化学复杂合金或高熵合金进行研究感兴趣的材料科学家，并有望促进 MPEA 中新颖和定制特性的发现。

在钙钛矿氧化物界面上实现二维电子气，其室温电子迁移率超过 100 cm$^2$/Vs

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Georg Hoffmann, Martina Zupancic, Aysha A. Riaz, Curran Kalha, Christoph Schlueter, Andrei Gloskovskii, Anna Regoutz, Martin Albrecht, Johanna Nordlander, Oliver Bierwagen

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07659v1

摘要： 在钙钛矿氧化物异质结构中，体功能特性与外延界面处出现的物理现象共存。值得注意的是，两个绝缘氧化物层之间界面处的电荷转移可以导致二维电子气（2DEG）的形成，其可能应用于高电子迁移率晶体管和铁电场效应晶体管等领域。然而，到目前为止，氧化物 2DEG 的实现在很大程度上仅限于单晶衬底和外延膜之间的界面，从而阻碍了它们在更大的器件架构中的有意放置。此外，由于众所周知的低电子迁移率，钙钛矿氧化物界面的衬底质量有限，阻碍了室温 2DEG 性能。在这项工作中，我们演示了在钙钛矿氧化物 BaSnO$_3$ 和 LaInO$_3$ 之间的外延界面处受控创建界面 2DEG，其室温电子迁移率高达 119 cm$^2$/Vs - 最高的室温-迄今为止报道的钙钛矿氧化物 2DEG 的温度值。在氧化物分子束外延过程中结合使用最先进的沉积模式，我们的方法在优化和远离衬底的两个外延氧化物层之间的界面的$in$-$situ$控制方面开辟了另一个自由度界面。因此，我们希望我们的方法适用于一般类别的钙钛矿氧化物 2DEG 系统，并使其能够提高与新颖设备概念的兼容性以及跨材料平台的集成。

薄 CrSBr 中应变控制磁反转的成像

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Kousik Bagani, Andriani Vervelaki, Daniel Jetter, Aravind Devarakonda, Märta A. Tschudin, Boris Gross, Daniel G. Chica, David A. Broadway, Cory R. Dean, Xavier Roy, Patrick Maletinsky, Martino Poggio

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07657v1

摘要： 二维材料对外部刺激极其敏感，这使得它们成为研究基本特性和具有新功能的工程设备的理想选择。一种这样的刺激，即应变，会影响层状磁性半导体 CrSBr 的磁性，使其能够诱发可逆的反铁磁到铁磁相变。鉴于剥离二维磁体中普遍存在不均匀应变，了解其对其磁性行为的影响至关重要。使用扫描 SQUID-on-lever 显微镜，我们直接成像了空间不均匀应变对层状 CrSBr 磁化强度的影响，因为它被沿其易轴施加的场极化。这种磁化强度的演变和磁畴的形成由微磁模型再现，该模型包含空间变化的应变和局部层间交换刚度的相应变化。观察到的对小应变梯度的敏感性以及名义上无应变的 CrSBr 样品的类似图像表明，无意的应变不均匀性会影响剥离样品的磁性行为，并且在未来设备的设计中必须予以考虑。

氮化硅纳米机械谐振器的长期老化研究

分类： 材料科学

作者： Michel Stephan, Alexandre Bouchard, Timothy Hodges, Richard G. Green, Triantafillos Koukoulas, Lixue Wu, Raphael St-Gelais

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07612v1

摘要： 由于较大的机械品质因数导致的热机械波动较小，因此可以非常精确地测量氮化硅 (SiN) 纳米机械谐振器谐振频率的短期变化。这些特性使得能够对准瞬时刺激进行高性能检测，例如突然暴露于辐射或质量吸收。然而，此类传感器的实际使用最终会引发有关其研究较少的长期稳定性的问题，特别是出于校准目的。我们通过在温度控制的高真空环境中连续跟踪 135 天的共振频率变化来表征制成的 SiN 膜的老化。老化行为与先前报道的在石英振荡器中观察到的双对数和漂移反转老化趋势一致。老化幅度 (300 ppm) 也与典型的温度补偿石英振荡器 (TCXO) 相当，归一化后，考虑到与几微米厚的 TCXO 相比，我们的薄 (90 nm) 谐振器中的界面更加重要。研究了由于表面吸附而导致老化的可能原因。我们回顾了水吸附和解吸如何导致显着频率变化（主要是由于化学吸附应力）的模型。吸附在谐振器表面的化学物质也可以通过 X 射线光电子能谱 (XPS) 来识别。这些测量结果表明，每次将样品置于真空下时，碳含量都会显着增加，而随后暴露在空气中会导致氧化碳含量增加。因此，开发碳和氧对膜应力贡献的模型应该是未来的一个重要方向。其他污染物，尤其是碱性离子和卤化物离子，检测到的数量较少，并进行了简要讨论。

MatterGPT：用于固态材料多属性逆设计的生成变压器

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Yan Chen, Xueru Wang, Xiaobin Deng, Yilun Liu, Xi Chen, Yunwei Zhang, Lei Wang, Hang Xiao

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07608v1

摘要： 具有所需性能的固态材料的逆向设计是材料科学中的一项艰巨挑战。尽管最近的生成模型已展现出潜力，但其采用却受到效率低下、架构限制和开源可用性受限等限制的阻碍。使用 SLICES（简化行输入晶体编码系统）符号作为字符串来表示晶体结构，使得能够使用最先进的自然语言处理模型（例如 Transformer）进行晶体设计。从 GPT 模型在生成连贯文本方面的成功中汲取灵感，我们在下一个令牌预测任务上训练了一个生成 Transformer，以生成具有目标属性的固态材料。我们证明了 MatterGPT 能够生成具有目标单一属性的从头晶体结构，包括晶格不敏感（形成能）和晶格敏感（带隙）属性。此外，我们将 MatterGPT 扩展为同时针对多个属性，解决了晶体多目标逆向设计的复杂挑战。我们的方法展示了生成结构的高有效性、独特性和新颖性，以及生成具有超出训练数据分布属性的材料的能力。这项工作代表了计算材料发现方面向前迈出的重要一步，为设计具有定制特性的材料提供了强大且开放的工具，适用于能源、电子等领域的各种应用。

三层石墨烯中光电子强度和会聚贝里相的带选择模拟

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Hayoon Im, Sue Hyeon Hwang, Minhee Kang, Kyoo Kim, Haeyong Kang, Choongyu Hwang

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07557v1

摘要： 贝里相是理解量子力学现象（例如石墨烯中的阿哈罗诺夫-玻姆效应和非常规霍尔效应）的关键要素之一。单层和双层石墨烯中的贝里相表现为光电子强度沿动量空间闭环的各向异性分布以及旋转光偏振时按特征角旋转。在这里，我们报告了三层石墨烯光电子强度的带选择模拟，以了解其紧束缚形式体系中的贝里相。 ABC 和 ABA 堆叠的三层石墨烯显示出光电子强度分布的特征旋转角，正如根据其众所周知的贝瑞相所预测的那样。然而，令人惊讶的是，在 ABA 堆叠的三层石墨烯中，旋转角度在接近导带和价带之间的带接触点时发生变化，这表明 Berry 相随着结合能的变化而变化。结合能依赖的 Berry 相归因于 ABA 堆叠三层石墨烯的两个电子带的杂交增强，这些电子带在带接触点处会聚，从而产生会聚的 Berry 相。这些发现将提供一种有效的方法来调整贝瑞相，从而调整贝瑞相产生的奇异现象。

基于循环和螺旋对称的机器学习力场：在碳纳米管晶格振动中的应用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： Abhiraj Sharma, Shashikant Kumar, Phanish Suryanarayana

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07554v1

摘要： 我们提出了一种用于开发循环和螺旋对称的机器学习力场（MLFF）的形式。特别是，利用原子位置描述符与多项式核方法的平滑重叠，我们推导了能量、原子力和声子的循环和螺旋对称适应表达式（描述晶格振动频率和模式）。我们使用此公式为碳纳米管 (CNT) 构建基于对称性的 MLFF，其中模型通过贝叶斯线性回归进行训练，数据是从在动态对称期间执行的从头算密度泛函理论 (DFT) 计算生成的- 代表性碳纳米管的 MLFF 分子动力学模拟。我们通过与能量和力的 DFT 计算以及声子的密度泛函微扰理论计算进行比较，证明了 MLFF 模型的准确性，同时考虑了训练中未使用的 CNT。特别是，我们获得的均方根误差为 $1.4 \times 10^{-4}$ Ha/atom，$4.7 \times 10^{-4}$ Ha/Bohr，以及 4.8 cm$^{-1}$分别是能量、力和声子频率，它们完全在从头计算的目标精度范围内。我们应用这个框架来研究不同直径和手性的碳纳米管中的声子，其中我们识别了圆柱形结构所特有的扭转刚体模式，并建立了与环模式和径向呼吸模式相关的声子频率的变化规律。总体而言，所提出的形式为从头计算精度研究具有循环和螺旋对称性的纳米结构提供了一种途径，同时相对于此类方法提供了数量级的加速。

基于物理的 CMOS 闩锁分析建模

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Gennady I. Zebrev

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07523v1

摘要： 在新的基于物理的等效电路框架内对稳态基尔霍夫方程的分析为双稳态 CMOS 结构中电阻模式的保持电压和电流提供了明确的表达式。所得表达式是物理参数（温度、衬底掺杂水平、材料带隙）的函数，这使得评估技术因素对闭锁参数的影响成为可能。特别是，获得了单粒子闩锁的临界电荷作为工艺参数和温度的函数的明确公式。

半导体探测器低能量过剩的缺陷复合起源

分类： 材料科学, 高能物理-实验

作者： Kai Nordlund, Fanhao Kong, Flyura Djurabekova, Matti Heikinheimo, Kimmo Tuominen, Nader Mirabolfathi

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07518v1

摘要： 当半导体探测器的探测阈值被推至越来越低的能量时，在几种不同类型的探测器中观察到低于几百 eV 的表观能量释放事件的“过量”信号，从而阻碍了它们对该能量范围内的罕见事件信号的灵敏度使用经典恒温器和量子热浴的原子模拟，我们表明这种信号与任何类型的核反冲辐射事件形成的复杂缺陷的长期复合事件的能量释放是一致的。通过对重组事件的详细分析，我们发现跨越低能垒（$\lesssim$ 0.1 eV）可以在类雪崩效应中触发更大的能量释放。这解释了为什么即使在低温下也会发生大量能量释放事件。

安德森定理压力下的三元超氢化物：(La,Sc)H$_{12}$ 中接近记录的超导性

分类： 超导, 材料科学

作者： Dmitrii V. Semenok, Ivan A. Troyan, Di Zhou, Andrei V. Sadakov, Kirill S. Pervakov, Oleg A. Sobolevskiy, Anna G. Ivanova, Michele Galasso, Frederico Gil Alabarse, Wuhao Chen, Chuanying Xi, Toni Helm, Sven Luther, Vladimir M. Pudalov, Viktor V. Struzhkin

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07477v1

摘要： 镧-氢系统及其衍生物仍然是最有希望实现室温超导性的系统之一。在这项研究中，我们研究了在高达 220 GPa 的压力下三元镧-钪超氢化物的形成。 LaSc合金与氢反应的主要产物是新发现的立方体(La,Sc)H${12}$，在244-248 K以下的范德堡方案的所有六个通道中表现出明显的超导转变。由于晶胞体积异常大，因此在高达 68 特斯拉的磁场中几乎没有观察到磁阻。 (La,Sc)H${12}$ 的合成样品在 226 K 的创纪录高温下表现出明显的超导二极管和类 SQUID 效应。此外，我们的分析揭示了低级六方聚氢化物 (La,Sc)H 的形成$_{6-7}$，这可能解释在 274 K 附近观察到的电阻异常。这种异常行为可能具有超导性质，因为低温衍射研究表明 La 中不存在相应的结构相变-Sc 聚氢化物。

镍微粒的高应变率压缩变形行为

分类： 材料科学

作者： Bárbara Bellón, Lalith Kumar Bhaskar, Tobias Brink, Raquel Aymerich-Armengol, Dipali Sonawane, Dominique Chatain, Gerhard Dehm, Rajaprakash Ramachandramoorthy

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07462v1

摘要： 了解金属在极端条件下的机械性能对于微型化技术的进步至关重要。随着尺寸减小，材料在相同的施加速度下将经历更高的应变率。此外，应变率和温度的相互作用常常被忽视，并且可能在应用中产生关键影响。在这项研究中，首次研究了镍微粒的速率依赖性和温度依赖性机械响应。通过沉积在c-蓝宝石上的镍薄膜的固态去湿获得微粒。它们表现出具有相同平面组的自相似形状，有助于粒子之间的直接比较。这项研究首次对镍单晶去湿微粒的机械性能进行了深入分析，在室温下跨越了六个数量级，在 128 K 下跨越了三个数量级。相同的刻面。在这项工作中，实验和模拟之间的差距已缩小到超过一个数量级，应变率缩小到三个数量级。采用热激活参数分析和MD模拟来确定均匀位错成核还是异质位错成核是控制颗粒变形的主要机制。

Sn4Au 的压力相关物理特性的第一性原理探索：超导拓扑半金属

分类： 材料科学, 超导

作者： M. Abdul Hadi Shah, M. I. Naher, S. H. Naqib

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07451v1

摘要： 利用密度泛函理论中的第一性原理研究来探索超导拓扑半金属 Sn4Au 在 0-5 GPa 压力下的物理性质。根据计算的弹性模量，所研究的化合物被归类为延展性，并且施加的压力增强了延展性。该化合物具有非常高水平的干润滑性和可加工性指数。所有各向异性因子均表现出弹性各向异性性质。从电子能带结构和态密度的角度研究电子特性。能带结构揭示了Sn4Au的拓扑半金属特征，而费米能级的态密度随着压力的增加而逐渐减小。在 Sn4Au 中观察到离子键和共价键。研究了不同压力下 Sn4Au 的光学参数。对于电场矢量的所有偏振，随着压力的增加，反射率、折射率和光电导率的特征峰表现出向更高能量的转变。吸收系数和反射率光谱表明 Sn4Au 是适合光电应用的系统。此外，费米能级电子态密度的压力相关变化、德拜温度的变化以及压力引起的排斥库仑赝势的变化已被用来探索压力对超导转变温度的影响。 。

横向 Mn5Ge3 自旋阀与高迁移率 Ge 二维空穴气体接触

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： David Weißhaupt, Christoph Sürgers, Dominik Bloos, Hannes Simon Funk, Michael Oehme, Gerda Fischer, Markus Andreas Schubert, Christian Wenger, Joris van Slageren, Inga Anita Fischer, Jörg Schulze

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07412v1

摘要： 应变调制掺杂量子阱中的Ge二维空穴气体由于其优异的自旋输运特性和高效自旋操纵的理论可能性，为未来自旋电子学应用提供了一个有前途的材料平台。由于外延生长配方的不断发展，可以实现极高的空穴迁移率和低有效质量，从而有望实现高效的自旋输运。此外，Ge二维空穴气（2DHG）可以集成到成熟的工业互补金属氧化物半导体（CMOS）器件技术中。然而，高效电自旋注入 Ge 2DHG（实现自旋电子器件的先决条件）尚未得到证实。在这项工作中，我们报告了横向结构 Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 器件的制造和低温磁阻测量。铁磁 Mn5Ge3 触点通过相互扩散工艺直接生长到 Ge 量子阱中，间距约为 130 nm。我们观察到温度低于 13 K 的磁阻信号可能是由成功的自旋注入产生的。该结果代表了朝着实现基于 2DHG 的 CMOS 兼容自旋电子器件迈出了一步。

用于同质 CMOS 应用的对称 n 型和 p 型亚 5 nm 1D 石墨烯纳米带晶体管

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Linqiang Xu, Shiqi Liu, Qiuhui Li, Ying Li, Shibo Fang, Ying Guo, Yee Sin Ang, Chen Yang, Jing Lu

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07338v1

摘要： 石墨烯纳米带（GNR）因其可调节的大带隙（0-3 eV）和超高载流子迁移率（高达 4600 cm^(2) V^(-1) s^(-1)）而成为一种非常有前途的通道候选者。 ，以及优异的器件性能（电流通断比为10^(7)）。然而，已报道的n型和p型GNR场效应晶体管（FET）在超短栅极长度（Lg）下的不对称性已成为未来互补金属氧化物半导体（CMOS）集成的障碍。在这里，我们进行从头算量子传输模拟，以研究亚 5 nm Lg 7 扶手椅边缘 GNR (7 AGNR) FET 的传输特性。当 Lg 减小至 3 nm 时，n 型和 p 型 7 AGNR FET 的通态电流、延迟时间和功耗满足高性能器件的国际半导体技术路线图目标。值得注意的是，由于更对称的电子/空穴有效质量，7 AGNR FET 表现出优于 7-9-7 AGNR FET 的 n 型和 p 型对称性。与单层 MoS2 和 MoTe2 同类产品相比，7 AGNR FET 具有更好的器件性能，可以通过栅极工程进一步改进。我们的结果揭示了 7 AGNR 在推进 CMOS 电子器件超越硅方面的巨大潜力。

使用液晶改善 MoS$_2$/rGO 杂化纳米复合材料的电光性能

分类： 材料科学, 应用物理, 14J60 (Primary) 14F05, 14J26 (Secondary), F.2.2; I.2.7

作者： A. Vasilev, Y. Melikyan, M. Zhezhu, V. Hayrapetyan, M. S. Torosyan, D. A. Ghazaryan, M. Yeranosyan, H. Gharagulyan

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07310v1

摘要： 二维（2D）材料的混合系统（例如石墨烯族材料和2D过渡金属二硫属化物）由于其独特的光电、热、机械和化学性质而备受关注。当用液晶（LC）丰富这些材料时，这些材料在各个领域的应用前景进一步扩大，这主要是由于它们增强的可调性和功能性。在这项研究中，我们报告了由 MoS$_2$ 和 rGO 组成的杂化纳米复合材料的水热合成，并讨论了通过结合热致液晶来调节其电光性能的可能性。特别是，我们证明了 5CB LC 的加入提高了混合纳米复合材料的灵敏度和电荷存储效率。此外，我们还介绍了 MoS$_2$/rGO 混合纳米复合材料的响应率、探测率和响应时间特性，无论是否包含向列液晶。此外，我们证明该系统表现出 5CB 诱导的光电流开关效应。我们相信这些发现将为这些材料在光电子学和光子学中的应用打开新的大门。

通过多尺度原子模拟探索 $β$-Ga2O3 中与方向相关的表面辐射损伤

分类： 材料科学

作者： Taiqiao Liu, Zeyuan Li, Junlei Zhao, Xiaoyu Fei, Jiaren Feng, Yijing Zuo, Mengyuan Hua, Yuzheng Guo, Sheng Liu, Zhaofu Zhang

发布时间： 2024-08-14

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07270v1

摘要： 超宽带隙半导体$\beta$-Ga2O3在高辐射环境中具有广泛的应用潜力。其实际应用中的主要挑战之一是揭示极端条件下表面辐照损伤的机制。在这项研究中，我们研究了不同温度下四个实验相关的 $\beta$-Ga2O3 表面刻面（即（100）、（010）、（001）和（-201）上辐射损伤的方向依赖性机制。我们采用多尺度原子模拟方法，结合机器学习驱动的分子动力学（ML-MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算。结果表明，Ga 空位和 O 填隙是所有四个表面的主要缺陷，观察到形成许多反位缺陷 Ga_O 和少量 O_Ga。在两个Ga位点和三个O位点中，O2位点的空位占主导地位，而Ga1和O1位点的间隙更为显着。有趣的是，（010）表面表现出最低的缺陷密度，因为其更深刻的沟道效应导致​​缺陷更广泛的传播。温度对β-Ga2O3表面辐照损伤的影响应根据独特的晶体表面特性来评估。此外，通过DFT计算的形成能和缺陷浓度证实了MD模拟的结果。在原子水平上理解表面辐射损伤对于评估高辐射环境中β-Ga2O3基器件的辐射耐受性和预测性能变化至关重要。

深入了解聚合物电解质稳定性和反应途径：第一原理计算研究

分类： 化学物理, 材料科学, 原子和分子簇, 计算物理

作者： Kazem Zhour, Andreas Heuer, Diddo Diddens

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07229v1

摘要： 本研究研究了四种单体的电化学行为和分解途径，即 PMC、PMC-OH、PeMC-OH 和 DEO-EA，它们是固态电池中聚合物电解质的潜在候选者。采用密度泛函理论计算来确定这些单体在不同离子（Li+、TFSI-和LiTFSI）附近的氧化和还原电位及其相应的重组能。结果表明，单体对富 Li+ 状态下的还原和富 TFSI 状态下的氧化具有显着的敏感性。此外，还研究了单体的分解途径，重点关注CO键的断裂。这些发现为了解这些单体在各种电化学环境中的稳定性和反应性提供了见解。

用于生成周期性材料的表示空间扩散模型

分类： 材料科学

作者： Anshuman Sinha, Shuyi Jia, Victor Fung

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07213v1

摘要： 与传统的人工指导或基于规则的方法相比，生成模型有望显着加快材料设计过程。然而，在有限但多样化的数据集上有效生成高质量的材料周期性结构仍然是一个持续的挑战。在这里，我们提出了一种周期性结构生成的新方法，该方法完全尊重结构空间的内在对称性、周期性和不变性。也就是说，我们利用可微的、基于物理的结构描述符，它可以描述周期系统并满足必要的不变性，并结合去噪扩散模型，在该描述符或表示空间内生成新材料。然后使用基于梯度的优化对这些表示进行重建，以恢复晶体结构的相应笛卡尔位置。这种方法与当前方法有很大不同，它是在表示空间中生成材料，而不是在笛卡尔空间中，这是通过使用有效的重建算法来实现的。因此，可以避免生成期间有关周期性边界和平移和旋转不变性的已知问题，并且可以大大简化模型训练过程。我们证明，与当前最先进的方法相比，这种方法能够在既定基准上提供具有竞争力的性能。

外延IrO2薄膜全自旋矩电导率张量的实验测试

分类： 材料科学

作者： Michael Patton, Daniel A. Pharis, Gautam Gurung, Xiaoxi Huang, Gahee Noh, Evgeny Y. Tsymbal, Si-Young Choi, Daniel C. Ralph, Mark S. Rzchowski, Chang-Beom Eom

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07198v1

摘要： 各向异性材料中电场产生的自旋电流产生的非常规自旋轨道扭矩在自旋电子应用中具有广阔的前景，包括高密度存储应用中的垂直磁开关。在这里，我们通过测量高对称性 (001) 和 (100) 的 IrO2 薄膜的常规（面内）抗阻尼扭矩，确定了四方导体 IrO2 体晶体对称性所允许的自旋扭矩电导率张量的所有独立元素。方向。然后，我们测试了同一张量的旋转变换可以预测 IrO2 薄膜在较低对称性 (101)、(110) 和 (111) 方向上的传统和非常规抗阻尼扭矩，发现了良好的一致性。结果证实，来自所有这些方向的自旋轨道扭矩与 IrO2 的体对称性一致，并表明对各向异性薄膜的高对称性方向的常规扭矩进行简单测量可以如何准确预测来自较低方向的非常规扭矩。对称方向。

具有局部欺骗表面等离子体激元的混合磁振子

分类： 材料科学, 光学

作者： Yuzan Xiong, Andrew Christy, Zixin Yan, Amin Pishehvar, Muntasir Mahdi, Junming Wu, James F. Cahoon, Binbin Yang, Michael C. Hamilton, Xufeng Zhang, Wei Zhang

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07197v1

摘要： 混合磁波系统已成为保持相干性的信息传播的一个有前途的方向。由于磁振子的高度可调性，可以设计它们与微波光子的相互作用，以探测基于强光子-磁振子耦合的新现象。可以通过调整微波谐振器的结构以更好地与磁振子对应物相互作用来提高光子-磁振子耦合强度。由于平面谐振器在片上集成的潜力，人们对其进行了探索，但仅使用了基于带状线的谐振器的共模。在这里，我们提出了一种支持欺骗局域表面等离子体（LSP）的微波螺旋谐振器，并将其应用于混合磁振子应用的光子-磁振子耦合的研究。我们展示了使用亚铁磁钇铁石榴石球的强磁振子-LSP 光子耦合。我们通过实验和模拟讨论了螺旋谐振器设计对光子模式频率和空间场分布的工程能力的依赖性。通过局域光子模式分布，产生的磁场集中在表面电介质附近，从而提高磁填充系数。强耦合和大的工程空间使欺骗 LSP 成为开发新型混合磁波系统和功能的有趣竞争者。

Sc、Ti 和 V 基 MXene 中混合终止成分的影响

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Michal Novotný, Karolína Tkáčová, František Karlický

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07189v1

摘要： 在本研究中，我们研究了混合表面终端（F、O、OH）对 M${2}$C MXene（M = Sc、Ti、V）性能的影响。我们探索末端基团的不同组成和模式如何影响这些二维材料的稳定性和电子性能。键解离能和内聚能显示出 Sc${2}$C 中 F 末端的明显偏好，而 Ti 和 V 基 MXene 则更倾向于 O 末端。数据表明，MXene 相对两侧的末端基团对彼此的电子结构几乎没有影响，从而允许每一侧具有独立的化学环境。研究的 MXene 的半导体形式（Sc${2}$CF${2}$、Sc${2}$C(OH)${2}$ 和 Ti${2}$CO${ 2}$）对传导诱导终端（分别为 O、O 和 F）表现出非常高的敏感性，即使是极小的量（$\大约 $1%）也会导致材料变得导电。带隙对表面终端的高敏感性可能为合成半导体形式的 MXene 的挑战提供了解释。

通过 AlOX 电介质的无损伤原子层沉积增强 2D 通道场效应晶体管的可调谐掺杂和迁移率

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Ardeshir Esteki, Sarah Riazimehr, Agata Piacentini, Harm Knoops, Bart Macco, Martin Otto, Gordon Rinke, Zhenxing Wang, Ke Ran, Joachim Mayer, Annika Grundmann, Holger Kalisch, Michael Heuken, Andrei Vescan, Daniel Neumaier, Alwin Daus, Max C. Lemme

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07183v1

摘要： 二维材料（2DM）因其与现代电子产品异质集成的潜力而受到广泛研究。然而，仍然存在几个主要挑战，例如在 2DM 上沉积高质量电介质以及 2DM 掺杂水平的调整。在这里，我们报告了一种可扩展的等离子体增强原子层沉积（PEALD）工艺，用于直接沉积非化学计量的氧化铝（AlOX）电介质，克服了与传统方法相关的损坏问题。此外，我们控制介电层的厚度来系统地调整 2DM 的掺杂水平。拉曼光谱和电测量证实，实验结果表明沉积成功，没有可检测到的损坏。我们的方法能够分别调节背栅石墨烯和 MoS${_2}$ 场效应晶体管 (FET) 的狄拉克电压和阈值电压，同时还提高两种器件类型中的电荷载流子迁移率。我们进一步在具有双层介电层 (AlOX+Al${_2}$O${_3}$) 的顶栅 MoS${_2}$ FET 中演示了该方法，实现了 7 MV/cm 的临界击穿场强和与背栅配置相比，提高了迁移率。总之，我们提出了一种 PEALD 工艺，它为 2DM 上的电介质沉积提供了可扩展且低损伤的解决方案，为异构电子电路中器件特性的精确调整开辟了新的可能性。

手性动磁学及其应用

分类： 材料科学

作者： Sang-Wook Cheongand Fei-Ting Huang

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07179v1

摘要： 缺乏任何镜像对称性的系统表现出的手性功能包括自然光学活性、磁手性效应、对角线电流感应磁化、带电电子或中性中子的手性选择性自旋极化电流、自感和手性声子。这些现象在手性运动磁学假说下统一起来，该假说假设手性系统中任何移动的（带电或中性）物体都会在其运动方向上感应磁化，从而由于这种感应磁化而赋予物体手性。我们还发现了手性动磁、线性磁电和电场感应方向非互易性之间的共轭关系，突出了它们与磁、电和环形顺序的相互关系。手性动磁学的概念将成为理论理解已知手性现象（例如自然光学活动或手性声子）以及发现未探索的手性功能的重要基础。

FLASiS 获得的 AlCu 合金纳米颗粒的纳米结构†

分类： 光学, 材料科学

作者： Jesica M. J. Santillán, David Muñetón Arboleda, Osvaldo Fornaro, Marcelo Lester, Daniel C. Schinca, Lucía B. Scaffardi

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07140v1

摘要： 在纳米尺度上，合金纳米材料表现为新材料，因为它们能够表现出与纯金属纳米结构或块体合金不同的结构和性能。在这项工作中，研究了通过{\dag}飞秒激光烧蚀溶液合成（FLASiS）在具有不同百分比的Al和Cu的固体靶上获得的AlCu合金纳米颗粒的成分特征。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和消光光谱（OES）分析了纳米粒子的形态、结构、组成和等离子体行为。根据所获得的结果，提出了含铜夹杂物的主体氧化铝基体的基本形成机制和配置模型。使用该模型对合成胶体的消光光谱中的等离子体共振光谱区域进行的分析表明，纳米颗粒的 Cu 填充因子约为 0.02，这与独立于 TEM 图像确定的值一致。纳米粒子中铝和铜成分的量取决于它们在初始固体靶中的相对百分比。在这里，我们描述了这些纳米结构可能的动力学形成机制。

Fe (III) 自旋交叉分子盐的表面终止

分类： 材料科学

作者： M. Zaid Zaz, Binny Tamang, Kayleigh McElven, Esha Mishra, Gauthami Viswan, Wai Kiat Chin, Arjun Subedi, Alpha T. Ń Daiye, Rebecca Lai, Peter A. Dowben

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07138v1

摘要： 通过比较 X 射线能量色散分析 (EDAX)、已知的分子化学计量和 X 射线光电子能谱 (XPS)，很明显，Fe(III) 自旋交叉盐 [Fe(qsal)2Ni(dmit) 2] 具有优先表面终止 Ni(dmit)2 部分。这种优先表面终止导致 Ni 2p X 射线光电子发射核心能级的显着表面到体核能级偏移，这在相应的 Fe 2p 核心能级光谱中没有看到。因此，逆光电子能谱 (IPES) 提供了由 dmit2 = 1,3-二硫醇-2-硫酮-4,5-二硫醇配体未占据分子轨道产生的态密度的一些指示。

使用从头计算探索 Au(111) 上 [Fe-(tpy-ph)$_2$]$^{2+}$ 配合物中自旋态的共存

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Naveen K. Dandu, Alex Taekyung Lee, Sergio Ulloa, Larry Curtiss, Saw Wai Hla, Anh T. Ngo

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.07014v2

摘要： 在这项工作中，我们系统地研究了 [Fe-(tpy-ph)$_2$]$^{2+}$ 分子在气相和 Au(111) 基底上的电子结构和自旋态稳定性密度泛函理论+U（DFT+U）计算。我们发现 Fe$^{2+}$ 离子自旋态的稳定性受到 Hubbard U 参数的显着影响。在气相中，低自旋 (LS, S=0) 态被发现在能量上有利于 U(Fe) $\leq$ 3 eV，而高自旋 (HS, S=2) 态则稳定对于 U(Fe) > 3 eV。发现与 Au(111) 衬底的相互作用将自旋态跃迁的临界 U 提高到 3.5 eV。此外，我们还基于 HS 和 LS 态的瞬态 DFT (TD-DFT) 进行 L 边 X 射线吸收光谱 (XAS) 计算。计算的 XAS 表明 HS 态与实验观察结果更加一致，表明 HS 态作为 X 射线激发过程中的初始态可能共存。这些发现丰富了我们对 [Fe-(tpy-ph)$_2$]$^{2+}$ 中自旋态动力学的理解。

石墨烯中超快光电流的光学控制

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： Navdeep Rana, Gopal Dixit

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06976v1

摘要： 利用强激光脉冲操纵电子的能力使得能够在其固有时间尺度上对电子运动进行前所未有的控制。目前的工作探索了超快时间尺度上单层石墨烯光电流产生的所需控制。光电流的起源归因于激光脉冲结束后导带中的不对称残留电子布居，这也有利于谷偏振。目前的研究对这两个可观察量（即光电流和谷偏振）之间的差异进行了全面分析。研究发现，同向旋转圆偏振$\omega-2\omega$激光脉冲允许产生光电流，但没有谷偏振，而反向旋转圆偏振$\omega-2\omega$激光脉冲产生显着的谷偏振，且没有任何光电流。石墨烯。不同的激光参数，例如子周期相位、波长和强度，提供了不同的旋钮来控制光电流的产生。此外，通过应变工程改变石墨烯的电子特性，可以将光电流振幅增加三倍。我们的研究结果揭示了石墨烯电子结构的对称性与驱动激光脉冲之间相互作用的有趣的潜在机制，揭示了利用石墨烯特性在超快光子学、光电器件和量子技术中新应用的潜力。

硅掺杂氮化铝薄膜中的声学和光学声子频率以及声学声子速度

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Dylan Wright, Dinusha Herath Mudiyanselage, Erick Guzman, Xuke Fu, Jordan Teeter, Bingcheng Da, Fariborz Kargar, Houqiang Fu, Alexander A. Balandin

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06951v1

摘要： 我们报告了通过金属有机化学气相沉积在蓝宝石衬底上生长的硅掺杂 AlN 薄膜中的声学和光学声子的研究结果。布里渊-曼德尔斯坦和拉曼光散射光谱用于测量靠近布里渊区中心的声学和光学声子频率。光学声子频率揭示了非单调变化，反映了添加硅掺杂原子后薄膜应变和位错密度的变化。声学声子速度随着硅掺杂浓度的增加而单调降低，在掺杂水平为 3 x 10^19 1/cm3 时降低约 300 m/s。声学声子速度的知识可用于优化超宽带隙半导体异质结构并最小化高功率器件的热边界电阻。

来自经典自相关函数的固体中色心的光线形状

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Christopher Linderälv, Nicklas Österbacka, Julia Wiktor, Paul Erhart

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06908v1

摘要： 色心在固态照明和量子信息技术等应用中发挥着关键作用，其中其光学和振动特性之间的耦合至关重要。用于预测此类发射器的光学线形的现有方法依赖于生成函数（GF）方法，并对基态和激发态景观的形状以及之间的关系施加严格的约束，这限制了它们的应用范围。在这里，我们描述了一种基于通过分子动力学模拟 (MD-ACF) 对底层自相关函数进行直接采样的方法，该方法克服了这些限制。能量景观由机器学习的势表示，它通过单个模型提供对基态和激发态景观的准确而有效的描述，保证大小一致的预测。我们将此方法应用于 4H-SiC（一种典型色心）中的 (VSiVC)kk(0) 双空位缺陷，该缺陷已在实验和理论上进行了研究。我们证明，在低温下，当前的 MD-ACF 方法产生的预测与早期的 GF 计算一致。然而，与后者不同的是，它也适用于高温，因为它不受相同的限制，特别是在处理非谐性方面，并且可用于研究非晶材料。当我们讨论剩余的挑战和可能的扩展时，这里提出的方法已经具有显着扩大色心光学特性和相关缺陷的计算预测范围的潜力，特别是对于具有明显不和谐性和/或初始值之间存在较大差异的情况。和最终状态。

扭曲 Kane-Mele 材料中稳定的魔角

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Cheng Xu, Yong Xu, Wenhui Duan, Yang Zhang

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06866v1

摘要： 我们提出，魔角附近的平带和范霍夫奇点可以在扭曲的 Kane-Mele 模型中稳定，以防止角度无序。通过连续介质模型和最大局域 Wannier 函数方法，我们确定了带宽、相互作用参数与扭转角之间的二次色散关系，这与扭转双层石墨烯 (TBG) 不同。将 Kane-Mele 自旋轨道耦合引入 TBG 大大降低了分数陈绝缘体指标，并增强了魔角附近分数陈状态的稳定性，这一点已通过精确对角化计算得到证实。此外，在具有内在 Kane-Mele 自旋轨道耦合的扭曲双层 Pt$_2$HgSe$_3$ 中，我们在 4 度左右的大扭曲角处识别出拓扑平带。

具有可扩展电导率的单层磁性金属

分类： 材料科学

作者： Oleg E. Parfenov, Dmitry V. Averyanov, Ivan S. Sokolov, Alexey N. Mihalyuk, Oleg A. Kondratev, Alexander N. Taldenkov, Andrey M. Tokmachev, Vyacheslav G. Storchak

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06850v1

摘要： 二维磁体已成为一类在量子现象研究和超紧凑自旋电子学应用方面极具前景的材料。目前的研究旨在设计具有特定功能特性的二维磁体。一个艰巨的挑战是生产金属单层：层状磁性系统的材料景观主要由绝缘体主导；稀有金属磁体（例如 Fe3GeTe2）在接近单层极限时会变得绝缘。在这里，电子传输测量表明，最近发现的二维磁体 GdAlSi（与 Gd 原子层耦合的类石墨烯 AlSi 层）在直至单个单层时仍保持金属性。能带结构分析表明该材料是电子化合物，可以稳定金属态。值得注意的是，2D GdAlSi 的片电导与单层的数量成正比——这是可扩展电导率的表现。 GdAlSi 层与硅外延集成，有利于在电子领域的应用。

4H-SiC 中碳反位空位对的 AB 线和光学性质的温度依赖性

分类： 材料科学

作者： Oscar Bulancea-Lindvall, Joel Davidsson, Ivan G. Ivanov, Adam Gali, Viktor Ivády, Rickard Armiento, Igor A. Abrikosov

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06823v1

摘要： 近年来，半导体缺陷被发现在量子技术的探索中具有有趣的特性。在这方面，碳化硅作为量子缺陷的主体表现出了巨大的前景。特别是，4H-SiC 中的超亮 AB 光致发光线在室温下可观察到，并已被提议作为单光子量子发射器。这些线先前已被研究并分配给碳反位点-空位对（CAV）。在本文中，我们报告了 AB 线温度依赖性的新测量，并对 CAV 缺陷的光学特性进行了深入的计算研究。我们发现 CAV 缺陷有可能在中性和正电荷状态下表现出几种不同的零声子发光，并在近红外电信频带内发射。然而，我们的测量表明，AB 线仅由三个非热激活线组成，而不是之前报道的四个线，同时我们对 CAV 缺陷的计算无法找到与 AB 线分配完全一致的光学跃迁。根据我们的结果，AB 线的识别和相关的室温发射需要进一步研究。

正交堆叠范德华 NbOCl2 晶体实现偏振纠缠

分类： 光学, 材料科学

作者： Qiangbing Guo, Yun-Kun Wu, Di Zhang, Qiuhong Zhang, Guang-Can Guo, Andrea Alù, Xi-Feng Ren, Cheng-Wei Qiu

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06751v1

摘要： 偏振纠缠对于光子量子技术具有重要意义。最近新兴的亚波长非线性量子光源，例如GaP和LiNbO3薄膜，受益于宽松的相位匹配约束和体积限制，显示出令人着迷的特性，例如高维超纠缠和鲁棒的纠缠抗降解性。范德华 (vdW) NbOCl2 晶体以其卓越的光学非线性而闻名，已成为超薄量子光源的理想候选者之一 [Nature 613, 53 (2023)]。然而，NbOCl2 晶体由于其不利的非线性磁化率张量而无法实现偏振纠缠。在这里，通过利用 vdW 系统固有的扭曲堆叠自由度，我们展示了可调谐偏振纠缠和量子贝尔态的制备。我们的工作不仅提供了一种新的、可调谐的偏振纠缠 vdW 光子对源，而且还引入了在纳米尺度上设计量子光纠缠态的新旋钮。

使用概率和区间方法估计材料参数不确定性

分类： 材料科学, 可能性, 数据分析、统计和概率

作者： Thomas Most

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06668v1

摘要： 在材料模型的校准中，通常将模拟模型 $y$ 的数值结果与实验测量 $y^*$ 进行比较。通常，使用包括全局和局部优化技术的最小二乘方法来最小化测量和模拟之间的差异。在本文中，通过假设测量曲线是不确定的来研究所识别的材料参数 p 所产生的分散或不确定性。基于马尔可夫估计器或贝叶斯更新过程等经典概率方法，可以将已识别参数的分散度估计为多变量概率密度函数。这两个过程都需要对测量点的分散有足够准确的了解或估计，通常由高斯协方差矩阵建模。在本文中，我们提出了一个不同的想法，假设测量的分散不是相关的随机数，而是具有已知最小值和最大值的单独间隔。对于该假设，可以使用约束优化方法获得每个输入参数的相应可能的最小值和最大值。然而，给定测量范围的整个可能参数域的识别并不简单。因此，我们引入了一种有效的线搜索方法，不仅可以识别边界本身，还可以识别可行参数域的形状。这使得交互的量化和输入参数的唯一性成为可能。作为一个数值示例，我们确定了素混凝土在楔形劈裂试验中的断裂参数，其中可以确定五个未知材料参数。

推进固体非绝热分子动力学模拟：通过机器学习实现最高精度和效率

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Changwei Zhang, Yang Zhong, Zhi-Guo Tao, Xinming Qing, Honghui Shang, Zhenggang Lan, Oleg V. Prezhdo, Xin-Gao Gong, Weibin Chu, Hongjun Xiang

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06654v1

摘要： 非绝热分子动力学 (NAMD) 模拟已成为研究固体激发态动力学不可或缺的工具。在这项工作中，我们提出了一个通用框架 N$^2$AMD，它采用 E(3) 等变深度神经哈密顿量来提高 NAMD 模拟的准确性和效率。哈密​​顿量的欧几里得对称性的保留使 N$^2$AMD 能够实现最先进的性能。与预测 NAMD 中关键量的传统机器学习方法不同，N$^2$AMD 直接使用深度神经哈密顿量计算这些量，确保最高的准确性、效率和一致性。此外，N$^2$AMD 表现出出色的通用性，并能够与先进的 NAMD 技术和基础设施无缝集成。以几种经过广泛研究的半导体作为原型系统，我们成功地大规模模拟了原始系统和有缺陷系统中的载流子复合，而传统 NAMD 经常严重低估甚至在定性上错误地预测寿命。该框架不仅提高了 NAMD 模拟的效率和精度，还为推进材料研究开辟了新途径。

Ge、Ga、Al 掺杂对 Cr$_3$Si 力学性能和各向异性的影响：第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Siavash Karbasizadeh, Mohammad Amirabbasi

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06641v1

摘要： 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统地研究了掺杂Ge、Ga和Al的立方Cr$_3$Si的力学性能。我们研究了掺杂对晶格常数、形成焓、弹性模量、波速、德拜温度和机械各向异性的影响，以了解这些掺杂剂如何影响 Cr$_3$Si 的结构稳定性和机械行为。我们的结果表明，Ge、Ga 和 Al 的掺杂会导致晶格常数增加，反映晶格膨胀。尽管所有掺杂配置的形成焓均为负，表明热力学稳定性，但较高的掺杂剂浓度会降低合金的稳定性。弹性模量，包括体积模量、剪切模量和杨氏模量，随着掺杂剂浓度的增加而降低，表明机械刚度和刚度降低。波速和德拜温度也变得更小，进一步表明材料结构更软，导热性降低。此外，研究表明，Al 和 Ga 掺杂显着增加了机械各向异性，各向异性指数和三维轮廓分析证明了这一点。相比之下，Ge 保持了更加各向同性的机械行为，使其成为需要平衡机械和热性能的应用的最有利的掺杂剂。这些发现为 Cr$_3$Si 基材料的设计和优化提供了重要的见解，强调了机械强度、各向异性和掺杂引入的其他功能特性之间的权衡。结果强调了为特定高性能应用定制 Cr$_3$Si 合金的潜力，其中定向机械性能和热稳定性至关重要。

使用 $k$-means 对光谱进行排序：扫描隧道光谱测量的电子顺序映射

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： V. King, Seokhwan Choi, Dong Chen, Brandon Stuart, Jisun Kim, Mohamed Oudah, Jimin Kim, B. J. Kim, D. A. Bonn, S. A. Burke

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06572v1

摘要： 高光谱成像技术具有独特的能力来探测材料特性的不均匀性，无论是由成分变化还是其他形式的相分离驱动。在掺杂的铜酸盐、铱酸盐和相关材料中，扫描隧道显微镜/光谱学 (STM/STS) 测量发现，随着掺杂的增加，宏观莫特绝缘相中出现了赝能隙“水坑”。然而，通过电子订单对高光谱数据进行分类并非易事，并且通常是通过临时方法完成的。在本文中，我们展示了 $k$-means 的实用性，这是一种简单易用的无监督聚类方法，作为按电子顺序对掺杂 Rh 的 Sr$2$IrO$ 异质扫描隧道光谱数据进行分类的工具{4}$，一种类似铜酸盐的材料。应用于莫特阶段内获取的 STM 数据，$k$-意味着成功识别了莫特阶和赝能隙阶区域。 $k$-means 的无监督性质限制了偏差的途径，并且在没有物理先验知识的情况下提供聚类光谱形状。此外，我们还展示了 $k$-means 作为预处理工具的成功使用来约束唯象函数拟合。对数据进行聚类可以减少拟合参数空间，限制过度拟合。我们建议将 $k$-means 作为一种快速、简单的模型，用于处理混合电子顺序材料的高光谱数据。

硅中点缺陷对激光诱导激发的影响

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Tomohito Otobe, Eiyu Gushiken

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06560v1

摘要： 我们利用瞬态密度泛函理论研究了硅中缺陷态对激光激发过程的影响。我们假设有两种类型的点缺陷：间隙氧和硅空位。我们发现，由于色心的原因，在两种情况下，光吸收效率都随着缺陷密度的增加而增加。这些缺陷扭曲了晶体结构，从而放宽了选择规则并将间接带隙改为直接带隙。在低激光强度下，缺陷态主导吸收过程。然而，随着激光强度的增加，激发效率接近晶体硅。此外，我们观察到激发效率并不与脉冲长度成线性关系。值得注意的是，在硅空位的情况下，饱和吸收显着降低了光吸收。我们的结果表明，缺陷的存在及其密度可以通过偶次高次谐波的产生来检测。

低晶格热导率材料的机器学习和第一性原理预测

分类： 材料科学

作者： Chia-Min Lin, Abishek Khatri, Da Yan, Cheng-Chien Chen

发布时间： 2024-08-13

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06557v1

摘要： 我们进行机器学习 (ML) 模拟和密度泛函理论 (DFT) 计算，以寻找具有低晶格导热系数 $\kappa_L$ 的材料。我们的 ML 模型预测，几种含有碱金属和碳族元素的镉 (Cd) 化合物，包括 A$_2$CdX（A = Li、Na 和 K；X = Pb、Sn 和 Ge），表现出非常好的表现。低 $\kappa_L$ 值 ($< 1.0 $ W/mK)，使这些材料适合潜在的热管理和绝缘应用。电子和输运特性的进一步 DFT 计算表明，K$_2$CdPb、K$_2$CdSn 和 K$_2$CdGe 等化合物的热电性能品质因数 $ZT$ 可能超过 1.0，这些化合物为因此热电材料也是有前途的。

开放式回音壁模式谐振器

分类： 光学, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： D. R. Kazanov, A. M. Monakhov

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06436v1

摘要： 传统的回音壁模式 (WGM) 谐振器存在一些问题，例如光提取不佳和模式谱密集。在本文中，我们提出了一种针对这些限制的解决方案，提出了开放式 WGM (OWGM) 谐振器，该谐振器可以有效降低模式密度，并通过连接的波导实现定向辐射，但代价是 Q 因子有所降低。带孔的二维金属和介电盘谐振器的数值模拟揭示了模间距离的显着增加。该研究还扩展到三维电介质 OWGM 谐振器，证明了适合光子学应用的稀疏光谱的形成。此外，通过优化的基于拓扑的连接器连接到单模光纤的圆柱形布拉格微谐振器的设计实现了近乎统一的传输和高效的耦合。这种方法促进了新型光子器件的开发，解决了传统高品质因数 WGM 谐振器的局限性，并为激光技术和光通信提供了潜在的进步，其中紧凑性和可制造性优先于超高品质因数。

利用机器学习原子间势发现高熵氧化物

分类： 材料科学

作者： Jacob T. Sivak, Saeed S. I. Almishal, Mary K. Caucci, Yueze Tan, Dhiya Srikanth, Matthew Furst, Long-Quin Chen, Christina M. Rost, Jon-Paul Maria, Susan B. Sinnott

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06322v1

摘要： 高熵材料将传统的材料发现范式转变为利用无序的范式，从而能够获得仅通过焓无法达到的独特化学物质。我们提出了一种结合计算和实验的自洽方法来理解和探索单相岩盐高熵氧化物。通过利用机器学习原子间势，我们使用两个描述符快速准确地映射高熵组成空间：键长分布和混合焓。所有经过实验稳定的岩盐成分的单相稳定性均已正确解析，还有数十种成分有待发现。

库仑散射驱动的弹道光电流动力学

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Liang Z. Tan, Xavier Andrade, Sangeeta Rajpurohit, Alfredo A. Correa, Tadashi Ogitsu

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06320v1

摘要： 第一性原理实时依赖密度泛函理论 (rt-TDDFT) 计算揭示了库仑散射产生的弹道光电流的存在，这是一种以前未被认为是体光伏效应机制的光电流形式。以单层GeS为例，预计在实验可达到的条件下，弹道电流可以超过移动电流。此外，这些模拟揭示了重组途径，可以将位移电流幅度修改为超出微扰理论的预测。

Janus 过渡金属二硫化物 TiSeS 中可能存在的超导相

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： M. Singh, P. Saha, D. K. Shukla, S. Patnaik

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06319v1

摘要： 最近，过渡金属二硫化物（TMD）因其可以容纳许多新颖的相（包括电荷密度波和拓扑超导性）而引起了广泛的关注。从应用和基本角度来看，此类化合物具有重要意义。在这里，我们报告了 Janus TMD 化合物 TiSeS（TMD 的一个子类）的合成和表征。我们观察到了 TiSeS 中丝状超导的特征，这在早期的研究中没有报道过。磁化测量（ZFCW 和 FCW）以及等温磁化表明具有 II 型超导性，而输运测量由于晶粒间连接性可能较弱而缺乏零电阻率。观察到的行为可以安全地归因于 TiSeS 中的丝状超导性。需要进行进一步的研究来确定这种超导相的起源。

在图空间中具有可编程非线性函数响应的逆向设计超材料

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Marco Maurizi, Derek Xu, Yu-Tong Wang, Desheng Yao, David Hahn, Mourad Oudich, Anish Satpati, Mathieu Bauchy, Wei Wang, Yizhou Sun, Yun Jing, Xiaoyu Rayne Zheng

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06300v1

摘要： 材料对静态和动态刺激的响应（以非线性曲线表示）是结构支撑、冲击保护以及声学和光子带隙等工程功能的设计目标。三维超材料由于其内部结构而提供了显着的可调性，但现有方法很难捕捉其复杂的行为与结构关系。我们提出了 GraphMetaMat，这是一个基于图形的框架，能够设计具有可编程响应和任意制造约束的三维超材料。 GraphMetaMat 集成了图网络、物理偏差、强化学习和树搜索，可以针对跨越四个数量级的应力-应变曲线和复杂行为，以及具有不同衰减间隙的粘弹性传输响应。 GraphMetaMat 可以创建用于防护设备的缓冲材料和电动汽车的减振面板，其性能优于商业材料，并能够自动设计具有按需功能的材料。

$^{19}$F NMR 和真空退火 LaO${0.5}$F${0.5}$BiS$_2$ 中的缺陷自旋

分类： 强关联电子, 材料科学, 超导

作者： S. Yadav, S. Delgado, O. O. Bernal, D. E. MacLaughlin, Y. Liu, D. Jiang, O. Santana, A. Mushammel, Lei Shu, K. Huang, D. Yazici, M. B. Maple

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06284v1

摘要： 我们报告了正常状态下生长的 LaO${0.5}$F${0.5}$BiS$2$ 的磁化强度和 $^{19}$F NMR 测量结果。磁化强度主要由与温度无关的反磁分量以及与场和温度相关的顺磁贡献 $M\mu(H,T)$ 决定，局部力矩浓度为 $\sim$1000~ppm，其数量级高于可以通过测量稀土杂质浓度来解释。 $M_\mu(H,T)$ 可以通过布里渊函数 $B_J(x)$ 拟合，或者，也许更现实的是，缺陷中磁性 Bi $6p$ 离子的两级 $\tanh(x)$ 模型水晶领域。两种拟合都需要唯象居里-韦斯论证 $x = \mu_\mathrm{eff}H/(T + T_W)$, $T_W \approx 1.7$ K。没有证据表明磁序低至 2 K，并且$T_W$ 的来源尚不清楚。 $^{19}$F 频移、线宽和自旋晶格弛豫率与纯偶极 $^{19}$F/缺陷自旋相互作用一致。由 $^{19}$F 自旋晶格弛豫率得到的缺陷自旋相关时间 $\tau_c(T)$ 遵循 Korringa 关系 $\tau_cT = \text{const.}$，表明弛豫以传导为主-频带波动。

单层磷烯中的自旋轨道耦合效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Mayra Peralta, Dennis A. Freire, Rafael González-Hernández, Francisco Mireles

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06252v1

摘要： 通过考虑自旋轨道相互作用的存在，深入研究了单层磷烯的电子能带结构。我们采用多轨道 Slater-Koster 紧束缚方法来导出有效的 k.p 型哈密顿量，该哈密顿量描述了 Rashba 的主要自旋轨道耦合（SOC）效应以及磷烯中高 {\Gamma} 和 S 高对称点的内在起源。在没有 SOC 效应的情况下，pz 和 py 原子轨道的最小混合足以重现 {\Gamma} 点处众所周知的最高价和最低导带的各向异性，与密度泛函理论 (DFT) 和 k.p 方法一致。相比之下，包含 px 和 s 原子轨道对于充分描述低能量磷烯中的 SOC 效应相当重要，特别是在 S 点。我们根据相关的 Slater-Koster 积分引入了 Rashba 和内在 SOC 参数的有用分析表达式。此外，我们报告了带间偶极子强度的简单公式，揭示了其较低能带的强各向异性行为的本质。我们的研究结果可用于进一步研究单层磷烯及其纳米带的电子和自旋输运特性。

室温铁磁体 1T-CrTe2 大范德华晶体的高效软化学合成

分类： 材料科学

作者： Kai D. Röseler, Catherine Witteveen, Céline Besnard, Vladimir Pomjakushin, Harald O. Jeschke, Fabian O. von Rohr

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06239v1

摘要： 我们在此报告了一种快速、方便的软化学合成方法来合成大型 1T-CrTe2 范德华晶体。该化合物是 X 射线衍射纯的，使用稀酸在 2 小时内从助熔剂生长的 LiCrTe2 晶体中完全转化。由于可以获得高质量的单晶，我们首次通过单晶X射线衍射实验证实了晶体结构。对于酸脱嵌的1T-CrTe2晶体，我们发现了长程铁磁有序，居里温度为$T_{\rm C}$ = 318 K。我们利用低温中子粉末衍射进一步揭示了1T-CrTe2的磁性结构实验并使用密度泛函理论确定磁哈密顿量。退火后晶体的 X 射线衍射实验表明 1T-CrTe2 的热稳定性至少高达 100 {\deg}C。我们的研究结果扩展了 1T-CrTe2 晶体的合成方法，这为集成室温自旋电子学应用带来了希望。

难熔多主元合金的深度学习加速相预测

分类： 材料科学

作者： A. K. Shargh, C. D. Stiles, J. A. El-Awady

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06237v1

摘要： 难熔多主元合金 (RMPEA) 机械性能的可调性使其对众多高温应用具有吸引力。众所周知，RMPEA 的相稳定性控制着其机械性能。在这项研究中，我们开发了一个深度学习框架，该框架在 CALPHAD 衍生数据库上进行训练，该数据库可以高精度预测 Ti、Fe、Al、V、Ni、Nb 和Zr 的准确度约为 90%。我们进一步研究了深度学习模型在使用新元素集预测 RMPEA 阶段时域外性能较低的原因，并提出了一种缓解这种性能不足的策略。

一般远程平行几何和外代数的连续介质缺陷新理论

分类： 数学物理, 材料科学, 数学物理

作者： Muzaffer Adak, Tekin Dereli, Ertan Kok, Ozcan Sert

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06184v1

摘要： 我们讨论由位错和向错组成的连续体缺陷的几何公式​​。在回顾了度量仿射几何和目前用扭转和全曲率（以及消失的非度量）编写的位错和向错的几何公式​​之后，我们以一种新颖的方式在扭转和非度量方面给出了它们的新理论。度量（连同消失的全曲率），即所谓的一般远平行几何。所有计算均使用外代数进行。我们明确地获得了位错密度和向错密度的连续性方程。

低温下神经形态 NbO2 忆阻器件开关的增强

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Ted Mburu, Zachary R. Robinson, Karsten Beckmann, Uday Lamba, Alex Powell, Nathaniel Cady, M. C. Sullivan

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06180v1

摘要： 在低温下检查基于二氧化铌 (NbO$\mathrm{2}$) 的忆阻器件的电特性和性能特征。亚化学计量的 Nb$\mathrm{2}$O$\mathrm{5}$ 通过磁控溅射沉积并形成微尺度图案 (2$\times$2 - 15$\times$15 $\mu$m$^2 $) 横杆 Au/Ru/NbO$\mathrm{x}$/Pt 器件并在 3-5 V 下电铸以制造 NbO$\mathrm{2}$ 细丝。在低温下，阈值电压 ($V\mathrm{th}$) 增加超过 3 倍。保持电压 ($V_\mathrm{h}$) 明显低于快速电压扫描的阈值电压（每次测量 200 毫秒）。如果允许样品在电压测量之间冷却，则保持电压会增加，但永远不会达到阈值电压，这表明在样品中存在非易失性 Nb$\mathrm{2}$O$\mathrm{5}$灯丝。该器件的活化能为 $E_a \大约 1.4$ eV，低于报道的其他 NbO$_\mathrm{2}$ 器件。我们的工作表明，即使名义上“糟糕”的忆阻器件也可以通过降低漏电流并增加低温下的样品电阻来改进。

低温压缩对金属锶超导性和晶体结构的影响

分类： 超导, 材料科学

作者： J. Lim, S. Sinha, D. E. Jackson, R. S. Kumar, C. Park, R. J. Hemley, D. VanGennep, Y. K. Vohra, R. G. Hennig, P. J. Hirschfeld, G. R. Stewart, J. J. Hamlin

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.06128v1

摘要： 在高达 60 GPa 的压力下研究了元素锶金属的超导和结构特性，同时在压力施加过程中保持低温条件。与之前在室温下获得的报告相比，在低温下施加压力揭示了超导和结构相的差异。值得注意的是，与室温压缩后的低温冷却相比，在35-42GPa的压力范围内低温冷却后的压缩下超导临界温度增加了一倍。随后，过渡宽度在 42 GPa 以上变得明显更陡。压力下的低温 X 射线衍射测量表明，这种变化对应于 Sr-III 到 Sr-IV 的转变，没有任何亚稳态结构的证据。此外，观察到单斜 Sr-IV 结构在更高的压力下（至少高达 60 GPa）仍保持稳定，而不会出现室温下存在的不相称的 Sr-V 相。这意味着热活化能在克服室温下 Sr-V 相的动力学势垒方面发挥着重要作用。

TiSe$_2$ 实验与理论能带结构的不一致

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Turgut Yilmaz, Anil Rajapitamahuni, Elio Vescovo

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05958v1

摘要： 人们对 TiSe$_2$ 电荷密度波相的重新兴趣源于其独特驱动机制（所谓的激子绝缘体相）的实现。现有的主张是由能带结构的模型计算激发的。在本研究中，直接比较了 TiSe$_2$ 的角分辨光电子能谱和密度泛函理论。两种描述之间发现的巨大差异使人们对激子绝缘体场景产生了严重怀疑，因为激子绝缘体场景是低温下周期性晶格畸变的正确物理机制。特别是，实验数据中不存在体能带结构中价传导杂化间隙的形成。因此，现有的理论模型无法完全解释TiSe$_2$结构转变的起源。

二维手性钙钛矿中的激子扩散

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sophia Terres, Lucas Scalon, Julius Brunner, Dominik Horneber, Johannes Dureth, Shiyu Huang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ana Flavia Nogueira, Sven Hoefling, Sebastian Klembt, Yana Vaynzof, Alexey Chernikov

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05946v2

摘要： 二维（2D）有机-无机杂化钙钛矿因其独特的结构设计和化学灵活性而成为发光和光伏应用的多功能平台。它们的性能在很大程度上取决于无机卤化铅骨架和周围有机层的选择。最近，将手性阳离子引入二维钙钛矿引起了人们的极大兴趣，因为它们具有引入手性和调节手性光学响应的​​潜力。重要的是，这些材料的光学特性由紧密束缚的激子主导，激子也充当能量传输的主要载流子。因此，从基本材料特性和光电应用的角度来看，光注入激子的迁移率非常重要，但仍然是一个悬而未决的问题。在这里，我们使用瞬态光致发光显微镜演示了二维手性钙钛矿甲基苄基碘化铅 (MBA2PbI4) 中的激子传播，并揭示了室温下超过 100 纳米的密度依赖性传输，扩散系数高达 2 cm2/s。我们观察到最初快速扩散传播和随后局部化的两种不同机制。此外，与外消旋混合物相比，具有对映体纯阳离子的钙钛矿表现出更快的激子扩散，这与材料成分对无序的影响相关。总而言之，室温下有效激子扩散的观察凸显了二维手性钙钛矿将手性光学特性与强光-物质相互作用和高效能量传输相结合的潜力。

1T-VSe$_2$ 费米面在结构相变过程中的演化

分类： 材料科学

作者： Turgut Yilmaz, Xiao Tong, Jerzy T. Sadowski, Sooyeon Hwang, Kenneth Evans-Lutterodt, Kim Kisslinger, Elio Vescovo

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05930v1

摘要： 通过广泛的角分辨光电子能谱实验重新评估了 1T-VSe$_2$ 结构转变的电子起源。先前报告中缺失的能带结构的组成部分被揭示。早期的观察表明，与温度无关，因此与相变无关，可以用接近费米能级的能带结构复杂性增加来解释。仅发现费米面的整体尺寸与 110 K 时的相变呈正相关。这些观察结果与通常考虑的 1T-VSe$_2$ 的电荷密度波场景相距甚远，为正确的描述带来了新的视角二硫属化物材料中的结构转变。

二维异质结构中的表面终止和能带对准

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 计算物理

作者： Raheel Hammad, Snehith Adabala, Soumya Ghosh

发布时间： 2024-08-12

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05915v1

摘要： 异质结构在许多光电器件和光催化剂中普遍存在。异质结的关键特征之一是两种材料之间正确的能带排列。使用基于密度泛函理论 (DFT) 的电子结构计算来估计正确的相对能带位置通常受到与各种 DFT 泛函相关的精度和成本的限制。在这项研究中，我们引入了一种新颖的计算方法，该方法可以实现能带对齐，使实验结果与广泛使用的 PBE 函数紧密匹配。我们专门研究了有据可查的 MoO3/MoS2 系统，即 II 型异质结。在我们的设置中，MoS2 层保持原样，但对于 MoO3，各个层的选择不同。这些替代层具有更高的表面能，因此带边缘高于传统层。替代 MoO3 层的能带边缘的这种变化改变了 MoO3/MoS2 异质结中的能带排列，从 III 型到实验观察到的 II 型特征。我们还将这种计算策略扩展到其他系统，证明其多功能性和有效性。

机器学习用于表征熔丝制造材料的不确定弹性特性，用于拓扑优化应用

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Zahra Kazemi, Craig A. Steeves

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05850v1

摘要： 熔丝制造 (FFF) 中使用的分层方法可以创建通过拓扑优化生成的复杂设计。与逐层工艺相关的缺陷会给印刷品的局部弹性模量带来相当大的随机变化。沿连接块体材料的熔合层的弹性模量与块体区域的弹性模量不同。准确定量测量这两个区域的变化对于实现稳健的优化设计至关重要。本研究旨在量化通过数字图像相关 (DIC) 测量的印刷品表面应变场的随机分布参数。平均值和标准差这两个统计特性足以表征每个区域的随机弹性模量场。开发了一种有效的神经网络模型来估计体层和融合层内局部弹性模量的空间变化。该模型在弹性模量场中具有已知分布的合成应变场数据集上进行训练。只要标准差低于随机场平均值的 60%，它就能很好地将弹性模量与输入应变相关联。模型对测试数据的预测准确度（通过 R2 分数测量）对于融合材料的平均值和标准差分别为 0.99 和 0.95。散装材料的分数均为 0.97。训练后的模型可根据 DIC 测量的表面应变数据来预测 FFF 打印材料在打印速度为 30 mm/s 和挤出温度为 493.15 K 时的弹性模量分布。该模型预测散装材料的平均值和标准偏差为 1.2 GPa 和 1 GPa，熔融区域的平均值和标准偏差为 400 MPa 和 430 MPa。预测的验证证实了这种方法在测量印刷品局部特性的不确定性方面的可靠性。

使用三乙基镓对 b{eta}-Ga2O3 中的三维结构进行原位图案化无损伤蚀刻

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Nabasindhu Das, Fikadu Alema, William Brand, Abishek Katta, Advait Gilankar, Andrei Osinsky, Nidhin Kurian Kalarickal

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05824v1

摘要： 在这项工作中，我们报告了使用三乙基镓（TEGa）在 MOCVD 室内原位进行的 β-Ga2O3 的各向异性蚀刻特性。在足够高的衬底温度下，TEGa 可以利用 Ga 和 Ga2O3 之间的低氧化物反应充当 β-Ga2O3 的强蚀刻剂。我们观察到，由于 β-Ga2O3 的单斜晶体结构，（010）和（001）衬底上的 TEGa 蚀刻在侧壁粗糙度和横向蚀刻速率方面本质上都具有高度各向异性。光滑的侧壁只能沿着使侧壁表面能最小化的晶体取向获得。利用这项技术，我们还展示了具有光滑侧壁和高深宽比的深亚微米翅片。此外，我们还通过在蚀刻表面上制造肖特基二极管来证明 TEGa 蚀刻的无损伤性质，该二极管的净施主浓度没有变化。

月面制造和建设的全面回顾

分类： 天体物理学仪器和方法, 地球和行星天体物理学, 材料科学

作者： Mohammad Azami, Zahra Kazemi, Sare Moazen, Martine Dubé, Marie-Josée Potvin, Krzysztof Skonieczny

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05823v1

摘要： 当人类准备在月球上建立前哨站和基础设施时，现场制造零件和建筑物的能力至关重要。虽然从地球运输原材料成本高昂且耗时，但就地资源利用（ISRU）提供了一种有吸引力的替代方案。这篇综述论文旨在对月基制造和建造（LBMC）的现状和未来潜力进行深入研究，特别关注利用就地资源和增材制造的前景。本文从不同角度分析了 LBMC 的现有研究，包括不同的制造技术和成分、ISRU 在 LBMC 中的潜力、建筑部件和结构的表征、能源和效率的作用、低重力和真空条件的影响、以及使用人工智能、自动化和机器人技术的可行性。通过综合这些发现，本次综述为 LBMC 面临的挑战和机遇提供了宝贵的见解。

利用因子分解机的量子启发经典退火器将 Tamm 结构的品质因数提高到数百万

分类： 材料科学, 光学

作者： Jiang Guo, Koki Kitai, Hideyuki Jippo, Junichiro Shiomi

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05799v1

摘要： Tamm 结构具有由交替的高/低折射率层和金属反射器组成的简单光子布拉格反射器，表现出高质量 (Q) 因数特性。然而，Tamm 结构的 Q 因子本质上受到布拉格反射器对的周期约束和固定厚度的限制。消除周期性约束并采用非周期性设计可以显着提高 Q 因子。然而，为了充分发挥塔姆结构的潜力，有必要彻底探索这些非周期设计引入的广泛搜索空间。在此，我们介绍了一种新颖的方法，该方法利用受量子启发的经典退火器与分解机相结合来促进光子布拉格反射器的设计，旨在实现超高 Q 因子特性。我们的研究首先在 15 位问题设置中确定全局优化的有效性，结果表明与随机搜索策略相比，效率显着提高了近一个数量级。随后，我们将分析扩展到 20 位问题，证明了与最先进的贝叶斯优化方法相当的效率。此外，所提出的方法证明了其处理极大搜索空间的能力，以 40 位问题为例，我们成功地发现了 Tamm 结构设计，表现出超过数百万的非凡超高 Q 因子。所设计的非周期性Tamm结构表现出异常高的电场局域化和增强性，并且功率损耗集中在低损耗介电层中。因此，功耗的衰减率显着降低，光与物质的相互作用时间增加，从而产生超高的品质因数。

通过机器学习潜力准确预测非晶材料的结构和机械性能：氮化硅的案例研究

分类： 材料科学

作者： Ganesh Kumar Nayak, Prashanth Srinivasan, Juraj Todt, Rostislav Daniel, Paolo Nicolini, David Holec

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05782v1

摘要： 非晶氮化硅（a-SiN）是一种因其优异的机械和电学性能而得到广泛应用的材料。尽管人们在理解微观结构如何影响材料性能方面付出了巨大的努力，但许多方面仍然难以捉摸。一方面，如果 \textit{ab initio} 计算代表了研究此类系统的选择技术，那么它们在可模拟系统的大小方面存在严重限制。这一方面起着决定性作用，特别是在研究非晶结构时，因为结果通常很大程度上取决于系统的大小。在这里，我们通过训练机器学习（ML）原子间模型来克服这一限制 \textit{ab initio} 数据。我们证明，在更大的系统上使用 ML 模型进行分子动力学模拟可以重现弹性特性（包括弹性各向同性）的实验测量结果。我们的研究证明了机器学习在预测结构和机械性能方面的潜力具有更广泛的影响，甚至对于复杂的非晶结构也是如此。

大参数范围内固态电池P2D模型的有效性分析

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Stephan Sinzig, Christoph P. Schmidt, Wolfgang A. Wall

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05771v1

摘要： 如今，仿真模型对于在开发过程中有效评估或优化新型电池概念是必不可少的。电化学机械模型广泛用于研究循环过程中的固态电池，并允许预测设计参数（如材料属性、几何属性或操作条件）对输出量（如充电状态）的依赖性。这些基于物理的模型的一种分类可能性是它们的几何分辨率水平，包括三维解析模型和几何均匀化模型，称为多伊尔-富勒-纽曼或伪二维模型。在本研究中，在较大的设计参数值范围内确定了这两类模型的优点和缺点。因此，比较模型的输出量对一个或一组参数的敏感性。特别是，全局敏感性，即大范围参数值的敏感性，是通过使用 Sobol 指数作为度量来计算的。此外，评估两个模型的输出量差异的局部敏感性，以识别参数值包含显着偏差的区域。最后，对两个模型之间潜在的相互作用进行了评论，以获得快速可靠的结果。

太赫兹诱导的隧道电离驱动铋中的相干拉曼活性声子

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Bing Cheng, Patrick L. Kramer, Mariano Trigo, Mengkun Liu, David A. Reis, Zhi-Xun Shen, Jonathan A. Sobota, Matthias. C. Hoffmann

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05770v1

摘要： 用太赫兹脉冲驱动相干晶格运动已成为实现平衡量子材料中无法达到的奇异相动态稳定的新途径。在这项工作中，我们提出了一种先前未探索的半金属中拉曼活性声子的太赫兹激发机制。我们证明，以 1 THz 为中心的强太赫兹脉冲可以在铋薄膜中激发 2.9 THz 的拉曼活性 $A_{1g}$ 声子模式。我们排除了通过传统的非谐波耦合到其他模式或通过太赫兹和频过程激发声子的可能性。相反，我们证明太赫兹驱动的隧道电离提供了一种产生位移驱动力来启动声子振荡的合理方法。我们的工作突出了一种激发相干声子的新机制，为超快时间尺度上半金属和窄带半导体的电子和结构特性的动态控制提供了潜力。

十方准晶的成核和相变

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质, 软凝聚态物质, 化学物理

作者： Tiejun Zhou, Lei Zhang, Pingwen Zhang, An-Chang Shi, Kai Jiang

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05753v1

摘要： 在这项工作中，我们通过开发一种有效的阶阶相变算法，即零空间保持鞍形搜索方法，研究液体或周期性晶体中准晶体的成核。具体来说，我们专注于基于 Lifshitz-Petrich 模型的十方准晶 (DQC) 的成核和相变。我们展示了 DQC 从液体中的成核路径，并演示了 DQC 和周期性晶体之间的一级和两级转变路径。我们提供了组-子组相变和成核速率的视角，以了解涉及 DQC 的成核和相变机制。这些结果揭示了 DQC 相变中对称性破缺或恢复的一步式和逐步模式，其中逐步模式的可能性更大。

在高压下聚氢化铌中发现超导性

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： X. He, C. L. Zhang, Z. W. Li, K. Lu, S. J. Zhang, B. S. Min, J. Zhang, L. C. Shi, S. M. Feng, Q. Q. Liu, J. Song, X. C. Wang, Y. Peng, L. H. Wang, V. B. Prakapenka, S. Chariton, H. Z. Liu, C. Q. Jin

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05726v1

摘要： 采用金刚石砧座结合原位高压激光加热技术在高压高温条件下合成了聚氢化铌。高压电输运实验表明，在187 GPa 下，临界温度(Tc) 42 K 发生超导转变。 Tc 作为外部施加磁场的函数的变化与超导的性质一致，而零温度下的上临界场 Hc2(0) 估计为16.8 特斯拉，而 GL 相干长度估计为57 埃。使用同步辐射的结构研究意味着观察到的超导性可能来自NbH3的Fm-3m相。

扭曲三双层石墨烯中可调谐原子增强莫尔贝里曲率

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Konstantin Davydov, Ziyan Zhu, Noah Friedman, Ethan Gramowski, Yaotian Li, Jack Tavakley, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mitchell Luskin, Efthimios Kaxiras, Ke Wang

发布时间： 2024-08-11

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05708v1

摘要： 我们报告了一种扭曲的三层双层石墨烯平台，该平台由三个伯纳尔双层石墨烯（BLG）单元组成，分别以 1.49{\deg} 和 1.68{\deg} 连续扭曲。我们从两个共存的莫尔超晶格中观察到莫尔间霍夫施塔特蝴蝶，并从重建的莫尔莫尔晶格中观察到霍夫施塔特蝴蝶，并表明它们的布朗扎克（BZ）振荡定量上彼此一致，两者都证明了晶格常数为 18.1 nm 的强原子重构。我们进一步证明这种原子重构强烈增强了每个莫尔条纹和莫尔条纹带绝缘体态的贝里曲率，其特征是测量到的强非局域谷霍尔效应（VHE），该效应敏感地依赖于关于云纹间竞争强度，可以通过操纵控制谷电流大小的面外载流子分布来调节。我们的研究通过研究重构准晶莫尔纹超晶格（包括一种新型莫尔纹）的新涌现量子现象，为扭曲多层系统中原子和电子重构的微观机制提供了新的线索莫尔条纹带绝缘体态和原子增强莫尔贝里曲率。我们证明，重建的电子能带可以通过静电进行多功能调谐，为具有设计师电学和光学特性的新型量子材料平台设计能带结构及其拓扑提供了一种方法。

交流热导率作为从扩散状态到弹道状态的解决方案映射工具

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Tao Li, Bo Jiang, Zhen Chen

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05654v1

摘要： 尽管玻尔兹曼输运方程 (BTE) 几十年来一直被用来研究非扩散声子输运，但由于求解该积分微分方程的挑战，大多数热测量标准技术仍然依赖于扩散方程的解，从而导致不一致测量的非扩散效应和基于扩散方程的技术之间的比较。利用交流热导率这一固体物理中交流电导率的类似概念，我们将弛豫时间近似下的BTE转化为扩散方程的形式。该变换将周期性加热下扩散方程的任何解析解映射到 BTE 的解析解，并通过跳跃边界条件捕获非局部效应。在研究了该框架的有效性后，我们将其应用于将 3{\omega} 方法从扩散到准弹道的推广，并提出了一种实验方案来解决上述不一致问题。

通过反应离子溅射在 300 mm 硅片上沉积 CMOS 兼容超薄超导 NbN 薄膜

分类： 超导, 材料科学

作者： Zihao Yang, Xiucheng Wei, Pinku Roy, Di Zhang, Ping Lu, Samyak Dhole, Haiyan Wang, Nicholas Cucciniello, Nag Patibandla, Zhebo Chen, Hao Zeng, Quanxi Jia, Mingwei Zhu

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05621v1

摘要： 我们报告了使用大批量制造 (HVM) 工业物理气相沉积 (PVD) 系统在 300 mm Si 晶圆上实现大规模超薄 (~5 nm) 超导 NbN 薄膜的里程碑。通过结合 AlN 缓冲层，NbN 薄膜在整个 300 mm Si 晶圆上具有显着的结构均匀性和始终如一的高超导质量。高分辨率 X 射线衍射和透射电子显微镜分析揭示了具有 AlN 缓冲层的 (111) 取向 {δ} 相 NbN 的结晶度增强。值得注意的是，沉积在 AlN 缓冲 Si 衬底上的 NbN 薄膜表现出显着升高的超导临界温度（对于 10 nm NbN，高出约 2 K）和更高的上临界磁场或 Hc2（对于 50 nm NbN，Hc2 增强了 34.06 T）与没有 AlN 的相比。这些发现为量子级超导 NbN 薄膜与现有 300 mm CMOS Si 平台的量子信息应用集成提供了一条有前途的途径。

掺杂石墨烯量子点的发射光谱：高通量 TDDFT 分析

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理, 光学

作者： Mustafa Çoşkun Özdemir, Caner Ünlü, Şener Özönder

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05594v1

摘要： 我们提出了 284 个不同形状（方形、六边形和无定形）和尺寸（$\sim$1-2 nm）的不同石墨烯量子点（GQD）的荧光发射能量的时间相关密度泛函理论（TDDFT）计算。这些 GQD 掺杂有 B、N、O、S 和 P 中的一种或两种元素，掺杂剂百分比为 1.5%、3%、5% 和 7%。我们的研究系统地研究了发射能量随形状、尺寸、掺杂剂类型和掺杂剂百分比变化的趋势和模式。十二种结构被确定具有可见光谱内的发射波长。我们计算得出的发射能量可以指导特定 GQD 混合物的配制，以实现工业应用可见光范围内和之外所需的发射光谱。此外，广泛的数据集（包括本工作中生成的发射能量和分子结构）为进一步的机器学习研究创建了 DFT 数据集。

用于中温应用的新型 BaTiO3 基材料的开发和表征

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Weitian Chen, Songyang Bai, Zihan Gao, Kaiheng Ding

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05589v1

摘要： 正温度系数（PTC）材料广泛应用于自调节温度应用。尽管如此，它们的适用性通常仅限于低温范围，导致它们在中温环境中无效。这项研究提出了一种制造在大约 353{\deg}C 温度下运行的创新 PTC 材料的方法，并对其居里温度和电阻率特性进行了彻底的研究。该材料配方将 4wt% 炭黑 (CB)、0.5wt% NBT 和 5wt% DOP 纳入 BaTiO$_3$ 基基质中。实验结果表明，该材料在室温下表现出极高的 PTC 强度（5.8）和较低的电阻率（590~$\Omega\cdot$cm）。此外，该材料在居里温度附近进行三十次加热和冷却循环后，表现出优异的 PTC 强度重复性。因此，这种 PTC 材料被认为对于寒冷环境中的应用非常有效，特别是对于飞机发动机和辅助动力装置 (APU) 的预热和启动。

流动反铁磁体 ${\rm\bf SrCr_2As_2}$ 中的自旋动力学

分类： 超导, 材料科学

作者： Zhenhua Ning, Pinaki Das, Y. Lee, N. S. Sangeetha, D. L. Abernathy, D. C. Johnston, R. J. McQueeney, D. Vaknin, Liqin Ke

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05583v1

摘要： SrCr$2$As$2$ 是一种流动反铁磁体，与 SrFe2As2 高温超导体属于同一结构族。我们报告了使用基于第一原理电子结构计算的静态线性响应方法对 SrCr$2$As$2$ 的交换耦合参数 $J{ij}$ 的计算。我们发现主要的最近邻交换耦合 $J{\rm{1}} > 0$ 是反铁磁性的，而次近邻相互作用 $J{\rm{2}} < 0$ 是铁磁性的，$J{\rm {2}}$/$J_{\rm{1}}$=$-0.68$，强化棋盘面内结构。因此，与其他基于 Mn、Fe 或 Co 的过渡金属砷化物不同，我们在 SrCr$_2$As$_2$ 中没有发现竞争性磁相互作用，这与实验结果一致。此外，交换相互作用的轨道分辨率表明$J_1$和$J_2$主要是由Cr$d$轨道介导的直接交换。为了验证计算结果，我们对粉末样品进行了非弹性中子散射测量，这些样品显示出由磁 $\Gamma$ 点产生的陡色散磁激发，并持续高达至少 175 meV 的能量。然后使用海森堡哈密顿量和理论计算的交换耦合对自旋波谱进行建模。计算的中子散射谱与实验数据吻合良好。

从声子到畴壁、中心峰值和临界减速

分类： 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Ekhard K. H. Salje, Annette Bussmann-Holder

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05521v1

摘要： 我们从不同方面研究钙钛矿氧化物，即它们的赝谐波动力学特性、强非谐性存在时的动力学特性以及由畴壁产生的有趣功能。将这些观点结合在一起，可以得出该材料类别的相当复杂的图景，这是以前的方法所没有预料到的。它开辟了新应用的途径，并揭示了丰富的基态，超越了钙钛矿和此类结构的简单性的虚构信念。

磁化动力学非线性太赫兹响应中相对论场导数扭矩的实验观察

分类： 材料科学, 光学

作者： Arpita Dutta, Christian Tzschaschel, Debankit Priyadarshi, Kouki Mikuni, Takuya Satoh, Ritwik Mondal, Shovon Pal

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05510v1

摘要： 了解磁系统中完整的光自旋相互作用是在超快时间尺度上使用光学手段操纵磁化的关键。迄今为止，通过塞曼扭矩通过太赫兹（THz）电磁场选择性寻址自旋是控制磁激励的最成功的超快方法之一。在这里，我们表明，自旋上的传统塞曼扭矩是不够的，额外的相对论场导数扭矩对于实现观察到的磁化动力学至关重要。我们通过探索稀土、Bi 掺杂铁石榴石在两个共同传播的太赫兹脉冲激励下的超快非线性磁化动力学来实现这一目标。通过非热光泵浦探针技术，我们首先发现了稀土和过渡金属亚晶格之间在0.48 THz处的集体交换共振模式。我们通过相当直接和有效的太赫兹时域光谱手段进一步探索磁化动力学。我们发现，观察到的磁响应的非线性轨迹不能映射到塞曼扭矩引起的磁化进动，而由额外的场导数扭矩补充的塞曼扭矩遵循实验证据。这一突破不仅增强了我们对超相对论效应的理解，而且为开发利用光感应控制磁系统的新技术铺平了道路。

在电对称性破缺的多晶重金属器件中有效产生面外极化自旋电流

分类： 材料科学

作者： Qianbiao Liu, Xin Lin, Ariel Shaked, Zhuyang Nie, Guoqiang Yu, Lijun Zhu

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05504v1

摘要： 面内充电电流产生的垂直极化自旋（z 自旋）的自旋电流因在没有磁场的情况下垂直磁化的节能自旋轨道扭矩切换的潜力而受到广泛关注。然而，z自旋的产生主要限于磁性或晶体学上低对称性的单晶（例如非共线反铁磁体），其很难与半导体电路的集成兼容。在这里，我们报告了通过横向和垂直方向电对称性破缺的新机制，在溅射沉积的多晶重金属器件中有效产生 z 自旋。通过改变器件的长度、宽度和厚度的电不对称程度以及改变重金属的类型，可以显着调节z自旋的类阻尼和类场自旋轨道扭矩。我们还表明，z 自旋的存在能够实现均匀垂直磁化 FeCoB 层（磁性隧道结的核心结构）的确定性、近乎完全、无外部磁场的切换，在低电流密度下具有高矫顽力。这些结果建立了第一个通用、节能、集成友好的方法，通过电不对称设计产生 z 自旋电流，用于密集和低功耗自旋扭矩存储器和计算技术，并将刺激对各种多晶硅中 z 自旋电流的研究材料。

表面瑞利波和板兰姆声波除冰机理

分类： 材料科学, 流体动力学

作者： Shilpi Pandey, Jaime del Moral, Stefan Jacob, Laura Montes, Jorge Gil-Rostra, Alejandro Frechilla, Atefeh Karimzadeh, Victor J. Rico, Raul Kantar, Niklas Kandelin, Carmen Lopez Santos, Heli Koivuluoto, Luis Angurel, Andreas Winkler, Ana Borras, Agustin R. Gonzalez Elipe

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05465v1

摘要： 声波 (AW) 最近已成为一种与功能性和工业相关基材兼容的节能除冰程序。然而，基础和实验层面的关键方面尚未公开，以优化其操作条件。其中一些问题是确定不同类型的自动水波引起除冰的过程和机制。在此，使用模型 LiNbO3 系统和两种类型的叉指换能器，我们分析了分别由瑞利表面声波（R-SAW）和波长为 120 微米和 510 微米的兰姆波驱动的除冰和防冰效率和机制。通过除冰和主动防冰过程的实验分析以及AW产生、传播以及与小冰团相互作用的有限元模拟，我们发现兰姆波比R-SAW更有利于诱导除冰和/或防止液滴冻结。这项研究的应用前景得到了概念验证实验的支持，包括冰风洞中的除冰，证明兰姆波可以有效地去除覆盖大型液氮基底的冰层。结果表明，兰姆波或 R-SAW 的除冰机制可能有所不同，并且必须将波长视为控制效率的重要参数。

关于如何确定表面粗糙度功率谱

分类： 材料科学, 软凝聚态物质, 数据分析、统计和概率, 光学

作者： N. Rodriguez, L. Gontard, C. Ma, R. Xu, B. N. J. Persson

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05447v1

摘要： 分析接触力学理论通过表面粗糙度功率谱来依赖于表面粗糙度。在本研究中，我们评估了研究表面粗糙度的各种实验方法的可用性。我们的研究结果表明，通过光学方法获得的高度数据通常缺乏准确性，不应用于计算表面粗糙度功率谱。相反，工程触针仪器和原子力显微镜 (AFM) 通常会产生可靠的结果，这些结果在重叠的粗糙度长度尺度区域内保持一致。对于具有各向同性粗糙度的表面，可以使用我们在本文中探讨的多种方法从一维 (1D) 功率谱导出二维 (2D) 功率谱。

Floquet Engineering 三重费米子中的可控 Weyl 节点和费米弧

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Shengpu Huang, Fangyang Zhan, Xianyong Ding, Dong-Hui Xu, Da-Shuai Ma, Rui Wang

发布时间： 2024-08-10

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05413v1

摘要： 具有周期性驱动的Floquet工程作为设计理想拓扑状态的强大工具一直是近期研究的热点。在这里，我们提出了 Floquet 工程的应用来研究圆偏振光 (CPL) 照射下拓扑三重费米子的演化，这一现象目前仍然是个谜。通过使用第一性原理计算和 Floquet 定理，我们证明了 WC 型 TiO 及其类似物是三重费米子 Floquet 工程的有希望的候选者。对称性分析表明，CPL的电场可以打破特定的对称性，例如时间反演对称性及其空间对称性的组合，从而诱导向灵活可控的Weyl半金属相的转变。由光控制的幸存的空间对称性保证了外尔节点位于动量空间中的高对称线或高对称平面上。我们的研究结果集中在以三重费米子为特征的现实材料中的 Floquet 工程，这将促进理论和实验的兴趣。

合成近藤超晶格中莫尔介导的相

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Jyotirish Das, Onur Erten

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05324v1

摘要： 受最近涉及金属层和莫特绝缘层的范德华异质结构实验的启发，我们构建了近藤-海森堡模型的莫尔延伸，并通过一维和二维的阿布里科索夫费米子平均场理论研究了其相图。我们的分析表明，堆叠依赖的近藤相互作用可以导致各种新的阶段。特别是，我们表明磁序和重准粒子可以在莫尔晶胞的不同区域成核，从而导致宏观实空间相分离。我们观察到这些因素可以导致金属到近藤绝缘体的二维渗透转变。我们的结果强调了莫尔超晶格中可能出现的丰富物理现象，这些超晶格由本质上强相关的层组成。

验证密度泛函理论近似的精确条件

分类： 材料科学, 计算机科学中的逻辑

作者： Sameerah Helal, Zhe Tao, Cindy Rubio-González, Francois Gygi, Aditya V. Thakur

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05316v2

摘要： 密度泛函理论 (DFT) 广泛用于物质电子特性的计算，具有多种应用。近似交换相关 (XC) 泛函是 Kohn-Sham DFT 方法的关键，也是大多数 DFT 计算的基础。这种密度泛函近似 (DFA) 的选择很大程度上取决于所研究的特定系统，这导致了数百种 DFA 的开发。尽管确切的密度泛函尚不清楚，但研究人员已经发现了该精确泛函的分析特性。此外，在设计 DFA 时会使用这些精确条件。我们提出了 XCVerifier，这是第一种验证 DFA 实现是否满足 DFT 精确条件的方法。 XCVerifier 在流行的 Libxc 库中的五个 DFA 和最近工作中的七个精确条件上进行了评估。 XCVerifier 能够验证或发现大多数 DFA/条件对的违规行为，证明了使用形式化方法验证 DFA 实现的可行性。

有限拉伸弹性弦的分段线性本构关系

分类： 数学物理, 材料科学, 软凝聚态物质, 数学物理

作者： Roger Bustamante, K. R. Rajagopal, Casey Rodriguez

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05309v1

摘要： 本研究借鉴现代弹性体本构理论的进展，提出了一类简单而新颖的完全柔性弹性弦的拉伸限制本构关系。我们研究由本构关系控制的弦，其中拉伸是张力的有界分段线性函数，超出了传统的柯西弹性框架。我们的分析包括悬链线和纵向分段恒定拉伸运动的显式解。

通过成分和样品处理方案调节康托合金的自旋动力学和磁相变：μ子自旋弛豫研究

分类： 材料科学

作者： Emma Zappala, Timothy A. Elmslie, Gerald D. Morris, Mark W. Meisel, Rémi Dingreville, James J. Hamlin, Benjamin A. Frandsen

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05295v1

摘要： CrMnFeCoNi又称为康托合金，是一种著名的高熵合金，其磁性能近年来成为人们关注的焦点。我们对化学成分和样品处理方案对几种不同康托合金样品的磁相变和自旋动力学的影响进行了详细的μ子自旋弛豫研究。研究的具体样品包括原始等原子样品、Mn 含量不足和过量的样品以及在 9 T 磁场中磁化或在高达 0.5 GPa 的压力下塑性变形的等原子样品。结果证实了转变温度对组成的敏感依赖性，并证明合成后压力处理导致整个样品体积中的转变变得明显不均匀。此外，我们观察到所有样品中转变附近的临界自旋动力学，让人想起具有理想连续相变的典型自旋玻璃和磁性材料。外部磁场的应用抑制了缺锰样品的临界动力学，而等原子和富锰样品则表现出更稳健的临界动力学。顺磁相中的自旋翻转热活化能随着 Mn 含量的增加而增加，范围从 0% Mn 的 $3.1(3) \times 10^{-21}$ J 到 $1.2(2) \times 10^{-20}$ J 为 30% Mn 含量。这些结果揭示了极端化学无序环境中的关键磁行为，并证明了康托合金中自旋动力学通过化学成分和样品处理的可调性。

对轨道霍尔效应的量子校正

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Hong Liu, James H. Cullen, Daniel P. Arovas, Dimitrie Culcer

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05294v1

摘要： 轨道霍尔效应 (OHE) 通常使用基于半经典考虑的直观方法进行评估。在这里，我们提供了轨道电流的完整量子力学评估，包括位置算子的所有矩阵元素。我们恢复了之前的结果，并由于位置和速度算子的非交换性而发现了额外的量子修正。我们评估了拓扑反铁磁体 CuMnAs 的完整 OHE，结果表明量子校正主导了响应并改变了其符号。我们讨论对实验的影响。

材料特性的新旋转：功能和量子材料中的局域磁结构

分类： 材料科学

作者： Benjamin A. Frandsen, Henry E. Fischer

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05293v1

摘要： 过去几十年已经清楚地表明，新兴功能和量子材料的特性和性能在很大程度上取决于它们的局部原子和/或磁性结构，特别是当局部结构的细节偏离空间和时间上平均的长程结构时。传统的结构细化方法（例如 Rietveld）通常仅对平均结构敏感，因此需要更先进的结构探针，适合在短长度和时间尺度上提取有关结构相关性的信息。在本视角中，我们描述了局部磁性结构在几类新兴材料中的重要性，并提出磁对分布函数（mPDF）技术作为从中子总散射数据研究短程磁性的强大工具。然后，我们提供了一系列应用于最新技术和基本利益的磁性材料的 mPDF 分析示例，包括反铁磁半导体 MnTe、几何挫败磁体和氧化铁磁性纳米颗粒。自十年前正式化以来，mPDF 分析的快速发展使该技术处于有利地位，可以对新兴材料的局域磁性研究产生持续影响。

d 波交替磁体中自旋偏振的全光激发

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Marius Weber, Stephan Wust, Luca Haag, Akashdeep Akashdeep, Kai Leckron, Christin Schmitt, Rafael Ramos, Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh, Mathias Kläui, Libor Šmejkal, Jairo Sinova, Martin Aeschlimann, Gerhard Jakob, Benjamin Stadtmüller, Hans Christian Schneider

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05187v1

摘要： 最近发现的交替磁体表现出共线磁序，净磁化强度为零，但具有非常规的自旋极化 d/g/i 波段结构，扩展了铁磁体和反铁磁体的已知范例。除了新颖的电流驱动电子输运效应之外，这些系统中非常规时间反转对称性的破缺也使得获得光频域中线偏振场的自旋响应成为可能。我们通过对原型 d 波交变磁体 RuO$2$ 的从头计算，其中 $[C_2|C{4z}]$ 对称性结合了双重自旋旋转和四重晶格旋转，存在自旋的光学类似物分束器效应，因为与线偏振激励激光场的耦合使得交变磁体的 d 波特性直接可见。通过对几纳米厚度的 RuO$_2$ 薄膜进行磁光测量，我们证明了超短泵浦脉冲的极化与持续光激发电子自旋极化的符号和幅度之间的预测联系。我们的结果表明通过这种超短光脉冲激发和控制交流磁体中的电子自旋极化的可能性。此外，在补偿系统中通过线偏振光场激发电子自旋偏振的可能性是交变磁材料特性的独特结果，因此我们的实验结果表明超薄 RuO$_2 中存在交变磁相$ 电影。

使用弹性体相场和梯度增强损伤模型评估断裂能预测

分类： 材料科学, 软凝聚态物质

作者： S. Mohammad Mousavi, Ida Ang, Jason Mulderrig, Nikolaos Bouklas

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05162v1

摘要： 最近，相场方法越来越多地用于聚合物、弹性体和生物组织等软材料的脆性断裂。当考虑有限变形来解释软材料的高度变形特性时，相场方法的收敛变得具有挑战性，特别是在不稳定裂纹扩展的情况下。为了克服这些数值困难，已经引入了几种方法，其中人工粘度是使用最广泛的方法之一。本研究研究了超弹性近不可压缩材料中裂纹扩展引起的能量释放率，并对相场方法和新型梯度增强损伤 (GED) 方法进行了比较。首先，我们使用相场方法模拟不稳定的加载场景，这会导致收敛问题。为了解决这些问题，我们引入人工粘度来稳定问题，并利用域 J 积分方法分析其对能量释放率的影响，从而在裂纹扩展过程中进行定量测量。据观察，测量的裂纹扩展过程中的能量释放率不符合规定的临界能量释放率，并且表现出非单调行为。在本文的第二部分中，我们介绍了一种新颖的基于拉伸的 GED 模型，作为相场方法的替代方法，用于模拟弹性体中的裂纹演化。事实证明，在这种方法中，能量释放率可以作为模拟的输出而不是作为输入来获得，这对于探索与速率相关的响应很有用，因为可以直接对损伤施加链级标准引发。我们表明，虽然这种新颖的方法为断裂模拟提供了合理的结果，但它仍然存在一些基于应变的 GED 公式容易受到影响的数值问题。

从第一原理看色序对 SiGe 合金热导率的影响

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Alfredo Fiorentino, Paolo Pegolo, Stefano Baroni, Davide Donadio

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05155v1

摘要： 半导体合金，特别是 SiGe，作为高温热电材料已经使用了几十年。设计降低其热导率的策略可以在较低温度下显着改善其热电性能。我们采用准谐波 Green-Kubo (QHGK) 理论以及密度泛函理论计算的力常数，对具有随机和空间相关质量无序的 SiGe 合金的热导率进行了从头算研究。利用 QHGK 和流体动力学外推法实现尺寸收敛，我们详细了解了 SiGe 中的晶格热传导，并证明颜色无序抑制了声振动谱中的热传输，从而使本征热电图增强了 4 倍的功绩。

蓝光和红外激光熔炼频率对 304L 氧化物形貌的影响

分类： 材料科学

作者： Jonathan S. Paras, Randy D. Curry, James A. Ohlhausen, Michael J. Abere

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05144v1

摘要： 连续波激光束 (LB) 熔化可控制焊接、钎焊、增材制造和凝固熔池的局部加热和冷却。对激光-液态金属相互作用的研究主要集中在局部熔化条件造成的大热梯度下的热量和质量传输。然而，很少有研究针对固定吸收下改变输入激光频率和扫描速率来了解激光对表面氧化物形成的影响。本文在蓝色（450 nm）和红外（IR，1064 nm）激光频率下进行 304L 激光熔化，并检查它们对激光氧化物厚度、化学成分和着色的影响。我们发现激光频率会引起氧化层厚度和化学成分的变化，而这种变化无法使用传统的热吸收变化和流体动力学来解释。我们认为光耦合可能对液态金属的化学势具有热力学影响，这可能驱动观察到的相行为。

SPACIER：按需聚合物设计，将全自动全原子经典分子动力学集成到机器学习管道中

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Shun Nanjo, Arifin, Hayato Maeda, Yoshihiro Hayashi, Kan Hatakeyama-Sato, Ryoji Himeno, Teruaki Hayakawa, Ryo Yoshida

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05135v1

摘要： 机器学习迅速推进了新材料的设计和发现，并在各种系统中进行了有针对性的应用。第一原理计算和其他计算机实验已集成到材料设计流程中，以解决实验数据的缺乏和插值机器学习预测器的局限性。然而，聚合物材料自动化计算机实验的巨大计算成本和技术挑战限制了集成分子模拟和机器学习的开源自动化聚合物设计系统的可用性。我们开发了SPACIER，这是一个开源软件程序，它将RadonPy（一个基于全原子经典分子动力学的全自动聚合物属性计算的Python库）集成到基于贝叶斯优化的聚合物设计系统中，以克服这些挑战。作为概念验证研究，我们成功合成了超越由折射率和阿贝数之间权衡形成的帕累托边界的光学聚合物。

非互易系统的广义布里渊区

分类： 数学物理, 材料科学, 数学物理, 环和代数, 光学, 35B34, 47B28, 35P25, 35C20, 81Q12, 15A18, 15B05

作者： Habib Ammari, Silvio Barandun, Ping Liu, Alexander Uhlmann

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05073v1

摘要： 最近，人们发现具有真实准周期性的 Floquet-Bloch 变换无法捕获非互易系统的谱特性。本文的目的是通过允许准周期性变得复杂来引入广义布里渊区的概念，以纠正这一问题。事实证明，布里渊区向复平面的转变解释了本征模的单向空间衰减，并导致正确的光谱收敛特性。本文的结果阐明并严格证明了有限结构的光谱特性如何与相应的半无限或无限周期晶格的光谱特性相关联，并给出了如何将埃尔米特理论扩展到非互易设置的明确特征。根据我们的理论，我们描述了开放边界条件和周期性边界条件下的广义布里渊区。我们的结果与物理文献一致，并对 $k$-Toeplitz 矩阵情况给出了明确的概括。

钢-混凝土界面宏观空隙中腐蚀产物的析出——观察、机制和研究需求

分类： 材料科学

作者： Shishir Mundra, Emanuele Rossi, Luka Malenica, Mohit Pundir, Ueli M. Angst

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05028v1

摘要： 众所周知，钢-混凝土界面处的宏观空隙及其水性电解质的饱和度在钢筋混凝土中的钢腐蚀中发挥着重要作用。据报道，无论暴露条件和测试参数如何，腐蚀产物都会在这些宏观空隙内以独特的模式持续沉淀，优先沿着空隙壁并向内生长。控制宏观空隙中腐蚀产物沉淀的基本机制及其对长期耐久性的影响仍不清楚。通过原位 X 射线计算机断层扫描观察、热力学和动力学考虑以及宏观空隙内水传输的数值模拟，我们在这里提供了腐蚀产物沿空隙壁沉淀的过程的合理假设。了解腐蚀产物沉淀的机制可以深入了解宏观界面空隙内部和周围应力的发展以及钢筋混凝土结构的耐久性。本贡献还讨论了不同研究途径的机会，以阐明影响钢筋混凝土耐久性的几种多尺度过程。

通过多脉冲光致发光探测隐藏的光激发

分类： 光学, 材料科学, 应用物理, 化学物理, 仪器仪表和探测器

作者： Alexandr Marunchenko, Jitendra Kumar, Dmitry Tatarinov, Anatoly Pushkarev, Yana Vaynzof, Ivan Scheblykin

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.05009v1

摘要： 时间分辨光致发光是一种用于跟踪发光材料中光激发载流子动力学的有效方法。该技术探测短激光脉冲周期性激发时的光致发光衰减。在这里，我们证明这种方法不能直接检测隐藏的光激发，其动力学比光致发光衰减慢得多。我们展示了一种基于多脉冲激励方案的新方法，该方法能够对这些隐藏物种进行明确的检测和易于解释的跟踪。多脉冲激励由一个单脉冲（读）、随后的许多紧密分离的脉冲（写）和最后另一个单脉冲（读）组成。为了说明读-写-读激发方案的功效，我们将其应用于金属卤化物钙钛矿，以直接可视化载流子捕获、提取捕获电荷的浓度并确定陷阱减少的速率常数。所开发的方法允许使用多功能、高度适用的全光学方法来研究能源设备中的性能限制过程。

根据第一原理研究 SrTiO$_3$ 纳米结构中位错诱导的挠曲电

分类： 材料科学

作者： Kunihiko Yamauchi, Thi Phuong Thao Nguyen, Tamio Oguchi

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04985v1

摘要： 挠曲电是指电极化和应变梯度之间的线性耦合，例如弯曲或不对称压缩。这种效应在纳米级结构中得到增强，其中晶界或位错核引起应变梯度。在这项研究中，我们从理论上研究了薄膜中错配位错引起的挠曲电极化。在周期性 SrTiO$_3$ 超晶胞中建模纳米级位错结构，然后使用神经网络势和第一原理方法优化该结构。我们指出，位错核心附近形成了金字塔形 TiO$_5$ 配位，这反过来又导致了相当大的挠曲电极化。

钙钛矿 La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_{3} 薄膜中的巨界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用

分类： 材料科学

作者： L. Yang, X. Zhang, H. Wang, N. Lei, J. Wang, Y. Sun, L. Liu, Z. Zhao, Y. Yang, D. Wei, D. Pan, J. Zhao, J. Shen, W. g Zhao, H. Lu, W. Wang, H. Yu

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04959v1

摘要： Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 在稳定拓扑自旋纹理方面发挥着关键作用，这是基于氧化物的自旋电子学日益受到关注的关键领域。虽然在锰酸盐中发现的大多数已报道的拓扑现象都与块状 DMI 有关，但对界面 DMI 及其在氧化物界面中的起源的理解仍然有限。在这里，我们通过在室温下采用具有漂移速度的自旋波传播，实验研究了在各种基底上生长的 La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_{3} (LSMO) 薄膜的界面 DMI。我们的研究结果揭示了 LSMO/NdGaO_{3}(110) 体系中巨大的界面 DMI 系数 (\mathit{D} _{s}) 为 1.96 pJ/m，比之前报道的氧化物值高出一到两个数量级。第一原理计算进一步表明，在 6\mathit{s} 电子的帮助下，来自 Nd 的 4\mathit{f} 电子在增强 3\mathit{d} 电子的自旋轨道耦合方面发挥了关键作用。 Mn，最终导致观察到的巨大界面 DMI。通过设计氧化物界面发现的巨型界面 DMI 为推进功能手性磁子学和自旋电子学提供了宝贵的见解。

通过增材制造开发高温热电偶：钨镍 (W-Ni) 和钼 (Mo) 与陶瓷结构集成

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Azizul Islam, Vamsi Borra, Pedro Cortes

发布时间： 2024-08-09

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04800v1

摘要： 增材制造在陶瓷基部件的开发方面具有更大的潜力。陶瓷具有高耐热性、高断裂韧性，并且具有极强的耐腐蚀性。因此，陶瓷广泛应用于航空航天、汽车、微电子、生物医学等领域。使用各种增材制造平台，可以开发具有复杂且设计独特的几何形状的陶瓷，以适应特定的应用。该项目旨在通过将导电金属浆料嵌入陶瓷结构中来创新高温热电偶。所使用的糊剂包括钨、钼和锑。金属浆料被精确地挤出到陶瓷基体内的 T 形沟槽中。在特定的温度范围内，陶瓷基体被烧结以改善材料的性能。生产的传感器可以在极高的温度下工作，因此适用于高温环境。 3D 烧结传感器与传统温度传感器的对比测试表明，两类传感器之间具有高度相关性。所得 R 平方值为 0.9885，令人满意，这意味着 3D 烧结传感器在温度传感应用中的可靠性和准确性令人满意。

使用 G4CMP 仿真工具包对新型材料中的无热声子进行建模

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学, 高能物理-实验, 量子物理学

作者： Israel Hernandez, Ryan Linehan, Rakshya Khatiwada, Kester Anyang, Daniel Baxter, Grace Bratrud, Enectali Figueroa-Feliciano, Lauren Hsu, Mike Kelsey, Dylan Temples

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04732v1

摘要： 了解超导器件中的声子和电荷传播对于执行低阈值暗物质搜索和限制超导量子位中的相关误差都起着重要作用。 Geant4 凝聚态物理 (G4CMP) 软件包最初是为低温暗物质搜索 (CDMS) 实验开发的，对硅和锗探测器内的电荷和声子传输进行建模，并通过声子焦散、平均载流子漂移速度的实验测量进行了验证和热脉冲传播时间。在这项工作中，我们提出了一个简洁的框架，用于将声子传输的能力扩展到暗物质和量子计算界感兴趣的许多其他新型基底材料，包括蓝宝石 (Al${2}$O${3 }$)、砷化镓 (GaAs)、氟化锂 (LiF)、钨酸钙 (CaWO${4}$) 和氟化钙 (CaF${2}$)。我们演示了该框架在生成这些材料的声子传输特性中的用途，并将这些特性与实验确定的可用值进行比较。

二维大规模狄拉克费米子的拉曼张量

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Selçuk Parlak, Ion Garate

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04731v1

摘要： 拉曼光谱是二维 (2D) 材料的重要表征工具。尽管其中一些材料是拓扑材料，但电子能带拓扑的拉曼特征在很大程度上仍未得到探索。在二维质量狄拉克费米子的理论研究中，我们报告了对狄拉克质量符号敏感的拉曼张量元素之间的选择规则和特殊相位差。我们讨论了我们的结果对陈绝缘体和过渡金属二硫族化物磁化单层的适用性。

在阿原子自旋上印记基态手性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Yun-Peng Huang, Panagiotis Kotetes

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04578v1

摘要： 我们提出了一种用于检测掺杂陈绝缘体和手性超导体的替代实验方案。我们的方法依赖于将目标手性系统与吸附原子自旋耦合。由于基底手性，预计吸附原子自旋会以非零自旋手性的非共面结构排列。在这里，我们获得了手性底物的具体结果，该手性底物在任意自旋旋转下不变，并且与三个携带经典矩的吸附原子耦合。通过探索所有可接近的磁性基态，我们确定了在吸附原子复合体上诱导非零自旋手性的状态。我们将我们的方法应用于谷极化双层石墨烯和 $d+id$ 超导体，并找到了性质不同的基态图。我们的分析表明，吸附原子自旋手性完全编码了基底手性的特性。

了解胶体二维多层 MAPbBr3 钙钛矿纳米片中的光电过程：漏斗、复合和自陷激子

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 化学物理

作者： André Niebur, Eugen Klein, Rostyslav Lesyuk, Christian Klinke, Jannika Lauth

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04571v1

摘要： 准二维 (2D) 胶体合成使钙钛矿中的量子限制变得容易，为钙钛矿 LED 研究和激光产生了额外的动力。超薄钙钛矿层表现出高激子结合能和对太阳能电池有益的电荷传输特性。在二维钙钛矿中，不同厚度的层的组合有助于以有针对性的方式将电荷载流子引导至带隙较小的较厚层。然而，缺乏关于激子和电荷载流子在这些结构中聚集和重组的机制的详细知识。在这里，我们通过飞秒瞬态吸收光谱和时间分辨光致发光表征了胶体二维甲基铵溴化铅 (MAPbBr3) Ruddlesden-Popper 钙钛矿，其具有广泛的层组合（n = 3 至 10，以及 n > 10 的块体分数）。 ，它提供了对漏斗和重组过程的复杂性的全面见解。我们发现光激发后，二阶和三阶过程在 MAPbBr3 纳米片中占主导地位，这表明激子-激子湮灭 (EEA) 和俄歇复合。薄层中的长寿命激子（例如，n = 5，Eb = 136 meV）漏斗到t = 10-50 ps的高n中，这将其激子结合能降低到kB T = 26 meV（T = 300K）以下并导致到辐射复合。并行和连续漏斗与激子捕获过程竞争，使得漏斗成为在存在高质量 n-n 界面时克服激子自捕获的绝佳工具。另一方面，高 n 区域中的自由电荷载流子促进辐射复合，并且绕过 EEA，这对于 LED 和激光应用来说是理想的。

地心条件下 Fe-H 合金的电阻率、导热率和粘度

分类： 材料科学

作者： Cong Liu, Ronald Cohen

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04521v1

摘要： 铁氢合金的输运特性（电阻率、导热率和粘度）对于行星磁场的稳定和演化具有重要意义。在这里，我们研究了掺杂不同氢含量的铁的热传输特性，作为地球外核顶部和底部及其以外的压力 (P) 和温度 (T) 的函数，对应于约 130 至 300 GPa 的压力和温度4000 至 7000 K。利用第一原理密度泛函理论分子动力学模拟 (FPMD)，我们验证了晶体 FeH$_x$ 是超离子的，且 H 自由扩散。通过线性响应 Green-Kubo 公式，我们发现地球外核条件下液态 Fe-H 合金的低频粘度为 10-11 mPa$\cdot$s。使用密度泛函理论 (DFT) 和动态平均场理论 (DMFT) 中的 KKR 方法，我们发现外核条件下铁液的电阻率随着温度的升高而饱和。我们发现 H 对电和热传输的影响很小，因此不需要核心的确切 H 含量。 H 的主要影响是对状态方程的影响，降低常数 P 和 T 下的密度。我们发现洛伦兹数小于理想值，并得出当 X(H)= 0.20 或 0.45 wt% H 时，热在接近核幔和内外核边界的条件下，电导率 $\kappa$ 分别为 $\sim$105 和 $\sim$190 $Wm^{-1}K^{-1}$。

磁性 Kagome FeGe 中的受挫电荷密度波和准长程键取向顺序

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： D. Subires, A. Kar, A. Korshunov, C. A. Fuller, Y. Jiang, H. Hu, Dumitru Călugăru, C. McMonagle, C. Yi, S. Roychowdhury, C. Shekhar, J. Strempfer, A. Jana, I. Vobornik, J. Dai, M. Tallarida, D. Chernyshov, A. Bosak, C. Felser, B. Andrei Bernevig, S. Blanco-Canosa

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04452v1

摘要： 戈薇晶格内在的受挫性质适合于实现物质的奇异相，例如量子自旋液体或自旋冰，以及最近的多重$\mathrm{\textbf{q}}$电荷密度波（CDW ）在戈薇金属中。尽管人们努力了解驱动电子调制的机制，但其起源仍然未知，并受到竞争性相互作用和相互交织的秩序的阻碍。在这里，我们在反铁磁 kagome 金属 FeGe 中识别出二聚驱动的二维六方电荷扩散前驱体，并证明二聚/非二聚态的分数是多个 $\mathrm{\textbf{q}}$ 的相关有序参数连续相变的 CDW。 T$_{\mathrm{CDW}}$$<$T$<$T$^*$( 125 K）是各向异性的，因此保持准长程键取向有序。破缺的平移对称性从各向异性扩散前体中出现，类似于反铁磁三角晶格的伊辛场景。临界散射的温度和动量依赖性与液晶中报告的堆叠六方 $\mathrm{B}$ 相和 CDW 的瞬态相似，并强调了 FeGe 中 CDW 的拓扑缺陷介导熔化的关键作用。

扩散金属中手性相关的自旋极化：线性和二次响应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Yusuke Kato, Yuta Suzuki, Takuro Sato, Hiroshi M. Yamamoto, Yoshihiko Togawa, Hiroaki Kusunose, Jun-ichiro Kishine

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04450v1

摘要： 我们使用玻尔兹曼形式研究具有边界的各向同性手性金属中由电场引起的自旋极化。我们计算了线性响应中的整体自旋极化和电场二次响应中边界附近的反平行自旋极化。我们还计算出由波动电场（即噪声）引起的自旋极化。基于这些结果，我们解决了无偏置输入的手性诱导自旋选择性（CISS）、室温下的 CISS 以及手性材料和磁性基质之间的对映选择性相互作用。

准 kagome Kondo Weyl 半金属候选 Ce$_3$TiSb$_5$ 中的非常规霍尔效应

分类： 强关联电子, 材料科学, 超导

作者： Xiaobo He, Ying Li, Yongheng Ge, Hai Zeng, Shi-Jie Song, Shuo Zou, Zhuo Wang, Yuke Li, Wenxin Ding, Jianhui Dai, Guang-Han Cao, Xiao-Xiao Zhang, Gang Xu, Yongkang Luo

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04438v1

摘要： 人们普遍认为，电子相关性、几何挫折和拓扑学，\textit{单独}，可以促进各种有趣特性的出现，这些特性吸引了广泛的基础研究和潜在应用。在这里，我们报告了对准 kagome Kondo Weyl 半金属候选 Ce$_3$TiSb$_5$ 的系统研究。观察到一系列非常规霍尔效应。在顺磁相中，动态$c$-$f$杂化的特征通过反常霍尔效应的减少来揭示，并且与挫败促进的不相干近藤散射有关。在低温下发现了超过 0.2 $\mu\Omega$ cm 的大拓扑霍尔效应，这应归因于受抑准 kagome 晶格的非线性磁结构。此外，还观察到具有切换手性的特殊环形霍尔效应，这被推断与磁畴壁有关，磁畴壁固定历史相关的自旋手性和/或从间隙内韦尔节点投射的费米弧表面态。这些奇异的结果将 Ce$_3$TiSb$_5$ 置于高度受挫反铁磁致密 Kondo 晶格的体系中，在“扩展”全局相图上具有非平凡的拓扑结构，并突出了电子关联、几何挫败和拓扑之间的相互作用。

曲率引起的奇偶校验损失和磁振子的杂化：探索扁平和管状磁壳的连接

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Felipe Brevis, Pedro Landeros, Jürgen Lindner, Attila Kákay, Lukas Körber

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04416v1

摘要： 本文深入研究了平面磁化动力学和曲线磁化动力学之间的联系。为此，我们对矩形波导的磁振子谱在将其横截面卷成整管时的演变进行了数值研究。使用有限元动态矩阵方法计算各种磁化状态下的磁振子谱，这使我们能够追踪磁振子频率和几个临界磁场随曲率增加的演变。通过分析高阶磁振子模式的宇称性，我们发现曲率诱导模式异对称性源自对交换相互作用的手性贡献，并且与闭环中磁振子的贝里相相关。重要的是，这种曲率引起的奇偶校验损失对于不同传播磁振子之间的线性耦合具有深远的影响，从而允许初始正交模式之间的杂交。在这种情况下，我们证明了边缘模式在形成全管磁振子谱中的整体作用。我们的研究结果为曲线磁化动力学提供了新的理论见解，并且与现场实验的解释和设计相关。

通过类芬顿反应轻松发现生物相容性单壁碳纳米管中的亮氧缺陷

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Simon Settele, Florian Stammer, Sebastian Lindenthal, Simon R. Wald, Finn L. Sebastian, Han Li, Benjamin S. Flavel, Jana Zaumseil

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04410v1

摘要： 具有发光氧缺陷的单壁碳纳米管（SWNT）的共价功能化增加了它们的亮度，并使它们能够作为光学生物传感器或荧光探针用于第二生物窗口（NIR-II）中的体内成像。然而，由于反应条件窗口的限制或需要控制紫外光照射，目前的功能化方法获得高亮度的发光缺陷具有挑战性。在这里，我们报告了一种通过类芬顿反应引入发光氧缺陷的方法，该反应使用良性且廉价的化学物质，无需光照射。 (6,5) 使用此方法功能化的水分散体中的单壁碳纳米管显示出明亮的 $E_{11}$* 发射 (1105 nm)，峰值强度比原始 $E_{11}$ 发射高 3.2 倍，并且具有可重现的光致发光量子产率3%。功能化可以在广泛的反应参数范围内进行，甚至可以使用高浓度（100 mg/L）未分选的纳米管原材料，从而获得大量明亮发光的单壁碳纳米管。我们进一步发现引入的氧缺陷在光照射下会重新排列，这为氧缺陷的结构和动力学提供了更多的见解。最后，具有氧缺陷的超短SWNT的功能化还可以实现高光致发光量子产率，并且在与生物相容性聚乙二醇化磷脂或单链DNA进行表面活性剂交换后保留其优异的发射特性，使其适用于体内NIR-II成像和多巴胺感应。

用于骨组织工程的毛细管悬浮液中具有互连孔的分层材料

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Souhaila Nider, Femke De Ceulaer, Berfu Göksel, Annabel Braem, Erin Koos

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04337v1

摘要： 由于人口老龄化，对骨移植物的需求不断增加，这为制造多孔陶瓷以协助骨重建提供了新的机会。在我们的研究中，我们研究了一种新的、有前途的方法，以一种简单且可调节的方式制造分层多孔结构。它包括毛细管悬浮液新技术与冷冻铸造相结合，通过混合固体颗粒和两种不混溶的液体（其中一种小于 5 vol%）形成。我们已经成功地获得了最小孔径为 <2 $\mu$m 和最大孔径为 20-50 $\mu$m 的氧化铝和 $\beta$-TCP 材料。微观结构呈现出完全开放的孔隙和高水平的孔隙率（> 60%）。毛细管悬浮液的流变行为表明，二氧化硅纳米悬浮液作为辅助流体为氧化铝系统创建了比蔗糖更强的内部颗粒网络。相反，在 $\beta$-TCP 系统中观察到相反的情况。这些差异归因于二次流体和固体负载之间的亲和力的变化。在我们的研究中，这两个系统都有助于加深对毛细管悬浮液新领域的了解，并证明它们在骨组织工程的分层多孔支架中的用途。

铁电 NbOI$_{2}$ 中的巨大电光和弹光效应

分类： 材料科学

作者： Zhenlong Zhang, Xuehan Di, Charles Paillard, Laurent Bellaiche, Zhijun Jiang

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04225v1

摘要： 进行第一原理计算以研究三维（体）和二维（单层）铁电 NbOI${2}$ 的电光（EO）和弹光效应。在无应力条件下，两个系统都具有非常大的线性电光系数和弹光系数。我们进一步发现，块体和单层 NbOI${2}$ 的电光响应可以通过外延应变进一步增强，因为应变驱动的铁电到顺电转变源于某些极性光学模式的软化。因此，我们的研究结果表明，NbOI$_{2}$ 以及其他氧化铌二卤化物非常有希望为潜在高效的非线性光学器件应用铺平道路。

晕苯环丁二烯类石墨烯纳米带的奇异热电特性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： C. Yao, Chen Kong, H. F. Feng, Y. Dong, L. Huang, X. Zhang, Z. X. Song, Zhi-Xin Guo

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04184v1

摘要： 热电材料传统上会掺入重金属以实现低晶格热导率。然而，Te、Bi 和 Pb 等元素价格昂贵，并且对环境造成危害。在这项研究中，我们介绍了一种新颖的热电材料设计策略，重点关注室温、轻元素和高ZT材料，例如晕苯环丁二烯类石墨烯纳米带（cor4GNRs）。该材料的 ZT 值超过 2.1，这归因于其独特的边缘结构导致其极低的声子热导率。重要的是，其电导率和塞贝克系数保持相对较高，并且几乎不受边缘结构的影响。声子和电子输运特性的这种独特行为导致了非常高的 ZT 值。此外，我们发现施加应变可以显着降低声子热导率，有可能将 ZT 值提高到 3.0 以上。我们的研究结果为先进热电材料的设计和应用提供了创新见解。

100-200 GPa 范围内冲击压缩液态硅中的离子结构、液-液相变、X 射线衍射和 X 射线汤姆逊散射

分类： 材料科学, 等离子体物理

作者： M. W. C. Dharma-wardana, Dennis D. Klug, Hannah Poole, G. Gregori

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04173v1

摘要： 最近的尖端实验提供了冲击压缩硅的原位结构表征以及压力 ($P$)、密度 ($\bar{\rho}$) 和温度 ($T$) 的测量压力范围为 100 GPa，最高可达 $\sim$10,000K。我们在这个 $P,T,\bar{\rho}$ 体系中提出第一性原理计算，以揭示大量新颖的液-液相变（LPT），使得这些实验的解释非常具有挑战性。当受到压缩和加热时，流体的短程离子结构在许多远距离原子的集体调整下得以保留，令人惊讶的是电导率和热导率 $\sigma$ 和 $\kappa$ 几乎没有变化。我们从理论上匹配了实验的 X 射线汤普森散射和 X 射线衍射数据，并提供了压力等温线、电离数据和压缩率，支持上述液态硅作为高度复杂的 LPT 驱动的“玻璃状”金属液体的情况。这些新颖的结果与材料研究、行星内部研究、高能密度物理学和激光聚变研究相关。

贝里曲率对 $R-WSe_{2}/MoSe_{2} $ 异双层内 $ 1s-2p_{\pm} $ 层间激子超快跃迁的贡献

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Houssem Eddine Hannachi, Mark-Oliver Goerbig, Sihem Jaziri

发布时间： 2024-08-08

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04136v1

摘要： 我们计算了 $R$ 堆叠结构中过渡金属二硫属化物 WeSe$2$/MoSe$2$ 异双层中层间中性激子的光谱。最重要的是，我们表明，与单层过渡金属二硫属化物中的中性激子和三重子类似，光谱对贝里曲率敏感，因此对电子和空穴波函数背后的量子几何效应敏感。由于不同层中构成激子的电子和空穴之间的空间分离，贝里曲率引起的 $2p+$ 和 $2p-$ 激子态之间的分裂比单层激子小。此外，我们研究了激子光谱对介电环境和两层之间扭转角的依赖性。最后，长寿命的莫尔纹层间激子基态 ($1s$) 增强了使用圆偏振中红外探头从 $1s$ 基态创建明亮的 $2p_{\pm}$ 态的可能性。因此，我们确定了 $1s-2p_{\pm}$ 跃迁的极化率，然后是光学斯塔克效应的两级修饰模型。

来自万尼尔局域优化调谐屏蔽范围分离混合泛函的卤化物双钙钛矿的电子结构和光学性质

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Francisca Sagredo, Stephen E. Gant, Guy Ohad, Jonah B. Haber, Marina R. Filip, Leeor Kronik, Jeffrey B. Neaton

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04115v1

摘要： 卤化物双钙钛矿是一类化学性质多样化且不断发展的化合物半导体，在光电应用方面具有广阔的前景。然而，用密度泛函理论（DFT）和{\it ab initio}多体微扰理论预测它们的基本间隙和光学性质一直是一个重大挑战。最近，一种非经验的 Wannier 定域优化调谐屏蔽范围分离混合 (WOT-SRSH) 泛函已被证明可以准确地产生各种半导体和绝缘体（包括卤化铅钙钛矿）的基本带隙。在这里，我们将 WOT-SRSH 泛函应用于五种卤化物双钙钛矿，并将结果与​​其他已知泛函和之前的 $GW$ 计算获得的结果进行比较。我们还使用该方法作为 $GW$ 计算的起点，并使用瞬态 DFT 和$GW$-Bethe-Salpeter 方程方法。我们证明，WOT-SRSH 泛函可产生准确的基本带隙和光学带隙以及光学吸收光谱，与光谱测量一致，从而将 WOT-SRSH 确立为准确预测卤化物双钙钛矿光电性质的可行方法。

对称驱动外延合成的亚稳态五边形二维材料

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Lina Liu, Yujin Ji, Marco Bianchi, Saban M. Hus, Zheshen Li, Richard Balog, Jill A. Miwa, Philip Hofmann, An-ping Li, Dmitry Y. Zemlyanov, Youyong Li, Yong P. Chen

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04095v1

摘要： 迄今为止，大多数实验研究的二维 (2D) 材料都以六边形作为其构建块。只有少数例外，例如 PdSe2，五边形相的能量较低，并且表现出五边形作为构建块。虽然理论预测了大量五边形二维材料，但其中许多是亚稳态的，实验实现很困难。在这里，我们报告了通过对称驱动外延成功合成亚稳态五边形二维材料——单层五边形 PdTe2。扫描隧道显微镜和互补光谱测量用于表征单层五角形 PdTe2，它表现出良好有序的低对称性原子排列，并通过与下面的 Pd(100) 基底的晶格匹配来稳定。理论计算以及角分辨光电子能谱表明，单层五方 PdTe2 是一种间接带隙为 1.05 eV 的半导体。我们的工作为合成基于五边形的二维材料开辟了一条途径，并提供了探索其应用（例如多功能纳米电子学）的机会。

基于机器学习的奖励驱动的扫描探针显微镜调谐：迈向全自动显微镜

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 人工智能, 机器学习

作者： Yu Liu, Roger Proksch, Jason Bemis, Utkarsh Pratiush, Astita Dubey, Mahshid Ahmadi, Reece Emery, Philip D. Rack, Yu-Chen Liu, Jan-Chi Yang, Sergei V. Kalinin

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04055v1

摘要： 自扫描探针显微镜 (SPM) 诞生以来，轻敲或间歇接触模式一直是最广泛使用的成像模式之一。手动优化敲击模式不仅需要花费大量仪器和操作员时间，而且对于新类型的样品或经验不足的用户来说，常常会导致探头和样品频繁损坏、图像质量差以及重现性问题。尽管广泛使用，但轻敲模式成像的优化是一个极其困难的问题，不适合经典控制方法或机器学习。在这里，我们引入了奖励驱动的工作流程，以在点击模式下自动优化 SPM。奖励函数是基于多个通道定义的，具有良好扫描编码的物理和经验知识，代表与样本无关的图像质量度量，并模仿人类操作员采用的决策逻辑。这种自动化的工作流程为不同的探针和样品提供最佳的扫描参数，并在有吸引力的模式下始终提供高质量的 SPM 图像。这项研究拓宽了 SPM 的应用和可及性，并为全自动 SPM 打开了大门。

室温手性铁电体的应变驱动稳定性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Guodong Ren, Gwan Yeong Jung, Huandong Chen, Chong Wang, Boyang Zhao, Rama K. Vasudevan, Jordan A. Hachtel, Andrew R. Lupini, Miaofang Chi, Di Xiao, Jayakanth Ravichandran, Rohan Mishra

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04051v1

摘要： 非共线铁质材料作为探索拓扑和对称性之间密切联系的试验台而受到追捧，这导致了共线铁质材料中未观察到的电子、光学和磁功能。例如，铁轴材料具有有序的旋转结构畸变，打破镜面对称并引发手性。当铁轴序与反演对称性破缺产生的铁电性耦合时，它提供了铁轴畸变的电场控制的前景，并开辟了新的可调谐功能。然而，手性铁电体，尤其是在室温下稳定的手性铁电体，很少见。我们报告了在 BaTiS$_3$（一种准一维（1D）六方硫族化物）单晶中发现了应变稳定的室温手性铁电相。使用第一性原理计算，我们预测在 BaTiS$_3$ 的室温 $P6_3cm$ 相的基底 ab 平面上施加超过 1.5% 的双轴拉伸应变时，具有 $P6_3$ 空间群的多铁相的稳定性。手性铁电相的特征是选择 TiS$_6$ 八面体围绕长 $c$ 轴的旋转扭曲和 Ti 原子沿 $c$ 轴的极位移。我们使用聚焦离子束铣削的创新方法来制作适当应变的 BaTiS$_3$ 样品。使用原子分辨率扫描透射电子显微镜直接解析$P6_3$-BaTiS$_3$中的铁轴和铁电畸变及其域。基于朗道的现象学模型预测了铁电和铁轴序之间的强耦合，使得 $P6_3$-BaTiS$_3$ 成为实现手性相关现象（例如圆形光电流和 Rashba）电场控制的有吸引力的测试平台影响。

Sim2Real 迁移学习在扩展计算材料数据库以进行现实世界预测时的缩放定律

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Shunya Minami, Yoshihiro Hayashi, Stephen Wu, Kenji Fukumizu, Hiroki Sugisawa, Masashi Ishii, Isao Kuwajima, Kazuya Shiratori, Ryo Yoshida

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04042v1

摘要： 为了解决实验材料数据有限的挑战，人们正在基于高通量计算实验（例如分子动力学模拟）开发广泛的物理性质数据库。先前的研究表明，与从头开始学习相比，将在计算数据库上预训练的预测器微调到真实系统可以产生具有出色泛化能力的模型。这项研究展示了材料科学中多个机器学习任务的模拟到真实 (Sim2Real) 迁移学习的缩放定律。对聚合物和无机材料的三个预测任务的案例研究表明，随着计算数据量的增加，实际系统的预测误差按照幂律减小。观察缩放行为可以为数据库开发提供各种见解，例如确定实现所需性能所需的样本大小、确定物理和计算实验的等效样本大小以及指导下游实际任务的数据生产协议的设计。

将光电流涡旋从拓扑偏振纹理转移

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学, 量子物理学

作者： Aneesh Agarwal, Wojciech J. Jankowski, Daniel Bennett, Robert-Jan Slager

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04017v1

摘要： 随着最近对范德华（vdW）铁电体的兴趣，人们预测在扭曲的双层中会形成拓扑上非平凡的极性结构。由于 vdW 铁电性的非常规性质，这些拓扑极性结构已被证明难以通过实验观察。在这里，我们建议可以通过显示拓扑偏振纹理导致奇异的非线性光学响应来对这些纹理进行光学探测。我们使用非阿贝尔贝里连接和量子几何框架，在紧束缚和第一性原理计算的支持下，分析推导了这种关系。对于不具有中心对称性的莫尔材料，形成极子和反子网络，移位光电导在真实空间中形成涡旋状结构。对于在布里渊区边缘发生跃迁的一系列频率，移位光电流与面内电子极化场反平行。我们的研究结果强调了 vdW 材料中复杂偏振纹理和非线性光学响应之间的相互作用，并为拓扑偏振结构的实验检测提供了一种广受欢迎的策略。

交流磁体中超导配对的限制

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Debmalya Chakraborty, Annica M. Black-Schaffer

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03999v1

摘要： 最近发现的交变磁材料中的超导性在基础物理和技术应用方面都具有广阔的前景。在这项工作中，我们证明了交流磁体中特有的自旋亚晶格锁定对可能的超导配对产生了严格的限制。特别是，我们发现最常见的超导形式，即均匀 $s$ 波自旋单线配对在交流磁体中不可能实现。考虑到方形晶格上 $d_{x^2-y^2}$-波交变磁体的有效模型，我们发现最可能的自旋单重态配对形式为 $d_{x^2-y^2 }$- 或扩展的$s$-波对称性。我们还发现，最简单形式的等自旋三重态 $p$ 波配对是不允许的，但它只能以混合自旋三重态 $p$ 波状态存在。我们在相互作用引起的交变磁力模型中验证了配对的这些限制，并在其中建立了它们对有限动量配对的有效性。此外，我们还讨论了奇数频率超导配对可能的配对对称性。由于我们的结果具有普遍性，它们适用于交流磁体-超导体混合结中的本征超导性和邻近感应超导性。

低对称性受阻的隐藏弹性柔软度 $A$Ti$_2$O$_5$ ($A$ = Co, Fe)

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Tadataka Watanabe, Kazuya Takayanagi, Ray Nishimura, Yoshiaki Hara, Dharmalingam Prabhakaran, Roger D. Johnson, Stephen J. Blundell

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03783v1

摘要： 斜方铁板钛矿 CoTi$_2$O$_5$ 和 FeTi$_2$O$_5$ 具有低对称性晶体结构，由磁性 Co$^{2+}$/Fe$^{2+}$ 离子和非磁性 Ti$ 组成^{4+}$ 离子，其中轨道非简并 Co$^{2+}$/Fe$^{2+}$ 离子形成沿正交 $a$ 轴运行的一维链。这些化合物在 $T_N \sim$ 26 K（CoTi$_2$O$_5$）和 $T_N \sim$ 40 K（FeTi$_2$O$_5$）发生反铁磁相变。我们对 CoTi$_2$O$_5$ 和 FeTi$_2$O$_5$ 的单晶进行超声速度测量。这些化合物的测量表明，剪切弹性模量的对称性降低弹性模式在 $T_N$ 以上的顺磁相中表现出异常的弹性柔软度。这种弹性柔软度表明在 $T_N$ 上方存在自旋晶格耦合涨落，这应该是 $T_N$ 处对称性降低的晶格畸变的前兆。此外，还发现 CoTi$_2$O$_5$ 中异常弹性柔软度的幅度大于 FeTi$_2$O$_5$，这表明 CoTi$_2$ 中的自旋晶格耦合更强O$_5$ 比 FeTi$_2$O$_5$。目前的研究表明，CoTi$_2$O$_5$ 和 FeTi$_2$O$_5$ 是具有低晶体对称性的独特自旋 Jahn-Teller 系统，其中，尽管交换相互作用的本质是准一维的，三维自旋晶格耦合通过进一步降低晶体对称性来释放挫败感。

ZrX2N4(X = Si, Ge) 单层热电性能的系统研究

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Chayan Das, Dibyajyoti Saikia, Satyajit Sahu

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03971v1

摘要： 在过去的十年中，已经证明单层金属二硫属化物非常适合热电应用。当考虑二维 (2D) 层状材料的良好品质因数时，ZrX2N4 (X = Si, Ge) 是热电应用的合理选择。在这项研究中，我们结合密度泛函理论 (DFT) 和玻尔兹曼输运方程 (BTE) 研究了二维单层 ZrX2N4（其中 X 可以是 Si 或 Ge）的热电特性。 p 型 ZrGe2N4 在 900 K 的温度下实现了 0.90 的热电品质因数 (ZT)，而 n 型 ZrGe2N4 在相同温度下的热电品质因数 (ZT) 为 0.83。此外，ZrGe2N4 材料在室温下的 p 型热电品质因数 (ZT) 约为 0.7。相反，ZrSi2N4 在环境温度下表现出相对较低的热电品质因数（ZT）。在较高温度下，ZT 值大幅增加，在 900 K 时，p 型和 n 型材料的 ZT 值分别达到 0.89 和 0.82。通过对电子能带结构的分析，我们确定 ZrSi2N4 和 ZrGe2N4 表现出间接根据 Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) 近似，带隙 (BG) 分别为 2.74 eV 和 2.66 eV。

机器学习引导下半导体异质结构的自主、自驱动多步生长

分类： 材料科学, 机器学习, 系统与控制, 系统与控制

作者： Chao Shen, Wenkang Zhan, Hongyu Sun, Kaiyao Xin, Bo Xu, Zhanguo Wang, Chao Zhao

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03508v2

摘要： 半导体行业优先考虑通过闭环自主实验实现重复性任务的自动化，从而加速优化复杂的多步骤流程。机器学习 (ML) 的出现迎来了人工干预最少的自动化流程。在这项工作中，我们开发了 SemiEpi，这是一个自动驱动自动化平台，能够通过多步骤、连续原位监控和动态反馈控制执行分子束外延 (MBE) 生长。通过集成标准硬件、自制软件、曲线拟合和多个机器学习模型，SemiEpi 可自主运行，无需 MBE 流程方面的丰富专业知识即可实现最佳结果。该平台积极学习以前的实验结果，找出有利的条件并提出新的实验，以达到预期的结果。我们对 InAs/GaAs 量子点 (QD) 异质结构的生长进行标准化和优化，以展示 ML 引导的多步生长的强大功能。实施温度校准以获得初始生长条件，并使用机器学习对过程进行精细控制。利用生长过程中获得的 RHEED 薄膜，SemiEpi 成功确定并优化了多步异质结构生长的新途径。这项工作展示了闭环机器学习引导系统解决任何设备多步增长挑战的能力。我们的方法对于使用商业可扩展工具实现可重复的材料生长至关重要。我们的策略促进了独立于硬件的工艺的开发，并增强了工艺的可重复性和稳定性，即使没有对生长参数的详尽了解。

使用基于 Wannier 的相干势近似从头计算纵向电导率

分类： 材料科学

作者： Shota Namerikawa, Takashi Koretsune

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03869v1

摘要： 我们提出了一种无序合金的纵向电导率计算方法，适用于基于第一原理 Wannier 相干势近似 (Wannier-CPA) 的各种密度泛函理论 (DFT) 代码。为了评估电导率，我们采用两种互补的方法； Kubo-Greenwood 公式和电流-电流相关函数的数值解析延拓。我们将开发的方法应用于 Ag-Pd 合金，发现 Wannier-CPA 获得的结果合理地重现了基于 Korringa-Kohn-Rostoker Green 函数方法 (KKR-CPA) 的成熟 CPA 实现的先前研究。

由于赝势和交换相关泛函的不相容，DFT 计算的固体机械和结构特性存在不确定性

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Marcin Maździarz

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03835v1

摘要： 对给定交换相关 (XC) 函数构造的赝势的需求远远超过供应，因此需要使用常见的赝势。目前可用的 XC 泛函数量即使不是数千，也有数百个，并且大多数赝势是为 LDA 和 PBE 生成的。本研究的目的是确定通过 DFT 计算的晶体机械和结构性能（晶格常数、内聚能、弹性常数和体积模量）测定中存在的误差。此外，该研究旨在以一致的方式估计流行的 XC 泛函（LDA、PBE、PBEsol 和 SCAN）在这些计算中的性能。

磁热化合物 MnFe$_4$Si$_3$ 的顺磁涨落

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： N. Biniskos, K. Schmalzl, J. Persson, S. Raymond

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03808v1

摘要： 采用非弹性中子散射技术研究磁热化合物 MnFe$4$Si$3$ 单晶样品中的顺磁自旋动力学。在研究的温度范围内，1.033$\times T{C}$ 到 1.5$\times T{C}$（其中 $T_C$ 是居里温度），铁磁海森堡模型预测很好地描述了自旋涨落。除了海森堡交换之外，额外的伪偶极相互作用通过有限的长波长弛豫率表现出来，该弛豫率在转变温度（$T_C = 305$,K）下消失。根据波矢量和能量空间中自旋涨落的特征扩展，我们确定 MnFe$_4$Si$_3$ 中的磁性位于室温以上。这与最著名的锰和铁基磁热材料形成鲜明对比，这些材料被认为是流动磁体。

通过自动微分简化基于 FFT 的力学方法

分类： 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Mohit Pundir, David S. Kammer

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03804v1

摘要： 快速傅里叶变换（FFT）方法已广泛应用于固体力学中来解决复杂的均质化问题。然而，当前基于 FFT 的方法面临着限制其适用于复杂材料模型或复杂机械问题的挑战。这些挑战包括手动实现本构定律，以及使用计算成本昂贵且复杂的算法将微观机制与宏观材料行为耦合起来。在这里，我们将自动微分 (AD) 纳入 FFT 框架中以缓解这些挑战。我们证明，AD 增强型基于 FFT 的方法可以直接从能量密度泛函导出应力和切向刚度，从而有助于将基于 FFT 的方法扩展到更复杂的材料模型。此外，AD 还简化了具有复杂结构和本构特性的微结构的均匀切向刚度的计算。这一增强使当前基于 FFT 的方法更加模块化，使它们能够解决复杂多尺度系统中的均质化问题，尤其是涉及多物理场过程的系统。我们的工作将简化复杂固体力学问题的基于 FFT 的方法的数值实现。

了解 PbSe 的输运行为：实验和计算相结合的研究

分类： 材料科学

作者： Isha Sihmar, Abhishek Pandey, Neeru Chaudhary, Sudhir K. Pandey, Navdeep Goyal

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03786v1

摘要： 铅硫属化物是一种有前景的窄带隙热电（TE）材料。目前的工作研究了 PbSe 在 300-500 K 温度范围内的 TE 行为。使用 Abinit 和 BoltzTrap 代码研究了样品的输运特性。在 300 K 和 500 K 时实验观察到的 \textit{S} 值分别为 $\sim$ 198 和 266 $\mu$V K$^{-1}$。发现 \emph{S} 从 300 到 460（460 到 500）K 的增加率为 $\sim$ 0.4 (0.09)。与温度相关的电导率 \textit{($\sigma$)} 显示出增加的趋势，其值为 $\sim $ 0.35 $\times $ 10$^{3}$ 和 $\sim$ 0.58 $\times$ 10 $^{3}$ $\Omega$$^{-1}$ m$^{-1}$ 分别为 300 K 和 500 K。此外，在 300 (500) K 时的导热系数 \textit{($\kappa$)} 值为 0.74 (1.07) W m$^{-1}$ K$^{-1}$。发现 \textit{$\kappa$} 的值增加到 460 K，然后开始减少。色散图表明，考虑自旋轨道耦合（无 SOC），PbSe 是一种直接带隙半导体，带隙值为 0.16 (0.27) eV。部分态密度 (PDOS) 图显示 Pb 6p 和 Se 4p 态对输运特性有主要贡献。 \textit{S} 的观测值和计算值与 SOC 情况非常匹配。计算得到的热导率\textit{$\sigma$}和电子部分(\textit{$\kappa{_e}$})与实验数据吻合良好。在 500 K 时观察到的最大功率因数 (PF) 值为 $\sim$ 4.3 $\times$ 10$^{-5}$ W/mK$^{2}$。这项工作有助于理解PbSe 通过实验测量和 DFT 方法的新颖而富有洞察力的联盟。

声学声子泵浦极地拓扑的动态操纵

分类： 材料科学

作者： Louis Bastogne, Fernando Gómez-Ortiz, Sriram Anand, Philippe Ghosez

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03775v1

摘要： 自从最近发现极地拓扑以来，一个反复出现的问题就是如何远程调整它们。许多努力都集中在通过光学方法泵浦极性光学声子，但成效有限，因为迄今为止仅实现了特定相位之间的切换。此外，人们对光脉冲特性与所得相位之间的相关性仍然知之甚少。在这里，我们提出了一种替代方法，并使用声学声子泵浦来演示极性拓扑的确定性和动态定制。我们的第二原理模拟表明，通过泵浦特定的纵向和横向声声子，可以在 BaTiO$\mathrm{3}$ 或 PbTiO$\mathrm{3}$ 等材料中诱导出各种拓扑纹理。该方法利用这些材料中的极化和应变之间的强耦合，从而实现极化模式的可预测和动态控制。我们的研究结果为操纵极地纹理开辟了另一种可能性，开创了一个有前途的研究方向。

SmCrGe 中巨大的单轴磁晶各向异性$_3$

分类： 材料科学

作者： Mingyu Xu, Yongbin Lee, Xianglin Ke, Min-Chul Kang, Matt Boswell, Sergey. L. Bud'ko, Lin Zhou, Liqin Ke, Mingda Li, Paul. C. Canfield, Weiwei Xie

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03770v1

摘要： 磁各向异性是增强自旋电子器件性能的关键特性。通过高温溶液法合成SmCrGe$_3$单晶，确定了单轴磁晶各向异性。使用扫描透射电子显微镜 (STEM)、粉末和单晶 X 射线衍射技术实现了相位验证。电传输和比热测量表明居里温度 ($T_C$) 约为 160 K，而磁化强度测量用于确定各向异性场和常数。居里-韦斯拟合应用于磁化数据表明顺磁相中 Sm 和 Cr 的贡献。此外，密度泛函理论 (DFT) 计算探索了 SmCrGe$_3$ 的电子结构和磁性，揭示了 16 meV/f.u. 的显着易轴单离子 Sm 磁晶各向异性。根据磁化强度测量，易轴磁晶20 K 时的各向异性为 13 meV/f.u.。

用于气相硅金属辅助化学蚀刻的无剥离催化剂

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Hanna Ohlin, Bryan Benz, Lucia Romano, Ulrich Vogt

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03702v1

摘要： 硅的金属辅助化学蚀刻是制造高深宽比纳米结构的一种有前途的方法。为了定义催化剂的图案，通常使用剥离工艺。然而，由于产量低，剥离步骤通常是工艺瓶颈，尤其是对于较小的结构。为了绕过剥离过程，可以使用其他方法，例如电镀。在本文中，我们建议采用用于气相金属辅助化学蚀刻的电镀双层催化剂作为常用剥离工艺的替代方案。样品在蒸汽中成功蚀刻，所得结构的特征尺寸小至 10 nm。

非常规热光子电荷密度波

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Cheng-Long Zhou, Zahra Torbatian, Shui-Hua Yang, Yong Zhang, Hong-Liang Yi, Mauro Antezza, Dino Novko, Cheng-Wei Qiu

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03698v1

摘要： 对称性破缺的电荷序态，例如电荷密度波（CDW），能够引发特殊的物理性质，然而，对底层物理的精确理解仍然难以捉摸。在这里，我们结合涨落电动力学和密度泛函理论，揭示了带有 CDW 的 TiSe$_2$ 中的非常规热光子效应，称为热光子-CDW ($tp$-CDW)。等离子体激元和 CDW 电子激发的相互作用导致热光子传输中的异常负温度依赖性，为电子顺序的转换提供了直观的指纹。此外，$tp$-CDW转变所展示的重要特征有望实现热流的可控操纵，这可以广泛应用于热科学和电子动力学等各个领域以及下一代能源设备。

半赫斯勒相 ScNiSb 的电输运和热电性能

分类： 材料科学

作者： K. M. Ciesielski, D. Kaczorowski

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03639v1

摘要： 半霍斯勒相是研究最广泛的热电材料之一。对基于稀土 (R) 金属 RNiSb 的子组进行双极热导率分析，表明其高迁移率有利于电子。该建议得到了实验验证，并导致$n$型掺杂系列ScNiSb$_{1-x}$Te$_x$的热电性能显着提高。最近，提出了 ScNiSb 输运特性的另一种解释，其中多参数拟合导致迁移率有利于空穴。在这项工作中，我们讨论了结构无序情况下 ScNiSb 的电性能和热电性能的细节。本文还考虑了有关 ScNiSb 有效质量建模的能带简并和散射机制的相关假设。最后，解决了其他人提出的模型的技术困难。我们相信，所提供的见解将有助于理解半赫斯勒化合物的电传输，这有助于进一步提高其热电性能。

通过氮合金化稳定纳米晶 CoCrNi 浓缩合金的机械强度

分类： 材料科学

作者： Igor Moravcik, Markus Alfreider, Stefan Wurster, Lukas Schretter, Antonin Zadera, Vítezslav Pernica, Libor Čamek, Jürgen Eckert, Anton Hohenwarter

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03606v1

摘要： CoCrNi 中熵合金 (MEA) 和 NCoCrNi（含 0.5at% N）经过高压扭转 (HPT) 和随后在 150-1000 {\deg}C 温度范围内的退火处理后的机械性能和微观结构调查了。 N 的引入导致 HPT 后晶粒尺寸减小 40%，硬度和弯曲强度增加约 10-15%。即使在由饱和纳米晶态引起的超过 1500 MPa 的强度水平下，这两种材料在 HPT 后仍表现出应变硬化和塑性。与 HPT 变形状态相比，在 300-500°C 中间温度进行退火导致硬度和强度额外增加约 20-40%。这种效果在氮合金 CoCrNi 中更为明显约 10%，并且还表现出更好的热稳定性。然而，两种材料在 500°C 退火后强度的增加都伴随着延展性的急剧损失。

通过 Co$_3$Sn$_2$S$_2$ 中的磁化重新定向生成 Weyl 点和节点线

分类： 材料科学

作者： F. Schilberth, M. -C. Jiang, F. Le Mardelé, L. B. Papp, I. Mohelsky, M. A. Kassem, Y. Tabata, T. Waki, H. Nakamura, G. -Y. Guo, M. Orlita, R. Arita, I. Kézsmárki, S. Bordács

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03575v1

摘要： 拓扑磁体表现出令人着迷的特性，例如拓扑保护的表面态或反常输运现象。虽然这些特性可以通过操纵磁性状态来显着改变，但此类预测的实验验证仍然具有挑战性。在这里，我们展示了通过磁光光谱对共线铁磁体 Co$_3$Sn$_2$S$_2$ 的 Weyl 半金属态的有效磁场控制。当磁化强度通过磁场旋转到戈薇平面时，我们解决了节点环路共振的红移。我们的材料特定理论捕获了观察到的场诱导光谱重建，显示了针对一个面内磁化方向创建了 26 个 Weyl 点，并预测了正交面内磁化方向的无间隙节点环路的出现。这些发现表明，虽然拓扑能带结构通常被认为是稳健的，但用外部场打破潜在的晶体对称性提供了一种有效的方法来操纵它们，即使在共线磁体中也是如此。这种方法为控制具有更复杂磁性结构的材料的能带拓扑开辟了令人兴奋的途径，甚至可以研究实空间和动量空间拓扑状态的相互作用，例如在斯格明子晶格系统中。

看看你给我做了什么胶水：SEMGluTM 支持低温原子探针断层扫描研究的替代低温样品制备工艺

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Neil Mulcahy, James O Douglas, Michele Conroy

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03566v1

摘要： 在过去的几年里，人们付出了大量的努力来开发低温下原子探针断层扫描样品的样品制备工作流程。这主要是由于在没有气体注入系统 (GIS) 协助的情况下在低温下制备特定地点的提取样品存在困难，因为在低温条件下使用它会导致沉积不均匀且难以控制。基于先前开发的利用再沉积技术的无 GIS 工作流程的努力，这项工作提供了一种使用 SEMGluTM 的替代方法，SEMGluTM 是一种电子束固化粘合剂，在低温下仍然可用，既可以取出低温冷冻的样品，也可以将这些样品安装到用于后续再沉积焊接的硅微阵列柱。该方法适用于完整的低温工作流程，但对于非完全低温工作流程特别有用，例如光束敏感样品、易于研磨的样品以及具有挑战性几何形状的样品。我们演示了使用此工作流程制备的激光脉冲和电压模式下硅样品的原子探针分析，其分析性能与预锐化的微尖试样相当。还展示了直接受益于这种方法的基于应用的示例，即相关液体细胞透射电子显微镜和低温原子探针断层扫描样品制备。

机器学习支持的退火用于预测大规范晶体结构

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Yannick Couzinie, Yuya Seki, Yusuke Nishiya, Hirofumi Nishi, Taichi Kosugi, Shu Tanaka, Yu-ichiro Matsushita

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03556v1

摘要： 本研究研究了量子退火分解机 (FMQA) 在解决材料科学中的晶体结构问题 (CSP) 中的应用。 FMQA 是一种黑盒优化算法，它将机器学习与退火机相结合，以找到黑盒函数的样本，从而最大限度地减少给定的损失。 CSP 涉及根据材料的化学成分确定材料中原子的最佳排列，这是材料科学中的一个关键挑战。我们通过将损失函数设置为由预定义的原子间势给定的晶体构型的能量来探索 FMQA 有效采样最佳晶体构型的能力。我们进一步研究了算法对各种亚稳态配置的能量或势能的局部最小值的学习效果。我们的研究揭示了 FMQA 在快速基态采样和恢复局部最小值之间的关系顺序方面的潜力。

缺氮$hg-C_{3}N_{4}$量子点的析氢反应活性增强

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Khushboo Dange, Vaishali Roondhe, Alok Shukla

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03549v1

摘要： 本研究利用第一原理密度泛函理论研究了 $hg-C_{3}N_{4}$ 量子点的催化性能，旨在增强电化学水分解。所考虑的量子点的尺寸位于实验报告的范围内 (2nm - 4nm) [Zhou et al. ACS 纳米 9, 12480 (2015)]。在所考虑的 $hg-C_{3}N_{4}$ 结构中创建氮空位以模拟实际情况，因为合成的 $hg-C_{3}N_{4 中报告了氮和碳缺陷的存在}$ 量子点。首先，计算结构和振动特性以确保缺氮$hg-C_{3}N_{4}$量子点的稳定性，随后研究其电子和析氢反应（HER）特性。计算的 HER 参数，即吸附能、吉布斯自由能和过电势表明，所考虑的带有氮空位的 $hg-C_{3}N_{4}$ 量子点可以用作 HER 性能的适度有效的电催化剂。我们还考虑将量子点溶解在水和乙醇中，发现乙醇溶解的量子点的过电势急剧降低至 16 mV，而水溶液也有一些显着降低。因此，这项研究表明，溶解在乙醇中的缺氮 $hg-C_{3}N_{4}$ 量子点是通过电化学水分解实现可持续氢气生产的催化的绝佳候选者。

重新审视 Pt5V 簇的全局最小结构

分类： 材料科学, 80A50, 82D80

作者： P. L. Rodríguez-Kessler

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03537v1

摘要： 在这项工作中，使用连续增长算法 (SCG) 结合密度泛函理论 (DFT) 计算研究了 Pt5V 团簇最稳定的结构。由此产生的结构通过各种泛函进行评估，包括 GGA (PBE)、meta-GGA (TPSS) 和混合（B3PW91、PBE0、PBEh-3c、M06-L）以及 Def2TZVP 基础集。基于这些泛函的结果表明，两种不同的结构争夺全局最小值。讨论了两种最稳定结构的结构和电子特性。

碳纳米卷中的大正磁导

分类： 介观和纳米物理, 无序系统和神经网络, 材料科学, 量子物理学

作者： Yu-Jie Zhong, Xuan-Fu Huang, Ting-Zhen Chen, Jia-Ren Zhang, Jia-Cheng Li, Angus Huang, Hsiu-Chuan Hsu, Carmine Ortix, Ching-Hao Chang

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03518v1

摘要： 我们从理论上证明，碳纳米卷——具有开放端点的螺旋包裹的石墨烯层——可以通过大的正磁导来表征。我们发现，当碳纳米卷受到约 10T 的轴向磁场时，纳米卷在低载流子密度下的弹道电导增加了约 200%。重要的是，我们发现这种正磁导不仅得以保留，而且在现场混乱的情况下甚至可以增强。我们证明了正磁导是由于磁场感应的零能量模式的出现而产生的，这是卷起几何形状特有的。我们的结果将弯曲石墨烯系统建立为显示出相当大的磁阻现象的新材料平台。

机器学习引导下 InAs/GaAs 量子点异质结构的无监督、自驱动多步生长

分类： 材料科学, 机器学习, 系统与控制, 系统与控制

作者： Chao Shen, Wenkang Zhan, Hongyu Sun, Kaiyao Xin, Bo Xu, Zhanguo Wang, Chao Zhao

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03508v1

摘要： 半导体行业优先考虑通过闭环自主实验实现重复性任务的自动化，从而加速优化复杂的多步骤流程。机器学习 (ML) 的出现迎来了人工干预最少的自动化流程。在这项工作中，我们开发了 SemiEpi，这是一个自动驱动自动化平台，能够通过多步骤、连续原位监控和动态反馈控制执行分子束外延 (MBE) 生长。通过集成标准硬件、自制软件、曲线拟合和多个机器学习模型，SemiEpi 可自主运行，无需 MBE 流程方面的丰富专业知识即可实现最佳结果。该平台积极学习以前的实验结果，找出有利的条件并提出新的实验，以达到预期的结果。我们对 InAs/GaAs 量子点 (QD) 异质结构的生长进行标准化和优化，以展示 ML 引导的多步生长的强大功能。实施温度校准以获得初始生长条件，并使用机器学习对过程进行精细控制。利用生长过程中获得的 RHEED 薄膜，SemiEpi 成功确定并优化了多步异质结构生长的新途径。这项工作展示了闭环机器学习引导系统解决任何设备多步增长挑战的能力。我们的方法对于使用商业可扩展工具实现可重复的材料生长至关重要。我们的策略促进了独立于硬件的工艺的开发，并增强了工艺的可重复性和稳定性，即使没有对生长参数的详尽了解。

通过表面电势的磁控制实现手性金纳米晶体中的对映体选择性磁阻

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Fengxia Wu, Ying Wang, Yufei Zhao, Yu Tian, Zuoti Xie, Wenxin Niu, Binghai Yan, Cunlan Guo

发布时间： 2024-08-07

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03501v1

摘要： 手性纳米材料为新型电子和化学应用提供了有趣的可能性。在这里，我们报告了手性金纳米晶体中对映体选择性磁阻效应的发现。基于使用氨基酸定向合成对纳米晶体手性形态的精确控制，我们证明外部磁场可以以对映体特异性的方式显着调节电阻。对于给定的对映异构体，一个方向的磁场会使电阻改变一个数量级以上，而相反的磁场方向则使其保持不变。对于相反的对映体，这种不对称反应相反。我们将这种现象归因于一种新颖的手性驱动电荷捕获机制，其中手性纳米晶体形态和磁场之间的相互作用选择性地改变了表面电势。磁阻的大小和符号可以通过纳米晶体的表面化学进一步调节，如硫化物处理所证明的那样。我们的研究结果揭示了一种新形式的手性相关磁阻，与之前已知的效应（例如手性诱导的自旋选择性和电磁手性各向异性）不同。使用磁场远程控制手性纳米结构表面电势的能力可以在催化、药物输送和纳米电子学方面实现新的方法。

以工作流为中心的方法来生成材料机械性能的公平数据对象

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Ronak Shoghi, Alexander Hartmaier

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03965v1

摘要： 从数据角度来看，材料力学领域的特点是可用数据稀疏，这主要是由于强度、断裂韧性和疲劳极限等性能的微观结构敏感性很强。因此，即使化学成分保持不变，也需要对具有不同热机械过程历史的样本进行单独测试。关于材料机械行为的实验数据通常很少，因为机械测试通常是一种破坏性方法，需要大量材料和精力来进行样品制备和测试。此外，机械行为通常在单轴载荷条件下的简化测试中进行表征，而机械材料行为的完整表征则需要多轴测试条件。为了解决这种数据稀疏性的问题，不同的模拟方法，例如微机械建模甚至原子模拟，可以有助于微观结构敏感的数据收集。这些方法涵盖了在多轴载荷条件下具有不同微观结构的多种材料。在目前的工作中，我们描述了一种新颖的数据模式，它集成了元数据和机械数据本身，遵循生成数据的材料建模过程的工作流程。由于结合了各种元素（例如与所得机械属性相关的用户、系统和作业特定信息），该工作流程的每次运行都会产生独特的数据对象。因此，这种集成数据格式提供了一种可持续的方式来生成可查找、可访问、可互操作和可重用（FAIR）的数据对象。元数据元素的选择集中于表征特定微观结构数据对象所需的必要特征，从而简化了搜索算法收集特定用途数据集的方式。

SmMn$_2$Ge$_2$ 中太赫兹尝试频率的激活自旋共振

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： M. L. McLanahan, A. P. Ramirez

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03471v1

摘要： 弛豫技术通常用于表征非平衡现象，例如自旋玻璃中的冻结和铁磁体中的磁畴壁运动。在这里，我们使用 0.1 Hz - 1 kHz 频率范围内的交流磁化率研究 SmMn$_2$Ge$_2$ 中不寻常的重入铁磁态。令人惊讶的是，我们发现了类似德拜的弛豫，能量势垒 $E_B \approx 840$ $k_B$ 并尝试了太赫兹范围内的频率。我们讨论了这种共振的起源，特别是 Sm 自旋单自旋共振的含义。

使用机器学习和早期循环电化学阻抗谱测量对锂电池进行性能分类和剩余使用寿命预测

分类： 材料科学, 信号处理

作者： Christian Parsons, Adil Amin, Prasenjit Guptasarma

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03469v1

摘要： 我们提出了一种将锂离子电池早期循环分类为高性能和低性能类别的方法，并使用线性套索技术预测其剩余使用寿命 (RUL)。传统方法通常依赖于广泛的循环和大量电化学阻抗谱 (EIS) 频率的测量来评估电池性能，这可能会耗费时间和资源。在本研究中，我们提出了一种利用特定 EIS 频率在电池运行的前几个周期内实现准确分类和 RUL 预测的方法。值得注意的是，仅考虑到 20 kHz 阻抗响应，我们的支持向量机 (SVM) 模型就能以 100% 的准确度对电池进行分类。此外，我们的研究结果表明，电池性能分类在高频 ($<20$ kHz) 到低频 (32 mHz) 范围内与频率无关。我们的模型还结合温度数据，基于单个高频率 (20 kHz) 和单个中频率 (8.8 Hz) 的异相阻抗响应，展示了准确的 RUL 预测，$R^2>0.96$。这项研究强调了中频阻抗响应作为决定电池性能的几个关键特征之一的重要性，从而拓宽了对影响电池行为因素的理解。

斯格明子晶体中的低位磁振子频率梳

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Xuejuan Liu, Zhejunyu Jin, Zhengyi Li, Zhaozhuo Zeng, Minghao Li, Yuping Yao, Yunshan Cao, Yinghui Zhang, Peng Yan

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03277v1

摘要： 稳定、低功耗、可调谐磁振子频率梳（MFC）对于基于磁振子的精密测量、量子信息处理和芯片集成至关重要。创建 MFC 的原始方法利用传播的自旋波与孤立磁性纹理（例如斯格明子）的局部振荡之间的非线性相互作用。它需要远高于铁磁共振（FMR）的驱动频率，并且MFC的频谱频率在仅需数十个梳齿后即可快速接近传统微波技术的检测极限。此外，由于其高度局部性，单个斯格明子的检测和操纵在实验中具有挑战性。这些问题阻碍了MFC的应用。在这项工作中，我们报告了斯格明子晶体 (SkX) 中梳频率低于 FMR 的低位 MFC。我们证明 MFC 起源于 SkX 中集体斯格明子回转和呼吸之间的三波混合。我们的研究结果显着提高了单频微波输入的非线性频率转换效率，并在 SkX 和 MFC 之间建立了协同关系，为基于 MFC 的相干信息处理和超灵敏计量铺平了道路。

超薄应力消除 Si$_{1-x}$Ge$_x$ 层可在 Si 上实现 III-V 外延

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Trevor R. Smith, Spencer McDermott, Vatsalkumar Patel, Ross Anthony, Manu Hedge, Andrew P. Knights, Ryan B. Lewis

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03253v1

摘要： 人工智能的爆炸式增长、摩尔定律的可能终结、量子计算的曙光以及数据通信流量的持续指数增长，都给多样化硅平台上激光集成的需求带来了新的紧迫性。虽然 III-V 族平台上的二极管激光器长期以来一直为互联网数据通信和其他光电技术提供动力，但与硅的直接集成仍然存在问题。范式转变的解决方案需要探索新的非常规材料和集成方法。在这项工作中，我们表明，通过氧化固相外延工艺制造的亚10纳米超薄Si$_{1-x}$Ge$x$缓冲层可以促进极其有效的应变弛豫。 Si${1-x}$Ge$x$ 层是通过将 Ge 离子注入 Si(111) 并选择性氧化所得离子损伤层中的 Si 原子，在其间沉淀出完全应变松弛的富 Ge 层而形成的。 Si衬底和表面氧化物。高氧化温度导致有效的应变弛豫，在衬底界面处产生周期性位错网络，与 Si${1-x}$Ge$x$ 层中 Ge 含量的调制一致，并表明存在缺陷介导的硅通过层的扩散。在超薄 Si${1-x}$Ge$_x$ 层上展示了高质量 GaAs 的外延生长，展示了将 III-V 激光器直接集成到 Si 平台上的有前景的新途径。

使用扩散蒙特卡罗优化 MnBi$_2$Te$_4$ 应变相关磁性能的密度泛函理论

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Swarnava Ghosh, Jeonghwan Ann, Seoung-Hun Kang, Dameul Jeong, Markus Eisenbach, Young-Kyun Kwon, Fernando A. Reboredo, Jaron T. Krogel, Mina Yoon

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03248v1

摘要： 在这项研究中，我们评估了密度泛函理论 (DFT) 对 MnBi(_2)Te(_4) (MBT) 磁性的预测能力，MnBi(_2)Te(_4) (MBT) 是一种本质磁性拓扑绝缘体，在自旋电子学和量子计算中具有潜在应用。我们对 MBT 的理论理解受到了实验结果和 \textit{ab initio} 计算之间差异的挑战，特别是在其电子和磁性方面。我们的结果表明，MBT 的磁相图根据 DFT 框架中的 Hubbard $U$ 参数而显着变化，这凸显了基准计算的重要性。为了应对这些挑战，我们建立了一种源自扩散蒙特卡罗（DMC）计算的优化哈伯德$U$方法，该方法直接求解基于随机过程的多体薛丁格方程，并在DFT 框架。一旦确定了优化的 $U$ 值作为应变的函数，我们就可以在 DFT 框架内应用它来实现 DMC 级的精度，这种方法有助于准确描述 MBT 的磁状态和理解基本的控制机制。其磁性及其对外部因素的依赖性。

仔细的冷轧有限元模拟，具有准确的全厚度分辨率和残余应力预测

分类： 材料科学, 经典物理学, 74S05 (Primary), 74C99, 74-10, 74H15

作者： Francis Flanagan, Alison O'Connor, Mozhdeh Erfanian, Omer Music, Edward James Brambley, Doireann O'Kiely

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03242v1

摘要： 在本文中，我们精心开发了一个有限元（FE）模型，可以准确预测稳态冷轧过程中的应力和应变分布的全厚度。这些全厚度预测揭示了一种振荡模式，该模式被证明对轧制板材中的残余应力具有重要影响。我们相信，这是第一次通过与非有限元结果进行比较来准确验证全厚度有限元结果，在本例中是与最近的冷轧全厚度变化分析模型进行比较。虽然我们在这里使用 ABAQUS 商用有限元软件，但我们的观察结果与冷轧的所有有限元模拟相关。仔细考虑厚度方向上单元数量的收敛、收敛到稳定状态以及避免其他数值伪影（例如剪切锁定和沙漏）。我们发现，以前的冷轧有限元模型通常无法很好地解决整个厚度问题。例如使用 10 个厚度方向的单元，而这里我们需要 60 个单元才能收敛。先前研究中用于验证模型的轧制力和轧制扭矩的收敛性被证明是全厚度收敛性的不良指标。我们还表明，全厚度振荡模式可能对预测不对称轧制期间的曲率产生重要影响。

高熵金属玻璃剪切模量与体积弛豫之间的关系：实验和物理起源

分类： 无序系统和神经网络, 材料科学

作者： R. S. Khmyrov, A. S. Makarov, J. C. Qiao, N. P. Kobelev, V. A. Khonik

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03207v1

摘要： 我们对高熵 Ti${20}$Zr${20}$Hf${20}$Be 的高频剪切模量 $G$ 和相对体积 $\Delta V/V$ 进行了并行测量${20}$Cu${20}$和Ti${20}$Zr${20}$Hf${20}$Be${20}$Ni${20}$玻璃从室温加热至完全结晶。挑出由于低于和高于玻璃化转变温度时的结构松弛而导致的这些性能的变化。结果表明，初始样品和预退火样品的这些变化都可以在间隙理论的框架内得到很好的描述。研究发现，两个样品状态在实验全温度范围内的整个弛豫过程可以用一个无量纲温度无关参数$K_i=dln;G/dln;V$来表征，它等于-上述玻璃分别为 44 和 -53，强烈指出间隙型缺陷是弛豫的来源。我们还表明，相对体积的弛豫线性取决于缺陷浓度。这种行为可以用另一个与温度无关的无量纲参数来描述，该参数与缺陷的弛豫体积有关。讨论了类空位缺陷对弛豫的可能贡献。

SmCo-1:7 磁体中纳米结构矫顽力的影响：高通量微磁数据的机器学习

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 计算物理

作者： Yangyiwei Yang, Patrick Kühn, Mozhdeh Fathidoost, Esmaeil Adabifiroozjaei, Ruiwen Xie, Eren Foya, Dominik Ohmer, Konstantin Skokov, Leopoldo Molina-Luna, Oliver Gutfleisch, Hongbin Zhang, Bai-Xiang Xu

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03198v1

摘要： 对钐钴基 1:7 型 (SmCo-1:7) 磁体中不同细胞纳米结构的几何和磁性参数进行了约 17,000 次微磁模拟。训练前向预测神经网络（NN）模型来揭示这些参数对材料矫顽力的影响，并进行敏感性分析。结果表明 1:​​5 相在增强矫顽力方面发挥着重要作用。此外，还获得了逆向设计的神经网络模型来建议所询问的矫顽力的纳米结构。

全小分子有机太阳能电池热退火的相场模拟

分类： 材料科学, 应用物理, 化学物理, 计算物理

作者： Yasin Ameslon, Olivier J. J. Ronsin, Christina Harreiss, Johannes Will, Stefanie Rechberger Mingjian Wu, Erdmann Spiecker, Jens Harting

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03190v1

摘要： 光伏器件领域对有机太阳能电池（OSC）的兴趣不断上升。该器件的性能依赖于本体异质结（BHJ）纳米形态，它是在干燥过程和额外的后处理过程中形成的。这项工作通过相场模拟研究热退火 (TA) 对全小分子 DRCN5T: PC71 BM 混合物的影响。目的是确定驱动 BHJ 形态演变的物理现象，以便更好地理解后处理/形态关系。相场模拟结果用于研究 DRCN5T 结晶相关机制对最终 BHJ 形态的影响，包括非晶-非晶相分离 (AAPS) 的成核、生长、晶体稳定性、碰撞、晶粒粗化和奥斯特瓦尔德熟化。 ）和扩散限​​制。模拟结果与实验数据的比较表明，TA下BHJ的形态演化主要是最小的、不稳定的DRCN5T晶体的溶解和最大晶体的各向异性生长。

控制固态电池中的移动界面

分类： 材料科学, 软凝聚态物质, 组织和器官

作者： Salem Mosleh, Emil Annevelink, Venkatasubramanian Viswanathan, L. Mahadevan

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03175v1

摘要： 安全的全固态锂金属电池可实现高能量密度应用，但在运行过程中会出现不稳定现象，导致金属和电解质之间出现粗糙的界面，从而导致空隙形成和枝晶生长，从而降低性能和安全性。受到薄层（例如树叶）的形态发生控制的启发，这些薄层可以稳健地生长成扁平形状，我们提出了一系列控制锂金属剥离和电镀的方法。为了指导发现实现这些反馈机制的材料，我们开发了一个降阶模型，该模型捕获力学、界面生长、温度和电化学变量之间的耦合。我们发现，需要远程反馈才能实现真正的界面稳定性，而基于本地反馈的方法最终总是会变得粗糙。总而言之，我们的研究为分析和设计稳定电化学界面的机械性能和动力学基础的物理化学提供了一个实用框架的开始。

使用分析场离子显微镜进行堆垛层错偏析成像

分类： 材料科学

作者： F. F. Morgado, L. T. Stephenson, S. Bhatt, C. Freysoldt, S. Neumeier, S. Katnagallu, A. P. A. Subramanyam, I. Pietka, T. Hammerschmidt, F. Vurpillot, B. Gault

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03167v1

摘要： 堆垛层错（SF）是重要的结构缺陷，在工程合金的变形中起着至关重要的作用。然而，在原子尺度上直接观察堆垛层错可能具有挑战性。在这里，我们使用分析场离子显微镜 (aFIM)，包括基于密度泛函理论的对比度估计，对 Ni-2 at.% W 蠕变变形固溶体单晶合金中 SF 处的局部元素偏析进行成像。原子成像明亮，飞行时间光谱法可以将其识别为 W。我们还首次提供了轨迹像差的定量分析，偏差约为 0.4 nm，解释了为什么原子探针断层扫描无法解决这些偏析。使用解析键序势对 fcc Ni 中边缘位错处的替代 W 原子进行原子模拟表明，实验观察到的偏析是由于 W 对堆垛层错中心的能量偏好造成的，与例如 Re 偏析到部分形成对比位错。溶质偏析到 SF 可以阻碍位错运动，从而提高镍基高温合金的强度。然而，设想用W直接替代Re以降低高温合金的成本，在合金设计中需要额外考虑，因为这两种溶质在变形过程中与结构缺陷不具有可比较的相互作用。

Nd0.6Sr0.4MnO3 / SrRuO3 异质结构中扭曲磁交换弹簧的拓扑霍尔异常

分类： 材料科学

作者： Mrinaleni R S, E P Amaladass, Sathyanarayana A T, Jegadeesan P, R Pandian, S Amirthapandian, Pooja Gupta, S K Rai, Awadhesh Mani

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03162v1

摘要： 近年来，人们对利用亚锰酸盐系统用于基于氧化物的异质结构产生了浓厚的兴趣，这些异质结构具有重要的自旋纹理，这主要是由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 驱动的。在这些系统中，拓扑霍尔效应 (THE) 表现为矫顽场附近的异常霍尔效应 (AHE) 环路中的驼峰或峰值。许多研究报道了钌酸盐/铱酸盐和钌酸盐/锰酸盐异质结构中的THE。在锰酸盐中，Nd0.6Sr0.4MnO3 (NSMO) 体系的研究相对较少。钌酸锶 (SrRuO3 - SRO) 系统与 NSMO 表现出优异的结构兼容性，使 NSMO/SRO 异质结构成为研究氧化物界面上非平凡自旋织构的模型系统。在这项工作中，我们通过磁和磁输运研究研究了 NSMO 与 SRO 的邻近效应，改变了 NSMO/SRO 异质结构中的 SRO 层厚度。

手性晶体拓扑费米子的手性Floquet工程

分类： 光学, 材料科学

作者： Benshu Fan, Wenhui Duan, Angel Rubio, Peizhe Tang

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03115v1

摘要： 光和量子物质中手性的相互作用为设计和操纵量子材料中手性相关的特性提供了机会。在此，我们报告了通过圆偏振光 (CPL) 泵浦在手性晶体 CoSi 中具有高陈数的拓扑费米子的手性依赖 Floquet 工程。强光泵浦不会损害 CoSi 中拓扑费米子的无间隙性质，而是沿光传播方向移动动量空间中的交叉点。 Floquet 手性指数被提出来表示拓扑费米子、晶体和入射光的手性之间的相互作用，它决定了光引起的动量位移的幅度和方向。关于 CPL 泵浦引起的时间反演对称性破缺，拓扑费米子的动量变化导致在超快时间尺度内非磁性 CoSi 中产生瞬态反常霍尔信号，其中中红外 (IR) 泵浦和太赫兹 (THz) ）克尔或法拉第探针光谱可以通过实验检测到。我们的研究结果为通过利用非平衡状态下的手性自由度来探索光电器件中的新颖应用提供了见解。

揭示隧道势垒下的贝里相

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学, 量子物理学

作者： Lior Faeyrman, Eduardo B. Molinero, Roni Weiss, Vladimir Narovlansky, Omer Kneller, Talya Arusi-Parpar, Barry D. Bruner, Binghai Yan, Misha Ivanov, Olga Smirnova, Alvaro Jimenez-Galan, Riccardo Piccoli, Rui E. F. Silva, Nirit Dudovich, Ayelet J. Uzan-Narovlansky

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03105v1

摘要： 在量子力学中，量子波包在参数空间中沿着循环轨迹演化时可以获得几何相位。在凝聚态物质系统中，贝里相在霍尔效应、轨道磁性和极化等基本现象中起着至关重要的作用。解决这些过程的量子性质通常需要敏感的量子技术，因为隧道效应是 STM 显微镜和隧道传输装置的主要机制。在这项研究中，我们整合了几何相和隧道效应这两种现象，并通过凝聚态物质系统中的强场光物质相互作用观察了复值贝里相。通过以阿秒精度操纵隧道势垒，我们测量了在光学周期的一小部分期间电子隧道累积的假想贝里相。我们的工作为几何相物理及其在凝聚态系统中的实现开辟了新的理论和实验方向，将固态强场光计量扩展到研究拓扑量子现象。

河流塑料自由表面脱离和河床夹带的思考

分类： 流体动力学, 材料科学

作者： Matthias Kramer

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03081v1

摘要： 在过去的十年中，河流塑料已被确定为对水生环境和人类健康的主要威胁。为了制定适当的塑料污染缓解策略，了解河流塑料运输的基本过程非常重要。在这种背景下，将研究成果应用到数值模拟环境中预计将增强建模能力并支持严格的决策。最近的实验研究集中在塑料颗粒的初始运动，以及表面张力对塑料浓度分布的影响。虽然这些研究推进了最先进的知识，但当前的文献仍然缺乏对特定层塑料输运物理学的基本见解。在这项研究中，应用第一原理来增进对河流塑料的自由表面分离和河床夹带的认识。推导了临界表面脱离速度的新颖关系，随后开发了一个框架，允许将塑料盾参数与天然沉积物的参数联系起来。总体而言，预计这些发展将引发塑料界的新研究，并希望目前的研究结果将被应用到拉格朗日粒子跟踪软件中。

通过不确定性引导的主动学习获得压缩有机系统的双截止机器学习潜力

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Leonid Kahle, Benoit Minisini, Tai Bui, Jeremy T. First, Corneliu Buda, Thomas Goldman, Erich Wimmer

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03058v1

摘要： 在从头开始数据上训练的机器学习势 (MLP) 将经典原子间势的计算效率与用于创建相应训练集的第一性原理方法的准确性和通用性结合起来。在这项工作中，我们实现并训练了 MLP，以获得有机化合物（单分子和凝聚相）势能表面和性质预测的准确描述。我们设计了一种基于原子簇扩展（ACE）的双描述符，它将信息丰富的短程描述与捕获弱分子间相互作用的较粗糙的长程描述结合起来。我们采用不确定性引导的主动学习来生成训练集，创建了一个相对较小的应用范围的数据集，由醇、烷烃和己二酸组成。利用该 MLP，我们计算了不同链长系统的密度作为温度的函数，与实验相比，误差小于 4%。与 DFT 相比，使用 MLP 计算的振动频率的均方根误差小于 1 THz。凝聚系统的热容与实验结果的误差在 11% 以内，这有力地证明了对偶描述符为预测短程分子内和长程分子间相互作用提供了准确的框架。

通过在外延 h-Lu1-xCaxMnO3 薄膜中掺杂 Ca 来增强铁电结构畸变

分类： 材料科学

作者： Detian Yang, Yaohua Liu, Xiaoshan Xu

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03044v1

摘要： 与适当的铁电性不同，多铁性稀土锰酸盐 h-ReMnO3 (Re=La-Lu,Y,Sc) 薄膜中的不当铁电性具有独特的几何畸变，并且在超薄极限下不受去极化场的影响。在这里，我们成功地通过掺杂 Ca 来调整和增强 h-LuMnO3 薄膜的铁电几何畸变。压缩应变的 h-Lu1-xCaxMnO3(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5) 外延薄膜通过 h-ScFeO3 缓冲层稳定在蓝宝石衬底上。当掺杂浓度x>=0.2时，可以消除抑制h-ReMnO3不适当铁电性的常见衬底引起的界面钳位效应。这项工作建立了一个潜在的准二维铁电系统，并提出了一种通用的应变工程方法来增强六方锰酸盐的不适当铁电性。

三维石墨烯泡沫结构电传输特性的拉伸诱导可调性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Shu-Ting Guo, Fangxin Zou

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.03031v1

摘要： 三维石墨烯基泡沫（GF）的快速电子传输和卓越的多向柔韧性在可拉伸电子领域至关重要。我们观察到预拉伸引起的 GF 温度依赖性电阻率的调制，其中，随着预拉伸应变水平的增加，GF 样品电阻率的明显温度依赖性会发生变化，甚至可能表现出从负值的显着转变。依赖转为积极依赖。我们试图通过提出一种新的传导网络模型来解释这一现象，该模型将GF结构表示为互连的石墨烯岛和岛/岛传导结，并结合了三种传导机制：热激活传导、声子限制传导和涨落引起的隧道传导。通过拟合辅助分析，我们发现GF样品电阻率的温度依赖性主要依赖于石墨烯岛和岛/岛传导结的离散数量，以及源自每种传导机制的电阻率。随着预拉伸应变水平的增加，这些因素将由于传导网络改变、局部应变引起的声子硬化和局部应变引起的传输间隙调制而改变，所有这些都是由预拉伸引起的。我们的研究结果为基于 GF 的可拉伸电子设备的优化提供了宝贵的见解，例如通过结构修改来增强性能。

在 FIB-SEM 中使用 Ga 离子束在材料表面形成精细特征图案

分类： 材料科学

作者： Supriya Ghosh, K. Andre Mkhoyan

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02995v1

摘要： 由于离子束是电子束等其他材料表面图案化技术的可行且有吸引力的替代方案，因此对使用 Ga 离子束在 Si 和 SrTiO3 晶片表面创建的图案线的结构、成分和尺寸进行了研究出去。顶视图 SEM 和横截面 STEM 成像以及 EDX 光谱应用于图案线的结合表明，总离子剂量 (DI) 是影响图案线特性的关键参数，可以通过程度进行调整相邻光点之间的重叠、每个光点的光束停留时间以及每个光束尺寸和电流的光束通过次数。观察到并量化了所使用的离子剂量和图案线尺寸之间的强烈依赖性。在较高离子剂量 (DI > 10^15 ions/cm^2) 下，Ga 离子会去除暴露区域中的部分材料，形成被非晶化区域包围的通道，而在较低离子剂量下，仅发生非晶化，形成脊在晶圆表面。此外，为了形成具有相似尺寸的线条，不同材料可能需要不同数量级的离子剂量，就像 Si 和 SrTiO3 的情况一样。线尺寸的量化表明，使用这种方法，当使用低离子剂量（通常在 10^14-10^15 离子范围内）时，可以在材料表面上重复地图案化和表征细至 10 nm 的线/厘米^2。

在块状 n-AlGaAs 中缓慢产生异常大的核场

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： A. Shen, J. Chen, R. Kaji, S. Yamamoto, H. Sasakura, T. Uemura, S. Adachi

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02956v1

摘要： 本研究使用三个 Al$x$Ga${1-x}$As 块体样品研究了电子-核自旋耦合系统的动力学，其中铝浓度 $x$ 分别为 0、0.05 和 0.15。主要使用时间分辨克尔旋转技术。 $x=$0.05 和 0.15 的样品表现出 $\sim$1.1 T 的异常大核磁场，是施加磁场的两倍。这种观察结果对于块状半导体来说是不寻常的，因为块状半导体通常表现出弱的超精细相互作用。进一步的研究表明核场形成时间较长，这表明存在明显的两阶段形成动力学。因此，本研究得出结论，由于核四极相互作用而导致的缓慢核自旋扩散促进了核场的形成过程。

聚合物微格子缓冲结构自由冲击吸收

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Louis Catar, Ilyass Tabiai, David St-Onge

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02909v1

摘要： 由于更小的电子设备、更智能的传感器、先进的飞行控制器和利用人工智能的嵌入式感知模块的进步，无人驾驶航空系统行业正在迅速扩张。这些技术进步为无人机开辟了新的室内应用，包括仓库库存管理、公共空间和设施的安全检查以及地下勘探。尽管无人机制造商进行了创新设计，但目前还没有标准来确保这些环境中无人机和人员的安全。本研究探索开发和评估轻型无人机抗冲击性微晶格结构。我们使用面心立方 (FCC)、菱形 (D)、开尔文 (K) 和陀螺仪 (GY) 图案检查贴片设计，并详细介绍了创建冲击和压缩测试样本的过程，包括制造和测试协议。我们的评估包括压缩和冲击测试，以评估结构行为，揭示几何形状、致密性和材料特性的影响。菱形和开尔文模式在压缩测试中的负载分布和能量吸收方面特别有效。冲击测试表明柔性和刚性材料之间的响应存在显着差异，柔性贴片在动态负载下表现出优异的能量耗散和结构完整性。该研究对比能量吸收 (SEA) 和效率进行了详细分析，为轻型无人机应用中抗冲击的最佳微晶格结构设计提供了见解。

时间反转对称性破缺戈薇超导的证据链

分类： 超导, 材料科学

作者： Hanbin Deng, Guowei Liu, Z. Guguchia, Tianyu Yang, Jinjin Liu, Zhiwei Wang, Yaofeng Xie, Sen Shao, Haiyang Ma, William Liège, Frédéric Bourdarot, Xiao-Yu Yan, Hailang Qin, C. Mielke III, R. Khasanov, H. Luetkens, Xianxin Wu, Guoqing Chang, Jianpeng Liu, Morten Holm Christensen, Andreas Kreisel, Brian Møller Andersen, Wen Huang, Yue Zhao, Philippe Bourges, Yugui Yao, Pengcheng Dai, Jia-Xin Yin

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02898v1

摘要： 超导性和磁性是对抗性量子物质，而它们的交织长期以来一直在受挫晶格系统中被考虑1-3。在这项工作中，我们利用扫描隧道显微镜和μ子自旋共振发现了kagome金属Cs(V,Ta)3Sb5中时间反转对称性破缺的超导性，其中库珀配对表现出磁性并受到磁性调制。在磁通道中，我们观察到全能隙超导状态下的自发内磁。在逆磁场的扰动下，我们检测到 Bogoliubov 准粒子在圆形矢量上的时间反转不对称干涉。在这个向量上，配对间隙自发调制，这与点向量处发生的配对密度波不同，并且与时间反演对称性破缺下异常干涉效应的理论建议一致。内磁、Bogoliubov 准粒子和配对调制之间的相关性为打破时间反转对称性的 Kagome 超导性提供了一系列实验线索。

KV3Sb5 和 CsV3Sb5 中残留费米弧的手性 kagome 超导调制

分类： 超导, 材料科学

作者： Hanbin Deng, Hailang Qin, Guowei Liu, Tianyu Yang, Ruiqing Fu, Zhongyi Zhang, Xianxin Wu, Zhiwei Wang, Youguo Shi, Jinjin Liu, Hongxiong Liu, Xiao-Yu Yan, Wei Song, Xitong Xu, Yuanyuan Zhao, Mingsheng Yi, Gang Xu, Hendrik Hohmann, Sofie Castro Holbæk, Matteo Dürrnage, Sen Zhou, Guoqing Chang, Yugui Yao, Qianghua Wang, Zurab Guguchia, Titus Neupert, Ronny Thomale, Mark H. Fischer, Jia-Xin Yin

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02896v1

摘要： 涉及有限动量配对的超导性可以导致空间间隙和对密度调制，以及超导间隙内的博戈柳波夫费米态。然而，通过实验实现它们相互交织的关系一直具有挑战性。在这里，我们通过普通和约瑟夫森扫描隧道显微镜检测到 KV3Sb5 和 CsV3Sb5 中残余费米弧的手性 kagome 超导调制，分辨率可达 30mK，并在微电子伏水平上解析了电子能量差。我们观察到 U 形超导能隙，具有平坦的残余带内态。该间隙表现出具有磁场可调手性的手性 2 x 2 空间调制，这与通过约瑟夫森隧道观察到的手性 2 x 2 对密度调制一致。这些发现证明了手性电子对密度波（PDW）打破了时间反转对称性。带隙内零能态的准粒子干涉成像揭示了分段弧，高温数据将它们与电荷序内重建的 V d 轨道状态的部分联系起来。检测到的残余费米弧可以通过轨道间 2 x 2 PDW 对这些 d 轨道态的部分抑制来解释，从而作为候选 Bogoliubov 费米态。此外，我们将观察到的 PDW 阶数与杂质引起的间隙调制区分开来。我们的观察不仅揭示了具有轨道选择性的手性 PDW 序，而且还阐明了有限动量配对超导性中固有的基本空间动量对应关系。

扫描隧道显微镜观察 HoAgGe 中 Kagome 自旋冰磁性的局部激发

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Hanbin Deng, Tianyu Yang, Guowei Liu, Lu Liu, Lingxiao Zhao, Wu Wang, Tiantian Li, Wei Song, Titus Neupert, Xiang-Rui Liu, Jifeng Shao, Y. Y. Zhao, Nan Xu, Hao Deng, Li Huang, Yue Zhao, Liyuan Zhang, Jia-Wei Mei, Liusuo Wu, Jiaqing He, Qihang Liu, Chang Liu, Jia-Xin Yin

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02892v1

摘要： 戈薇自旋冰可以通过翻转其局部自旋来承受受挫的磁激发。在非弹性隧道条件下，扫描隧道显微镜的尖端可以翻转局部自旋，我们将该技术应用于具有长程有序自旋冰基态的kagome金属HoAgGe。远离缺陷，我们发现在具有负强度值的对称偏置电压下，局部隧道频谱中有一对明显的下降，作为引人注目的非弹性隧道信号。该信号在高于自旋冰形成温度时消失，并且依赖于磁场，表明其与自旋冰磁性密切相关。我们提供了一个两级自旋翻转模型来解释考虑自旋轨道耦合下自旋冰磁性的隧道倾角。我们的结果揭示了戈薇金属中自旋冰磁性的局部紧急激发，这表明局部电场引起的自旋翻转爬过由自旋轨道锁定引起的势垒。

超导间隙调制：它们是来自对密度波还是对断裂散射？

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Jia-Xin Yin, Qianghua Wang

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02890v1

摘要： 于鲁在1965年发表在《物理学报》上的开创性著作中指出，超导能隙在超导体中的破偶磁性杂质附近表现出弱调制。在过去的十年中，一系列高分辨率扫描隧道显微镜工作报道了某些超导体中的弱超导间隙调制，并将这些现象解释为对密度波。与 Yu 的发现一致，Lee DH 等人。指出，在很多情况下，破对散射的干涉效应也可以导致空间中的超导间隙调制。我们将讨论这两种机制的区别和统一，以及它们与最近实验观察的相关性。

边缘轨道矩累积引起的磁阻理论

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Hao Sun, Giovanni Vignale

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02887v1

摘要： 由二维材料的非平凡量子几何引起的轨道霍尔效应会导致系统边缘附近轨道磁矩的积累。这种积累有助于平行于边缘流动的电流，导致电阻略有下降。轨道矩的积累以及由此产生的电阻变化可以通过面内磁场进行调制。在这项工作中，我们研究了多层二维材料中的这种效应，其中电子可以在层之间移动，从而提供控制电阻的手柄。轨道矩动力学与传统的自旋动力学不同，它由各向异性有效反质量张量控制，我们为此提供了微观表达式。我们推导了描述轨道矩累积的生成和控制的唯象方程。

SiC(0001)-石墨烯界面中具有双周期性的 Pb 单层应变调制插层相

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Lin-Lin Wang, Shen Chen, Marek Kolmer, Yong Han, Michael C. Tringides

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02886v1

摘要： SiC(0001)-石墨烯 (Gr) 界面处的金属原子插层可以提供具有有趣特性的受限二维金属层。插层 Pb 单层 (ML) 显示了 Gr(10x10) 莫尔条纹和条纹相的共存，但目前仍缺乏了解。利用密度泛函理论计算和从头算分子动力学热退火，我们研究了不同插层Pb覆盖度下SiC(0001)/Pb/Gr的形成能。在模仿 (10x10) 云纹的类 Pb(111) ML 的覆盖范围附近，我们发现了一种稍微稳定的条纹结构，其中一半结构具有压缩应变，Pb 占据 Si 顶部位点，另一半则具有压缩应变具有 Pb 远离 Si 顶部位点的拉伸应变。这种沿着 Gr 之字形方向的条纹结构在 [1-210] 方向上具有 2.3 nm 的周期性，与之前使用扫描隧道显微镜观察到的结果一致。电子密度差和态密度分析表明，拉伸区域比压缩区域具有更多的金属特性，而两者均以从 Pb ML 到 SiC(0001) 的电荷转移为主。条带结构和类Pb(111)结构之间的小能量差意味着两相几乎是简并的并且可以共存，这解释了实验观察结果。

铜和氮功能化碳纳米管的导电性得到改善

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Mina Yoon, German D. Samolyuk, Kai Li, James A. Hayne, Tolga Aytug

发布时间： 2024-08-06

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02884v1

摘要： 在这项工作中，我们研究了碳纳米管 (CNT) 的电导率，特别关注掺杂的影响。我们采用第一原理方法，研究电子结构、声子色散和电子-声子散射，以了解碳纳米管的有限温度电输运特性。我们的研究涵盖了原型金属和半导体碳纳米管，特别强调了典型缺陷的影响，例如空位和铜或氮的掺入，例如吡啶氮、吡咯氮、石墨氮和氧化氮。我们的理论研究表明，铜-碳纳米管复合材料的导电性能得到改善，特别是当半导体碳纳米管用氮功能化时。研究发现掺杂会导致费米能级附近的电子态密度发生显着变化，从而影响电导率。计算表明，某些类型的官能团（例如 N-吡咯）可使半导体 CNT 的电导率比单独掺铜的 CNT 提高约 30 倍。对于金属碳纳米管，电导率与现有的实验数据一致，并且我们对N-吡咯官能团电导率显着增加的预测与最近的实验结果一致，证明了掺杂在改变电导率方面的有效性。我们的研究为掺杂碳纳米管的电子特性提供了宝贵的见解，并有助于超高电导率碳纳米管复合材料的开发。

MaterioMiner——基于本体的文本挖掘数据集，用于提取过程结构属性实体

分类： 计算和语言, 材料科学

作者： Ali Riza Durmaz, Akhil Thomas, Lokesh Mishra, Rachana Niranjan Murthy, Thomas Straub

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04661v1

摘要： 虽然大型语言模型学习语言和其中信息的健全统计表示，但本体是符号知识表示，可以理想地补充前者。这一关键交叉点的研究依赖于将本体论和文本语料库交织在一起的数据集，以实现神经符号模型的训练和全面基准测试。我们提出了 MaterioMiner 数据集和链接的材料力学本体，其中材料力学领域的本体概念与文献语料库中的文本实体相关联。该数据集的另一个显着特征是其非常精细的注释。具体而言，四份出版物中的三名评估者手动注释了 179 个不同的类别，总共注释和管理了 2191 个实体。概念工作是为了因果成分-过程-微观结构-性质关系的符号表示而提出的。我们探索了三个评估者之间的注释一致性，并对预训练模型进行微调，以展示命名实体识别模型训练的可行性。重用数据集可以促进材料语言模型的训练和基准测试、自动化本体构建以及从文本数据生成知识图。

弹塑性复合材料中规则颗粒分布的各向异性效应：改进的切线簇模型和数值均匀化

分类： 材料科学, J.2

作者： Kamil Bieniek, Michał Majewski, Paweł Hołobut, Katarzyna Kowalczyk-Gajewska

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.04654v1

摘要： 本文的目标是开发一种可靠的分析方法，以找到具有预定义颗粒或空隙分布的金属基复合材料（MMC）和多孔金属（PM）的有效弹塑性响应，并检查由规则的不均匀排列。所提出的框架基于 Molinari 和 El Mouden (1996) 的想法，通过考虑材料体积内每对不均匀性之间的相互作用（称为簇模型）来改进热弹性介质的经典平均场模型。弹性和弹塑性状态都被检查。通过使用金属基体本构定律的修正切线线性化，对原始公式进行了新的扩展，旨在解释非线性塑性状态。该模型使用第二应力矩来跟踪基体中累积的塑性应变。在示例中，针对两种基本材料场景考虑了三种立方对称布拉维晶格（正则立方、体心立方和面心立方）中球面不均匀性的排列：“硬中软”(MMC) 和“软” -困难”（PM）。作为验证手段，将微机械平均场建模的结果与使用有限元法 (FEM) 执行的数值均匀化的结果进行比较。在弹性状态下，还与其他几种专用于周期性复合材料的微观力学模型进行了比较。在这两种情况下，聚类模型获得的结果在定性和定量上与 FEM 计算一致，特别是对于高达 40% 的夹杂物体积分数。

通过氟化铵蚀刻增强超导量子位性能

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Cameron J. Kopas, Dominic P. Goronzy, Thang Pham, Carlos G. Torres Castanedo, Matthew Cheng, Rory Cochrane, Patrick Nast, Ella Lachman, Nikolay Z. Zhelev, Andre Vallieres, Akshay A. Murthy, Jin-su Oh, Lin Zhou, Matthew J. Kramer, Hilal Cansizoglu, Michael J. Bedzyk, Vinayak P. Dravid, Alexander Romanenko, Anna Grassellino, Josh Y. Mutus, Mark C. Hersam, Kameshwar Yadavalli

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02863v1

摘要： 超导量子位的性能通常受到耗散和两能级系统（TLS）损耗的限制。这些损耗的主要来源被认为源自非晶材料以及界面和表面处的缺陷，可能是制造工艺或环境暴露的结果。在这里，我们探索了一种在约瑟夫森结-衬底和衬底-空气界面处的新型湿化学表面处理方法，用先使用氢氟酸，然后使用氟化铵水溶液的清洁工艺取代缓冲氧化物蚀刻（BOE）清洁工艺。我们表明，氟化铵蚀刻工艺导致 $\text{T}_1$ 中位数在统计上显着提高 $\sim22%$ ($p=0.002$)，并减少了强耦合 TLS 的数量在可调频率范围内。在铌沉积之前对经过氟化铵蚀刻处理的样品进行的微波谐振器测量也显示，与经过 BOE 处理的样品相比，$\sim33%$ TLS 引起的损耗角正切较低。由于化学处理主要改变了约瑟夫森结-基底界面和基底-空气界面，因此我们进行有针对性的化学和结构表征，以检查这些界面处的材料差异，并识别可能导致 TLS 降低的多种微观变化。

层状反铁磁体 CuxNi2(1-x)CrxP2S6 磁性的中熵工程

分类： 材料科学

作者： Dinesh Upreti, Rabindra Basnet, M. M. Sharma, Santosh Karki Chhetri, Gokul Acharya, Md Rafique Un Nabi, Josh Sakon, Mansour Mortazavi, Jin Hu

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02858v1

摘要： 层状磁体中的工程磁性可能会产生与二维（2D）磁性相关的新现象，这对于基础研究和实际应用非常有用。取代和插层等广泛的掺杂工作已被用来调整 M2P2X6 化合物的反铁磁 (AFM) 特性。该材料系列中的替代掺杂主要集中在双金属替代。最近，金属替代也可以扩展到两种以上的金属元素，从而产生中熵合金和高熵合金（MEA 和 HEA），这些合金在包括 M2P2X6 在内的层状磁系统中尚未得到充分探索。在这项工作中，我们探索了先前未报道的 Cu 和 Cr 取代的 Ni2P2S6（即 CuxNi2(1-x)CrxP2S6）的磁性。我们的研究揭示了与 M2P2X6 中传统双金属取代中观察到的相比，取代后 AFM 相的相对系统的演化。此外，发现 Ni2P2S6 中的 Cu 和 Cr 替代物增强了铁磁 (FM) 相关性，对于 0.32 至 0.80 的中间成分，这还伴随着低温下可能出现的弱 FM 相。我们的工作提供了一种在 AFM M2P2X6 中建立铁磁性的策略，该策略也可用于其他层状磁体的性能调整。

离子电子晶体管小信号交流导纳：理论与实验

分类： 材料科学

作者： Juan Bisquert, Scott T. Keene

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02648v1

摘要： 由于混合离子电子特性，有机电化学晶体管 (OECT) 的瞬态行为非常复杂，而混合离子电子特性在生物电子学、传感和神经形态应用中发挥着核心作用。我们使用一个模型研究离子控制晶体管的阻抗响应，该模型结合了沿通道的电子运动和通过从电解质插入的垂直离子扩散，具体取决于化学电容、离子的扩散系数、电子渡越时间和级数由于电解质及其界面而产生的阻抗分量。基于传输和电荷守恒方程，我们表明垂直阻抗产生插层系统中扩散的标准结果，而横向阻抗（漏极电流与栅极电压）包含空穴积累和沿沟道传输的电子参数。我们参考垂直和横向阻抗的等效电路模型建立了漏极和栅极电流的谱形状以及复导纳谱，这些模型很好地描述了 PEDOT:PSS OECT 的测量。我们通过漏极和栅极电流之间的关系获得了确定迁移率的新见解。

范德华反铁磁体 VBr3 中的晶格和磁性结构

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Yimeng Gu, Yiqing Hao, Zeyu Kao, Yiqing Gu, Feiyang Liu, Shiyi Zheng, Huibo Cao, Lunhua He, Jun Zhao

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02589v1

摘要： 我们报告了对范德华反铁磁体 VBr3 的晶格和磁性结构的全面研究，其特征是室温下的 BiI3 型结构。对多晶和单晶 VBr3 样品进行中子衍射实验，揭示了在 TN = 26.5 K 的 N'e 温度以下出现的清晰的磁性布拉格峰。这些磁性布拉格峰可以用 k = (0, 0.5, 1 ）以六角形表示法。我们的细化分析表明，VBr3 中的反铁磁有序表现为锯齿形结构。此外，我们在 Ts = 94 K 的结构转变温度以下观察到 HK 平面中核布拉格峰的峰分裂，表明 ab 平面内三重对称性的破缺。

纤锌矿铁电体的纳米工程：揭示 ScAlN 纳米线中的相变和铁电开关

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Ding Wang, Ping Wang, Shubham Mondal, Mingtao Hu, Yuanpeng Wu, Danhao Wang, Kai Sun, Zetian Mi

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02576v1

摘要： 对极端器件小型化的追求和对新颖物理现象的探索激发了人们对缩小尺寸的晶体相控制和铁电开关的极大兴趣。最近，纤锌矿铁电体已成为一类新型功能材料，具有令人着迷的压电和铁电特性、CMOS 兼容性以及与主流半导体技术的无缝集成。然而，在减小尺寸（尤其是纳米结构）中对晶体相和铁电开关的探索仍然是一个很大程度上未知的领域。在这项研究中，我们首次对 ScAlN 纳米线在整个 Sc 成分范围内的晶体相变进行了全面的研究。虽然随着 Sc 成分的增加，观察到从纤锌矿相到立方相的逐渐转变，但我们进一步证明，高度有序的纤锌矿相 ScAlN 可以被限制在 ScAlN/GaN 界面处，其 Sc 含量超过了传统薄膜中可能存在的水平，因此具有巨大的潜力解决纤锌矿铁电体的基本高矫顽力场。此外，我们提供了 ScAlN 纳米线铁电开关的第一个证据，这一结果对未来器件的小型化具有重要意义。我们对可调谐铁电 ScAlN 纳米线的演示为纤锌矿铁电体的纳米级、畴、合金、应变和量子工程开辟了新的可能性，代表着朝着开发基于纤锌矿铁电体的下一代小型化器件迈出的重大一步。

通过缺氧诱导磁转变模拟控制 La0.5Sr0.5FeO3-δ 中的电导率

分类： 材料科学

作者： Paul Nizet, Francesco Chiabrera, Nicolau López-Pintó, Nerea Alayo, Philipp Langner, Sergio Valencia, Arantxa Fraile-Rodríguez, Federico Baiutti, Alevtina Smekhova, Alex Morata, Jordi Sort, Albert Tarancón

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02539v2

摘要： 通过施加电压脉冲等受控刺激来切换材料特性是一个新兴的研究领域，适用于神经形态晶体管或非发射智能显示器等自适应和可编程设备。调节材料性能最令人兴奋的方法之一是移动离子/空位插入，以引起相关电学、光学或磁学性质等的变化。揭示相关材料中移动缺陷（如氧空位）浓度变化与功能特性之间的相互作用，代表着支撑新兴氧化物离子电子学学科向前迈出了一步。在这项工作中，制造了电化学氧化物离子泵浦电池，用于模拟控制混合离子电子导体La0.5Sr0.5FeO3-{\delta}薄膜中的氧化学计量。我们通过氧化学计量的精确且连续的电压控制，展示了同一晶相内超过 4 个数量级的电子电导率控制。我们表明，材料输运特性改变的背后是顺磁到反铁磁的转变。我们利用这种磁电耦合来显示对 La0.5Sr0.5FeO3-{\delta} 与沉积在顶部的铁磁 Co 层之间交换相互作用的控制。

最终变形的双网络凝胶具有正能量弹性

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Chika Imaoka, Tatsunari Masumi, Jian Ping Gong, Tsutomu Indei, Tasuku Nakajima

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02523v1

摘要： 橡胶聚合物网络的弹性被认为是熵驱动的。另一方面，单聚合物链力学的研究表明，最终拉伸的聚合物链的弹性主要由化学键变形产生的能量贡献主导。在这里，我们通过热力学分析实验发现，双网络凝胶的弹性通过其单轴变形从熵主导的弹性转变为内能驱动的弹性。基于这一发现，我们开发了一个考虑能量贡献的简单力学模型，并发现该模型近似再现了双网络凝胶应力-应变曲线的温度依赖性。这项研究证明了化学视角在高度变形橡胶聚合物网络力学分析中的重要性。

通过点接触光谱和伦敦穿透深度测量研究共掺杂 CaKFe4As4 的超导性

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Erik Piatti, Daniele Torsello, Francesca Breccia, Tsuyoshi Tamegai, Gianluca Ghigo, Dario Daghero

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02511v1

摘要： 最近发现的 1144 类铁基超导体 (IBS) 与许多其他 IBS 不同，在化学计量形式下表现出超导性，并且本质上是空穴掺杂的。因此，电子供体化学取代的影响特别值得研究。在这里，我们通过使用传输、点接触安德烈夫反射光谱研究了 CaKFe$4$As$4$ 单晶 Fe 位点中的 Co 取代对临界温度、能隙和超流体密度的影响(PCARS) 和伦敦渗透深度测量。原始化合物 (T$\mathrm{c}\simeq$ 36 K) 显示两个各向同性间隙，其振幅 ($\Delta_1$ = 1.4$-$3.9 meV 和 $\Delta_2$ = 5.2$-$8.5 meV) 完全兼容与文献中报道的那些。 Co 掺杂后（高达 $\approx$7% Co），T$\mathrm{c}$ 降低至 $\simeq$ 20 K，出现自旋涡旋晶序，低温超流体密度为逐渐被压制。 PCARS 和伦敦穿透深度测量完全一致，证明无节点多间隙结构在 Co 掺杂时具有鲁棒性，而间隙幅度随着 T$\mathrm{c}$ 以线性方式减小，且间隙值几乎恒定比率 2$\Delta_i$/k$\mathrm{B}$T$_\mathrm{c}$。

柔软度对 pNIPAM 微凝胶转变温度的影响

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Syamjith KS, Shubhasmita Rout, Alan R Jacob

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02490v1

摘要： 聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）微凝胶以其热响应行为而闻名，在温度变化时表现出明显的体积相变（VPT）。本研究研究了通过自由基聚合 (FRP) 合成过程中通过改变交联密度来控制的微凝胶柔软度对体积相变温度 (VPTT) 和动电转变温度 (ETT) 之间差异的影响。这些转变温度标志着微凝胶尺寸和表面电荷分别随温度发生显着变化的点。在这里，我们研究了这种现象，采用动态光散射 (DLS) 和电泳光散射 (ELS) 测量来表征具有不同交联密度的 pNIPAM 微凝胶的尺寸和电泳迁移率响应与温度的关系。通过分析观察到的转变温度差异的趋势，我们的目标是提出一种假设，为微凝胶结构及其与转变温度的关系提供更深入的物理理解。因此，这项研究揭示了微凝胶结构与其热响应行为之间复杂的相互作用，为未来应用的 pNIPAM 微凝胶的设计和优化提供了见解。

基于神经网络的 HfO$_2$ 相变分子动力学研究

分类： 材料科学

作者： Sebastian Bichelmaier, Jesús Carrete, Georg K. H. Madsen

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02429v1

摘要： 机器学习力场的进步为从头开始 MD 过于资源密集的化合物以及经典力场不足以模拟的现象开启了分子动力学 (MD) 模拟。在这里，我们描述了一个参数化的神经网络力场，以重现 HfO$_2$ 的 r2SCAN 势能景观。基于具有灵活单元涨落的等温等压 (NPT) 系综的自动可微实现，我们研究了 HfO$_2$ 的相空间。我们发现对于晶格常数和实验 X 射线衍射数据具有出色的预测能力。在 2000 K 左右的温度下，远离单斜晶系的相变清晰可见，这与现有的实验数据和之前的计算结果一致。晶格常数的另一个突变发生在 3000 K 左右。虽然所得晶格常数更接近立方晶格，但它们表现出较小的四方畸变，并且体积没有相关变化。我们证明这种高温结构与现有的高温衍射数据一致。

SEM 中电子束诱导的金微粒修饰

分类： 材料科学

作者： Kristina Weinel, Marc Benjamin Hahn, Axel Lubk, Wen Feng, Ignacio Gonzalez Martinez, Bernd Büchner, Leonardo Agudo Jácome

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02409v1

摘要： 透射电子显微镜中的电子束诱导材料转化利用加速电压高于 100 kV 的局域电子束的高功率密度作为能源，在亚微米尺度上转化物质。在此，开发了在扫描电子显微镜中使用加速电压为 30 kV 的低能电子束来进行电子束诱导的前体微粒转变，以提高该技术的多功能性和效率。在这些条件下，该技术可以分为电子束光刻技术和电子束焊接技术，其中电子束用于在基板上铣孔或在基板上生长一些不同的材料，而电子束焊接技术则可以在克服困难时将物质焊接在一起。熔化阶段。对无定形 SiOx 基底上的金微粒进行改性揭示了非弹性电子与物质相互作用以及随后的局部加热对于在电子束下观察到的前体微粒的熔化和蒸发的主导作用。蒙特卡罗散射模拟和热力学模型进一步支持了这一发现。

从第一时刻 STEM 图像开始进行原子计数：方法论和可能性

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Yansong Hao, Annick De Backer, Scott David Findlay, Sandra Van Aert

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02405v1

摘要： 通过基于模拟的研究，我们开发了一种基于统计模型的原子分辨率一阶矩扫描透射电子显微镜 (STEM) 图像的量化方法。该方法使用均匀加权最小二乘估计器来确定图像的未知结构参数并隔离各个原子柱的贡献。通过这种方式，实现了每个原子柱的预计电势的量化。由于原子柱的积分投影势与其所含原子的数量成线性比例，因此它可以作为原子计数的基础。将一阶矩 STEM 成像的原子计数性能与存在噪声的情况下传统 HAADF STEM 的原子计数性能进行比较。通过这种比较，我们展示了一阶矩 STEM 图像在获得更精确的原子计数方面的优势。最后，我们将从楔形样品的一阶矩图像中提取的积分强度与来自块体晶体的这些值进行比较。这些值之间的出色一致性证明了使用块状晶体模拟作为参考库的稳健性。通过与这些库值进行比较，可以对不同形状的样品进行原子计数。

用于表征和量化金属-电解质界面腐蚀过程的微尺度化学成像

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Cristhiana C. Albert, Shishir Mundra, Dario Ferreira Sanchez, Fabio E. Furcas, Ashish D. Rajyaguru, O. Burkan Isgor, Daniel Grolimund, Ueli M. Angst

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02327v1

摘要： 我们引入了一种实验装置，用于在各种情况下相关的停滞、受限条件下对金属-电解质界面的腐蚀过程进行化学成像。该装置基于玻璃毛细管，其中界面水相中腐蚀产物的沉淀可以通过光学显微镜随时间监测，并通过基于显微同步加速器的技术（X 射线荧光、X 射线衍射）进行化学和结构表征。和 X 射线吸收光谱）。此外，通过 X 射线透射测量对沉淀物进行量化可提供原位腐蚀速率。我们说明了 pH 8 电解质中铁腐蚀的这种设置，揭示了 O2 和铁扩散在控制水铁矿沉淀及其向针铁矿转变中的关键作用。因此，可以在金属-电解质界面上以微米级分辨率监测并从根本上研究腐蚀和耦合反应传输过程。这种毛细管装置对于各种金属和环境的原位腐蚀研究具有潜在的应用。

从晶体结构学习原子

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 计算物理

作者： Andrij Vasylenko, Dmytro Antypov, Sven Schewe, Luke M. Daniels, John B. Claridge, Matthew S. Dyer, Matthew J. Rosseinsky

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02292v1

摘要： 使用机器学习、机器学习和历史数据对材料进行计算建模已成为材料研究不可或缺的一部分。用于描述成分、结构和化学元素的数值表示的选择对计算建模的效率有很大影响。结构控制着性能，但通常只有候选材料的成分可用。现有的元素描述符缺乏对结构见解的直接访问，例如元素的协调几何形状。在这项研究中，我们引入了局部环境诱导的原子特征（LEAF），它将晶体结构中原子的统计上优选的局部配位几何形状的信息合并到化学元素的描述符中，从而能够将材料仅建模为成分，而不需要了解其晶体结构。在晶体结构中，每个原子位点都可以通过与常见局部结构图案的相似性来描述；通过聚合经过实验验证的无机材料晶体结构的这些相似特征，LEAF 制定了一组化学元素和成分的描述符。 LEAF 与局部配位几何结构的直接连接使得能够分析 ML 模型属性预测，将成分与底层结构-属性关系联系起来。我们展示了 LEAF 在基于结构的成分属性预测、以结构术语绘制化学空间以及优先考虑元素替代方面的多功能性。基于后者预测二元离子化合物的晶体结构，LEAF 达到了 86% 的最先进准确率。这些结果表明，本工作中开发的化学元素和成分的结构信息描述可以有效指导发现新材料的合成工作。

超薄范德华晶体 Fe$_{3+x}$GaTe$_2$ 中高于室温的本征铁磁性

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Gaojie Zhang, Jie Yu, Hao Wu, Li Yang, Wen Jin, Bichen Xiao, Wenfeng Zhang, Haixin Chang

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02259v1

摘要： 二维 (2D) 范德华 (vdW) 磁体对于超紧凑自旋电子学至关重要。然而，到目前为止，还没有 vdW 晶体在二维超薄区域表现出可调谐的高于室温的本征铁磁性。在这里，我们报告了超薄 vdW 晶体 Fe$_{3+x}$GaTe$2$ ($x$ = 0 和 0.3) 中可调谐的室温以上本征铁磁性。通过增加 Fe 含量，块状 Fe${3+x}$GaTe$2$ 晶体的居里温度 (TC) 和室温饱和磁化强度分别从 354 K 提高到 376 K，从 43.9 emu/g 提高到 50.4 emu/g 。值得注意的是，3 nm Fe${3.3}$GaTe$2$ 中强大的反常霍尔效应表明其 TC 达到创纪录的 340 K，室温垂直磁各向异性能量高达 6.6 * 10^5 J/m $^3$，优于其他超薄 vdW 铁磁体。第一原理计算揭示了超薄 Fe${3+x}$GaTe$_2$ 中的不对称态密度和额外的大自旋交换相互作用，导致了强大的本征铁磁性和更高的 Tc。这项工作为 vdW 集成自旋电子学中的室温以上超薄二维磁体打开了一扇窗。

超晶格声子在量子点阵列电荷局域化中的作用

分类： 化学物理, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Bokang Hou, Matthew Coley-O'Rourke, Uri Banin, Michael Thoss, Eran Rabani

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02188v1

摘要： 半导体量子点 (QD) 组件因其独特的物理和光学特性而被用于太阳能电池和光捕获设备。最近的实验通过直接连接量子点，成功地精确合成了量子点分子、阵列和组件。这些系统表现出高载流子迁移率，同时保留了各个 QD 组件的光学特性。然而，尽管在制造这些超结构方面取得了进步，但仍然缺乏对微观水平上电荷转移过程的全面理解。在这里，我们从理论上研究了有限一维 CdSe-CdS 核壳 QD 阵列上的电子转移动力学，其中 $N_{\rm dot}=2,3, \cdots$ QD。使用半经验赝势方法计算了 QD 阵列的电子和振动特性，并使用混合量子经典映射方法研究了电子转移动力学。我们发现，随着 $N_{\rm dot}$ 的增加，超晶格弯曲和对称拉伸模式可以显着地局域化非绝热区域中的电子转移，特别是当量子点之间的连接颈很窄时，导致大值的电荷局域化$N_{\rm 点}$。当连接量子点的颈部较宽时，这种行为在绝热极限下有很大不同，这种模式可以促进电子转移，部分由退相干时间控制。因此，电子和超晶格耦合之间的相互作用对于设计基于量子点超晶格的高迁移率器件和避免电荷局域化至关重要。

深入理解Bi$_2$O$_2$Se/SrTiO$_3$超薄异质结中的能带排列和界面态场景

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Ke Zhang, Yusen Feng, Lei Hao, Jing Mi, Miao Du, Minghui Xu, Yan Zhao, Jianping Meng, Liang Qiao

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02182v1

摘要： 氧硒化铋（Bi$_2$O$_2$Se）是一种新型准二维带电半导体，被誉为下一代半导体器件的最佳新兴平台之一。最近开发各种 Bi$_2$O$_2$Se 异质结的努力在电子和光电子领域产生了广泛的潜在应用。然而，深入了解能带排列，尤其是界面动力学仍然具有挑战性。在这项工作中，利用高分辨率X射线光电子能谱仪（HRXPS）对能带排列进行了全面的实验研究，并且还充分讨论了界面态的性质。结果表明，在 SrTiO$_3$（TiO$_2$（001）端接）上生长的超薄膜 Bi$_2$O$_2$Se 表现出具有价带偏移（VBO）的 I 型（跨能隙）能带排列。约为 1.77\pm0.04 eV，导带偏移 (CBO) 约为 0.68\pm0.04 eV。然而，进一步考虑界面态的贡献，由于相当大的内置电场，界面上的能带呈现出人字形结构，这与传统的能带排列显着不同。从这个意义上说，我们的结果为高效电子和光电器件的开发提供了富有洞察力的指导，特别是电荷转移对界面态高度敏感的器件。

十二角形半导体准晶体中的现场可调谐谷耦合和局域化

分类： 材料科学, 光学

作者： Zhida Liu, Qiang Gao, Yanxing Li, Xiaohui Liu, Fan Zhang, Dong Seob Kim, Yue Ni, Miles Mackenzie, Hamza Abudayyeh, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Chih-Kang Shih, Eslam Khalaf, Xiaoqin Li

发布时间： 2024-08-05

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02176v1

摘要： 准晶体的特点是原子排列具有长程有序性，无周期性。范德华（vdW）双层提供了一个独特的机会来可控地改变两层之间的原子排列，从周期性莫尔晶体到非周期性准晶体。在这里，我们揭示了十二边形 WSe2 准晶体中独特原子排列的显着结果：不同层中的 K 和 Q 谷通过高阶 Umklapp 散射在动量空间中任意接近。适度的垂直电场足以引发强烈的层间 K-Q 杂化，表现为新的杂化激子双峰。同时，我们观察到三重子共振的消失，并将其归因于准晶势驱动的局域化。我们的研究结果强调了不通约系统的显着属性，可以使任何一对动量非常接近，从而为山谷工程引入一个新颖的方面。

量子自旋霍尔$α$-$T_{3}$系统拓扑相变的Floquet工程

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Kok Wai Lee, Mateo Jalen Andrew Calderon, Ching Hua Lee, Xiang-Long Yu, Pei-Hao Fu, Yee Sin Ang

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02093v1

摘要： 由高频时间周期场驱动的拓扑相变的 Floquet 工程是实现不同于静态的新物质拓扑相的一种有前途的方法。在这里，我们从理论上研究了由非共振圆偏振光驱动的量子自旋霍尔 $\alpha$-$T_{3}$ 系统中的 Floquet 工程拓扑相变。除了具有多个螺旋（手性）边缘态的量子自旋（反常）霍尔绝缘体相之外，预计还会出现自旋极化拓扑金属相，其中一个自旋子带的体拓扑带隙与其他无间隙自旋子带重叠。乐队。此外，在交错势的情况下，系统的拓扑不变量取决于中能带是否因粒子空穴对称性破缺而被占据。我们的工作强调了 Floquet 工程在 $\alpha$-$T_{3}$ 晶格中实现新拓扑相的重要性。

具有主动学习功能的自主扫描探针显微镜中的专家知识科学探索 (SEEK)

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Utkarsh Pratiush, Hiroshi Funakubo, Rama Vasudevan, Sergei V. Kalinin, Yongtao Liu

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.02071v1

摘要： 显微镜技术在材料科学、生物学和纳米技术中发挥着至关重要的作用，提供高分辨率成像和对纳米级和原子级特性的详细见解。显微镜实验的自动化与机器学习方法相结合，是一项革命性的进步，提供了更高的效率、可重复性和执行复杂实验的能力。我们之前使用扫描探针显微镜（SPM）进行自主实验的工作展示了使用深度内核学习（DKL）进行结构-性质关系发现的主动学习框架。这种方法已在各种显微镜技术中展示了广泛的应用。在这里，为了解决基于 DKL 的工作流程的局限性，我们开发了将先验知识和人类兴趣融入基于 DKL 的工作流程的方法，并在 SPM 中实现了这些工作流程。通过整合结构库或光谱特征的预期奖励，我们提高了自主显微镜的探索效率，展示了自主显微镜中更高效、更有针对性的探索。我们展示了这些方法在 SPM 中的应用，但我们建议这些方法可以无缝应用于其他显微镜和成像技术。此外，该概念可以适用于广泛的自主实验领域的材料发现中的一般贝叶斯优化。

具有巨电流的二维拓扑铁电金属

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Liu Yang, Lei Li, Zhi-Ming Yu, Menghao Wu, Yugui Yao

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01982v1

摘要： 对“铁电金属”的追求，结合了看似不相容的自发电极化和金属性，一直在孜孜不倦地进行，但仍然难以捉摸。与具有宽带隙的传统铁电体不同，铁电（FE）金属可以自然地结合费米能级附近的非平凡能带拓扑，从而赋予它们额外的奇异特性。在这里，我们展示了第一性原理证据，证明金属 PtBi2 单层是一种固有的二维 (2D) 拓扑有限元金属，其特征是面外极化和适度的转换势垒。此外，它表现出拓扑上非平凡的电子结构，Z2不变量等于1，从而产生显着的FE体光伏效应。轻微的应变可以进一步将这种效果增强到显着的水平，远远超过之前报道的 2D/3D 有限元材料。我们的工作为实现本征单层拓扑有限元金属迈出了重要的一步，并为未来的非线性光学器件铺平了一条有希望的道路。

透明 $β$-TeO$_2$ 中的固有缺陷和 $p$ 型掺杂性：第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Vu Thi Ngoc Huyen, Soungmin Bae, Rafael Costa-Amaral, Yu Kumagai

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01939v1

摘要： 尽管$\beta$-TeO$_2$由于光学间隙大（$\sim$ 3.7 eV）和光有效空穴质量而成为一种有前途的$p$型透明导电氧化物（TCO），但其空穴掺杂性仍然存在未经探索。在这项工作中，使用带隙调谐混合参数的 HSEsol 泛函研究了 $\beta$-TeO$_2$ 的电子结构及其点缺陷。我们的计算表明 $\beta$-TeO$_2$ 在基本带隙和光学带隙之间表现出显着差异，因为较低能量的光学跃迁是偶极子禁止的。此外，它具有较低的孔有效质量，尤其是在平面内。点缺陷计算表明$\beta$-TeO$_2$本质上是绝缘体。根据对三价掺杂剂和氢的系统计算，Bi 掺杂被认为是受主掺杂剂的最佳候选。这项工作为$p$型$\beta$-TeO$_2$的材料设计铺平了道路。

折纸结构的动态行为：计算和实验研究

分类： 材料科学, 混沌动力学

作者： Sudheendra Herkal, Satish Nagarajaiah, Glaucio Paulino

发布时间： 2024-08-04

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01889v1

摘要： 折纸结构因其可展开性、多稳定性、负刚度等独特性能而受到工程和科学研究人员的广泛关注。然而，由于缺乏验证，折纸结构的动态特性尚未得到充分探索。分析动态建模方法。鉴于折纸结构的一系列有趣的特性和应用，研究折纸结构的动态行为非常重要。在这项研究中，提出了一种考虑分布式质量建模的折纸结构动态建模方法，该方法有可能成为一种可推广的方法。在所提出的方法中，使用杆和铰链建模方法对刚度进行建模，而使用质量分布方法对质量进行建模。通过将不同几何条件、载荷和边界条件以及变形模式的响应与有限元方法响应进行比较，研究了各种候选质量分布方法。据观察，具有三角形外心质量分布的动态建模方法能够令人满意地一致地捕获大部分动态。随后，制造了 Miura-ori 样本，并通过实验确定其自由振动响应，然后与分析模型的预测进行比较。比较表明，分析模型能够捕获纵向的大部分动态。

增材制造弥散强化合金中氧化物结构的溶解区模型

分类： 材料科学

作者： Wenyuan Hou, Timothy Stubbs, Lisa DeBeer-Schmitt, Yen-Ting Chang, Marie-Agathe Charpagne, Timothy M. Smith, Aijun Huang, Zachary C. Cordero

发布时间： 2024-08-03

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01845v1

摘要： 详细考虑了激光粉末床熔化过程中弥散强化高温合金中氧化物的结构演变。通过对掺杂不同浓度的 Y2O3 和 Al 的模型合金 Ni-20Cr 进行参数研究，评估了合金化学和工艺参数对氧化物结构的影响。本文介绍的熔池内质量和动量传输的尺度分析表明，扩散结构演化机制在纳米级弥散体中占主导地位，而流体力和平流对较大微米级夹渣来说变得重要。这些发现被发展成弥散体结构演化理论，将扩散过程的定量模型（弥散体溶解、成核、生长、粗化）与熔池内流体块的时间-温度轨迹的降阶模型相结合。单道熔炼中弥散体尺寸的计算揭示了熔轨中心的一个区域，氧化物原料在该区域中完全溶解。在该区域内，最终的 Y2O3 尺寸与原料尺寸无关，并由成核和生长动力学决定。如果相邻熔体轨迹的溶解区域彼此充分重叠以溶解打印过程中形成的或粉末原料中存在的大氧化物，则整个构建体积的分散体结构是均匀的并且与溶解区域内的单次通过的分散体结构相匹配。相邻溶解区之间的间隙导致氧化物积聚成较大的夹渣。使用该溶解区模型对最终弥散体尺寸和炉渣形成的预测与当前的实验数据相匹配，并解释了公开文献中推测的过程-结构联系。

哈夫尼亚的铁电性：纳米级稳定性的起源

分类： 材料科学

作者： Xin Li, Guodong Ren, Haidong Lu, Kartik Samanta, Amit Kumar Shah, Pravan Omprakash, Yu Yun, Pratyush Buragohain, Huibo Cao, Jordan A. Hachtel, Andrew R. Lupini, Miaofang Chi, Evgeny Y. Tsymbal, Alexei Gruverman, Rohan Mishra, Xiaoshan Xu

发布时间： 2024-08-03

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01830v1

摘要： 由于氧化铪基材料中铁电性与硅技术的兼容性，铁电性的发现增强了将铁电性纳入先进电子产品的潜力。然而，理解为什么这些材料违背了纳米级铁电有序度降低的普遍趋势，以及稳定铁电相（二氧化铪相图中不存在）的机制，对铁电性的传统知识提出了重大挑战。在这项工作中，我们证明了在（111）取向的氧化钇稳定氧化锆上，10％La掺杂HfO2（LHO）的单晶外延薄膜形成了正交铁电相（o-FE，空间群Pca21）（ YSZ）依赖于高压正交反铁电相（o-AFE，空间群Pbca）的稳定性。我们详细的结构表征表明，生长的 LHO 薄膜主要代表通过压缩应变实现热力学稳定的 o-AFE 相。我们的开尔文探针力显微镜研究表明，在机械极化下，o-AFE 相转化为 o-FE 相，在环境条件下保持稳定。我们发现，在更薄的薄膜中，斜方相稳定性增强至一个单元厚度，这一趋势在任何其他铁电薄膜中都是未知的。这是由于 o-AFE 相和同构 LHO/YSZ 界面的去极化场消失，支持超薄膜中的应变增强铁电性。这导致居里温度史无前例地升高至 850°C，这是亚纳米厚铁电体报道的最高温度。总的来说，我们的研究结果为铁电应用的铪基材料的先进工程开辟了道路，并预示着二维极限高温铁电材料的新前沿。

非晶复合氧化物忆阻器件纳米级化学变化的电驱动控制

分类： 材料科学

作者： Wilson Román Acevedo, Myriam H. Aguirre, Diego Rubi

发布时间： 2024-08-03

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01619v1

摘要： 我们的研究表明，在电气操作过程中，非晶复合氧化物忆阻器可能会发生强烈的阳离子偏析。在分析技术的帮助下，我们观察到将电刺激从电压切换到电流可以显着防止纳米级的结构变化和阳离子分离，同时还改善了设备的周期变异性。这些发现可能有助于设计更可靠的基于氧化物的忆阻器，并强调了应用于设备的电刺激类型对其完整性和可靠性的关键影响。

范德华反铁磁-多铁隧道结中磁序相关的巨隧道磁阻​​和电阻

分类： 材料科学

作者： Zhi Yan, Dan Qiao, Wentian Lu, Xinlong Dong, Xiaohong Xu

发布时间： 2024-08-03

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01618v1

摘要： 反铁磁自旋电子学在磁场中表现出超高的运行速度和稳定性，有望实现下一代超高速磁存储。然而，反铁磁-多铁隧道结（AMFTJ）器件的电子输运特性的理论探索在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们设计了一个反铁磁体/铁电势垒/反铁磁体范德华异质结，重命名为vdW AMFTJ，使用双层MnBi$_2$Te$_4$/In$_2$Se$_3$/双层MnBi$_2$Te$_4$ （MBT-2L/IS/MBT-2L）为原型。基于使用非平衡格林函数方法结合密度泛函理论的第一性原理计算，我们从理论上研究了该AMFTJ的自旋分辨电子输运特性。通过操纵结内多层反铁磁 MnBi$_2$Te$_4$ 的各种可能的磁化方向和 In$_2$Se$_3$ 的铁电极化方向，可以显示和操纵十六种不同的非易失性电阻状态通过施加外部双轴应变和偏置电压。我们预测平衡状态下的最大隧道磁阻（电阻）值为 $3.79\times10^{4}$% ($2.41\times10^{5}$%)，最多可增加到 $5.01\times10^{5}$ % ($4.97\times10^{5}$%) 在外部偏置电压下。此外，我们的AMFTJ还具有完美的自旋过滤效果。我们的结果凸显了 MBT-2L/IS/MBT-2L vdW AMFTJ 在非易失性存储器中的巨大潜力，扩展了反铁磁自旋电子器件的应用途径。

双叶黎曼表面拓扑逆磁电

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子

作者： Ying Zhou, Haoshen Ye, Junting Zhang, Shuai Dong

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01602v1

摘要： 固体中磁性的电场控制，即逆磁电，对于可扩展的节能逻辑器件的应用来说是非常需要的。然而，这不仅是一个技术挑战，也是一个科学悖论，因为原则上电和磁自由度遵循不同的对称规则。尽管过去几十年多铁性材料领域取得了巨大进展，但磁电学的成功仍在路上，迫切需要更多具有概念革命的替代方法。在这里，通过将拓扑概念引入多铁性材料，基于二维磁体中自旋相关的$d-p$杂化机制：GdI$_2$单层，揭示了一种奇异的磁电双叶黎曼表面。在拓扑的保护下，可以通过电循环精确实现$180^\circ$自旋反转，从而产生强大且无耗散的逆磁电函数。这种拓扑磁电性允许通过交流电场对磁化进行非平凡的操纵。在这一类别中，有针对性地设计了更多性能更好的候选材料，为拓扑磁电的潜在应用铺平了道路。

低钴 P2 型钠离子电池正极材料的界面电阻和晶体结构稳定性得到改善

分类： 材料科学

作者： William Rexhausen, Christian Parsons, Uma Garg, Deyang Qu, Prasenjit Guptasarma

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01595v1

摘要： 我们描述了 Na0.67Mn0.625Fe0.25Co0.125O2 (NMFCO)，一种 P2 型钠离子电池正极。我们的组合物中的 Co 含量明显低于早期研究，显示放电容量接近 190 mAhg-1，在 1.5 至 4.3 V 范围内比能量密度超过 500 mWhg-1。该材料还表现出比类似材料更高的结构稳定性。原始相（P63/mmc、P63 (OP4) 或斜方晶系 Cmcm）和所谓的 Z 相之间的这种变化是其他 P2 型阴极（例如 Na0.67Mn0.65Fe0.35O2 (NMFO)）所特有的。我们提出了两种阻抗谱的等效电路模型，以了解具有钠金属阳极的电池中的电化学过程。我们的等效电路建模与初始恒电流斜率的分析相结合，揭示了固体电解质界面处的极化和界面电荷转移电阻的显着降低。我们发现，晶体结构稳定性、较低的内阻、相对较高的比能量密度和改善的电池健康状况的综合效应使这种低钴 P2 型正极组合物成为新型钠离子电池非常有前途的候选材料。

在 MOCVD 系统中使用叔丁基氯原位蚀刻 b{eta}-Ga2O3

分类： 材料科学

作者： Cameron A. Gorsak, Henry J. Bowman, Katie R. Gann, Kathleen T. Smith, Jacob Steele, Debdeep Jena, Darrell G. Schlom, Huili, Xing, Michael O. Thompson, Hari P. Nair

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01574v1

摘要： 在这项研究中，我们研究了使用叔丁基氯 (TBCl) 在金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 系统中对 β-Ga2O3 进行原位蚀刻。我们报告了在较宽的衬底温度、TBCl摩尔流量和反应器压力范围内成功蚀刻异质外延（-201）取向和同质外延（010）取向的β-Ga2O3薄膜。我们确定，可能的蚀刻剂是 HCl (g)，由基板上方流体动力学边界层中的 TBCl 热解形成。蚀刻速率的温度依赖性揭示了两种不同的状态，其特征在于明显不同的表观激活能。提取的表观活化能表明，在低于 ~800°C 的温度下，蚀刻速率可能受到蚀刻产物解吸的限制，而在较高的基板温度下，HCl 的化学吸附限制了蚀刻速率。异质外延(-201)和同质外延(010)β-Ga 2 O 3 的相对蚀刻速率通过表明各向异性蚀刻的表面能之比来观察。对于(010)同质外延薄膜，通过调整蚀刻参数可以获得相对平滑的蚀刻后表面形态。

CrI2 中多铁性和斯格明子出现的第一性原理研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 其他凝聚态物质, 强关联电子

作者： Khimananda Acharya, Kai Huang, Evgeny Y. Tsymbal, Tula R. Paudel

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01568v1

摘要： 最近发现的范德华磁性半导体 CrI2 显示出自旋电子学应用的前景。众所周知，其电子和磁性特性受到电子相关性的强烈影响。在这项工作中，我们采用密度泛函理论计算，其中在现场库仑相互作用 U 中考虑 CrI2 中的电子相关性，U 是使用基于线性响应方法的微扰方法确定的。我们证明，现场库仑相互作用的准确性对于预测 CrI2 的非中心对称正交基态至关重要，它允许铁电性和非零 Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) 相互作用的存在。我们的计算表明，块体 CrI2 的基态沿 z 轴指向的电极化率为 0.15 {\mu}C/cm-2 ，并且随着铁电极化极化切换而改变符号的小 DMI 能量。当Pt插入CrI2双层时，由于其自​​旋轨道耦合强度大和偏心位移大，DMI和偏振增强至0.28 meV/公式单元和0.63 {μC/cm-2。这种增强的 DMI 产生了 N'eel 斯格明子，其旋向性由铁电极化控制。我们的工作有助于基于斯格明子的存储设备中位的创建和操作。

少纳米粒子链的磁动力学

分类： 材料科学, 应用物理, 经典物理学

作者： Thinh Q. Bui, Samuel D. Oberdick, Frank M. Abel, Michael J. Donahue, Klaus N. Quelhas, Cindi L. Dennis, Thomas Cleveland, Yanxin Liu, Solomon I. Woods

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01561v1

摘要： 近年来，人们对外部场驱动的纳米粒子组装体的理解和应用越来越感兴趣。尽管与非相互作用的系统相比，这些系统可以表现出明显的行为转变，但事实证明，将它们的动力学与潜在的物理机制联系起来，甚至在现实的实验条件下验证地建立它们的结构，通常都具有挑战性。我们研究了胶体氧化铁纳米颗粒，它们在振荡和脉冲磁场的影响下组装成有序的、少颗粒的线性链。冷冻电镜已用于对振荡驱动场形成的结构进行快速冷冻和成像，磁弛豫测量已用于提取与短链磁切换相关的多个时间常数。借助冷冻电镜的物理结构和磁性测量的场相关切换时间，我们进行了广泛的微磁模拟，揭示了跨越 10^{9}$ 时间的每个时间常数区域的可能机制，以及切换如何从个体发展而来粒子到整个链。这些类型的磁性纳米材料在生物医学技术，特别是磁性粒子成像和热疗方面具有巨大潜力，对其物理原理的严格阐明将加速其优化。

使用具有合成数据和图像范围置信度评分的深度学习模型加速领域感知电子显微镜分析

分类： 计算机视觉和模式识别, 材料科学

作者： Matthew J. Lynch, Ryan Jacobs, Gabriella Bruno, Priyam Patki, Dane Morgan, Kevin G. Field

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01558v1

摘要： 机器学习（ML）模型的集成提高了显微镜特征检测的效率、可负担性和可靠性，但其发展和适用性因依赖稀缺且经常有缺陷的手动标记数据集以及缺乏领域意识而受到阻碍。我们通过创建基于物理的合成图像和数据生成器来解决这些挑战，从而形成一个机器学习模型，该模型可实现相当的精度 (0.86)、召回率 (0.63)、F1 分数 (0.71) 和工程属性预测 (R2=0.82)到经过人类标记数据训练的模型。我们通过使用特征预测置信度分数来导出图像范围的置信度度量来增强这两个模型，从而实现简单的阈值处理以消除模糊和域外图像，从而将性能提升 5-30%，滤除率提高 25% 。我们的研究表明，合成数据可以消除人类对机器学习的依赖，并在需要对每个图像进行许多特征检测的情况下提供领域感知的方法。

无稀土永磁体非磁性基质中铁磁纳米颗粒的交换相互作用与磁形状各向异性之间的相互作用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Shouvik Sarker, Md Mahadi Rajib, Radhika Barua, Jayasimha Atulasimha

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01550v1

摘要： 开发具有较少关键元素的永磁体需要通过可视化磁化反转来了解磁滞效应和矫顽力。在这里，我们对顺磁/非磁性基质中纳米级铁磁夹杂物的几何形状进行了数值研究，以了解最大化此类纳米复合材料系统磁能积的关键因素。具体来说，我们考虑了 3 微米 x 3 微米 x 40 纳米尺寸的矩阵，考虑到铁磁夹杂物厚度小于模拟横向尺寸的 3.33%，这是一个足够大的体积二维表示。使用这种代表体行为同时易于计算模拟的方法，我们系统地研究了铁磁条的厚度、非磁性基体材料导致的铁磁条之间的间隔以及这些铁磁条的长度对磁性的影响。通过模拟每个几何形状的磁滞回线图来计算矫顽力和剩磁。此外，我们研究了磁反转的基本微磁机制，以了解有助于顺磁/非磁性材料基质中的铁磁纳米复合材料系统获得最大磁能密度的因素。在这项研究中，我们使用了示例性铝镍钴合金系统的材料参数，这是一种不含稀土的热稳定纳米复合材料，在不需要大能量产品的应用中，它有可能取代高强度 NdFeB 磁体。这可以刺激利用此类纳米复合材料系统制造和大规模制造无稀土粉末冶金的进一步实验工作。

含氮表面配体导致 N$_2$ 在金属氧化物纳米晶体上光固定的假阳性：实验和理论研究

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Daniel Maldonado-Lopez, Po-Wei Huang, Karla R. Sanchez-Lievanos, Gourhari Jana, Jose L. Mendoza-Cortes, Kathryn E. Knowles, Marta C. Hatzell

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01371v1

摘要： 许多常用于制备具有精确纳米级特征的纳米颗粒催化剂的配体都含有氮（例如油胺）；在这里，我们发现在金属氧化物纳米颗粒催化剂的合成过程中使用含氮配体极大地影响了光催化研究过程中的产物分析。我们通过混合密度泛函理论计算材料的电子特性来证实这些实验结果，以评估它们作为氮还原光催化剂的可行性。通过仔细设计排除含氮成分的合成途径，可以避免这种氮配体污染以及随后对光催化研究的干扰。这一结果凸显了仔细评估催化剂合成方案的迫切需要，因为含氮配体的污染可能会被忽视，因为氮的存在通常未被检测或探测到。

使用多尺度渐近法进行金属轧制的全厚度建模

分类： 材料科学, 经典物理学, 74H10 (Primary), 74C99, 74-10

作者： Mozhdeh Erfanian, Edward James Brambley, Francis Flanagan, Doireann O'Kiely, Alison O'Connor

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01347v1

摘要： 提出了一种新的金属轧制过程半解析模型，并根据有限元模拟进行了验证。该模型概括了冷轧的经典板坯法，并且首次能够预测长纵横比辊缝中存在的全厚度应力和应变振荡。该模型基于多尺度渐近法，系统假设了细长的辊缝和相对较小的库仑摩擦系数。首阶解仅在辊缝长度 $\hat{\ell}$ 的长尺度上变化，并且与板坯理论相匹配。下一阶修正在工件厚度 $2\hat{h}_0$ 的长长度尺度和短长度尺度上都不同，并揭示了轧制方向和全厚度上的快速应力和应变振荡。对于这个初始推导，模型假设刚性完美塑性材料行为。尽管有这些强有力的假设，但该模型与使用真实弹性和硬化材料模型的有限元模拟相比效果良好。这些假设有助于建立最简单的模型，以提供对有限元模拟中观察到的复杂全厚度行为的基础理解，同时只需要几秒钟的时间即可完成计算。补充材料中提供了用于评估模型的 Matlab 代码。

载有致密纳米颗粒的聚合物复合材料闪烁体光产额增强的起源

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学

作者： Irene Villa, Angelo Monguzzi, Roberto Lorenzi, Matteo Orfano, Vladimir Babin, František Hájek, Karla Kuldová, Romana Kučerková, Alena Beitlerová, Ilaria Mattei, Hana Buresova, Radek Pjatkan, Václav Čuba, Lenka Prouzová Procházková, Martin Nikl

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01340v1

摘要： 在需要具有大信噪比的高速探测器的高级应用中需要快速发射聚合物闪烁体。然而，它们的低密度意味着高能辐射的阻止能力较弱，因此光输出和灵敏度有限。为了增强其性能，聚合物闪烁体可以装载致密纳米粒子（NP）。我们通过光致发光和闪烁光谱研究了一系列聚合物闪烁体的特性，将标准闪烁体与装载致密二氧化铪 (HfO2) 纳米粒子的复合系统进行比较。纳米复合材料的闪烁产率提高了+100%，而时间响应不变。我们首次解释了这种效应，指出了纳米粒子在与电离辐射相互作用时产生发射态的局部效应。所得结果表明，快速共轭发射体与光学惰性致密纳米粒子的耦合可以超越纯聚合物闪烁体的实际极限。

适用于低温应用的大面积近场热光伏

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Jennifer Selvidge, Ryan M. France, John Goldsmith, Parth Solanki, Myles A. Steiner, Eric J. Tervo

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01295v1

摘要： 热光伏技术是将热红外光子转换为电能的设备，为各种关键的可再生能源技术（包括热能存储、废热回收和直接太阳能热发电）提供了关键途径。然而，传统的远场设备难以在较低温度下产生合理的功率。近场热光伏发电通过利用光子隧道效应提供了获得更高功率的途径。在这里，我们展示了一种采用外延共制造方法创建的大面积近场热光伏器件，该器件由具有 150 nm 间隙的自支撑 0.28 cm2 发射极-电池对组成。该器件在 460°C 时产生 1.22 mW，比在远场配置中测量的相同电池增加了 25 倍。此外，近场器件在所有测试温度下都表现出大于远场光电流极限的短路电流密度，证实了光子隧道效应在性能增强中的作用。建模提出了电池改进和进一步提高功率密度的几个实用方向。这些结果凸显了近场热光伏发电的前景，特别是对于低温应用。

Displacive Jahn--NaNiO 中的泰勒转变$_2$

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Liam Agostino Vincenzo Nagle-Cocco, Annalena R. Genreith-Schriever, James M. A. Steele, Camilla Tacconis, Joshua D. Bocarsly, Olivier Mathon, Joerg C. Neuefeind, Jue Liu, Christopher A. O'Keefe, Andrew L. Goodwin, Clare P. Grey, John S. O. Evans, Sian E. Dutton

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01267v1

摘要： 低于 Jahn-Teller 转变温度 $T_\mathrm{JT}$，NaNiO$_2$ 具有单斜层状结构，由共享边缘的 NaO$_6$ 和 Jahn-Teller 扭曲的 NiO$6$ 八面体的交替层组成。在 $T\mathrm{JT}$ 上方，其中 NaNiO$2$ 为菱形，衍射测量显示不存在协同 Jahn-Teller 畸变，同时伴随着晶胞体积的增加。使用中子全散射、固态核磁共振 (NMR) 和扩展 X 射线吸收精细结构 (EXAFS) 实验作为结构的局部探针，我们找到了位移的直接证据，而不是有序无序 Jahn-Teller在 $T\mathrm{JT}$ 处转换。 \textit{ab initio} 分子动力学 (AIMD) 模拟支持这一点。据我们所知，这项研究首次利用局部探测技术的直接观察来显示任何材料中的位移扬-泰勒转变。

在金属表面人工构建有机自由基近藤链：重费米子量子临界性的新模型系统

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： En Li, Bimla Danu, Yufeng Liu, Huilin Xie, Jacky Wing Yip Lam, Ben Zhong Tang, Shiyong Wang, Fakher F. Assaad, Nian Lin

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01236v1

摘要： 重费米子量子临界性是一个极其丰富的研究领域，它代表了理解近藤击穿跃迁所导致的奇怪金属的框架。在这里，我们通过金属表面上的有机自由基提供了此类系统的实验实现。有机自由基的基态是克莱默双峰，可以通过自旋 1/2 自由度进行建模。利用表面合成和扫描隧道显微镜 (STM) 尖端操作，人们可以可控地设计和表征 Au(111) 表面上的有机自由基链。空间分辨的微分电导揭示了位置相关的低能激发，这支持了新兴的多体近藤物理学的图景。使用量子蒙特卡罗模拟，我们表明金属表面上自旋链的近藤晶格模型准确地再现了实验结果。这使我们能够用低于相干温度的重费米子金属来解释实验结果。我们预见这些系统的可调谐性将为实现重费米子临界性的量子模拟器铺平道路。

随机合金的精确平均多体原子间相互作用模型

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Max Hodapp

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01216v1

摘要： 了解随机合金变形机制的物理起源需要了解它们的平均行为，并且同样重要的是了解平均值周围局部波动的作用。随机合金的材料特性可以使用随机配置的直接模拟来计算，但有些特性非常难以计算，对于其他特性，甚至没有完全理解如何使用随机采样来计算它们，特别是多个缺陷之间的相互作用能。为此，我们开发了一个原子模型，对原子间势的水平进行平均。然后，绕过了通过随机采样求平均值的问题，因为计算随机配置上的材料属性减少为计算单晶（平均合金）上的材料属性。我们开发了线性机器学习原子间势类的平均模型。为此，使用高阶统计工具，我们根据特征向量的平均张量积推导了平均多体每原子能量的解析扩展，该特征向量与原子邻域的大小呈线性缩放。为了避免形成由特征向量乘积组成的高阶张量，我们开发了一种使用等变张量网络势的实现，其中特征向量在取平均值之前被收缩为小尺寸张量。我们表明，我们的平均模型预测了 NbMoTaW 中熵合金中的致密螺旋位错核心结构，与密度泛函理论一致，而不是预测人工极化核心的最先进的平均嵌入原子方法势。因此，我们预计我们的模型将有助于理解材料性能的机械起源和开发随机合金机械性能的预测模型。

LSMO/Pt 双层系统中意外弱吉尔伯特阻尼的起源

分类： 材料科学

作者： Pritam Das, Pushpendra Gupta, Seung-Cheol Lee, Subhankar Bedanta, Satadeep Bhattacharjee

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01209v1

摘要： 我们研究了 La${0.7}$Sr${0.3}$MnO$3$ (LSMO) 和 La${0.7}$Sr${0.3}$MnO$3$/Pt (LSMO) 中的吉尔伯特阻尼/Pt) 使用第一原理计算和 Wannier 插值技术的异质结构。我们的工作受到最近的实验观察的启发，该观察结果显示，与参考单层 LSMO 薄膜相比，LSMO/Pt 薄膜中的吉尔伯特阻尼更小，尽管人们期望前者的自旋泵浦效应会增强。我们分析了电子结构和输运行为，发现 LSMO 薄膜具有高自旋霍尔角 ($|{\theta{\mathrm{SH}}}|$)。然而，在 LSMO/Pt 中，铂的存在显着增加了纵向电导率，从而降低了 $|\theta{\mathrm{SH}}|$。尽管 $|\theta_{\mathrm{SH}}|$ 较低，但由于自旋扩散长度较大，LSMO/Pt 对吉尔伯特阻尼表现出显着的抗阻尼贡献。相比之下，具有较大 $|\theta_{\mathrm{SH}}|$ 的纯 LSMO 薄膜由于通过自感逆自旋霍尔效应 (ISHE) 进行有效的自旋到电荷转换而表现出更高的阻尼，如最近的实验。最后，这项工作证明，通过微调自旋霍尔电导率与纵向电荷电导率的比率，即使在自旋轨道耦合较弱的情况下，也可以设计具有所需自旋电荷或电荷自旋转换效率的异质结构。

用于收集环境射频能量的纳米级自旋整流器

分类： 材料科学

作者： Raghav Sharma, Tung Ngo, Eleonora Raimondo, Anna Giordano, Junta Igarashi, Butsurin Jinnai, Shishun Zhao, Jiayu Lei, Yong-Xin Guo, Giovanni Finocchio, Shunsuke Fukami, Hideo Ohno, Hyunsoo Yang

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01160v1

摘要： 使用环境无线能量的射频采集可用于减少电子设备的碳足迹。然而，环境射频能量较弱（小于-20 dBm），并且热力学限制和高频寄生阻抗限制了最先进射频整流器的性能。基于磁隧道结的纳米级自旋整流器最近表现出高灵敏度，但其交流-直流电压较低。转换效率（小于1%）。在这里，我们报告了一种灵敏的自旋整流器整流天线，可以收集 -62 至 -20 dBm 之间的环境射频信号。我们还开发了一种基于片上共面波导的自旋整流器阵列，具有高零偏置灵敏度（约 34,500 mV/mW）和高效率（7.81%）。由压控磁各向异性驱动的自参数激励是有助于自旋整流器阵列性能的关键机制。我们证明这些自旋整流器可以以 -27 dBm 的射频功率为传感器无线供电。

PSP-GEN：通过深度生成概率建模对材料设计中的过程-结构-性能链进行随机反转

分类： 材料科学, 数学物理, 数学物理

作者： Yaohua Zang, Phaedon-Stelios Koutsourelakis

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01114v1

摘要： 逆向材料设计是材料科学的基石挑战，在许多行业都有重要的应用。反转结构-性能 (SP) 联系来识别具有目标性能的微结构的传统方法常常忽视生产工艺的可行性，导致微结构可能无法制造。要同时实现所需的性能和可实现的制造流程，就必须颠倒整个工艺-结构-性能 (PSP) 链。然而，这项任务充满了挑战，包括整个建模链的随机性、微观结构和工艺参数的高维性以及反问题固有的不适定性。本文提出了一种名为 PSP-GEN 的新颖框架，用于面向目标的材料设计，通过使用深度生成模型对整个 PSP 链进行建模，有效解决了这些挑战。它采用两组连续的、微观结构和属性感知的潜在变量，其中第一组提供了捕获微观结构生成的随机方面的低维表示，而第二组是与处理参数的直接链接。这种结构化的低维嵌入不仅简化了高维微观结构数据的处理，而且还促进了基于梯度的优化技术的应用。该方法的有效性和效率在两相材料的逆向设计中得到了证明，其目标是设计具有目标有效渗透率的微观结构。我们在涉及有限训练数据的挑战性环境、没有可用训练数据的目标属性区域以及工艺参数和微观结构具有高维表示的设计任务中比较了最先进的替代方案。

基于双层石墨烯的超陡坡低温场效应晶体管

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： E. Icking, D. Emmerich, K. Watanabe, T. Taniguchi, B. Beschoten, M. C. Lemme, J. Knoch, C. Stampfer

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01111v1

摘要： 低温场效应晶体管 (FET) 为广泛的应用提供了巨大的潜力，最著名的例子是量子信息处理器的经典​​控制电子器件。在后一种情况下，低功耗的片上 FET 是至关重要的要求。反过来，这需要毫伏范围内的工作电压，而这只有在具有超陡亚阈值斜率的器件中才能实现。然而，在基于体材料的传统低温金属氧化物半导体 (MOS) FET 中，由于 MOS 接口处的无序和带电缺陷，实验上实现的逆亚阈值斜率在几 mV/dec 左右饱和。基于二维材料的 FET 提供了一种有前途的替代方案。在这里，我们表明，基于封装在六方氮化硼和石墨栅极中的 Bernal 堆叠双层石墨烯的 FET 在 0.1 K 时表现出低至 250 ${\mu}$V/dec 的反亚阈值斜率，接近玻尔兹曼极限。这一结果表明，在没有体相界面的范德华异质结构中，可以有效抑制能带拖尾，从而在低温下实现优异的器件性能。

使用化学机械核壳模型缓慢电压弛豫硅纳米颗粒

分类： 材料科学, 应用物理, 化学物理

作者： Lukas Köbbing, Yannick Kuhn, Birger Horstmann

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01106v1

摘要： 硅作为锂离子电池的高容量负极材料具有广阔的前景。高锂化能力伴随着巨大的体积变化和有问题的电压滞后，导致效率降低、有害的热量产生和复杂的充电状态估计。在慢循环期间，非晶硅纳米粒子表现出比弛豫期之后更大的电压滞后。有趣的是，电压松弛至少几天，到目前为止还没有物理解释。我们在核壳几何结构中应用化学机械连续体模型，将其解释为被固体电解质界面覆盖的硅颗粒，以解释滞后现象。硅核在每个循环中都会脱锂，而覆盖壳则处于化学惰性。壳的粘弹塑性行为解释了循环期间和松弛后的电压滞后。我们确定了对数电压弛豫，它符合已建立的加罗法洛粘度定律。我们的化学机械模型描述了观察到的电压滞后现象，并且优于经验 Plett 模型。除了完整模型之外，我们还提供了简化模型，以便轻松估计电压曲线。所提出的结果支持了核壳模型对硅电压迟滞的机械解释，并鼓励进一步努力研究硅阳极力学。

+SSLIP：根据 DIC 数据对复杂的 HCP 滑移系统活动场进行自​​动氡辅助和旋转校正识别

分类： 材料科学

作者： T. Vermeij, G. Slokker, C. J. A. Mornout, D. König, J. P. M. Hoefnagels

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01087v1

摘要： 金属和合金中晶体滑移的识别对于理解和改善其机械行为至关重要。最近，引入了一种新颖的滑移系统识别框架，称为 SSLIP（基于滑移系统的局部塑性识别），从传统的基于轨迹的识别跃升至利用完整变形运动学的自动化逐点识别。使用与微观结构相关的变形数据，SSLIP 在每个 DIC 数据点将测量的面内位移梯度张量与多个滑移系统活动的最佳组合的运动学相匹配。 SSLIP 已在 FCC 和 BCC 金属的虚拟和实验案例研究中得到应用并被证明是成功的。然而，对于更先进和各向异性的 HCP 晶体结构，所有滑移系统的完整识别更具挑战性，对自动化和灵活性造成了限制。在这里，我们提出了对 SSLIP 框架的重大扩展，旨在自动识别 HCP 的滑动系统。 SSLIP方法（以下简称+SSLIP方法）的主要扩展包括（i）使用Radon变换预选滑移系统，（ii）通过同时识别局部弹性旋转来增强测量的刚体旋转场，（iii）识别每个数据点的两个最佳匹配滑移系统，以及（iv）处理具有无法区分的面内位移梯度张量的滑移系统的程序，产生具有所有特征的完整滑移系统活动图每种颗粒的滑动系统。由此产生的客观识别方法不依赖于例如施密德因子来选择哪个滑移系统在每个点处于活动状态。我们展示了如何在锌多晶涂层的虚拟和真实实验中成功识别来自多个滑移系列的滑移系统。

拓扑半金属NiTe的分子束外延生长与掺杂调制$_2$

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Liguo Zhang, Dapeng Zhao, Xiangyang Liu, Junwen Lai, Junhai Ren, Qin Wang, Haicheng Lin, Yan Sun, Katsumi Tanigaki

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.01029v1

摘要： 在这项研究中，利用分子束外延 (MBE) 技术制备了拓扑半金属相 NiTe$_2$ 的高质量薄膜，并通过具有明显劳厄振荡的 X 射线衍射证实了这一点。电传输实验表明，厚膜具有与块体材料相似的特性。通过采用共沉积，我们在薄膜的生长过程中引入了磁性或非磁性元素，显着改变了它们的电性能。值得注意的是，磁性元素 Cr 会诱导长程铁磁有序化，从而在 NiTe2 薄膜中观察到显着的反常霍尔效应。霍尔电导率在远低于居里温度的情况下几乎保持恒定，表明与能带结构的固有拓扑性质的相关性。理论第一性原理能带计算支持通过磁性掺杂在材料中生成外尔半金属态。这些发现为探索更具磁性的Weyl半金属材料以及基于拓扑半金属材料的相关低维量子器件铺平了道路。

高质量原子薄且原子平坦 Bi$_2$O$_2$Se 薄膜的可控快速生长

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yusen Feng, Pei Chen, Nian Li, Suzhe Liang, Ke Zhang, Minghui Xu, Yan Zhao, Jie Gong, Shu Zhang, Huaqian Leng, Yuanyuan Zhou, Yong Wang, Liang Qiao

发布时间： 2024-08-02

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00976v1

摘要： 作为一种新颖且有前途的二维材料，硒氧化铋（Bi$_2$O$_2$Se）由于其独特的物理性质（如高对称性、可调节的电子结构、超高电子迁移率。然而，在精确控制下将 Bi$_2$O$_2$Se 薄膜快速生长到几个原子层仍然是一个重大挑战。在这项工作中，系统地研究了通过脉冲激光沉积（PLD）方法生长二维（2D）Bi$_2$O$_2$Se薄膜。通过控制温度、氧压、激光能量密度和激光发射频率，我们成功地在SrTiO3（001）表面制备了原子级薄且平坦的Bi$_2$O$_2$Se（001）薄膜。重要的是，我们为理解原子薄且扁平的 Bi$_2$O$_2$Se 薄膜的生长过程提供了基本且独特的视角，并且生长过程可主要概括为四个步骤：i）各向异性非自发成核优先沿着台阶根； ii) 单层 Bi$_2$O$_2$Se 纳米片在周围区域扩展，并最终覆盖整个 STO 基底步骤； iii) Bi$_2$O$_2$Se 单层在 2D Frank-van der Merwe (FM) 外延生长中的垂直生长，以及 iv) 采用逐层 2D FM 生长模式，最终产生原子级平坦且外延排列薄膜。此外，结晶质量、表面形貌和化学状态的综合结果表明高质量Bi$_2$O$_2$Se薄膜在可控且快速的模式下成功PLD生长。

原子薄半导体中激子的声子屏蔽

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Woncheol Lee, Antonios M. Alvertis, Zhenglu Li, Steven G. Louie, Marina R. Filip, Jeffrey B. Neaton, Emmanouil Kioupakis

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00924v1

摘要： 原子薄半导体，包括二维材料和量子阱，由于几何限制而表现出激子效应的显着增强。因此，这些材料已成为探索和利用激子的基础平台。最近的从头算研究表明，声子可以充分屏蔽块体半导体中的电子-空穴相互作用，并强烈改变激子的性质。虽然原子薄半导体的激子性质已成为广泛理论研究的主题，但声子屏蔽对原子薄结构中激子的作用仍未得到探索。在这项工作中，我们通过从头计算 GW-Bethe-Salpeter 方程计算证明，声子屏蔽可以对原子薄半导体中的光学激发产生重大影响。我们进一步表明，声子屏蔽的程度可以通过结构工程来调整。我们专注于嵌入 AlN 中的原子薄 GaN 量子阱，并识别周围材料 AlN 中的特定声子，这些声子通过筛选极大地改变了单层 GaN 中最低的激子。我们的研究为原子薄半导体中结构特性、声子特性和激子特性之间的相互作用提供了超越标准模型的新直觉，并对未来的实验具有影响。

第 5 族过渡金属二碲化物 $M$Te$_2$ ($M$ = V, Nb, Ta) 的电子图景：具有局部键和平带的多晶相

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Natsuki Mitsuishi, Kyoko Ishizaka

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00915v1

摘要： 第 5 族过渡金属二碲化物 $M$Te$_2$ ($M$ = V、Nb、Ta) 是独特的 CdI$_2$ 型层状材料，具有独特的准一维层内超结构，称为带链以及 $M$ 原子的蝴蝶状簇。在这篇综述文章中，我们试图根据我们最近的角度分辨光电子能谱（ARPES）研究和第一性原理计算来系统地了解它们的电子能带结构。我们强调了在动量空间中形成反常平带的局域类分子轨道键的作用，并证明了它们如何影响费米表面各向异性、晶体结构的相稳定性以及在某些情况下的重要拓扑性质。我们还阐述了可以在这些材料中实现的新颖量子现象的未来前景。

Ti$_2$N 和 Ti$_3$N$_2$ MXene 电子化合物中准原子结构的限制

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Chandra M. Adhikari, Dinesh Thapa, Talon D. Alexander, Christopher K. Addaman, Shubo Han, Bishnu P. Bastakoti, Daniel E. Autrey, Svetlana Kilina, Binod K. Rai, Bhoj R. Gautam

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00897v1

摘要： 早期过渡金属的金属碳化物、氮化物或碳氮化物（更广为人知的名称是 MXene）具有显着的结构、电学和磁学特性。通过利用第一原理计算计算结构稳定性、能带结构、态密度、Bader 电荷转移和功函数来分析电子结构，我们发现氮化钛 Mxenes，即 Ti$_2$N 和 Ti$_3$N$_2$，晶格内的伪原子结构中有多余的阴离子电子，使它们成为 MXene 电子化合物。块状 Ti$_3$N$_2$ 具有竞争性的反铁磁 (AFM) 和铁磁 (FM) 配置，且 AFM 配置稍稳定，而 Ti$_2$N MXene 是非磁性的。尽管 Ti$_3$N$_2$ 有利于具有 $6/mmm$ 点群对称性的六方晶体系统的 AFM 配置，但 Ti$_3$N$_2$ 不支持交变磁性。 Ti$_3$N$_2$ MXene 的单层是铁磁电子化合物。氮化钛MXene电子结构中具有非核间隙阴离子电子的这些独特性质尚未在文献中报道。密度泛函理论计算表明 TiN 既不是电子化合物、MXene 也不是磁性的。

蜂窝状反铁磁体 BaCo2(AsO4)2 中热导率的结垢行为和巨场增强

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Jiayi Hu, Peter Czajka, Ruidan Zhong, R. J Cava, N. P. Ong

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00873v1

摘要： 层状蜂窝材料 BaCo$2$(AsO$4$)$2$ (BCAO) 引起了人们的广泛关注，因为它的磁性状态与 Kitaev 磁体 $\alpha$-RuCl$3$ 的磁性状态相关。利用热传输来探测磁激发如何与声子相互作用，我们发现面内磁场 ${\bf H}$ 中的热导率 $\kappa{xx}$ 异常大幅增强。就在 N'{e}el 温度 $T{\rm N}$ 之上，13 T 的磁场使 $\kappa{xx}$ 增加了一个因子 ($\sim 211$)，比之前报告的要大得多任何磁绝缘体。有趣的是，$\kappa{xx}(H,T)$ 在围绕有序之字形状态的整个磁无序区域中表现出缩放行为。

使用基础原子模型预测热导率

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Balázs Póta, Paramvir Ahlawat, Gábor Csányi, Michele Simoncelli

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00755v1

摘要： 机器学习的最新进展催生了原子材料化学的基础模型，有可能以降低的计算成本实现原子间力的量子精确描述。这些模型通过在大型数据库中预测材料特性来进行基准测试；然而，这些计算密集型测试仅限于与谐波声子相关的基本量，从而导致复杂的、技术上和实验上相关的非谐波热传导特性的可靠性存在不确定性。在这里，我们提出了一个自动化框架，它依赖于基础模型来计算微观振动特性，并在维格纳热传输公式中使用它们来预测具有任意成分和结构的固体的宏观导热率。我们将此框架与基础模型 M3GNet、CHGNet、MACE-MP-0 和 SevenNET 应用于 103 种不同的化合物，将预测与第一原理参考进行比较，并引入基于电导率的基准指标。该框架为物理感知、准确预测振动和热性能以及发现违反半经典玻尔兹曼输运且具有卓越隔热或热电性能的材料铺平了道路。

用于纳米级增材制造的液滴限制电镀：铜纳米线生长初始阶段的电流控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Mirco Nydegger, Ralph Spolenak

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00660v1

摘要： 液滴限制电沉积能够精确沉积三维、纳米级和高纯度的金属结构。它渴望制造复杂的微电子器件、超材料、等离子体结构和功能化表面。然而，液滴限制电沉积的一个主要障碍是目前缺乏对过程的控制，这是由于其动态性质和所涉及液滴的纳米尺寸。沉积电流本身就是沉积过程中明显且实时的窗口。因此，分析了液滴限制沉积期间的电流。系统地评估成核和生长动力学。我们的结果表明不同的沉积方式并将电流与沉积铜的体积和形态联系起来。这样可以优化电镀策略并校准 3D 结构受控沉积所需的切片算法。选择合适溶剂的潜力进一步使这项新技术能够可靠地沉积亚微米分辨率的功能结构。

原子团簇扩展潜力的超参数优化

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Daniel F. Thomas du Toit, Yuxing Zhou, Volker L. Deringer

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00656v1

摘要： 基于机器学习的原子间势能够在延长的时间和长度尺度上进行精确的材料模拟。基于原子簇扩展 (ACE) 框架的机器学习潜力最近在这方面表现出了有希望的性能。在这里，我们描述了一种很大程度上自动化的计算方法来优化 ACE 潜在模型的超参数。我们扩展了公开可用的 Python 包 XPOT，以包含 ACE 拟合接口，并基于对相关超参数的系统扫描来讨论这些模型的函数形式和复杂性的优化。我们展示了该方法在两个示例系统中的实用性：硅的共价网络和相变材料 Sb${2}$Te${3}$。更一般地说，我们的工作强调了超参数选择在高级机器学习潜在模型开发中的重要性。

量子无序有序：理解 BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$ 磁相的关键

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Sangyun Lee, Shengzhi Zhang, S. M. Thomas, L. Pressley, C. A. Bridges, Eun Sang Choi, Vivien S. Zapf, Stephen M. Winter, Minseong Lee

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00622v1

摘要： BaCo$_2$(AsO$_4$)$2$ (BCAO) 是一种蜂窝状钴酸盐，被认为是显示基塔耶夫量子自旋液态材料的有希望的候选者。这一假设基于八面体晶体环境中 Co$^{2+}$ 离子 (3$d^7$) 的独特特征，从而产生自旋轨道耦合 $J{\rm eff}$= 1/2 双态。然而，最近的实验观察和理论分析对这一假设提出了质疑。尽管存在这些不确定性，有关连续激发（类似于自旋激发）的报告促使人们进行进一步的研究。在本研究中，我们采用直流和交流磁化率、电容和扭矩磁力测量来探索 BCAO 在面内和面外磁场下的磁相。我们的结果证实了多个场感应磁相的存在，并且面内场和面外场之间的相边界具有强各向异性。为了阐明这些相的性质，我们开发了一个最小各向异性交换模型。该模型在第一原理计算和理论建模相结合的支持下，定量地再现了我们的实验数据。在 BCAO 中，强键无关 XXZ 各向异性和几何挫败的结合导致无序效应产生显着的量子有序性，从而在零磁场和有限磁场下稳定共线相。

通过双层磁系统控制雷达吸收的改善

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Jaume Calvo-de la Rosa, Jesús López-Sánchez, Joan Manel Hernàndez, Pilar Marín, Javier Tejada

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00604v1

摘要： 这项工作通过创建功能双层系统，实验报告了在远场真实雷达条件下反射损耗的大幅增加（从 25 到 35 dB）以及吸收带宽高达 20%。每层由复合材料组成，通常是填充有磁性实体（粉末或电线）的介电基体。将两种类型的材料组合成双层结构，与以前的每层吸收相比，微波吸收能力得到了前所未有的提高。随机磁体制造薄宽带吸收器的潜力也得到了证明。改善屏蔽性能的能力与每层的介电常数、磁导率和厚度密切相关。这为隐形应用的新型材料的设计提供了强有力的控制。

金属玻璃的脆性由其在从脆到强的转变温度下的状态决定

分类： 材料科学

作者： Achraf Atila, Sergey V. Sukhomlinov, Marc J. Honecker, Martin H. Müser

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00536v1

摘要： 通常以连续变化的冷却速率来研究冷却对一般玻璃，特别是块状金属玻璃 (BMG) 脆性的影响；与较高的冷却速率相比，较慢的冷却速率会导致玻璃更硬、更硬且更脆。这些协议掩盖了玻璃可能经历的任何潜在不连续性，具体取决于其微观结构是否类似于易碎或坚固的玻璃形成液体。在这里，我们使用大规模分子动力学来模拟模型 BMG (Zr${0.6}$Cu${0.3}$Al${0.1}$) 的纳米压痕行为，该模型是通过从高于和低于脆到强的转变温度 $T\textrm{fst}$，分别导致脆玻璃和强玻璃。虽然从压痕模拟推导出的接触模量随熔体淬火温度 $T_\text{q}$ 平稳变化，但塑性响应随着 $T_\text{q}$ 通过 $T_\ textrm{fst}$.特别是，与易碎玻璃相比，坚固的玻璃会形成具有成熟剪切带的高度不对称的流动剖面。定量差异不仅可以通过正式的冯·米塞斯定位参数分析来揭示，还可以通过使用预先训练的人工智能模型对流动模式进行图像分析来揭示。此外，我们的压痕几何形状看似不稳定的流动剖面产生了令人惊讶的可重复性，因此具有确定性特征。其他类别的玻璃形成体在多大程度上遵循我们的观察仍有待确定，即当熔体在玻璃化转变温度下失去平衡时，脆性程度受到熔体是脆还是强的显着影响。

使用投影增强波法进行密度泛函理论计算的快速且可扩展的基于有限元的方法

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Kartick Ramakrishnan, Sambit Das, Phani Motamarri

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00504v1

摘要： 在这项工作中，我们提出了一种计算高效的方法，该方法利用以有限元（FE）为基础离散化的投影增强波（PAW）方法的局部实空间公式，以实现精确的大规模电子结构计算。这是通过 PAW 方法将底层全电子 DFT 问题转换为涉及更平滑电子场的形式以及系统收敛的高阶有限元基础的潜力以实现显着计算增益的能力的协同作用来实现的。特别是，我们采用高阶求积规则来准确评估涉及 PAW 原子数据的积分，从而允许在电子场中使用更粗糙的有限元网格。此外，我们还开发了有效的计算策略，通过采用切比雪夫滤波子空间迭代方法来计算每个自洽场迭代中所需的本征谱，来解决底层 FE 离散 PAW 广义本征问题。这些策略利用 FE 基础重叠的低阶扰动来反转 FE 离散 PAW 重叠矩阵，并结合利用离散 PAW 哈密顿量和重叠矩阵的局部和非局部部分的 FE 单元级结构。使用所提出的方法，我们对涉及周期性和非周期性系统的各种代表性示例的准确性和性能进行了基准测试，并使用最先进的基于平面波的 PAW 实现。此外，对于包含约 35,000 个电子的大型系统，我们还展示了相对于最先进的平面波基础的显着计算优势。与范数守恒赝势相比，我们的方法 (PAW-FE) 显着降低了达到所需精度所需的自由度，从而能够以较低的计算成本进行大规模 DFT 模拟。

Jahn--单分子泰勒畸变的底物稳定性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Moritz Frankerl, Laerte L. Patera, Thomas Frederiksen, Jascha Repp, Andrea Donarini

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00478v1

摘要： 通过交替充电扫描隧道显微镜探测了吸附在 Cu(111) 上 NaCl 绝缘层上的单个铜酞菁分子的电荷态转变。电子跃迁的真实空间成像揭示了在形成第一和第二阴离子电荷态时发生的Jahn-Teller畸变。实验结果通过理论多体模型合理化，该模型强调了基底所发挥的关键作用。后者增强并稳定了拥有一对简并单粒子前沿轨道的带负电分子的固有扬-泰勒畸变。因此，发现两个多余的电子在基态下占据相同的定域轨道，尽管库仑斥力比竞争的离域电子配置的库仑斥力更大。还预测通过改变所施加的偏置电压来控制充电顺序。

释放热电势：半霍斯勒合金的机器学习堆叠方法

分类： 材料科学, 计算物理, 00:General, J.2; I.2.0

作者： Vipin K. E, Prahallad Padhan

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00466v1

摘要： 采用集成建模方法，特别是使用随机森林和 XGBoost 方案集成的堆叠模型来预测 Half Heusler 合金的热电性能。该研究利用包括热导率、塞贝克系数、电导率和品质因数 (ZT) 在内的多样化数据集，证明了堆叠模型的卓越预测性能，优于具有高 R2 值的单个基础模型。温度、平均共价半径和每个原子吉布斯能量的平均偏差等关键特征成为关键影响因素，突出了它们在优化热电行为中的关键作用。堆叠模型中随机森林和 XGBoost 的统一有效地捕捉了细微的关系，提供了对 Half Heusler 合金热电性能的全面了解。这项工作推进了热电领域的预测建模，并为战略材料设计提供了宝贵的见解，为提高热电应用的效率和性能铺平了道路。集成建模框架，加上富有洞察力的特征选择和细致的工程设计，为未来追求高性能热电材料的研究奠定了坚实的基础。

六方金刚石硅中的受主和施主杂质水平

分类： 材料科学

作者： Marc Túnica, Alberto Zobelli, Michele Amato

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00451v1

摘要： 六方金刚石硅 (2H-Si) 表征的最新进展表明，与常见的立方金刚石 (3C) 多型体相比，这种材料具有显着不同的结构、电子和光学特性。有趣的是，尽管分析了广泛的物理性质，但迄今为止还没有研究调查 2H-Si 中的杂质能级。在这里，我们提出从头算 DFT 模拟的结果，以描述 p 型和 n 型替代掺杂对六方金刚石 Si (2H-Si) 结构和电子性能的影响。我们首先详细分析给定的杂质如何根据主晶相呈现不同的局部对称性。然后，通过研究中性和带电掺杂剂，我们仔细估计了 2H-Si 中的施主和受主跃迁能级，并将其与立方金刚石 (3C) 情况进行比较。就受主而言，2H-Si 中的形成能始终较低，并且与 3C-Si 相比更浅的电荷跃迁能级相关。另一方面，施主更喜欢立方相，并且其跃迁能比 2H-Si 更小。最后，通过采用基于 2H/3C 能带偏移图的简单模型，我们证明了我们研究结果的物理有效性，并展示了如何使用空穴来稳定 2H-Si 相。

二维范德华系统中的滑动柔性电

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ri He, Hua Wang, Fenglin Deng, Yuxiang Gao, Binwen Zhang, Yubai Shi, Run-Wei Li, Zhicheng Zhong

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00445v1

摘要： 二维滑动铁电体具有独特的堆叠自由度，提供了一种通过层间滑动来操纵极化的不同方法。弯曲滑动铁电体不可避免地会导致层间滑动运动，从而改变堆叠顺序和极化特性。在这里，通过使用机器学习力场，我们研究了弯曲变形对滑动铁电双层 h-BN 和 3R-MoS2 的几何形状、堆叠、能量和极化的影响。我们预测，当弯曲角度超过临界值时，弯曲的铁电双层会形成不可逆的扭结而不是电弧。我们证明扭结源于弯曲能和层间范德华能之间的竞争。扭结包含一个铁电畴壁，可以反转极化，有效地诱导挠曲电效应。我们将这种现象称为“滑动挠曲电”，以将其与传统的应变梯度引起的挠曲电区别开来。

高压下非中心对称EuRhGe3的同步辐射X射线衍射和DFT研究

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： N. S. Dhami, V. Balédent, I. Batistić, O. Bednarchuk, D. Kaczorowski, J. P. Itié, S. R. Shieh, C. M. N. Kumar, Y. Utsumi

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00410v1

摘要： 反铁磁金属间化合物EuRhGe3以非中心对称BaNiSn3型(I4mm)结构结晶。我们通过在室温下使用同步加速器粉末 X 射线衍射研究了其压力依赖性晶体结构。我们的结果表明，通过施加压力，晶胞体积会平滑收缩，同时保持 I4mm 对称性。在高达 35 GPa 的压力下未观察到结构转变。通过状态方程拟合分析，确定其体积模量和压力导数分别为73（1）GPa和5.5（2）。此外，与同构 EuCoGe3 类似，观察到 a 和 c 晶格参数的各向异性压缩。我们的实验结果表明，与低于 13 GPa 的理论计算所预期的压力相关结构演化非常吻合。实验体积数据似乎小于较高压力下的 DFT 计算值，反映出与整数 Eu 价态的强烈偏差。

锂掺杂四面体热电材料结构和键合性能的第一性原理计算

分类： 材料科学

作者： Krzysztof Kapera, Andrzej Kolezynski

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00404v1

摘要： 四面体（铜锑磺盐）由于其固有热导率非常低和功率因数较高，是一种很有前途的 p 型热电材料，其局限性之一是缺乏用于制造热电发电机的 n 型变体。本文通过 DFT 计算研究了结构空隙中掺杂 Li 的四面体 LixCu12Sb4S13 (0 <= x <= 3)。形成焓表明，将 Li 引入 6b 和 24g 位点在能量上是有利的。这些位置的掺杂剂对 Cu(12e) 的行为有不同的影响，并且引起的局部紊乱的程度也不同。电荷密度的拓扑分析将四面体分类为具有一定程度共价相互作用的闭壳离子系统。添加Li会增加键应变并降低结构稳定性。电子能带结构表明，当 x>2.0 时，材料变为 n 型，但结果对于结构是否可合成并没有精确的结论，这应该通过实验来确定。

散射波包的二阶非局域位移：古斯-汉兴效应和安伯特-费多罗夫效应可以测量什么？

分类： 光学, 材料科学, 核理论, 量子物理学

作者： K. Morawetz

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00375v1

摘要： 分析了表面上具有任意能量色散的波包的散射。将散射位移扩展到二阶，发现除了已知的 Goos-H"anchen 或 Imbert-Fedorov 空间偏移以及 Wigner 延迟时间之外，还出现了新的动量和频移。此外，散射波包也会发生变化，这会导致多次散射导致脉冲收缩。 -费多罗夫位移可以访问纵向和横向介电函数。相对于散射光束完美对齐的晶体对称轴没有显示出安伯特-费多罗夫效应。研究发现，对于均质材料，不存在 Goos-H"anchen 效应和 Imbert-Fedorov 效应。相反，发现维格纳延迟时间和时间脉冲宽度的收缩允许访问独立于光束几何形状的介电函数。

由不变线约束创建的多铁性微观结构

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Satyakam Kar, Yuki Ikeda, Kornelius Nielsch, Heiko Reith, Robert Maaß, Sebastian Fähler

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00364v1

摘要： 铁质材料可实现多种新兴应用，并且当铁磁和铁电特性与一阶铁弹性转变耦合时，可以实现最佳功能特性。在块状材料中，这种一阶转变涉及不变的习惯平面，连接共存相：奥氏体和马氏体。理论预测这个平面应该会聚成薄膜中的一条线，但缺少实验证据。在这里，我们分析了独立式外延磁性形状记忆薄膜的马氏体和磁性微观结构。我们表明，马氏体微观结构是由使用两相晶格参数作为唯一输入的不变线约束确定的。这种线约束解释了大多数可观察到的特征，这些特征与块状薄膜和约束薄膜有根本的不同。此外，这种有限尺寸效应通过多铁性耦合产生了显着的棋盘磁畴图案。我们的研究结果强调了有限尺寸效应在多铁性材料中的决定性作用。

外尔节环铁磁体 Mn5Ge3 中大反常霍尔效应与拓扑磁斯格明子的共存

分类： 材料科学

作者： Hang Li, Feng Zhou, Bei Ding, Jie Chen, Linxuan Song, Xuekui Xi, Yuan Yao, Yong-Chang Lau, Yong Jiang, Wenhong Wang

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00363v1

摘要： 拓扑磁性材料由于其动量空间中不寻常的体电子拓扑和真实空间中的拓扑自旋纹理而有望表现出多种输运响应。然而，这种具有多种拓扑特性的材料在自然界中很少见。在这项工作中，我们通过使用电输运和洛伦兹透射电子显微镜 (TEM) 测量，揭示了外尔节点环铁磁体 Mn5Ge3 中大型可调谐反常霍尔效应和拓扑磁性斯格明子的共存。研究发现，当电流沿[120]方向和磁场沿[001]方向时，Mn5Ge3单晶的本征反常霍尔电导率（AHC）可达979.7 S/cm。我们的理论计算表明，大AHC与费米能级附近能带结构中的两个Weyl节环密切相关，并且受到Ge含量的强烈修改。此外，我们的洛伦兹 TEM 图像和微磁模拟结果，以及相当大的拓扑霍尔效应，清楚地表明磁性斯格明子在较宽的温度磁场区域内稳健形成。这些结果证明Mn5Ge3作为一种罕见的磁拓扑节线半金属，对于探索新颖的多重拓扑现象具有重要意义，促进自旋电子学的发展。

金属室温 d 波交流磁体 KV2Se2O 的发现

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子, 超导

作者： Bei Jiang, Mingzhe Hu, Jianli Bai, Ziyin Song, Chao Mu, Gexing Qu, Wan Li, Wenliang Zhu, Hanqi Pi, Zhongxu Wei, Yujie Sun, Yaobo Huang, Xiquan Zheng, Yingying Peng, Lunhua He, Shiliang Li, Jianlin Luo, Zheng Li, Genfu Chen, Hang Li, Hongming Weng, Tian Qian

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00320v1

摘要： 除了传统的铁磁性和反铁磁性之外，交变磁性是最近发现的一种非常规磁相，其特征是净磁化强度为零的材料中的时间反转对称性破缺和自旋分裂能带结构。这种独特的磁相不仅丰富了对基本物理概念的理解，而且对凝聚态物理研究和实际器件应用产生了深远的影响。最近在净磁化强度消失的半导体 MnTe 和 MnTe2 中观察到自旋极化能带结构，证实了这种非常规磁序的存在。金属交变磁体在探索与低能准粒子激发相关的新颖物理现象以及在自旋电子学中的应用方面具有独特的优势，因为金属中的导电性允许通过电场直接操纵自旋电流。在这里，通过对 KV2Se2O 的磁和电子结构的全面表征和分析，我们明确地证明了具有 d 波自旋动量锁定的金属室温交替磁体。交变磁相中出现的高度各向异性自旋极化费米表面和自旋密度波序使其成为设计高性能自旋电子器件和研究与非常规磁性耦合的多体效应的非凡平台。

跨多个长度尺度特征的不变发现：在显微镜和自主材料表征中的应用

分类： 计算物理, 材料科学, 机器学习, 应用物理

作者： Aditya Raghavan, Utkarsh Pratiush, Mani Valleti, Richard Liu, Reece Emery, Hiroshi Funakubo, Yongtao Liu, Philip Rack, Sergei Kalinin

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00229v1

摘要： 物理成像是从凝聚态物理和化学到天文学领域的基本表征方法，涵盖从原子到宇宙的长度尺度。图像封装了有关原子键合、材料微观结构和动态现象（例如微观结构演化和湍流等）的关键数据。挑战在于有效地提取和解释这些信息。变分自动编码器 (VAE) 已成为识别图像数据变化的潜在因素的强大工具，提供了一种从复杂数据集中提取有意义模式的系统方法。然而，其应用中的一个重大障碍是反映局部结构的适当描述符的定义和选择。在这里，我们介绍了基于 VAE 渐进式训练的尺度不变 VAE 方法（SI-VAE），其中描述符在不同长度尺度上采样。 SI-VAE 允许发现系统中与长度尺度相关的变化因素。在这里，我们使用铁电域图像说明了这种方法，并将其推广到石墨烯中电子束感应现象和跨组合库的形貌演化的电影。这种方法可以进一步用于初始化自动化实验中的决策，包括结构特性发现，并且可以应用于广泛的成像方法。这种方法是通用的，可以应用于任何空间分辨数据，包括实验成像研究和模拟，并且对于探索湍流、尺度不变变换前沿等现象特别有用。

狄拉克半金属 PdTe 中点节点超导的特征

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： C. S. Yadav, Sudeep Kumar Ghosh, Pankaj Kumar, A. Thamizhavel, P. L. Paulose

发布时间： 2024-08-01

链接： http://arxiv.org/abs/2408.00216v1

摘要： 最近的角度分辨光发射光谱（ARPES）实验[Phys。莱特牧师。 130, 046402 (2023)]关于 PdTe（一种 3D 狄拉克半金属和转变温度 Tc ~ 4.3 K 的超导体）的研究揭示了超导有序参数中存在体节点的令人信服的证据。为了研究这个命题的有效性，我们在这里详细研究了 PdTe 比热在低至 ~ 58 mK 温度下的磁场依赖性。我们观察到 PdTe 的低温比热在外加磁场下表现出幂律场依赖性，这是非常规超导的特征。此外，零场低温电子比热遵循立方温度依赖性，这是 PdTe 中存在体点节点的标志。这些有趣的观察结果表明，PdTe 是一种罕见且令人着迷的拓扑材料，它表现出狄拉克半金属特性和具有点节点间隙对称性的超导性。