2024-09

根据第一原理散射计算过渡金属中的轨道霍尔效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Max Rang, Paul J. Kelly

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20526v1

摘要： 我们使用基于波函数匹配的第一原理散射计算，并以紧束缚 MTO 为基础实施，以评估 Ti、V、Cr、Cu 和 Pt 金属随温度变化的轨道霍尔电导率 $\sigma_{\rm oH}$引起的晶格无序。这些估计中仅包括轨道角动量的原子间通量；对角动量转移没有贡献的原子内通量被明确排除。发现电阻率和轨道霍尔角都与温度呈线性关系，因此 $\sigma_{\rm oH}$ 至多与温度相关。我们获得的块状 Cr 的 $\sigma_{\rm oH}$ 值为 $ \approx 2 \times 10^3 (\hbar/e) , (\Omega , {\rm cm})^{-1 }$ 大大低于之前获得的理论结果，但与实验吻合良好。以 $10^3 (\hbar/e) (\Omega , {\rm cm})^{-1}$ 为单位，Ti、V 和 Pt 获得的值分别为 $5$、$6$ 和 $7$ 。

通过语言模型根据不确定性筛选用于合成钙钛矿的更安全溶剂

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Arpan Mukherjee, Deepesh Giri, Krishna Rajan

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20512v1

摘要： 准确预测钙钛矿合成中使用的工业溶剂的毒性是一项必要的任务，但由于缺乏有针对性的结构化毒性数据而受到限制。本文提出了一种新颖的框架，该框架结合了使用语言模型的自动数据提取和不确定性预测模型，以填补数据空白并提高预测置信度。首先，我们利用并比较了两种方法，从钙钛矿合成中使用的溶剂的科学文献语料库中自动提取相关数据：较小的双向语言模型（如 BERT 和 ELMo）用于其可重复性和确定性输出，而自回归大型语言模型（ LLM）（例如 GPT-3.5）用于利用其更大的训练语料库和更好的响应生成。我们与大语言模型集成的新颖的“提示和验证”技术旨在有针对性的提取和细化，从而减少幻觉并提高使用大语言模型提取的数据的质量。接下来，提取的数据被输入到我们预先训练的多任务二元分类深度学习中，以预测提取溶剂的 ED 性质。我们使用基于香农熵的不确定性量化，利用从分类模型获得的类概率来量化不确定性并识别预测中的数据差距。这种方法可以为钙钛矿合成中使用的溶剂及其不确定性虚拟毒性评估提供结构化数据集。此外，弦图已用于可视化溶剂相互作用并优先考虑那些具有潜在危险的溶剂相互作用，表明 70% 的溶剂相互作用主要与两种特定的钙钛矿相关。

三轨道 Emery 模型中温度线性散射率的掺杂依赖性

分类： 强关联电子, 材料科学, 超导

作者： Xun Liu, Mi Jiang

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20497v1

摘要： 受最近铜酸盐中线性温度电阻率系数与掺杂依赖性的实验证明的启发，我们通过采用动态数学方法，对三轨道 Emery 模型进行了数值研究，重点关注 $T$ 线性电子和准粒子散射率的斜率集群量子蒙特卡罗模拟。我们的探索发现，电子散射率的斜率随电子掺杂量呈线性变化；而它与中间掺杂状态下的空穴掺杂水平成反比，然后与进一步的空穴掺杂呈线性相关。这些特征在质量上与实验结果非常吻合。我们进一步讨论了准粒子散射率的掺杂相关斜率，并估计了电阻率系数。我们提出的工作为三轨道 Emery 模型提供了有希望的见解，特别是它的掺杂演化以及与铜酸盐中 $T$ 线性电阻率基本机制的联系。

氦原子微衍射作为二维材料的表征工具

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Nick von Jeinsen, Aleksandar Radic, Ke Wang, Chenyang Zhao, Vivian Perez, Yiru Zhu, Manish Chhowalla, Andrew Jardine, David Ward, Sam Lambrick

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20461v1

摘要： 我们将氦原子微衍射作为表征二维材料的理想技术，因为它具有终极的表面灵敏度与亚微米空间分辨率。热能中性氦从表面离子核心上方 2-3A 的价电子密度处散射，使得该技术成为研究二维材料的理想选择，而其他方法由于与少层样品的相互作用横截面较小而难以实现。亚微米空间分辨率是中性原子散射的关键发展，以允许对设备规模的样品进行测量。我们测量了单层 MoS2 上的单层-基底相互作用、热膨胀系数、电子-声子耦合常数和空位型缺陷密度。我们还讨论了所提出方法的扩展，这些方法可以立即在现有仪器上实施，以执行这些材料属性的空间映射。

交变磁力分类

分类： 材料科学

作者： Sang-Wook Cheong, Fei-Ting Huang

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20456v2

摘要： 交变磁体被定义为具有完全补偿的自旋角动量（自旋）和破坏的 PT（P：奇偶校验，T：时间反转，PT：奇偶校验乘以时间反转）对称性的磁态。我们将交替磁体分为三种类型：I 型：破缺 T 对称性和非零净磁矩；II 型：破缺 T 对称性和零净磁矩；以及 Type-III：未破缺 T 对称性和破缺 P 对称性。此外，强交变磁体通过非相对论极限中的交换耦合（即零自旋轨道耦合（SOC））具有自旋分裂带，而弱交变磁体仅在非零 SOC 时具有自旋分裂带。这些强与弱交替磁体可以从对称正交自旋旋转操作的总数中识别出来。这些交变磁体的分类将为未来交变磁体的研究提供重要的指导。

微观力学揭示双相高熵合金中位错机制之间依赖于应变率的转变

分类： 材料科学

作者： Szilvia Kalácska, Amit Sharma, Rajaprakash Ramachandramoorthy, Ádám Vida, Florian Tropper, Renato Pero, Damian Frey, Xavier Maeder, Johann Michler, Péter Dusán Ispánovity, Guillaume Kermouche

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20368v1

摘要： 研究了具有双相均匀成分的等摩尔 NiCoFeCrGa 高熵合金，其中各组成相表现出不同的机械性能。由两种不同热处理的样品制成不同直径的微柱，然后以慢应变速率压缩它们，这揭示了材料对尺寸的有限敏感性。另一方面，观察到在高变形速度下应变率敏感性增加，这根据样品的相组成而有很大不同。通过高分辨率透射电子显微镜和高角分辨率电子背散射衍射研究了两相内的位错。进行的化学分析证实，铸造过程中缓慢冷却会产生富铬沉淀物，这对材料的整体强度有重大影响。

fcc Ni 中的模式相关声子弛豫：来自冻结轨迹激发的分子动力学模拟的见解

分类： 材料科学, 统计力学, 计算物理

作者： Wojciech Marciniak, Joanna Marciniak, José Ángel Castellanos-Reyes, Jan Rusz

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20334v1

摘要： 我们提出了面心立方 (fcc) 镍 (Ni) 声子弛豫的计算研究，重点关注超快磁化动力学。声子被激发超出其热平衡布居，并且弛豫行为被分析为波矢量 ($\vec{q}$) 和声子频率 ($\omega$) 的函数。为了有效地研究这些激励，我们引入了一种轨迹后处理技术，即冻结轨迹激励，它有助于 $(\vec{q},\omega)$ 解析分析。分子动力学模拟与冷冻声子多层方法相结合，预测了可通过时间分辨透射电子显微镜 (TEM) 在 10 - 20 fs 分辨率下观察到的弛豫特征。我们的研究结果表明弛豫过程中存在模式依赖性，强调了超快动力学中声子特定行为考虑的重要性。

金属和超导体上金属有机链中高自旋铁(II)的自旋激发

分类： 材料科学, 超导

作者： Jung-Ching Liu, Chao Li, Outhmane Chahib, Xing Wang, Simon Rothenbühler, Robert Häner, Silvio Decurtins, Ulrich Aschauer, Shi-Xia Liu, Ernst Meyer, Rémy Pawlak

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20312v1

摘要： 金属有机框架中的多体相互作用是新兴量子物理学的基础。与它们的溶液对应物不同，低维类似物表面的磁化强度受到基底引起的磁各向异性的强烈影响，并且仍然没有得到很好的理解。在这里，我们使用表面配位化学，以芘-4,5,9,10-四酮前体作为配体，在Ag(111)和超导Pb(111)上合成铁基自旋链。使用低温扫描探针显微镜，我们比较了它们的结构和具有高 S = 2 自旋态的配位 Fe 原子的低能自旋激发。尽管两种底物上的链和配位中心相同，但在 Ag 上观察到的由于通过配体进行超交换而产生的长程自旋-自旋耦合在 Pb(111) 上不存在。与银相比，我们将 Pb 上自旋-自旋相互作用的减少归因于 Pb(111) 超导体中费米能级周围电子态的耗尽。

基于钉扎平均曲率流的Frank-Read位错源定量模型

分类： 材料科学, 动力系统, 74H15

作者： Thomas Hudson, Filip Rindler, Joshua Rydell

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20294v1

摘要： 这项工作介绍了 Frank-Read 源的定量模型，该模型被认为是晶体材料中位错产生的最重要的微机械机制之一。人们早就知道，这些源在由外部剪切力驱动的重复振荡过程中产生位错。与文献中现有的解释不同，本文介绍的模型仅基于一些简单的物理原理，即由于单滑移面流动规则而产生的线张力和位错运动，以及对线端部的钉扎约束。中心位错线。描述了完整的离散化，包括合适的重新网格划分和“拓扑切割”算法，并讨论了模拟结果。尽管概念简单，但本工作中描述的模型和离散化对弗兰克-里德源的形状和属性产生了非常准确的预测。特别是，如果忽略晶体各向异性，则只有一个无量纲参数控制弗兰克-里德源的动力学。这允许导出关于每个剪切能产生的位错线长度的涌现定律。

三元Ta-Fe(-Al)系C14 Laves和μ相的力学性能及变形机制

分类： 材料科学

作者： Christina Gasper, Elif Merve Soysal, Nisa Ulumuddin, Tobias Stollenwerk, Tom Reclik, Pei-Ling Sun, Sandra Korte-Kerzel

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20284v1

摘要： 作为结构和功能材料，过渡金属化合物的拓扑密堆积 (TC​​P) 相具有多种有吸引力的特性。由于其复杂的晶体结构和由此产生的脆性，有关其机械行为的知识仍然非常有限，特别是在脆性转变温度以下。在本研究中，我们系统地分析了二元 Ta-Fe 系和三元 Ta-Fe-Al 系中成分和晶体结构对机械性能和变形机制的影响，因为这两个系都包含六方 C14 Laves 和mu相。我们使用纳米压痕、滑移痕迹分析和透射电子显微镜来研究晶体结构、成分和晶体取向的影响。成分对二元Ta-Fe体系的压痕模量影响很大，随着Ta含量的增加，压痕模量呈现下降趋势。然而，Al的添加不会导致三元TCP相的机械性能发生显着变化。对变形机制的研究表明，Laves 相主要通过非基面滑移变形，而基面是 mu 相中最有利的滑移面。通过用 Al 部分替代 Fe，塑性不会受到太大影响，但与二元 TCP 相相比，三元 TCP 相的非基础滑移比例略有增加。

铝硅酸盐熔体粘度的通用机器学习模型及其在干燥熔岩行星表面特性中的应用

分类： 地球和行星天体物理学, 材料科学, 机器学习

作者： Charles Le Losq, Clément Ferraina, Paolo A. Sossi, Charles-Édouard Boukaré

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20235v1

摘要： 像 K2-141 b 这样的超短周期系外行星的日照面可能有岩浆海洋，这在行星内部热量的重新分配中发挥着关键作用。这可能会导致温暖的夜间表面，可以通过詹姆斯·韦伯太空望远镜进行测量，从而提供对行星结构的深入了解。粘度等特性的精确模型对于此类研究至关重要，粘度的变化可能有几个数量级。我们提出了一种用于预测熔融岩浆粘度的新模型，适用于多种场景，包括熔岩行星上的岩浆海洋。使用磷铝硅酸盐熔体的 28,898 个粘度测量数据库，涵盖超液相线到过冷温度和高达 30 GPa 的压力，我们训练了一个灰盒人工神经网络，并通过高斯过程进行了改进。该模型实现了高预测精度（RMSE $\approx 0.4 \log_{10}$ Pa$\cdot$s），可以处理从 SiO$_2$ 到多组分岩浆和工业玻璃的成分，考虑到高达 30 GPa 的压力影响成分，例如橄榄岩。应用该模型，我们计算了K2-141 b岩浆海在不同成分下的粘度。相图计算表明，向阳面已完全熔化，极端温度主要控制粘度。距星下点 40{\deg} 半径周围可能存在稀薄大气层（0.1 bar）。在较高的经度处，大气压力下降，并且在 90{\deg} 处，岩浆粘度随着凝固的发生而迅速增加。夜间表面可能是固体，但之前估计的表面温度高于 400 K 意味着地幔部分熔融，通过垂直对流供给地热通量。

UO2 中弹性常数和可能的磁对称变换的高场超声研究

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： E. A. Tereshina-Chitrova, L. V. Pourovskii, S. Khmelevskyi, D. Gorbunov, R. Caciuffo

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20228v1

摘要： 在这项研究中，我们探讨了 UO2 中磁性与晶格动力学之间的耦合，UO2 是一种 3k 反铁磁体，在低于 30.8 K 的尼尔温度 (TN) 时会经历磁有序化。超声波测量可深入了解材料的磁性与晶格振动之间的相互作用。对所施加的高磁场的响应。基于从头计算的超交换相互作用的模型分析预测，磁结构在 50 T 左右时会从 3k 变化到 2k。虽然这种变化在磁化曲线中并不明显，但我们使用相位观察到超声速度 Dv/v 的交叉在高达 65 T 的脉冲磁场中敏感的脉冲回波技术。我们表明，在 Hz > 50 T 时，该结构在 (x, y) 平面中保持反铁磁性，而在 z 方向上变为铁磁性。理论上预测，进一步转变为 1k 结构将在约 104 特斯拉的磁场中发生。

外延Ni-Mn-Ga薄膜快冷后马氏体显微组织的形成

分类： 材料科学

作者： Yuru Ge, Fabian Ganss, Klara Lünser, Satyakam Kar, René Hübner, Shengqiang Zhou, Lars Rebohle, Sebastian Fähler

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20226v1

摘要： 形状记忆合金具有广泛的应用，包括高行程驱动、节能铁冷却和能量收集。这些应用基于可逆马氏体转变，从而产生马氏体状态下的复杂微观结构。了解快速加热和冷却后这种微观结构的形成至关重要，因为高循环频率对于在上述应用中实现高功率密度至关重要。本文使用外延 Ni-Mn-Ga 薄膜作为模型系统来研究马氏体微观结构的形成，因为薄膜的高表面积与体积比能够快速加热和冷却，并且由于形成了多相这种材料系统缓慢冷却过程中的水平分层微观结构已经被很好地理解。我们在 Ni-Mn-Ga 薄膜上施加不同能量密度的毫秒闪光灯脉冲，然后分析分级马氏体微观结构。与缓慢冷却相比，存在显着差异，我们将其归因于微结构形成的可用时间有限以及温度快速变化期间薄膜和基材之间的热应力。

$β$-IrSn$_4$ 中的线性磁阻和 I 型超导

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Nazir Ahmad, Shunsuke Shimada, Takumi Hasegawa, Hiroto Suzuki, Md Asif Afzal, Naoki Nakamura, Ryuji Higashinaka, Tatsuma D. Matsuda, Yuji Aoki

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20221v1

摘要： 使用高质量的模型研究了层状材料 $\beta$-IrSn$4$ ($I4_1/acd$, $D^{20}{4h}$, #142)，其电子带具有强制对称的狄拉克点单晶。它表现出明显的磁阻（LMR）线性场依赖性，目前现有的模型无法解释这一点。磁阻和霍尔电阻率与场角相关的结构可归因于费米表面拓扑；推断存在开放轨道。在超导（SC）转变时，比热跃变在应用领域表现出显着增加，揭示了 I 型 SC 性质。这一特征归因于线性色散多带的高费米速度。为了阐明令人困惑的 LMR 的机制，非常需要对应用领域中这些多频带的拓扑性质进行研究。

粉体球磨：一种减小粒径的能量平衡方法

分类： 材料科学

作者： Stefano Martelli, Paolo Emilio Di Nunzio

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20202v1

摘要： 脆性材料的铣削显示出尺寸减小的下限，低于该下限则无法进一步进行研磨。实验上，最小粒径由研磨介质能量决定，并且与时间无关。适用于精磨的里廷格定律没有考虑任何尺寸下限，导致非物理结果。逐渐抑制磨削效率的阻尼因子已经被建议作为修改。小尺寸铣削力学和材料特性的变化与这种行为有关。在这项工作中，研磨抑制与粉末的比表面能和能量密度之间的能量平衡有关，能量密度计算为研磨介质的动能除以受影响的体积。通过引入能量平衡的概念，粉碎表现为以 JMAK 动力学为特征的相变。已根据已发表的原始数据对该公式进行了验证。

直接带半导体中的光子辅助超快电子空穴等离子体扩展

分类： 材料科学

作者： T. Troha, F. Klimovič, T. Ostatnický, H. Němec, P. Kužel

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20121v1

摘要： 时间分辨太赫兹光谱用于研究强光激发 GaAs 和 InP 中电子空穴等离子体的形成和超快长距离传播。观察到的现象涉及电子空穴系统与光的基本相互作用，这表现为两种不同的状态：一种相干的等离子体传播速度高达 c/10（在 20 K 的 GaAs 中），一种非相干的等离子体传播速度高达 c/10。 /25（InP，20 K），宏观距离均大于 100 微米。我们通过研究这两种材料、随温度调节带隙以及控制与光泵注量的相互作用强度，探索了广泛的实验条件。我们的解释表明，观察到的现象应该发生在大多数直接带半导体中，在低过剩能量的强光激发下。

AlTiNbMoV、AlTiNbTaZr 和 AlTiNbMoCr 难熔复合浓缩合金的相组成：预测与实验的相关性

分类： 材料科学

作者： Jiří Kozlík, František Lukáč, Mariano Casas Luna, Kristián Šalata, Josef Stráský, Jozef Veselý, Eliška Jača, Tomáš Chráska

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20119v1

摘要： 由于可能的成分空间巨大，设计复杂的浓缩合金 (CCA)，也称为高熵合金 (HEA)，需要可靠且易于理解的热力学预测。多年来，已经开发了许多用于相位预测的半经验参数。然而，在本文中，我们表明这些参数都不是各种耐火 CCA 中相含量的可靠指标。 CALPHAD 被证明是一种更强大的相位预测工具，但是该预测面临一些限制。采用混合元素粉末冶金法制备了 AlTiNbMoV、AlTiNbTaZr 和 AlTiNbMoCr 合金。通过扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱和X射线衍射研究了它们的物相和化学组成。除了少量的污染相（Al2O3 和 Ti(C,N,O)）外，AlTiNbMoV 和 AlTiNbMoCr 在 1400 {\deg}C 的均匀化温度下表现出单相固溶体微观结构，而 AlTiNbTaZr 中存在 Al3Zr5 基金属间化合物。合金。没有一个简单的半经验参数能够正确预测所有三种合金中的相含量。 CALPHAD（TCHEA4 数据库）的预测只能以有限的精度预测相位。 TCHEA4 数据库的关键限制是仅评估二元和三元相图，无法预测一些更复杂的相。

可单独寻址的纳米级 OLED

分类： 光学, 材料科学

作者： Cheng Zhang, Björn Ewald, Leo Siebigs, Luca Steinbrecher, Maximilian Rödel, Monika Emmerling, Jens Pflaum, Bert Hecht

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20080v1

摘要： 增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 需要具有超高像素密度的微型显示器。在这里，我们展示了一种基于能够支持等离子体模式的纳米级电极的可单独寻址的亚波长 OLED 像素。我们的方法基于这样的概念：当缩小像素尺寸时，传统有机发光二极管 (OLED) 的 2D 平面几何形状会演变成由尖锐的纳米电极轮廓控制的明显更复杂的 3D 几何形状。这些会导致（i）空间不平衡的载流子传输和重组，导致量子效率低，以及（ii）细丝生长，导致器件快速失效。在这里，我们通过有选择地用绝缘层覆盖尖锐的电极轮廓，同时在电极的平坦区域中利用纳米孔径来避免这种影响。因此，我们确保纳米级的受控载流子注入和复合，并抑制细丝生长。作为原理证明，我们首先展示了纯空穴器件中金纳米电极稳定高效的空穴注入，具有 90% 以上的像素产率和长期运行稳定性，然后展示了具有单独可寻址纳米电极（300 x 300 nm$）的完整垂直 OLED 像素^{2}$），强调了进一步利用等离子体纳米天线效应来增强纳米 OLED 性能和功能的潜力。

扫描探针显微镜中自主尖端诱导的化学反应

分类： 材料科学

作者： Nian Wu, Markus Aapro, Joakim S. Jestilä, Robert Drost, Miguel Martınez Garcıa, Tomas Torres, Feifei Xiang, Nan Cao, Zhijie He, Giovanni Bottari, Peter Liljeroth, Adam S. Foster

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.20014v1

摘要： 扫描探针显微镜（SPM）技术在制造纳米级结构方面显示出巨大的潜力，这些纳米级结构通过对原子和分子的各种操作而获得了奇异的量子特性。然而，选择适当的操作参数需要广泛的领域知识，而这些知识不一定可以转移到新系统。因此，需要高效、自主的 SPM 技术来减少对用户监督的依赖，并学习新系统的最佳策略，特别是应对控制化学反应的挑战。在本文中，我们开发了一种名为 AutoOSS（自主表面合成）的软件基础设施，用于自动从 Au 上的 Zn(II)-5,15-双(4-溴-2,6-二甲基苯基)卟啉 (ZnBr2Me4DPP) 中去除溴。 (111)，使用神经网络模型来解释 STM 输出，并使用深度强化学习模型来优化操作参数。贝叶斯优化结构搜索 (BOSS) 和密度泛函理论 (DFT) 计算进一步支持这一点，以探索基于 STM 图像的 3D 结构和反应机制。

透视：成像原子阶梯几何形状以确定 kagome 材料及其他材料的表面终止

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Guowei Liu, Tianyu Yang, Yu-Xiao Jiang, Shafayat Hossain, Hanbin Deng, M. Zahid Hasan, Jia-Xin Yin

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19921v1

摘要： 本文综述了扫描隧道显微镜对各种类型kagome材料表面测定的研究，包括11型（CoSn、FeSn、FeGe）、32型（Fe3Sn2）、13型（Mn3Sn）、135型（AV3Sb5、 A = K、Rb、Cs）、166 型（TbMn6Sn6、YMn6Sn6 和 ScV6Sn6）和 322 型（Co3Sn2S2 和 Ni3In2Se2）。我们首先证明，不同表面之间的测量台阶高度通常偏离预期值 +-0.4~0.8A，这是由于电子态的隧道卷积效应，对于 Co3Sn2S2 来说是一个严重的问题，其中预期的 Sn-S 中间层距离为0.6A。因此，我们提出了一种作为原子台阶几何成像的表面确定的通用方法，这对于定位台阶和以原子精度成像是基础的，但在实验上也具有挑战性。我们讨论如何使用该方法来解决 Co3Sn2S2 中的表面终止难题。该方法为吸附原子和空位的存在提供了自然的解释，除了使用未知的杂质态之外，我们提出并使用设计者层选择性替代化学标记来确认该方法的有效性。最后，我们应用这种方法来确定新 kagome 材料 Ni3In2Se2（作为 Co3Sn2S2 的表亲）的表面，并在 kagome 层上方确定的 Se 表面上对底层 kagome 几何结构进行成像，从而直接可视化 p-d 杂化物理。我们强调，这种通用方法不依赖于理论，但确定的表面特性可以为第一性原理计算提供指导，并在表面相关的局域密度和准粒子干涉图案上调整参数。

从零温不可逆场估算高温铜酸盐Bi2+xSr2-xCaCu2O8+d上临界场的掺杂依赖性

分类： 超导, 材料科学, 应用物理

作者： Junichiro Kato, Shigeyuki Ishida, Tatsunori Okada, Shungo Nakagawa, Yutaro Mino, Yoichi Higashi, Takanari Kashiwagi, Satoshi Awaji, Akira Iyo, Hiraku Ogino, Yasunori Mawatari, Nao Takeshita, Yoshiyuki Yoshida, Hiroshi Eisaki, Taichiro Nishio

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19887v1

摘要： 我们研究了高临界温度铜酸盐 Bi2+xSr2-xCa1-yYyCu2O8+d (Bi-2212) 单晶在宽范围的空穴掺杂水平 (p) 中不可逆场 Hirr(T) 的温度 (T) 依赖性。 Hirr(T) 通过测量磁滞回线来评估。 Hirr(T) 的值外推至 T = 0 K [Hirr(0)]，等于或设置 T = 0 K [Hc2(0)] 处的上临界场的下边界。 Tc 显示出抛物线 p 依赖性（峰值位于 p = 0.16），而 Hirr(0) 随 p 单调增加大约一个数量级，从最欠掺杂样品的 19 T（p = 0.065，Tc = 24 K）到最过度掺杂的样品为 209 T（p = 0.200，Tc = 75 K）。目前的结果与通过比热测量评估的 Hc2(0) 值定性一致。 Bi-2212 中观察到的 Hirr(0) 的 p 依赖性与 YBa2Cu3O7-d 和 HgBa2CuO6+d 中的 p 依赖性不同，其中在欠掺杂区域出现明显的倾角结构。考虑到在这两个系统中观察到的倾角结构可能与竞争秩序（最有可能是场感应电荷秩序）的形成有关，目前的结果表明 Bi-2212 中竞争秩序的影响不如 Bi-2212 中的竞争秩序的影响显着。其他两个系统。

范德瓦尔斯双层中斯格明子的磁电印记

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子

作者： Zhong Shen, Xiaoyan Yao, Shuai Dong

发布时间： 2024-09-30

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19879v1

摘要： 有效跟踪和操纵拓扑孤子（例如斯格明子）是其应用之前的关键挑战。受滑动铁电性思想的启发，这里提出了一种通用策略，将磁性斯格明子打印到范德华双层中的电斯格明子。通过邻近的相互作用，局部偶极子和自旋矩之间存在等周期双射关系。这种磁电印记效应不仅扩展了创建电斯格明子的策略，而且还带来了一种全电读出/操纵磁斯格明子的方法。

远远超出热极限的可重入结构调制的出现

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Nitish Mathur, Guangming Cheng, Francesc Ballester, Gabrielle Carrel, Vincent M. Plisson, Fang Yuan, Jiangchang Zheng, Caiyun Chen, Scott B. Lee, Ratnadwip Singha, Sudipta Chatterjee, Kenneth S. Burch, Berthold Jäck, Ion Errea, Maia G. Vergniory, Nan Yao, Leslie M. Schoop

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19783v1

摘要： 单一材料可以以不同的状态存在，固体、液体和气体是最常见的例子。在材料中，这些状态可以表现出从原子到宏观长度尺度的周期性结构。传统观点认为，当温度升高超过由热极限定义的临界点时，低对称性周期性结构会转变为高对称性结构。在这项工作中，我们使用原位加热透射电子显微镜证明了二维 TaCo2Te2 纳米片中意外出现的具有重入相的低对称性调制结构，远远超出了其热极限。我们认为熵可以驱动结构调制的再现，这与未失真 TaCo2Te2 中预测的动态结构不稳定性一致，并得到拉曼测量的进一步支持。这些发现不仅揭示了晶体材料中意想不到的相变，而且还提供了在低维系统中创建新型有序相的新途径。

范德华 Cr2Ge2Te6/Hf2Ge2Te6 多铁异质结构中铁电驱动的金属性和磁性斯格明子

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Zheng Chen, Hongliang Hu, Wenjun Zhang, Xiaoping Wu, Ping Li, Changsheng Song

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19748v1

摘要： 二维 (2D) 多铁异质结构利用共存的铁磁 (FM) 和铁电 (FE) 阶次，为先进自旋器件提供了一个有前景的平台。通过第一性原理计算和微磁模拟，我们揭示了Cr2Ge2Te6/Hf2Ge2Te6(CGT/HGT)异质结构中金属丰度和拓扑自旋织构的非易失性控制。值得注意的是，操纵 HGT 中的铁电极化可显着调节 CGT/HGT 的磁各向异性能量 (MAE) 和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI)，将易磁化轴从面内反转为面外。通过分析原子分辨的SOC能量(\Delta Esoc)，发现变化的原因来自于Fert-Levy机制。此外，这种偏振控制能够产生和湮灭双聚子和斯格明子，层间滑动进一步改变磁序。我们的研究结果为二维磁体中的磁电耦合和自旋纹理操纵提供了宝贵的见解，突出了它们在下一代自旋电子和存储设备中的潜力。

低温下双门范德华异质结构的片上太赫兹光谱

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Junseok Seo, Zhengguang Lu, Jixiang Yang, Fangzhou Xia, Shenyong Ye, Yuxuan Yao, Tonghang Han, Lihan Shi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Long Ju

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19726v1

摘要： 范德华异质结构已成为研究相关电子物理和拓扑电子物理的多功能平台。太赫兹范围内的光谱实验至关重要，因为太赫兹光子的能量与相关激发和电荷动力学的能量相匹配。然而，它们的微米尺寸和复杂的（双）门结构对这种测量提出了挑战。在这里，我们在液氦温度下演示了双栅极双层石墨烯器件上的片上太赫兹光谱。为了避免金属栅极不必要的太赫兹吸收，我们开发了一种结合半导体栅极和光控选通的操作方案。这使我们能够测量石墨烯的干净太赫兹响应，而不受门的影响。我们观察到电荷中性处电场引起的带隙打开的太赫兹特征。我们测量了不同电荷密度下的德鲁德电导率并提取了关键参数，包括有效质量和散射率。这项工作为研究双门二维材料中的新涌现现象铺平了道路。

Al(111) 上 3x3-Si 相的表面结构，通过正电子衍射和芯级光电子能谱的多重使用进行研究

分类： 材料科学

作者： Yusuke Sato, Yuki Fukaya, Akito Nakano, Takeo Hoshi, Chi-Cheng Lee, Kazuyoshi Yoshimi, Taisuke Ozaki, Takeru Nakashima, Yasunobu Ando, Hiroaki Aoyama, Tadashi Abukawa, Yuki Tsujikawa, Masafumi Horio, Masahito Niibe, Fumio Komori, Iwao Matsuda

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19666v1

摘要： 通过结合正电子衍射和芯级光电子能谱的数据来检查 Al(111)3x3-Si 表面的结构。衍射摇摆曲线分析表明覆盖层具有平坦的蜂窝晶格结构。通过第一原理计算的Si核级光谱模拟表明，晶胞中的一个Si原子被Al原子取代。因此，表面超结构是 Al(111) 上嵌入 Al 的硅烯的二维层。

基于(Fe$_2$O$_3$)$_n$簇的氨制氢纳米催化剂的理论设计

分类： 原子和分子簇, 材料科学

作者： Sapajan Ibragimov, Andrey Lyalin, Sonu Kumar, Yuriko Ono, Tetsuya Taketsugu, Maciej Bobrowski

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19640v1

摘要： 采用密度泛函理论 (DFT) 框架内的人工力诱导反应 (AFIR) 方法和 B3LYP 混合交换法，研究了高自旋小型 Fe(III) 氧化物通过氨分解有效产氢的催化活性。相关函数。我们的结果表明，NH$_3$ 在 (Fe$_2$O$_3$)$_n$ ($n=1-4$) 上的吸附自由能随着簇尺寸的增加而减小，直至 $n=3$，随后$n=4$ 时略有增加。 Fe$_2$O$_3$ 的 NH$_3$ 吸附能最强，为 33.68 kcal/mol，其中 NH$_3$ 与二配位 Fe 位点相互作用，形成长度为2.11\AA。对各种 Fe(III) 氧化物尺寸的 NH$_3$ 分解和 H$_2$ 形成进行比较分析，确定每个反应的速率决定步骤。我们发现 (Fe$_2$O$_3$)$_n$ ($n=1-4$) 上完整 NH$_3$ 分解的速率决定步骤与大小相关，其中 NH$^{ }$ $\rightleftharpoons$ N$^{}$ + 3H$^{*}$ 反应充当 $n=1-3$ 的限制步骤。此外，我们的研究结果表明，NH$_3$ 在 Fe(III) 氧化物上部分分解后，有利于 H$_2$ 的形成。

布里渊三维实射影空间中的八极拓扑绝缘相

分类： 材料科学

作者： Sichang Qiu, Jinbing Hu, Yi Yang, Ce Shang, Shuo Liu, Tie Jun Cui

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19553v1

摘要： 量子极化理论的最新进展推动了拓扑绝缘体 (TI) 的探索进入高阶系统领域，从而引发了对著名的二维 (2D) 四极和三维 (3D) 八极 TI 的研究。传统上，这些拓扑相与传统布里渊区 (BZ) 的环形拓扑相关。这封信报告了在布里渊 3D 实射影空间 ($\mathbb{RP}^3$) 框架内出现的新型八极拓扑绝缘相的发现。我们从理论上提出了该模型及其相应的拓扑不变量，在拓扑电路框架内通过实验构建了该绝缘体，并将八极绝缘相捕获为电路拐角处的局部阻抗峰值。此外，我们的 $\mathbb{RP}^3$ 电路作为开创性的 3D 模型脱颖而出，可同时展示内在的、与终端无关的对称保护拓扑相 (SPTP) 和外在的、终端相关的边界阻碍拓扑相 (BOTP) ），广泛包含二维表面阻碍拓扑相（SOTP）和一维铰链阻碍拓扑相（HOTP）。我们的结果拓宽了拓扑景观，并为布里渊 $\mathbb{RP}^3$ 流形内的能带理论提供了见解。

材料 X 射线吸收光谱的通用深度学习框架

分类： 材料科学, 人工智能, 机器学习

作者： Shubha R. Kharel, Fanchen Meng, Xiaohui Qu, Matthew R. Carbone, Deyu Lu

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19552v1

摘要： X 射线吸收光谱 (XAS) 是一种强大的表征技术，用于探测吸收原子的局部化学环境。然而，分析 XAS 数据面临着巨大的挑战，通常需要广泛的计算密集型模拟以及重要的领域专业知识。这些限制阻碍了快速、稳健的 XAS 分析流程的开发，而这对于高通量研究和自主实验至关重要。我们通过一套用于 XAS 预测的迁移学习方法来应对这些挑战，每种方法都有助于提高准确性和效率，正如涵盖八种 3d 过渡金属 (Ti-Cu) 的 K 边缘光谱数据库所证明的那样。我们的框架建立在三个不同的策略之上。首先，我们使用 M3GNet 导出吸收位点局部化学环境的潜在表示，作为 XAS 预测的输入，与传统特征化技术相比，实现了数量级的改进。其次，我们采用分层迁移学习策略，在针对特定元素的预测进行微调之前，跨元素训练通用的多任务模型。这种级联方法在逐元素微调后生成的模型比特定元素模型的性能高出 31%。第三，我们实现了交叉保真度迁移学习，采用通用模型来预测通过模拟不同保真度而生成的频谱，其计算成本要高得多。与仅针对目标保真度训练的模型相比，这种方法将预测准确度提高了 24%。我们的方法可扩展到更广泛元素的 XAS 预测，并提供通用的迁移学习框架来增强材料科学中的其他深度学习模型。

自旋晶格的场诱导分区导致的磁化平台

分类： 材料科学, 强关联电子, 81, A.1; B.0; C.0

作者： Myung-Hwan Whangbo, Hyun-Joo Koo, Reinhard K. Kremer, Alexander N. Vasiliev

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19529v1

摘要： 为了寻找描述磁化平台现象的概念图，我们通过探讨以下三个问题，调查了那些在磁化强度与磁场曲线中表现出平台的磁体的晶体结构和自旋晶格：（a）为什么只有某些磁体表现出磁化平台，(b) 为什么会出现几种不同类型的磁化平台，以及 (c) 是什么控制着磁化平台的宽度。我们表明，这些问题的答案在于磁场下的磁体如何吸收塞曼能量，从而改变其磁性结构。磁体绝缘体的磁性结构通常用其自旋晶格来描述，这需要确定磁性离子之间的自旋交换不可忽略的强度。我们的工作强烈表明，磁场下的磁体通过破坏其弱磁键，将其自旋晶格分割成反铁磁（AFM）或亚铁磁碎片。我们关于自旋晶格在场诱导下分割成磁性碎片的假设得到了伊辛磁体的各向异性磁化平台和蓝铜矿中 1/3 磁化平台的高度各向异性宽度的支持。通过分析这些碎片在磁场下是如何形成的，（a）-（c）三个问题的答案自然就出来了。

磷化锰纳米结构薄膜中接近螺旋磁序的巨正磁阻的发现

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Nivarthana W. Y. A. Y. Mudiyanselage, Derick DeTellem, Amit Chanda, Anh Tuan Duong, Tzung-En Hsieh, Johannes Frisch, Marcus Bär, Richa Pokharel Madhogaria, Shirin Mozaffari, Hasitha Suriya Arachchige, David Mandrus, Hariharan Srikanth, Sarath Witanachchi, Manh-Huong Phan

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19519v1

摘要： 磁阻（MR）现象的研究对于推进磁传感器和自旋电子器件至关重要。螺旋磁体为自旋电子学研究提供了一条有趣的途径。理论预测表明，旋磁 (HM) 区域中的 MR 幅度超过铁磁 (FM) 区域中的一个数量级以上。然而，在磷化锰等金属螺旋磁体中，HM 相的 MR 仍然较低（10%），限制了其在 MR 器件中的应用。在这里，提出了一种突破性的方法，通过利用限制和应变效应以及自旋螺旋性，在纳米结构磷化锰薄膜中实现巨大的低场磁流变效应。与在块状磷化锰单晶和大晶粒多晶薄膜中观察到的适度 MR 不同，它们在 FM 区域 (2%) 中表现出较小的负 MR，在 10-300 K 范围内增加到 HM 区域中的 8%，在 FM 到 HM 转变温度 (110 K) 附近发现了巨大的正 MR (90%)，随后在磷化锰纳米晶薄膜中迅速下降到低于 55 K 的负 MR。这些发现阐明了纳米结构螺旋磁体中一种新颖的应变介导的自旋螺旋现象，为通过策略性利用限制和应变效应来开发高性能MR传感器和自旋电子器件提供了一条有前途的途径。

磁各向异性对 Kagome 带链海森堡反铁磁体稳定磁化平台的影响

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Chiara Bruzzi, Jian-Xin Zhu, Yixuan Huang

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19512v1

摘要： 我们研究了 Kagome 带链上反铁磁海森堡模型中磁化平台的各向异性效应。 Kagome 带链海森堡模型由形成五位晶胞的三角形六边形网组成，在施加磁场的情况下表现出四个磁化平台。使用数值密度矩阵重整化群方法，我们发现磁化平台在施加磁场的相同方向上对于各向异性相互作用是稳定的，但在其他方向上的强各向异性相互作用下平台消失。我们进一步用自旋波理论分析了磁高原的稳定性。最低平坦磁振子带的出现及其与各向异性相互作用的演化可以解释磁化平台的鲁棒性，这与我们的数值结果一致。此外，当将两个小腿的相互作用强度调低到临界值以下时，戈薇带链解耦成两个自旋链，这可用于确定强扭曲材料中的有效晶格结构。我们的研究结果增强了对受挫 Kagome 晶格材料中各向异性效应和磁化平台性质的理论理解，这有助于设计和操纵具有定制特性的 Kagome 材料。

来自时间相关密度泛函微扰理论和非线性哈伯德公式的磁振子

分类： 材料科学

作者： Luca Binci, Nicola Marzari, Iurii Timrov

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19504v1

摘要： 自旋激发在理解材料的磁性方面发挥着基础作用，并且对磁振子器件具有重要的技术意义。然而，在过渡金属和稀土化合物中准确建模这些仍然是一个艰巨的挑战。在这里，我们提出了一种基于时间相关（TD）密度泛函微扰理论（DFPT）的完全第一原理方法，使用非共线公式中的哈伯德泛函来计算自旋波谱。与依靠经验哈伯德 $U$ 参数来描述基态和海森堡哈密顿量来描述磁激发的方法不同，这里开发的方法直接探测动态自旋磁化率（通过 Liouville-Lanczos 方法使用 TDDFPT 进行有效评估），并处理哈伯德增强的线性变化（本身是非经验计算的）完全处于自洽水平。我们对原型过渡金属一氧化物 NiO 和 MnO 的新颖计算方案进行了基准测试，显示出与实验的显着一致性，并强调了这些新实施的哈伯德校正的关键作用。该方法对于描述包含局域电子态的复杂材料中的集体自旋激发具有很大的前景。

掺杂剂在量子发射铒掺杂 \ch{TiO2} 电子结构中的作用

分类： 材料科学

作者： Jessica B. Martins, G. Grant, D. Haskel, G. E. Sterbinsky, I. Masiulionis, K. Sautter, E. Karapetrova, S. Guha, J. W. Freeland

发布时间： 2024-09-29

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19495v1

摘要： 掺铒 \ch{TiO2} 材料是推进量子技术的有前途的候选材料，需要彻底了解其电子和晶体结构，以调整其性能并提高相干时间。本研究探索了使用分子束外延沉积在 r 蓝宝石衬底上的外延掺铒金红石 \ch{TiO2} 薄膜。光致发光激发光谱表明，掺铒会缩短荧光寿命，表明相干时间有限。通过X射线吸收光谱探测了与\ch{Er^{3+}}相关的晶格畸变，表明铒主要占据\ch{Ti^{4+}}位点并影响氧空位。高阶壳层中的显着晶格畸变和铒周围的完全配位表明这些区域可能普遍存在额外的缺陷。这些发现表明，缺陷通过引入替代的衰变途径来限制相干时间，从而导致荧光寿命缩短。

使用路径积分蒙特卡罗熔化原子氢和氘

分类： 材料科学

作者： Kevin K. Ly, David M. Ceperley

发布时间： 2024-09-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19484v1

摘要： 我们使用机器学习的原子间势通过路径积分蒙特卡罗计算了高达 900 GPa 的原子氢和氘的熔线。我们通过使用蠕动量子蒙特卡罗处理电子以及使用等温等压路径积分蒙特卡罗执行固体和液体模拟来改进以前的熔化模拟。由此产生的原子氢熔线高于之前的估计。随着压力的增加，熔化温度会出现小幅但可解决的下降，这可以归因于量子效应。

对石墨烯中磁输运的扩散与弹道交叉进行成像

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zachary J. Krebs, Wyatt A. Behn, Keenan J. Smith, Margaret A. Fortman, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pathak S. Parashar, Michael M. Fogler, Victor W. Brar

发布时间： 2024-09-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19468v1

摘要： 扫描隧道电位法 (STP) 用于探测 0 至 1.4 T 的面外磁场中圆形静电势垒附近石墨烯中载流子的局部电流感应电化学势。这些测量提供了有关以下方面的纳米分辨率信息：载流子的局部运动，揭示了载流子动力学随着场强的增加而发生的显着变化。在低磁场下，电化学势显示出螺旋状图案，而在高磁场下，它在特定半径处表现出明显的变化。我们表明，观察到的行为表明从扩散传输到弹道传输的转变。此外，在高场下测得的电势分布的急剧变化是由载流子的“螺旋描记器”运动引起的，这会在远离静电势垒附近的半经典转折点一回旋加速器直径的地方产生霍尔场的局部增强。

利用 Co-CsPbBr3 量子点中化学键磁致变形测量弱磁场的新方法

分类： 光学, 材料科学

作者： Yanyan Zhang, Yuan Zhang, Yong Pan

发布时间： 2024-09-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19251v1

摘要： 弱磁场探测研究对于推进生物科学、航空航天、芯片制造等领域的发展具有重要意义。然而，弱磁探测仍面临探测器体积大、探测规模有限等问题。为了有助于弱磁场的探测，基于室温铁磁性、分子极化和化学键振动能级理论，合成了Co-CsPbBr3胶体量子点（QDs）复合磁性材料。合成过程涉及将 Co2+ 混合到 CsPbBr3（一种带有活化离子的全无机钙钛矿）中。随后，设计了一种弱磁场测量系统，包括工作介质样品和振动水平检测光路。经过多组数据的采集、比较、处理和分析，建立了不同磁场大小下的Stokes位移函数模型，并测量了Pitsla的弱磁场强度范围（pT）。本文提出的Pitsla弱磁场测量系统为非接触式弱磁测量方法的发展以及智能化、低维微弱信号测量应用的推进提供了参考。

增强有机分子量子位的 ODMR 信号

分类： 化学物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Yong Rui Poh, Joel Yuen-Zhou

发布时间： 2024-09-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19249v1

摘要： 在量子信息科学和传感领域，电子自旋通常通过光自旋界面纯化为特定的偏振，这一过程称为光检测磁共振（ODMR）。金刚石-NV中心和过渡金属都是这些所谓的颜色中心的优秀平台，而无金属分子类似物也因其延长的偏振寿命、更温和的环境影响和更低的成本而受到欢迎。在我们早期尝试设计这种有机高自旋 $\pi$-双自由基时，我们建议通过将三重态 $M_{S}=\pm1$ 群体搁置为单态来实现自旋极化。最近通过实验验证了这一点，尽管在 5 K 以上的温度下 ODMR 对比度 <1%。在这项工作中，我们建议通过将单线态群体移回三线态 $M_{S}=0$ 子水平来改善 ODMR 信号，设计一个真正的碳基分子模拟 NV 中心。为了实现 $\pi$-双自由基中的两个自旋通道，我们利用了最近邻近似之外的较弱的自旋轨道耦合，这是通过仔细控制轨道节点结构和群论考虑而实现的。这些分析通过现实的基于三苯甲基的自由基二聚体的从头计算得到进一步证实。微动力学分析表明，在实验可行的条件下，ODMR 对比度高达 30% 左右，这比之前的工作有了明显的改进。最后，在我们对基态光学可寻址分子自旋量子位的探索中，我们举例说明了基于对称性的设计如何在电子顺磁共振（EPR）实验中避免塞曼诱导的单重态-三重态混合，为实现电子自旋量子位门奠定了基础。

通过使用随机森林预筛选复杂特征选择来提高小样本数据集上的 SISSO 性能

分类： 机器学习, 材料科学, 数据分析、统计和概率

作者： Xiaolin Jiang, Guanqi Liu, Jiaying Xie, Zhenpeng Hu

发布时间： 2024-09-28

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19209v1

摘要： 在材料科学中，数据驱动的方法加速了材料的发现和优化，同时降低了成本并提高了成功率。符号回归是从大型数据集中提取材料描述符的关键，特别是确定独立筛选和稀疏算子（SISSO）方法。虽然 SISSO 需要存储整个表达式空间以施加大量内存需求，但它限制了复杂问题的性能。为了解决这个问题，我们通过将随机森林（RF）与 SISSO 相结合，提出了一种 RF-SISSO 算法。在该算法中，随机森林算法用于预筛选、捕获非线性关系和改进特征选择，这可以提高输入数据的质量并提高回归和分类任务的准确性和效率。在针对 299 种材料的 SISSO 验证问题的测试中，RF-SISSO 展示了其强大的性能和高精度。 RF-SISSO 可以在所有四种训练样本量上保持高于 0.9 的测试精度，并显着提高回归效率，特别是在样本量较小的训练子集中。对于45个样本的训练子集，RF-SISSO的效率比原始SISSO提高了265倍。由于在实际实验中收集大型数据集既昂贵又耗时，因此相信 RF-SISSO 可以通过有效地利用有限的数据提供较高的预测精度来使科学研究受益。

随机错位纤维束的失效过程

分类： 材料科学

作者： Ferenc Kun, Lynet Allan, Attia Batool, Zsuzsa Danku, Gergő Pál

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19159v1

摘要： 我们研究了以纤维随机错位为代表的结构紊乱纤维束的失效过程。假设纤维的强度是恒定的，因此未对准是无序的唯一来源，这导致纤维上的负载分布不均匀。我们通过分析计算和计算机模拟表明，随着结构无序程度的增加，会发生从具有突然的全局失效的完全脆性行为到在失效之前发生雪崩的准脆性阶段的转变。雪崩的大小分布遵循幂律函数形式，其中指数对无序量的复杂依赖性。在临界点附近，雪崩指数为 3/2，然而，随着无序度的增加，交叉出现到更高的指数 5/2。我们通过分析表明，没有强度无序的未对准纤维束的机械行为可以映射到具有适当选择的强度无序的完美对准纤维的均等负载共享纤维束。

用于逻辑应用的量子增强型约瑟夫森结场效应晶体管

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： W. Pan, A. J. Muhowski, W. M. Martinez, C. L. H. Sovinec, J. P. Mendez, D. Mamaluy, W. Yu, X. Shi, K. Sapkota, S. D. Hawkins, J. F. Klem

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19137v1

摘要： 约瑟夫森结场效应晶体管（JJFET）最近重新成为超导计算的有希望的候选者。为了使 JJFET 执行布尔逻辑运算，所谓的增益因子 $\alpha_{R}$ 必须大于 1。在采用经典沟道材料制成的传统 JJFET 中，由于超导临界电流逐渐依赖于栅极偏置，$\alpha_{R}$远小于1。在这封信中，我们提出了一种零能隙InAs/GaSb异质结构中的量子增强JJFET的新器件结构。我们证明，由于这种零间隙异质结构中的激子绝缘体量子相变，超导临界电流显示出作为栅极偏压函数的急剧转变，并且推导出的增益因子 $\alpha_{R}$ ~ 0.06 更多是经典 JJFET 报告的 50 倍 (~ 0.001)。进一步优化可以允许为逻辑应用实现大于 1 的增益因子。

用于微结构逆设计的稳定扩散

分类： 材料科学, 数据分析、统计和概率

作者： Yixuan Zhang, Teng Long, Hongbin Zhang

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19133v1

摘要： 在材料科学中，微观结构及其相关的外在特性对于工程先进结构和功能材料至关重要，但它们的稳健重建和生成仍然是重大挑战。在这项工作中，我们开发了一个基于稳定扩散 (SD) 模型的微观结构生成模型，并在包含相和晶粒取向信息的 576,000 个二维合成微观结构的数据集上对其进行训练。该模型应用于一系列任务，包括微观结构重建、插值、修复和生成。实验结果表明，我们基于图像的方法可以分析和生成具有出色统计和形态保真度的复杂微观结构特征。此外，通过集成ControlNet微调模型，我们实现了基于特定属性的微观结构的逆向设计。与传统方法相比，我们的方法提供了更高的准确性、效率和多功能性，展示了其在探索以前未知的微观结构方面的生成潜力，并为数据驱动的具有定制特性的先进材料的开发铺平了道路。

用于材料逆向设计的生成深度学习

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Teng Long, Yixuan Zhang, Hongbin Zhang

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19124v1

摘要： 除了使用机器学习对材料特性进行前向推断之外，应用于材料科学的生成深度学习技术还允许材料的逆向设计，即以相反的方式评估成分-加工-（微观）结构-性能关系。在这篇综述中，我们重点关注（微观）结构-性质映射，即晶体结构-内在性质和微观结构-外在性质，并全面总结了如何进行生成深度学习。详细讨论了三个关键要素，即晶体结构和微观结构的潜在空间的构建、生成学习方法和属性约束。给出了概述现有方法在计算资源消耗、数据兼容性和生成产量方面面临的挑战的观点。

结合量子蒙特卡罗和 DFT 研究二维 (2D) 1T-VSe$_2$ 与电荷密度波的应变响应和磁性

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Daniel Wines, Akram Ibrahim, Nishwanth Gudibandla, Tehseen Adel, Frank M. Abel, Sharadh Jois, Kayahan Saritas, Jaron T. Krogel, Li Yin, Tom Berlijn, Aubrey T. Hanbicki, Gregory M. Stephen, Adam L. Friedman, Sergiy Krylyuk, Albert Davydov, Brian Donovan, Michelle E. Jamer, Angela R. Hight Walker, Kamal Choudhary, Francesca Tavazza, Can Ataca

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19082v1

摘要： 由于室温下所谓的铁磁性 (FM)、电荷密度波 (CDW) 态以及两者之间的相互作用的差异，二维 (2D) 1T-VSe$_2$ 引起了人们的极大兴趣。我们采用扩散蒙特卡罗 (DMC) 和密度泛函理论 (DFT) 相结合的方法来准确研究单层 1T-VSe$_2$ 的磁性和应变响应。我们的计算显示了不同相之间的微妙竞争，揭示了对其能量和结构特性之间关系的重要见解。我们根据 DMC 和 DFT 结果继续执行经典蒙特卡洛模拟，发现未失真（非 CDW）FM 相位的磁转变温度 ($T_c$) 为 228 K，失真 (CDW) 相位为为 68 K。此外，我们研究了双轴应变对 2D 1T-VSe$_2$ 各相的能量稳定性和磁性能的响应，发现少量应变可以增强 $T_c$，这为工程和增强磁性行为。最后，我们合成了 1T-VSe$_2$ 并进行了拉曼光谱测量，这与我们的计算结果非常一致。我们的工作强调了高精度 DMC 方法在促进对单层 1T-VSe$_2$ 的理解中的作用，并为未来的二维磁性材料研究提供了一个强大的框架。

太赫兹腔电场涨落的平衡非线性声学

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Emil Viñas Boström, Marios H. Michael, Christian Eckhardt, Angel Rubio

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.19063v1

摘要： 使用强激光脉冲选择性激发振动模式已成为一种强大的材料工程范例。然而，为了实现对设备应用的材料特性的确定性控制，需要有一种无需驱动、在热平衡下运行的类似方案。我们在这里提出了光驱动范式的平衡模拟，利用晶格自由度和太赫兹微腔电场的量子涨落之间的强耦合。我们通过使用 \textit{ab initio} 数据展示电场波动如何在占主导地位的锯齿形反铁磁体秩序之上诱发次主导铁磁秩序，以接近其 N\ 的 FePS$_3$ 来演示这种方法。 '鳗鱼温度。

在范德华矿物中使用各向异性剪切模式塑造太赫兹波

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Nicolas M. Kawahala, Daniel A. Matos, Raphaela de Oliveira, Raphael Longuinhos, Jenaina Ribeiro-Soares, Ingrid D. Barcelos, Felix G. G. Hernandez

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18933v1

摘要： 天然存在的范德华（vdW）材料由于其作为二维材料的低成本来源的潜力而目前引起了极大的兴趣。有关 vdW 材料层间相互作用的宝贵信息存在于其低频刚性层声子光谱中，这些信息可以通过太赫兹光​​谱技术进行实验获取。在这项工作中，我们使用偏振敏感太赫兹时域光谱来研究天然丰富的大带隙 vdW 矿物斜绿石的大量样品。我们在 1.13 THz 附近的复折射率光谱中观察到强烈而尖锐的各向异性共振，这与我们对剪切模式的密度泛函理论预测一致。偏振分析表明，剪切声子各向异性重塑了传输太赫兹波的偏振态，引起法拉第旋转和椭圆率。此外，我们使用琼斯形式主义来讨论单绿土声子对称性，并根据其偏振本征态描述我们的观察结果。这些结果凸显了探索 vdW 矿物作为具有引人注目的技术应用的 vdW 异质结构的中心构建块的潜力。

利用 NbP 拓扑半金属接触在双层 WS2 中实现 P 型传导

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Lauren Hoang, Asir Intisar Khan, Robert K. A. Bennett, Hyun-mi Kim, Zhepeng Zhang, Marisa Hocking, Ae Rim Choi, Il-Kwon Oh, Andrew J. Mannix, Eric Pop

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18926v1

摘要： 二维 (2D) 半导体有望用于低功耗互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电子产品，因为此类电子产品需要超薄 n 型和 p 型晶体管通道。在二维半导体中，WS2有望对电子和空穴都具有良好的传导性，但由于价带相对较深以及传统金属接触中存在中带隙态，p型WS2晶体管一直难以实现。在这里，我们报告拓扑半金属 NbP 作为双层 WS2 的 p 型电接触，在室温下每微米孔电流高达 5.8 微安；这是迄今为止亚 2 nm 薄 WS2 的最高值，比 Ni 或 Pd 等金属大 50 倍以上。 NbP 的高功函数和低态密度同时实现了 p 型传导，从而减少了费米能级钉扎。这些触点在室温下溅射沉积，这是一种与 CMOS 制造兼容的方法，是在未来纳米电子学中实现超薄 WS2 半导体的一步。

极化纳米谐振器的电谱学

分类： 光学, 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Sebastián Castilla, Hitesh Agarwal, Ioannis Vangelidis, Yuliy Bludov, David Alcaraz Iranzo, Adrià Grabulosa, Matteo Ceccanti, Mikhail I. Vasilevskiy, Roshan Krishna Kumar, Eli Janzen, James H. Edgar, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Nuno M. R. Peres, Elefterios Lidorikis, Frank H. L. Koppens

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18888v1

摘要： 极化激元最迷人的特性之一是它们将光限制在纳米尺度的能力。这种限制在二维 (2D) 材料中更为极端。二维极化子已通过使用外部光电探测器的光学测量进行了研究。然而，它们通过远场激发进行有效的光谱解析电检测仍有待探索。这一事实阻碍了它们在传感分子和气体、高光谱成像和光学光谱测量等关键应用中的潜在开发，而这依赖于它们与硅技术集成的潜力。在此，我们提出了第一个基于高质量二维材料异质结构的极化纳米谐振器的电光谱，该谐振器同时充当光电探测器和极化平台。我们采用金属纳米棒在中波和长波红外范围内的混合等离子体-声子极化介质中创建混合纳米谐振器。随后，我们通过与石墨烯 pn 结的近场耦合来电检测这些谐振器。纳米谐振器同时呈现出横向限制和高达 200 的高质量因子的记录，在光电流光谱中表现出突出的峰值，特别是在六方氮化硼的未充分探索的较低剩余辐射带处。我们利用这些纳米谐振器的几何和栅极可调性来研究它们对光电流光谱和极化波导模式的影响。这项工作为研究这种高度可调且复杂的混合系统以及将其用于传感和光电检测应用的紧凑平台开辟了场所。

外尔半金属/自旋冰界面处的电子各向异性和旋转对称性破缺

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Tsung-Chi Wu, Yueqing Chang, Ang-Kun Wu, Michael Terilli, Fangdi Wen, Mikhail Kareev, Eun Sang Choi, David Graf, Qinghua Zhang, Lin Gu, Zhentao Wang, Jedediah H. Pixley, Jak Chakhalian

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18880v1

摘要： 在磁性烧绿石材料中，自旋轨道耦合、电子关联和几何挫败的相互作用产生了奇异的量子相，包括拓扑半金属和自旋冰。虽然这些相是单独观察到的，但它们相互作用中出现的界面驱动现象以前从未被实现过。在这里，我们报告了由外尔半金属 Eu2Ir2O7 和自旋冰 Dy2Ti2O7 组成的异质结构中界面电子各向异性和旋转对称性破缺的发现。在磁场作用下，我们揭示了六倍各向异性输运响应，理论上由近藤耦合异质界面解释，其中自旋冰的场调谐磁性在外尔半金属的拓扑费米弧态中诱导电子散射。此外，在升高的磁场下，我们揭示了双重各向异性响应，表明新的对称破缺多体状态。这一发现展示了复杂量子结构在寻找块状晶体中无法实现的涌现现象方面的新生潜力。

大势相场模型的非平衡热力学基础

分类： 统计力学, 材料科学, 计算物理

作者： Jin Zhang, James A. Warren, Peter W. Voorhees

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18864v1

摘要： 在开发热力学一致的相场模型时，选择正确的自由能泛函至关重要。我们证明了大势相场模型最小化了亥姆霍兹自由能。虽然两个泛函在平衡时都处于最小值，但在大势相场模型中，亥姆霍兹自由能随时间单调减小，而大势则不然。最小化大势意味着一个不同的问题，即系统可以在每个点与周围环境交换质量，导致等化学势的条件并使系统的质量守恒失效。

重氮掺杂立方碳化硅单晶的热导率

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Zifeng Huang, Yunfan Yang, Da Sheng, Hui Li, Yuxiang Wang, Zixuan Sun, Ming Li, Runsheng Wang, Ru Huang, Zhe Cheng

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18843v1

摘要： 高纯度立方碳化硅在大尺寸晶体中具有第二高的导热率，仅次于金刚石，这对于热管理的实际应用至关重要。最近的理论研究预测，重掺杂会通过声子缺陷和声子电子散射降低 3C-SiC 的热导率。然而，实验证据有限。在这项工作中，我们报告了重氮掺杂 3C SiC 单晶的热导率，该单晶使用顶部晶种溶液生长方法生长，并通过时域热反射测量。我们的结果表明，氮掺杂浓度约为 1020 cm-3 时，热导率显着降低（高达 30%）。与理论计算的比较表明，在测量的热导率中观察到不太强烈的散射。我们推测，电子声子散射的影响可能比之前预期的要小，或者缺陷的分布不均匀，导致散射强度较低。这些发现有助于了解掺杂对半导体热传输的影响，并支持进一步探索 3C SiC 在电子产品热管理中的应用。

硅烯中的量子核运动：通过路径积分模拟评估结构和振动特性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Carlos P. Herrero, Miguel del Canizo

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18840v1

摘要： 本文探讨了量子核运动与非谐性之间的相互作用，这种相互作用对硅烯的结构和动力学特性产生了重要影响，硅烯是一种二维 (2D) 硅同素异形体，具有有趣的电子和机械特性。采用路径积分分子动力学 (PIMD) 模拟，我们研究了原子核的量子离域，揭示了其对原子尺度硅烯行为的影响。我们的研究表明，这种离域导致硅烯结构参数的显着偏差，影响面内表面积、键长、角度、可压缩性和整体晶格动力学。通过广泛的模拟，我们深入研究了 25 至 1200 K 之间的温度相关行为，揭示了量子核涨落在决定热膨胀和声子光谱中的作用。通过将使用高效紧束缚哈密顿量的 PIMD 模拟结果与经典分子动力学模拟获得的结果进行比较，可以评估核量子效应的程度。我们将该材料中的量子效应强度与其他相关的二维晶体固体（例如石墨烯和碳化硅单层）中的量子效应强度进行了比较。观察到的量子效应与经典预测存在不可忽视的偏差，强调需要精确的量子处理来理解材料在有限温度下的行为。在低 $T$ 时，由于量子核运动，硅烯的二维压缩模量降低了 14%。

磁性半导体EuCd2X2（X= P、As、Sb）的磁光响应

分类： 材料科学

作者： S. Nasrallah, D. Santos-Cottin, F. Le Mardele, I. Mohelsky, J. Wyzula, L. Aksamovic, P. Sacer, J. W. H. Barrett, W. Galloway, K. Rigaux, F. Guo, M. Puppin, I. Zivkovic, J. H. Dil, M. Novak, N. Barisic, C. C. Homes, M. Orlita, Ana Akrap

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18722v1

摘要： 在这项研究中，我们将 EuCd2X2（X = P、As、Sb）确定为一系列磁性半导体。我们研究了该系列的带隙如何响应 X 从磷 (P) 到砷 (As)，最后是锑 (Sb) 的变化。我们使用电子传输和磁化测量来表征样品。基于红外光谱，我们发现带隙从EuCd2P2的1.23 eV逐渐减小到EuCd2As2的0.77 eV，最后EuCd2Sb2的0.52 eV。在磁场中，所有三个系统都表现出强烈的响应，并且它们的带隙在 4 K 处减小。当我们改变 X 时，这种减小是非单调的。它在磷化合物中最强，在锑化合物中最弱。对于所有三种成分，EuCd2X2 在施加最高磁场 (16 T) 时仍然是半导体。

Mn5Si3 薄膜中的交变磁体

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Javier Rial, Miina Leiviskä, Gregor Skobjin, Antonín Bad'ura, Gilles Gaudin, Florian Disdier, Richard Schlitz, Ismaïla Kounta, Sebastian Beckert, Dominik Kriegner, Andy Thomas, Eva Schmoranzerová, Libor Šmejkal, Jairo Sinova, Tomáš Jungwirth, Lisa Michez, Helena Reichlová, Sebastian T. B. Goennenwein, Olena Gomonay, Vincent Baltz

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18691v1

摘要： 由于其由轻元素组成，交替磁体候选材料 Mn5Si3 在非相对论自旋物理学领域引起了广泛关注。然而，交变磁相的假定结构尚未得到证实。在这项研究中，我们展示了 Mn5Si3 薄膜中交变磁性的标志，即磁性 Mn 原子棋盘分布的三种选择或变体。磁对称性因磁力矢量沿相关晶体方向的场旋转而改变，导致异常霍尔效应各向异性。纳米级器件的实验结果得到了涉及单个变体的原子位点相关各向异性和体 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的理论模型的证实。

超越基本构件：结构复杂晶体的可塑性

分类： 材料科学

作者： Tobias Stollenwerk, Pia Carlotta Huckfeldt, Nisa Zakia Zahra Ulumuddin, Malik Schneider, Zhuocheng Xie, Sandra Korte-Kerzel

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18687v1

摘要： 金属间化合物涵盖多种化合物，通常表现出相似或密切相关的晶体结构，从而产生具有结构衍生相的各种金属间化合物系统。本研究检验了这样的假设：使用二元钐钴系统，变形行为可以从基本构件转移到结构相关相。我们研究了 SmCo$_2$ 和 SmCo$_5$ 作为基本构建块，并将它们与结构相关的 SmCo$_3$ 和 Sm$2$Co${17}$ 相进行比较。进行纳米压痕和微柱压缩测试来表征主要滑移系统，并通过原子尺度建模进行广义堆垛层错能量计算作为补充。我们的结果表明，虽然结构复杂相的弹性特性遵循混合物的规则，但它们的塑性变形机制更加复杂，受到晶体构建块内的堆叠和键合性质的影响。这些发现强调了局部键合环境在预测结构相关金属间化合物的机械行为方面的重要性，为高性能金属间材料的开发提供了重要的见解。

隐藏的化学组装机制：HKUST-1 MOF 层合成中的逐重建循环生长

分类： 化学物理, 材料科学

作者： T. Koehler, J. Schmeink, M. Schleberger, F. Marlow

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18666v1

摘要： 以逐层方式生长的薄金属有机框架薄膜已成为人们日益关注的主题。在这里，我们研究了最流行的框架之一，类型 HKUST-1。首先，我们展示了一种合成程序，可实现快速但光学完美的生长。这使得能够在短时间内合成具有优异光学质量的薄膜。其次也是最重要的是，我们解决了已知但尚未完全理解的观察结果，即在每个沉积周期中都大大超过了预期的单层生长。这是文献中经常被忽视的矛盾。我们提供了一种使用中期重建过程的生长模型，该模型可产生数学上确定的逐重建（RbR）循环生长，其增长率提高了 4 倍，代表了迄今为止隐藏的化学组装机制。

使用氦原子微衍射定量单层 MoS2 中的缺陷密度

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Aleksandar Radic, Nick von Jeinsen, Ke Wang, Yiru Zhu, Ismail Sami, Vivian Perez, David Ward, Andrew Jardine, Manish Chhowalla, Sam Lambrick

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18637v1

摘要： 硫空位缺陷介导了 MoS2 中广泛的光电特性，通过精确控制缺陷密度，可实现可调谐光电器件。然而，由于单层和少层样品对光子或电子探针的散射截面较小，精确测量单层和少层样品中的缺陷密度提出了挑战。拉曼和光致发光等传统实验室技术可以通过光电特性推断微尺度样品中的近似缺陷密度，但它们需要使用化学计量光束线 XPS 进行验证。我们引入了一种超低能量（~64 meV）和非侵入式实验室技术来量化微米级单层 MoS2 的表面缺陷密度。在这里，我们展示了最近开发的技术，氦原子微衍射（文献中称为扫描氦显微镜（SHeM）），可以通过从微观点进行原子衍射来直接测量二维材料中的空位型缺陷密度。 SHeM 使用氦 4 原子的中性、惰性和热能探针来测量有序和无序的原子表面散射，从而推断出表面有序程度。所提出的方法能够对二维材料中的缺陷密度进行快速、无损伤且与材料无关的实验室量化，这是在设备中更广泛采用二维半导体的关键一步。

Mn3Sn 中的自旋轨道扭矩驱动手性畴壁运动

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zhengde Xu, Yue Zhou, Xue Zhang, Yixiao Qiao, Zhuo Xuand Dingfu Shao, Zhifeng Zhu

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18554v1

摘要： 非共线手性反铁磁体，例如 Mn3X（X = Sn、Ge），由于其受拓扑保护的韦尔节点和大动量空间贝里曲率而引起了自旋电子学的极大兴趣。在这项研究中，我们报告了 Mn3Sn 中的快速手性畴壁 (CDW) 运动，该运动由超过 545.3 m.s^-1 的自旋轨道扭矩和 9 10^10 A.m^-2 的极低电流密度驱动。结果表明，畴壁的手性和电流方向共同决定了CDW的位移方向。理论上，我们对八极矩所经历的有效场进行了分析，揭示了基于手性自旋结构的独特轮廓的潜在运动机制。值得注意的是，具有相反手性的 CDW 可以在相同的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用样本中形成，并且类 Neel CDW 类型由 kagome 平面的方向决定，而不是由与小磁化强度（大约 3.957 10^-）相关的可忽略不计的静磁能决定。 3）。此外，由于 Mn3Sn 的六倍各向异性，CDW 的宽度相当大，为 770 nm，被分割成三个 60 的部分。这些强调了 Mn3Sn 中的 CDW 运动不能使用铁磁框架进行定量研究。我们还证明了小的外场可以有效地调节 CDW 速度。我们的综合结果和理论分析为将反铁磁体 CDW 集成到功能自旋电子器件中提供了重要指导。

MoSe$_2$ 单层带隙工程和横向结形成的原子平坦介电模式

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Philipp Moser, Lukas M. Wolz, Alex Henning, Andreas Thurn, Matthias Kuhl, Peirui Ji, Pedro Soubelet, Martin Schalk, Johanna Eichhorn, Ian D. Sharp, Andreas V. Stier, Jonathan J. Finley

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18518v1

摘要： 将精确的溅射蚀刻方法与随后在原子层沉积室内生长的 Al2O$_x$ 相结合，可以制造 SiO$_2$ 和 Al2O$_x$ 的原子级平坦横向图案。将 MoSe$_2$ 单层转移到这些介电调制基板上会形成横向异质结，平坦的基板形貌导致结上的应变最小。开尔文探针力显微镜 (KPFM) 测量显示界面上的接触电位差 (CPD) 存在显着变化，其中 AlO$_x$ 区域导致 CPD 增加 230~mV。空间分辨光致发光光谱揭示了不同介电区域中性和带电激子物种的光谱权重的变化。在 Al2O$_x$ 一侧，费米能量更接近导带，导致更高的三重子与激子比，表明带隙移动与 CPD 变化一致。此外，瞬态反射光谱突出了介电环境对载流子动力学的影响，SiO$_2$ 一侧表现出典型的中性激子复合的快速载流子衰减。相比之下，AlO$_x$ 一侧表现出较慢的混合衰变行为，与三重子转化回激子一致。这些结果证明了介电基板工程如何调整近端二维材料的电子和光学特性，从而实现新型（光）电子应用的先进结的可扩展制造。

锌钴矿Rh$_3$Se$_4$的电子结构，相关材料物理性质预测分析：Pd$_3$Se$_4$、Ir$_3$Se$_4$、Pt$_3$Se$_4$

分类： 材料科学

作者： Leonid S. Taran, Sergey V. Eremeev, Sergey V. Streltsov

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18505v1

摘要： 在这项工作中，我们探索了最近发现的矿物钙钛矿（第一种天然硒化铑 Rh$_3$Se$_4$）的电子特性和化学键合。我们全面研究了体电子结构、铑和硒轨道的杂化以及自旋轨道相互作用对电子能谱的影响，并考察了其拓扑性质。此外，我们研究了钙钛矿的表面电子结构，揭示了表面态的各向异性Rashba型自旋分裂。此外，通过计算声子光谱和形成焓，我们预测了基于其他 $4d$ 和 $5d$ 过渡金属（例如 Ir、Pd 和 Pt）的类似硒化物家族。讨论了这些材料的结构和电子特性。

范德华反铁磁体中磁振子介导的激子-激子相互作用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Biswajit Datta, Pratap Chandra Adak, Sichao Yu, Agneya V. Dharmapalan, Siedah J. Hall, Anton Vakulenko, Filipp Komissarenko, Egor Kurganov, Jiamin Quan, Wei Wang, Kseniia Mosina, Zdeněk Sofer, Dimitar Pashov, Mark van Schilfgaarde, Swagata Acharya, Akashdeep Kamra, Matthew Y. Sfeir, Andrea Alù, Alexander B. Khanikaev, Vinod M. Menon

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18501v1

摘要： 激子是控制半导体光学特性的基本激发。相互作用的激子可以导致物质的各种涌现相和大的非线性光学响应。在大多数半导体中，激子通过交换相互作用或相空间填充来相互作用。承载与其他自由度耦合的激子的相关材料提供了迄今为止尚未探索的控制这些相互作用的途径。在这里，我们展示了反铁磁半导体 CrSBr 中磁振子介导的激子相互作用。这种相互作用表现为激子能量通过自旋倾斜角的幅度调整对激子密度的依赖性。我们的研究证明了相关量子材料中准粒子介导相互作用的出现，导致了大的非线性光学响应和潜在的器件概念，例如磁振子介导的量子传感器。

机器学习引导搜索硼和碳化合物中声子介导的超导性

分类： 超导, 材料科学

作者： Niraj K. Nepal, Lin-Lin Wang

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18441v1

摘要： 我们提出了一个工作流程，它将 \textit{ab-initio} 计算与机器学习（ML）引导的超导化合物搜索相结合，从虚声子模式中寻找具有动态稳定性和不稳定性的超导化合物，后者在以前的研究中很大程度上被忽视了。使用密度泛函微扰理论 (DFPT) 和各向同性 Eliashberg 近似计算了 417 硼、碳和硼碳化物化合物的电子声子耦合 (EPC) 特性和临界温度 (T$_c$)。我们的研究通过 ansatz 测试解决了布里渊区采样的 T$_c$ 收敛问题，稳定了虚声子模式以实现显着的 EPC 贡献，并比较了两个 ML 模型的性能，特别是在包含动态不稳定的化合物时。我们预测了一些有前景的超导化合物，其形成能正好高于基态凸包，例如 Ca$_5$B$_3$N$_6$ (35 K)、TaNbC$_2$ (28.4 K)、Nb$_3$ B$_3$C (16.4 K)、Y$_2$B$_3$C$_2$ (4.0 K)、Pd$_3$CaB (7.0 K)、MoRuB$_2$ (15.6 K)、RuVB$_2$ (15.0 K)、RuSc$_3$C$_4$ (6.6 K) 等。

二维范德华 CrSBr 中的巨磁激子耦合

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 光学

作者： Jia Shi, Dan Wang, Nai Jiang, Ziqian Xin, Houzhi Zheng, Chao Shen, Xinping Zhang, Xinfeng Liu

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18437v1

摘要： 通过外部场或异质结构控制磁序可以精确操纵和跟踪自旋和激子信息，从而促进高性能光学自旋阀的开发。然而，二维（2D）反铁磁（AFM）材料的弱磁光信号和不稳定性阻碍了对类体系统中磁序与激子之间复杂耦合的全面研究。在这里，我们利用磁光光谱揭示了磁序对激子-声子耦合和激子-磁序耦合的影响，即使在厚层状 CrSBr 的非极端温度条件 (80 K) 下，这种耦合仍然保持稳健。 0.425T 面内磁场足以引起 CrSBr 中的自旋翻转和从 AFM 到铁磁 (FM) 磁序的转变，而面外磁场下的磁圆二色性 (MCD) 光谱可以直接洞察较厚层中复杂的自旋倾斜行为。理论计算表明，激子与磁序之间的强耦合，特别是磁跃迁过程中的32 meV激子能量偏移，源于Cr和S轨道的杂化以及较高能量B激子的较大激子波函数半径。这些发现为未来探索磁光传感器和使用激子作为自旋载流子的量子通信中的二维 AFM 材料提供了新的机遇和坚实的基础。

硼烷中应变可调的狄拉克半金属相变和涌现超导

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： Chengyong Zhong, Xuelian Li, Peng Yu

发布时间： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18400v1

摘要： 长期以来人们一直在寻找具有超导性的二维（2D）狄拉克半金属，但很少有报道。人们相信，轻元素材料由于其固有的轻质和金属性而有潜力实现这一目标。在这里，基于最近合成的 $\beta_{12}$ 氢化硼吩 [Science 371, 1143 (2021)]，我们研究了其对应物 $\beta_{12}$-$ \rm {B_5H_3}$。我们的第一性原理计算表明它具有良好的稳定性。 $\beta_{12}$-$ \rm {B_5H_3}$ 是一种稀有的狄拉克半金属，表现出从三个狄拉克锥到单个狄拉克锥的应变可调相变。此外，$\beta_{12}$-$ \rm {B_5H_3}$也是一种优异的声子介导超导体，其超导临界温度为32.4 K，并且在外部应变下可以进一步升至42 K。狄拉克费米子和超导性的同时辅以双可调性，揭示了 $\beta_{12}$-$ \rm {B_5H_3}$ 是研究二维狄拉克半金属中的量子相变或超导性或奇异物理的一个有吸引力的平台他们的相互作用所带来的。

室温铁磁体 Os$X_2$ 单层中创纪录的大磁驱动极化

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： 2024-09-27

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18366v1

摘要： 多铁性材料中的磁感应铁电体提供了追求本质强磁电的最佳方法。然而，复杂的反铁磁性、微弱的磁致极化和低的工作温度使其磁电性能无法满足应用需求。在这里，二维 $5d$ 卤化物 Os$X_2$ 单层家族预计在室温以上具有铁电性和铁磁性。更有趣的是，受益于Os$^{2+}$离子的强自旋轨道耦合和高自旋态，磁致铁电极化可以达到$5.9$$\mu$C/cm$^2$，创纪录-在II型多铁性材料中具有巨大价值。磁电效应，即通过磁场控制铁电极化，已经被证明，并且磁驱动的铁谷也出现在该系统中。该工作为解决II型多铁性材料的主要缺陷提供了有效途径。

高抗氧化锂盐为锂金属电池提供高压醚电解质

分类： 材料科学

作者： Jian He, Shihan Qi, Jianmin Ma, Nongnuch Artrith

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18344v1

摘要： 醚基电解质与锂金属负极表现出优异的相容性，但其在高电压下的不稳定性限制了其在高压锂金属电池中的应用。为了解决这个问题，我们引入了另一种全氟丁烷磺酸 (LiPFBS)/二甲氧基乙烷 (DME) 电解质，以稳定 4.6 V Li-Li LCO 电池中的 DME。我们的研究重点是与 LiTFSI/DME 电解质相比，固体电解质中间相 (SEI) 和阴极电解质中间相 (CEI) 层的形成。我们证明 LiPFBS 有助于维持 DME 在 SEI 形成中的兼容性。此外，源自 PFBS$^{-}$ 的耐用 CEI 层通过形成坚固的、以无机为主的 CEI 层，增强了电池在高电压下的性能。 PFBS$^{-}$衍生的CEI显着增强了高电压条件下全电池的整体性能。

硫化镉上石墨烯的凯库勒畸变

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yonatan Betancur-Ocampo, Santiago Galván y García, Samuel Tehuacanero Nuñez, José Reyes-Gasga, Thomas Stegmann, Francisco Sánchez-Ochoa

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18322v1

摘要： 在三维晶体表面沉积二维材料可以生成超晶格，其电子特性通过邻近自旋轨道效应进行修改。在这项研究中，我们发现凯库尔石墨烯超晶格是通过将石墨烯放置在Cd封端的(001)-(1$\times$1)硫化镉(CdS)表面上而获得的。根据密度泛函理论 (DFT) 计算证实的凯库尔超晶格的有效模型，我们发现 CdS 的褶皱表面改变了现场能量（交错势）和 C-C 键，从而产生了两种可能$\sqrt{3} \times \sqrt{3}$ 六方超晶格，被称为具有二次能带交叉点的 Kekul'e-O 石墨烯和 Kekul'e-Y。由于石墨烯与 CdS 表面的相互作用，两种凯库尔超晶格都呈现出自旋轨道耦合。为了指导基于石墨烯/CdS异质结构的凯库尔超晶格的实验实现，我们模拟了电子衍射图案以及高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和高角度模式下的扫描透射电子显微镜的图像环形暗场 (STEM-HAADF)。

在无机卤化物钙钛矿的气相沉积中实现不同的化学计量和形态：单一或双重前体源？

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Tomáš Musálek, Petr Liška, Amedeo Morsa, Jon Ander Arregi, Matouš Kratochvíl, Dmitry Sergeev, Michael Müller, Tomáš Šikola, Miroslav Kolíbal

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18294v1

摘要： 无机卤化物钙钛矿由于其优异的性能而对许多光电应用具有吸引力。虽然化学合成技术已成功生产出高质量的钙钛矿晶体，但扩大到晶圆级薄膜仍然具有挑战性。气相沉积方法，特别是物理气相沉积和化学气相沉积，已成为大规模薄膜制造的潜在解决方案。然而，沉积过程中相纯度的控制仍然存在问题。在这里，我们研究单源（CsPbBr3）和双源（CsBr 和 PbBr2）气相沉积技术来实现相纯 CsPbBr3 薄膜。利用努森流出质谱法，我们证明虽然单源 CsPbBr3 蒸发是部分一致的，但随着时间的推移，它会导致蒸发物的成分发生变化。双源蒸发通过精确控制 PbBr2/CsBr 通量比，可以提高相纯度，特别是在过量 PbBr2 条件下升高基底温度的情况下。我们的结果直接证明生长受到 CsBr 的限制。总的来说，我们的研究结果为气相沉积过程提供了重要的见解，强调了蒸发条件在实现所需的无机钙钛矿化学计量和形态方面的重要性。

了解二维单层材料带边光学跃迁效率的化学和结构变异性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： A. F. Gómez-Bastidas, Karthik Sriram, A. C. Garcia-Castro, Oleg Rubel

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18287v1

摘要： 我们对各种具有直接带隙的非磁性二维单层材料的带边之间的动量矩阵元素进行了高通量密度泛函理论计算和综合分析。我们研究的主要目标有两个：(i) 识别和排序作为潜在光发射器的材料；(ii) 增强我们对决定光耦合强度的物理和化学因素的理解。动量矩阵元素的范围从近 0 到 1.13 at.u.，具体取决于材料的具体结构和成分。相比之下，最突出的 III-V 族体半导体的动量矩阵元素约为 1 at.u.，表明二维单层材料作为光发射器的巨大潜力。我们应用了源自电子跃迁原子轨道选择规则的标准。最后，我们研究了单层过渡金属二硫属化物的重要家族，它们表现出高光学耦合和低标准值。我们提出了带间光学跃迁对动量矩阵元素的显着贡献与反常玻恩有效电荷现象之间的联系。这种现象的含义是，与表现出传统玻恩有效电荷的材料不同，传统玻恩有效电荷的离子性增加会导致光学耦合减弱。如果存在异常情况，则源于独特的电荷转移和键合机制，导致离子性和光学耦合之间呈正相关。

硫和硫氧化物化合物作为单壁碳纳米管上潜在的光学活性缺陷

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 化学物理

作者： Tina N. Mihm, K. Jing Trerayapiwat, Xinxin Li, Xuedan Ma, Sahar Sharifzadeh

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18283v1

摘要： 含有sp3型缺陷的半导体单壁碳纳米管（SWCNT）是一类很有前途的光电材料，具有单光子发射和长寿命自旋的特点。由于对称性破缺引起的能带分裂和带隙内电子态的引入，该缺陷引入了新的光学跃迁。我们研究了含硫氧化物的化合物作为 (6,5) SWCNT 上的一类新型光学活性掺杂剂。将单壁碳纳米管暴露于十二烷基硫酸钠，所得化合物显示出红移且明亮的光致发光峰，这是 sp3 掺杂的特征。然后对可能出现的吸附化合物（S、SO、SO2 和 SO3）进行密度泛函理论计算。这些计算表明，两个最小的分子与 SWCNT 牢固结合，S 和 SO 的结合能分别约为 1.5-1.7 eV 和 0.56 eV。此外，这些吸附物将带隙内电子态引入管的能带结构中，与测量的 (0.1-0.3) eV 红移一致。我们的研究表明，硫基化合物是具有可调电子特性的 (6,5) SWCNT 的有前途的新型掺杂剂。

$3d$ 铁磁体中的自旋晶格耦合：第一性原理分析

分类： 材料科学

作者： I. P. Miranda, M. Pankratova, M. Weißenhofer, A. B. Klautau, D. Thonig, M. Pereiro, E. Sjöqvist, A. Delin, M. I. Katsnelson, O. Eriksson, A. Bergman

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18274v1

摘要： 磁弹性在许多磁现象中起着至关重要的作用，包括磁热学、声波磁振子激发和超快退磁/爱因斯坦-德哈斯效应。尽管对相对论起源的各向异性介导的磁弹性相互作用（包括 \textit{ab-initio} 计算）的讨论由来已久，但原子框架内的交换介导的磁弹性参数最近才开始研究。因此，人们对它们的许多行为和真实材料的价值仍然知之甚少。因此，通过使用嵌入式簇方法的简单修改来降低计算复杂性，我们批判性地分析了元素 $3d$ 铁磁体（bcc Fe、fcc Ni 和 fcc Co）的交换介导的自旋晶格耦合参数的特性，比较用于提取它们的方法，并将它们的实际值与对称性考虑因素和轨道分解贡献联系起来。此外，我们还研究了非共线性（旋转温度）和施加压力对这些参数的影响。对于 Fe，我们发现与 $\sim100$ K 左右的自旋温度相关的单点旋转会引起显着的变化，特别是在 Dzyaloshinskii-Moriya 型耦合中；相比之下，Co 和 Ni 中的这种相互作用几乎保持构型无关。此外，我们证明了等静压下 Fe 的交换介导磁弹性常数的显着变化。最后，讨论了原子、量子力学导出的参数与唯象磁弹性理论之间的转换，这可以成为涉及耦合子系统的更大、更现实的动力学模拟的有用工具。

部分互补能量密度、其变分原理及其在弹性中的应用

分类： 经典物理学, 材料科学

作者： Jiashi Yang

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18264v1

摘要： 部分互补能量密度是通过线弹性应变能量密度的部分勒让德变换引入的。它们具有应变和应力张量的混合分量。提出了基于这些能量密度的混合变分原理。结果表明，这些变分原理可用于推导弹性板和杆的二维和一维理论。

探索固体中的本征键轨道

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Benjamin Wöckinger, Alexander Rumpf, Tobias Schäfer

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18212v1

摘要： 我们研究了绝缘固体大型超级电池中局域万尼尔轨道的结构和空间特性。采用著名的 Pipek-Mezey (PM) 函数与本征原子轨道 (IAO) 结合作为投影仪，产生所谓的本征键轨道 (IBO)。与键合类型和带隙无关，观察到轨道扩展和几何特性之间的相关性。因此，在所有考虑的块体 3D 材料中都发现了 Hartree-Fock 交换矩阵的类似稀疏模式，表现出共价键、离子键以及两种键合类型的混合。认识到为大型周期性模拟单元构建局域 Wannier 轨道需要大量的计算工作，我们解决了局域问题的不同求解器的性能和缩放问题。这包括 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS)、有限内存 BFGS (L-BFGS)、共轭梯度 (CG) 和最速上升 (SA) 方法。每种算法在酉矩阵约束下执行黎曼优化，有效地达到测地线“弯曲参数空间”中的最优值。还采用了迭代子空间中的直接反演（DIIS）技术。我们观察到，金属氧化物超级电池的万尼尔轨道的构建提出了重大挑战，需要比其他研究的系统多大约一个数量级的迭代步骤。

非线性器件中自加热的扫描热显微镜方法及其在电阻 RAM 中电流丝的应用

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Nele Harnack, Sophie Rodehutskors, Bernd Gotsmann

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18210v1

摘要： 电阻 RAM (RRAM) 设备是神经形态计算设备的候选者，其功能在于绝缘层中导电丝的形成、可逆断裂和间隙闭合。为了探索这些纳米级细丝的热特性，可以采用扫描热显微镜 (SThM)。然而，由于 RRAM 器件以及许多其他神经形态器件类型具有非线性电阻-电压关系，因此不能轻易使用交流调制 SThM 的高分辨率和定量方法。为此，提出了一种使用 SThM 进行温度测量的扩展非平衡方案，通过该方案研究非线性器件的自加热，而无需针对特定材料组合、几何形状或粗糙度校准尖端与样品的接触。将直流和交流电压施加到设备上，触发周期性温升，从而能够同时计算尖端样品热阻和设备温升。该方法应用于基于 $\mathrm{HfO_2}$ 的 RRAM 器件，以提取电流细丝数量、热约束和热串扰等属性。这种方法可以应用于其他测温技术，包括红外成像和拉曼测温。

B$_7$Al$_2$ 团簇的振动和电子特性

分类： 材料科学, 80A50, 82D80

作者： Peter Ludwig Rodríguez-Kessler

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18165v1

摘要： 在这项工作中，我们采用密度泛函理论（DFT）来探索掺杂两个铝原子（B$_7$Al$_2$ 或 Al$_2$B$_7$）的硼团簇的结构。结果表明，最稳定的结构是由 B$_7$ 环与两个 Al 原子配位形成的双锥体构型，而较高能量的异构体对应于外围 Al$_2$ 掺杂的 B$_7$ 结构。红外光谱和态密度揭示了全局最小值和高能异构体之间的显着差异。

辐照 L12-Ni3Al 中超刃位错与间隙位错环相互作用的分子动力学模拟

分类： 材料科学

作者： Cheng Chen, Dongyang Qin, Yiding Wang, Fei Xu, Jun Song

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18018v1

摘要： 该研究采用 MD 模拟来研究由四个肖克利部分组成的 <110> 超刃位错与辐照 L12-Ni3Al 中的间隙位错环 (IDL) 之间的相互作用。考虑到 L12 晶格中的对称性破缺，具有四个不同断层矢量的超晶格平面断层已被考虑用于不同的 IDL 配置。当四个部分与各种 IDL 配置相互作用时，详细的位错反应和结构演化事件被确定。 IDL 内肖克利偏流的滑动特性以及由此产生的剪切和循环机制也得到了阐明，揭示了肖克利偏流扫过 IDL 后由断层矢量确定的不同能量过渡态。此外，观察到超刃位错移过 IDL 所需的临界分辨剪切应力 (CRSS) 存在显着变化，这归因于 IDL 中封闭超晶格平面断层的不同尺寸和断层矢量。目前的研究将现有的位错-IDL相互作用理论从原始FCC扩展到L12晶格，增进了对L12-Ni3Al中辐照硬化效应的理解，并提出了对其他L12系统的潜在适用性。

铁基形状记忆合金的制造、加工、应用和进展

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Anwar Algamal, Hossein Abedi, Umesh Gandhi, Othmane Benafan, Mohammad Elahinia, Ala Qattawi

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17973v1

摘要： 铁基形状记忆合金（Fe-SMA）属于智能金属材料，在热、应力或磁刺激下经历大量变形后可以记忆或恢复其预设形状。 Fe-SMA 具有卓越的热机械性能，并因其潜在优点而引起了人们的广泛关注，例如具有成本效益的合金元素、优异的可加工性、可焊接性、稳定的超弹性响应以及应力诱导马氏体所需的临界应力的低温依赖性转变。因此，Fe-SMA 可以成为其他 SMA 的有趣且经济的替代品。传统金属和 SMA 制造方法的最新进展有助于生产定制粉末成分，然后通过增材制造 (AM) 生产定制几何形状。这些领域的技术，即用于传统和增材制造的 Fe-SMA 的制造技术、实验表征和理论公式，一直在快速发展，但缺乏全面的综述。本文对 Fe-SMA 相关研究的最新进展进行了批判性回顾。讨论了生产 Fe-SMA 的传统方法和基于增材制造的方法，并详细回顾了 Fe-SMA 的当前研究趋势，包括 Fe-SMA 的 4D 打印。本综述对用于确定 Fe-SMA 材料特性和特征的实验方法和过程进行了全面回顾。此外，该工作还回顾了已报道的 Fe-SMA 计算模型，以帮助设计新的 Fe-SMA 成分和几何形状。最后，还讨论了基于 Fe-SMA 的不同应用，例如传感和阻尼系统、管耦合和钢筋混凝土。

Pt 和 Ti 薄膜中普通磁阻和汉乐磁阻的竞争

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sebastian Sailler, Giacomo Sala, Denise Reustlen, Richard Schlitz, Min-Gu Kang, Pietro Gambardella, Sebastian T. B. Goennenwein, Michaela Lammel

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17967v1

摘要： 自旋电子学研究的关键要素之一是自旋霍尔效应，它可以从充电电流产生自旋电流。在具有强自旋轨道耦合的材料（例如 Pt）中观察到大的自旋霍尔效应。最近的研究表明，轨道霍尔效应的存在，与自旋霍尔效应的轨道类似，这种效应也出现在弱自旋轨道耦合材料中，如钛、锰或铬。在 Pt 中，两种效应预计会共存。在任何这些材料中，垂直于自旋或轨道累积的磁场会导致额外的汉勒相移，从而产生汉勒磁阻（MR）。为了揭示同时具有自旋和轨道霍尔效应的材料的磁流变行为，我们研究了各种厚度的 Pt 薄膜的磁流变特性。仔细评估表明，我们的纹理样本的 MR 主要是普通 MR，而不是 Hanle 效应。我们分析了不同基团沉积的 Pt 薄膜的固有特性，结果表明，除了电阻率之外，薄膜的结构特性也对 MR 产生影响。我们进一步表明，这种相关性可以在自旋霍尔活性材料（如 Pt）和轨道霍尔活性材料（如 Ti）中找到。对于这两种材料，结晶样品显示出归因于普通 MR 的 MR，而我们发现没有明显结构有序的样品具有较大的 Hanle MR。然后我们提供了一套规则来区分普通MR和Hanle MR。我们得出的结论是，在所有具有自旋或轨道霍尔效应的材料中，汉勒磁流变和普通磁流变共存，薄膜的纯度和结晶度决定了主导效应。

动态盘模型揭示拓扑电荷的内在统计规律

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学

作者： Ranzhi Sun, Zhenwei Yao

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17940v1

摘要： 识别隐藏在粒子堆积中的有序结构是多个领域的常见科学问题。在这项工作中，我们通过最近开发的称为随机批处理方法的算法，研究了哈密顿动力学下限制在圆盘上的大量初始随机堆积的排斥粒子的动力学组织。该算法是专门为降低远程相互作用粒子系统的计算复杂性而设计的。我们强调了拓扑电荷所揭示的内在统计规律，这是粒子密度的连续分析所无法实现的。我们还确定了相互作用粒子在短程和长程排斥力下的不同集体动力学。这项工作展示了拓扑电荷概念在表征卷积粒子动力学方面的鲁棒性和有效性，并展示了随机批处理方法在探索软物质物理中各种远程相互作用粒子系统中出现的基本科学问题方面的巨大潜力及其他相关领域。

用于上转换发光的一些晶体基质主体中作为掺杂剂的 $Er^{3+}$ 和 $Yb^{3+}$ 之间的离子间距离分布

分类： 材料科学, 原子物理学

作者： Liviu Dudas

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17875v1

摘要： 当用 980 nm 红外光子照射时，$Er^{3+}$ 离子的上转换过程很大程度上取决于敏化剂 $Yb^{3+}$ 离子的存在。活化剂和敏化剂种类的相对和绝对浓度与所得可见光谱的发射线强度之间存在良好的相关性。绿色波段（510-580 nm）和红色波段（640-700 nm）的发射强度之比（即光谱含量）显示不同基质晶体之间的相似性，其中 $Er^{3+}$ 和 $Yb ^{3+}$ 被嵌入，这表明，无论嵌入的晶体介质如何，掺杂剂离子都会以某些特定且相似的方式相互作用。为了揭示活化剂离子和敏化剂离子之间的能量转移机制，需要一种模型来描述它们相对于彼此的空间分布，从中可以推断出一些统计数据，例如晶体基质平均周围半径。针对 $Er^{3+}:Yb^{3+}$ 的相对浓度比分别为 1:2、1:4 和 1:8，提出了一些立方邻域模型。

拟合熔盐的机器学习原子间势的最佳实践：使用 NaCl-MgCl2 的案例研究

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Siamak Attarian, Chen Shen, Dane Morgan, Izabela Szlufarska

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17869v1

摘要： 在这项工作中，我们使用原子团簇膨胀势和 PBE-D3 方法针对 (NaCl)1-x(MgCl2)x 熔盐开发了一种成分可转移的机器学习原子间势，并且我们表明可以为此拟合强大的势伪二进制系统仅包含 x={0, 1/3, 2/3, 1} 中的数据。我们还评估了几种 DFT 方法（包括 PBE-D3、PBE-D4、R2SCAN-D4 和 R2SCAN-rVV10）对一元 NaCl 和 MgCl2 盐的性能。我们的结果表明，R2SCAN-D4 方法计算 NaCl 和 MgCl2 的热物理性质时，与其他三种方法相比，总体精度略高。

单层 TMDC 纳米激光器件中量子多体效应的材料真实建模

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Joel Buchgeister, Alexander Steinhoff, Daniel Erben, Michael Lorke, Frank Jahnke

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17857v1

摘要： 高效的光-物质相互作用与单层过渡金属二硫属化物 (TMDC) 所占的小体积相结合，使该材料类别成为未来光电器件中增益层的重要选择。由于激发后引入光学非线性，受激载流子的多体效应会影响发射动力学，但从理论角度来看，其确切机制仍未得到检验。在本文中，我们提出了一种基于 MoS2 单层器件的真实材料微观理论，该理论展示了室温下的受激发射活性。该建模过程将库仑和光-物质相互作用矩阵元素与双重态量子激光方程 (QLE) 相结合。这些可以获取光子辅助偏振、粒子数和光子数的动力学，同时允许解决从飞秒到纳秒的多尺度问题。从该理论获得的输入输出曲线、空穴燃烧和光谱钳位强烈表明，在密度高于 $5 \cdot 10^{13},\text{cm}^{-2 时会发生基于电子空穴等离子体的激光}$ 在此设备中。

SmNiO$_3$/BaTiO$_3$ 超晶格中金属性、铁电性和层电荷的相互作用

分类： 材料科学

作者： Edith Simmen, Nicola A. Spaldin

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17848v1

摘要： 利用密度泛函理论，我们证明金属镍酸钐电极的形式层电荷影响 SmNiO$_3$/BaTiO$_3$ 电容器中钛酸钡的自发铁电极化。我们发现，尽管 SmNiO$_3$ 有金属屏蔽，BaTiO$_3$ 的自发极化始终与 SmNiO$_3$ 形式电荷的层极化一致。我们还发现 BaTiO$_3$ 在此方向上的铁电体的临界厚度为零。相反的偏振方向对于薄 BaTiO$_3$ 板是非常不利的，但随着板厚度的增加，其稳定性会降低。我们构建了一个简单的静电模型，使我们能够研究较厚的 BaTiO$_3$ 和 SmNiO$_3$ 板的行为，并提取各种材料参数对行为的影响。我们通过改变金属屏蔽长度来模拟 SmNiO$_3$ 中的金属-绝缘体转变，我们发现这极大地影响了铁电极化的稳定性。我们的结果表明，金属电极中的层电荷强烈影响铁电电容器的性能，实际上可以提供控制铁电性能的新方法。

$α$-Ga${2}$O${3}$ 中随机无序的原子突变界面的相位滑移和自组织

分类： 材料科学

作者： Alexander Azarov, Javier García Fernández, Junlei Zhao, Ru He, Ji-Hyeon Park, Dae-Woo Jeon, Øystein Prytz, Flyura Djurabekova, Andrej Kuznetsov

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17829v1

摘要： 氧化镓$\gamma$相中无序诱导的有序性和前所未有的高辐射耐受性是基础物理和电子应用交叉领域的一项最新发现。重要的是，到目前为止，这些数据是通过该材料的热力学稳定 $\beta$ 相形式的初始样品收集的。在这里，我们从已经亚稳态的 $\alpha$ 相开始研究这些现象，并解释系统中发生的全新趋势。我们认为，与 $\beta$-to-$\gamma$ 无序诱导的转变相反，$\alpha$ 相中的 O 子晶格表现出六方密堆积结构，从而激活 $\alpha$- Ga 和 O 子晶格中都需要进行到-$\gamma$ 转变的显着结构重排。此外，与理论预测一致，$\alpha$ 到 $\gamma$ 相变需要大量拉伸应变的积累，以引发否则不可能的晶格滑移。因此，我们根据控制过程的无序和应变的组合来解释实验观察到的趋势。最后，也许最令人惊奇的是，我们证明了原子突然的 $\alpha$/$\gamma$ 界面在随机无序中自组织自相矛盾。

拓扑非平凡范德华超晶格的表面狄拉克态和拉什巴态之间的相互作用

分类： 材料科学

作者： I. A. Shvets, E. V. Chulkov, S. V. Eremeev

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17796v1

摘要： 在这里，我们表明，与在经过深入研究的磷族硫族化物范德华（vdW）拓扑绝缘体（TI）中观察到的表面态相比，在超晶格中具有五重层（QL）或七重层〜（SL）结构，包括交替的QL和 SL vdW 块中，狄拉克态伴随着 Rashba 类型的新兴自旋极化态。这种特定特征是由表面和地下结构块的不等价以及表面附近的静电势弯曲引起的。在密度泛函理论（DFT）和$\emph{ab-initio}$紧束缚（TB）计算中，我们根据表面终止、结构参数和化学成分分析这些状态的特性。研究发现它们与狄拉克态的可能杂化显着影响其色散和空间定位。我们分析了本征磁性对磁性 QL/SL 超晶格的终止相关表面态行为的影响。这些发现可以更好地理解这种 QL/SL 交替超晶格的现有实验观察结果。

受挫二维磁模型中磁化强度的熵选择

分类： 统计力学, 材料科学, 强关联电子

作者： Anuradha Jagannathan, Thierry Jolicoeur

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17793v1

摘要： 我们讨论了相互作用的自旋六边形簇的受挫二维经典海森堡模型的磁基态和性质。对于 $J_1$（簇内耦合）和 $J_2$（簇间耦合）的任意值，可以精确找到基态能量。我们的主要结果涉及相图的受挫区域，其中我们表明基态集的简并性大于由于全局旋转对称性而导致的简并性。此外，基态流形没有固定的总磁化强度：有一个允许值的范围。在有限温度下，我们的蒙特卡罗模拟表明，熵选择了总磁化强度的最可能值，而蒙特卡罗时间序列的直方图并非平凡。该模型是对由耦合自旋簇组成的一类受抑磁结构的特性进行建模的第一步。

拓扑狄拉克半金属 1T-ZrTe$_2$ 中的激发态能带映射和超快非平衡动力学

分类： 材料科学

作者： Sotirios Fragkos, Evgenia Symeonidou, Emile Lasserre, Baptiste Fabre, Dominique Descamps, Stéphane Petit, Polychronis Tsipas, Yann Mairesse, Athanasios Dimoulas, Samuel Beaulieu

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17761v1

摘要： 我们对拓扑狄拉克半金属候选 1T-ZrTe$_2$ 进行了时间和偏振分辨的极紫外动量显微镜检查。激发态能带映射揭示了费米能级以上狄拉克锥先前无法实现的线性色散。我们利用光电子角分布中的线性二色性研究能带的轨道结构。这些观察结果为 1T-ZrTe$_2$ 的拓扑特征提供了线索。时间、能量和动量分辨的非平衡载流子动力学表明，带内和带间散射过程在弛豫机制中发挥着重要作用，导致费米能级附近的多谷电子空穴积累。我们还表明，电子的逆寿命与其结合能呈线性相关。我们的时间和偏振分辨 XUV 光电子发射结果揭示了 1T-ZrTe$_2$ 的激发态电子结构，并为 3D 拓扑狄拉克半金属中相对未探索的量子态分辨超快动力学领域提供了有价值的见解。

石墨烯/MoS2 异质结构中超快电荷转移引起的瞬态 Trion 的观察

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： Chen Wang, Yu Chen, Qiushi Ma, Peng Suo, Kaiwen Sun, Yifan Cheng, Xian Lin, Weimin Liu, Guohong Ma

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17752v1

摘要： 由TMDC构建的范德华（Vdw）异质结构为探索各种准粒子行为提供了理想的平台，其中由中性激子和带电载流子组成的三重子就是一个著名的例子。产生trion的方法通常有三种：电掺杂、化学掺杂和直接光学掺杂。前两种方法产生静态 trion，而最后一种方法产生瞬态 trion。在这里，我们提出了一种间接光学掺杂方法，通过超快电荷转移（CT）产生瞬态 Trion，并通过调整 Gr/MoS2 异质结构中的 CT 来控制 Trion 与激子的比率。此外，我们证明了用这种方法产生的瞬态三重子的动力学，其寿命比激子稍长，解释了三重子和带电缺陷之间的库仑相互作用。这项研究为新型准粒子的构建、动力学表征和二维结构中多体相互作用的控制提供了新的视角。

晶体钇铁石榴石磁性的三维纳米级控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Valerio Levati, Matteo Vitali, Andrea Del Giacco, Nicola Pellizzi, Raffaele Silvani, Luca Ciaccarini Mavilla, Marco Madami, Irene Biancardi, Davide Girardi, Matteo Panzeri, Piero Florio, David Breitbach, Philipp Pirro, Ludovica Rovatti, Nora Lecis, Federico Maspero, Riccardo Bertacco, Giacomo Corrielli, Roberto Osellame, Valeria Russo, Andrea Li Bassi, Silvia Tacchi, Daniela Petti, Edoardo Albisetti

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17722v1

摘要： 钇铁石榴石 (YIG) 卓越的磁性、光学和声子特性使其在基于自旋波和光子应用中独一无二。然而，纳米结构晶体 YIG 并以非破坏性方式操纵其磁性是一项艰巨的挑战，迄今为止大多仅限于二维能力。在这里，我们表明，用聚焦紫外激光照射单晶 YIG 薄膜可以使垂直磁各向异性稳定、巨大地增强，从而保持晶体质量。这种调制在横向和垂直方向上都高度限制在纳米级，并且其在体积内的延伸可以通过连续深度控制进行微调。通过利用这些三维各向异性分布，我们展示了自旋波带结构、体积空间局域化和非互易性的大调整，实现了原理验证的 3D 磁振子晶体。这种基于晶体 YIG 薄膜的三维磁系统的简单、单步激光纳米加工，为设计磁振和磁光器件的新颖功能开辟了道路。

碳纳米管中范霍夫奇点和 K 边缘精细结构之间的芯孔引起的失准

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Martin Unzog, Alexey Tal, Pedro Melo, Ryosuke Senga, Kazu Suenaga, Thomas Pichler, Georg Kresse

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17619v1

摘要： 我们研究了孤立单壁碳纳米管 (SWCNT) 的 K 边精细结构与导带态密度中的范霍夫奇点 (VHS) 之间的关系。为此，我们使用终态近似和 Bethe-Salpeter 方程 (BSE) 方法对 SWCNT 的 X 射线吸收光谱进行建模。两种方法都可以重现实验的精细结构，其中与最终状态近似相比，BSE 结果在峰值位置和振幅比方面有所改进。当建模光谱中的精细结构与 VHS 相关时，会发现显着差异。我们认为这些差异是由于沿圆周的限制引起的核心激子波函数的改变而产生的。此外，我们分析了单壁碳纳米管中核心激子的特征，发现最亮的激子是弗伦克尔激子，而较高位的激子是电荷共振态。最后，我们建议，当连续 VHS 之间存在较大的能隙时，基于 VHS 状态密度的定性图像成立。

二维铁电 In2Se3 中波长相关的各向异性光与物质相互作用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Divya Jangra, Binoy Krishna De, Pragati Sharma, Koushik Chakraborty, Shubham Parate, Arvind Kumar Yogi, Ranjan Mittal, Mayanak K Gupta, Pavan Nukala, Praveen Kumar Velpula, Vasant G. Sathe

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17570v1

摘要： 二维材料中的各向异性光与物质相互作用因其开发未来基于偏振的光电器件（例如光电探测器和光致动器）的潜力而受到广泛关注。在这项研究中，我们使用角分辨偏振拉曼光谱 (ARPRS) 和不同的激发激光研究了铁电 3R α-In2Se3 中偏振相关的相互作用。我们的实验结果得到补充密度泛函理论计算的支持，表明光与物质的相互作用不仅取决于晶体取向，还取决于激发能。扫描透射电子显微镜 (STEM) 证实了 α-In2Se3 的高度各向异性 3R 晶体结构。晶体结构中的这种各向异性促进了显着的光学各向异性，这是由电子-光子和电子-声子相互作用的复杂相互作用驱动的，这反映在拉曼张量元素的复杂性质中。这些各向异性相互作用延伸到光照射下材料的电响应。值得注意的是，各向异性光响应可以通过入射光的偏振和波长来调节，这使得 In2Se3 成为先进偏振敏感光电检测应用的有前途的材料。

高质量 Bi1-xSbx 薄膜的制备和表征：溅射沉积方法

分类： 材料科学

作者： G. G. de Almeida, A. M. H. de Andrade, M. A. Tumelero

发布时间： 2024-09-26

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17444v1

摘要： Bi1-xSbx 是自然界中发现的第一个 3D 拓扑绝缘体。它呈现出复杂的电子结构，具有拓扑到平凡的转变以及半金属到半导体的转变，这两者都是通过改变 Sb 的 x 分数来实现的。该系统的复杂性质可能会导致物质中出现多个电子相和拓扑相，使其成为一种有前途的量子材料。在这里，我们专注于使用共沉积磁控溅射技术制备具有不同 x 分数的非常高质量的 Bi1-xSbx 薄膜样品。我们的结果表明，在 SiO2 衬底上可以获得高质量的样品，具有致密且均匀的形貌，呈现优先的生长方向。我们的研究结果表明薄膜晶体结构与样品成分以及沉积温度之间存在依赖性。

多尺度仿真和机器学习促进基于二维纳米材料的隧道场效应晶体管的设计：综述

分类： 应用物理, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Chloe Isabella Tsang, Haihui Pu, Junhong Chen

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.18965v1

摘要： 随着器件尺寸缩小达到摩尔定律的极限，基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的传统晶体管面临着重大限制。这些限制包括漏电流增加、明显的短沟道效应 (SCE) 以及穿过栅极氧化物的量子隧道效应，从而导致更高的功耗和偏离理想行为。隧道场效应晶体管 (TFET) 可以利用电荷载流子的量子隧道效应在导通和截止状态之间切换，并实现低于 60 mV/十倍频程的亚阈值摆幅 (SS)，从而克服这些挑战。这可以降低功耗、持续扩展并提高低功耗应用的性能。本综述重点关注 TFET 的设计和操作，强调通过材料选择和先进的模拟技术来优化器件性能。讨论将专门讨论二维 (2D) 材料在 TFET 设计中的使用，并探索从多尺度 (MS) 方法到机器学习 (ML) 驱动的优化等仿真方法。

SnS 和 SnSe 范德华晶体光学性质的线性二色性

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Agata K. Tołłoczko, Jakub Ziembicki, Miłosz Grodzicki, Jarosław Serafińczuk, Seth A. Tongay, Melike Erdi, Natalia Olszowska, Marcin Rosmus, Robert Kudrawiec

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17412v1

摘要： 锡单硫族化合物 SnS 和 SnSe 属于与黑磷等电子的范德华晶体家族，被认为是有望用于热电转换应用的环境友好材料。然而，它们表现出其他所需的功能，例如源自强各向异性斜方晶体结构的光学和电子特性的固有线性二色性。这一特性使它们成为在近红外光谱范围内工作的偏振敏感光电探测器的完美候选者。我们通过光谱学和光电子能谱，在从头计算的支持下，对 SnS 和 SnSe 晶体进行了全面的研究。研究揭示了两种材料的光学响应对入射光偏振的高敏感性，我们根据电子带色散和电子带的轨道组成来解释，从而规定了选择规则。通过光电发射研究，我们确定了电离势、电子亲和力和功函数，这些是基于半导体异质结构的器件设计的关键参数。

揭示带负电的 CdS 量子点的声子瓶颈极限

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Skylar J. Sherman, Bokang Hou, Matthew J. Coley-O'Rourke, Katherine E. Shulenberger, Eran Rabani, Gordana Dukovic

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17365v1

摘要： 在半导体中的光激发热电子因冷却而失去多余能量之前捕获它们是光子能量转换的长期目标。半导体纳米晶体具有较大的电子能量间距，预计会通过声子发射减缓电子弛豫，但光激发纳米晶体中的热电子仍然会通过能量转移到空穴而快速冷却。这使得纳米晶体中固有的声子瓶颈限制电子寿命变得难以捉摸。我们采用理论和实验相结合的方法来探讨在没有空穴的情况下带负电的硫化镉 (CdS) 胶体量子点 (QD) 的热电子动力学。实验发现这些热电子在 100 ps 的时间尺度内冷却。理论模拟预测纯声子瓶颈限制电子冷却会在相似的时间尺度上发生。这种相似性表明，实验测量反映了这些 CdS QD 中热电子寿命的上限以及可以收获这些热电子的过程速率的下限。

半导体基底上三角形吸附原子晶格的电子结构、自旋轨道相互作用和电子声子耦合

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Lucca Marchetti, Matthew Bunney, Domenico Di Sante, Stephan Rachel

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17350v1

摘要： 沉积在半导体基底上的重金属Sn和Pb的三分之一单层可以导致$\sqrt{3}\times\sqrt{3}$表面重构，构成令人兴奋的三角晶格材料平台。长期以来，实验一直在研究电荷有序基态和磁性基态。这些发现伴随着长达数十年的争论，即电子相关性或涉及声子的其他效应是否是对称破缺态的驱动力。最近发现的硼掺杂 Sn/Si(111) 超导性（$T_c$ 在 5K 至 9K 之间）引发了新的兴奋。在这里，我们重新审视 Si(111) 和 SiC(0001) 上 Sn 和 Pb 吸附原子三角晶格的电子和声子性质。对于所有材料，我们使用 DFT+$U$ 计算相对论能带结构，其中 $U$ 仅应用于基底原子，以便调整带隙以匹配实验值；因此，所得的金属表面能带的一些紧束缚参数与之前的研究相比有很大不同。值得注意的是，对于 Pb/SiC(0001)，我们预测 Rashba 自旋轨道耦合高达最近邻跳跃能量的 45%。此外，我们计算了所有材料的声子谱和电子-声子耦合常数，甚至相对论地计算了 Pb/Si(111) 的声子谱和电子-声子耦合常数，尽管包含自旋轨道耦合对电子-声子耦合常数的影响令人惊讶地很小。我们得出的结论是，由此产生的耦合太弱，无法解释任何这些材料中电子-声子介导的超导性。

超薄非晶 NbP 半金属电阻率的显着降低

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Asir Intisar Khan, Akash Ramdas, Emily Lindgren, Hyun-Mi Kim, Byoungjun Won, Xiangjin Wu, Krishna Saraswat, Ching-Tzu Chen, Yuri Suzuki, Felipe H. da Jornada, Il-Kwon Oh, Eric Pop

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17337v1

摘要： 众所周知，铜等传统金属的电阻率会因电子表面散射而在较薄的薄膜中增加，从而限制了金属在纳米级电子器件中的性能。在这里，我们发现在 400°C 的相对较低温度下沉积的 NbP 半金属中，电阻率随着膜厚度的减小而显着降低。在亚 5 nm 薄膜中，我们发现其电阻率（室温下 1.5 nm 薄 NbP 约为 34 uOhm.cm）明显低于块体形式，并且低于相似厚度的传统金属。值得注意的是，NbP 薄膜不是晶体，而是在非晶基质内显示出局部纳米晶体、短程有序。我们的分析表明，较低的电阻率是由于随着薄膜厚度的减小，通过表面通道的传导，以及高表面载流子密度和足够好的迁移率。这些结果和这里获得的基本见解可以使超薄、低电阻率的纳米电子线成为可能，超越传统金属的限制。

对结构数据进行机器学习分析，以预测近地表 InAs 量子阱中的电子特性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Patrick J. Strohbeen, Abtin Abbaspour, Amara Keita, Tarek Nabih, Aliona Lejuste, Alisa Danilenko, Ido Levy, Jacob Issokson, Tyler Cowan, William M. Strickland, Mehdi Hatefipour, Ashley Argueta, Lukas Baker, Melissa Mikalsen, Javad Shabani

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17321v1

摘要： 薄膜异质结构中的半导体交叉线图案是晶格失配材料生长过程中应变松弛过程和位错堆积的结果。由于它们与内部失配位错网络的连接，这些交叉阴影图案是内部应变松弛和生长各向异性的复杂指纹。因此，这种介观指纹不仅描述了近表面量子阱的残余应变状态，而且还可以提供通过材料的电子传输质量的指标。在这里，我们提出了一种利用计算机视觉和机器学习来分析表现出这种相关性的 AFM 剖面线图案的方法。我们的分析表明，$\lambda$（交叉线波长）和 $\epsilon$（交叉线高度）的适度值（分别约为 1 $\mu$m 和 4 nm）优化了电子传输，这些值定义了图案的平均波形。模拟 2D AFM 剖面线图案用于训练机器学习模型，将剖面线图案与位错密度相关联。此外，该模型用于评估实验 AFM 图像并根据剖面线波形预测位错密度。预测的位错密度、实验 AFM 剖面线数据和实验传输表征用于训练最终模型来预测 2D 电子气平均自由程。该模型显示电子散射与 200 nm 以下的弹性效应（例如位错散射）密切相关$\lambda_{MFP}$。

聚合物在玻璃化转变附近的动态和热力学行为的普遍性

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Valeriy V. Ginzburg, Oleg V. Gendelman, Riccardo Casalini, Alessio Zaccone

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17291v1

摘要： 描述玻璃化转变附近非晶材料的动力学和热力学是软物质物理和聚合物工程中的主要挑战。当温度接近玻璃化转变温度 Tg 时，弛豫时间会发生多个数量级的变化。玻璃化转变又取决于冷却速率（在 DSC 或膨胀实验中）和压力。虽然有一些与热膨胀、密度、弛豫时间、温度和压力相关的经验规则（Boyer-Spencer、Simha-Boyer 和 Casalini-Roland 热力学标度），但还没有将它们联系在一起的统一理论模型。在这里，我们应用动态 Sanchez-Lacombe 二态、二（时间）尺度 (SL-TS2) 理论中的相应状态原理来推导通用聚合物状态方程 (EoS)。所提出的 EoS 使用五个材料参数描述了非晶态聚合物的 α 弛豫时间（动态 EoS）和比体积（体积 EoS）——动态脆性 (m)、玻璃化转变温度、基本弛豫时间、体积模量和比体积。玻璃化转变点。该模型与具有不同 Tg 和 m 值的九种无定形聚合物的实验数据进行了比较，发现了良好的定性和定量一致性。新的 EoS 可以作为连接实验数据（在低冷却速率下测量）与计算机模拟（在非常高的冷却速率下完成）的桥梁。

LiV2O4： Hund 辅助轨道选择性莫特尼斯

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Martin Grundner, Fabian B. Kugler, Olivier Parcollet, Ulrich Schollwöck, Antoine Georges, Alexander Hampel

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17268v1

摘要： 我们表明，在 LiV$_2$O$_4$ 中观察到的非常小的费米液体相干尺度和大的有效质量是由于接近 Hund 辅助的轨道选择性莫特态。我们的工作基于从头算动态平均场方法，结合多个量子杂质求解器来捕获从高温到极低温的物理现象。我们发现洪德耦合在重新排列轨道布居以及产生重质量和低相干尺度方面起着至关重要的作用。后者被发现约为 1-2 开尔文，尽管发现最相关的轨道与半填充相差大约 10%。由于强电子相关性，费米能级附近出现平坦的准粒子带。最后，我们通过与实验的比较来讨论我们的结果。

方钠石衍生的半导体电子化合物：第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Chang Liu, Mahfuza Mukta, Byungkyun Kang, Qiang Zhu

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17249v1

摘要： 电子化合物是离子晶体，电子充当阴离子，占据明确的晶格位置。近年来，这些奇异材料因其在催化、可充电电池和显示技术方面的潜在应用而引起了广泛关注。在此类材料中，电子化合物半导体由于带隙的存在可以进一步扩大潜在应用的范围。然而，关于半导体电子化合物的报道有限，阻碍了对其物理和化学性质的理解。在最近的一项工作中，我们提出了一种通过从现有复杂矿物中选择性去除阴离子的对称威科夫位点来获得潜在电子化合物的方法。在此，我们提出了一项后续工作，以母体复杂方钠石设计半导体电子化合物。在四种候选化合物中，我们发现具有 $I$-43$m$ 空间群对称性的立方 Ca$_4$Al$6$O${12}$ 结构在方钠石笼中表现出完美的电子局域化，具有1.2 eV的窄电子带隙，使其适合用于光催化。电子结构的分析表明，周围阳离子的较低电负性驱动更大的电子局域化，并促进费米能级附近电子化物带的形成。我们的工作提出了一种在环境条件下设计新型半导体电子化合物的替代方法，并为进一步的实验探索提供了指导。

检测磁拓扑绝缘体表面的轴子动力学

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zhi-Qiang Gao, Taige Wang, Michael P. Zaletel, Dung-Hai Lee

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17230v1

摘要： 轴子最初是为了解决强CP问题而提出的，最近在凝聚态物理中引起了人们的关注，特别是在拓扑绝缘体中。然而，检测轴子动力学已被证明具有挑战性，迄今为止还没有实验证实。在这项研究中，我们将磁拓扑绝缘体的表面确定为观察轴子动力学的理想平台。表面消失的体积间隙允许轴子场发生 $O(1)$ 级变化，使得类轴子现象的检测更加可行。相反，由于磁交换间隙小，这些现象在本体中受到强烈抑制。我们研究双光子衰变作为轴子动力学的特征，并使用微扰方法计算分支比。我们的研究结果表明，从表面发射的光子通量是在平面内的，并且比从本体发射的光子通量大几个数量级，这使得它可以用现代微波技术检测到。我们还讨论了用于检测轴子双光子衰变的潜在材料平台以及增强信噪比的策略。

位错热力学的有限变形理论

分类： 材料科学, 74C20, 74F05, J.2

作者： Gabriel Dante Lima-Chaves, Amit Acharya, Manas Vijay Upadhyay

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17194v1

摘要： 提出了一种完全基于可测量状态变量的场位错热力学几何非线性理论。不是从总变形梯度张量的顺序相关乘法分解开始，而是将速度梯度加法分解为弹性、塑性和热变形率，作为伯格斯矢量守恒的自然结果。基于该方程，该理论一致地捕捉了瞬态异质温度场对（极性）位错密度演化的贡献。该模型的控制方程由伯格斯矢量、质量、线动量和角动量守恒以及第一定律获得。第二定律用于推导位错速度的热力学驱动力。从第一定律和亥姆霍兹自由能密度获得了温度的演化方程，该方程被视为以下可测量量的函数：弹性变形、温度和位错密度（该理论允许将额外的可测量量规定为内部状态变量）如果需要的话）。此外，该理论允许计算泰勒-昆尼因子，该因子与材料和应变率相关。尽管使用傅立叶热传导定律作为热通量矢量的本构假设，但将极位错密度考虑为系统亥姆霍兹自由能中的状态变量，可以以有限传播速度的色散波形式获得温度解。

一种多尺度概率方法来预测具有工艺引起的孔隙的合金的高周疲劳寿命

分类： 计算工程、金融和科学, 材料科学

作者： Abhishek Palchoudhary, Cristian Ovalle, Vincent Maurel, Pierre Kerfriden

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16565v2

摘要： 针对具有精确分布（即几何形状和位置）未知的孔隙的结构，结合概率疲劳寿命模型开发了多尺度方法。该方法考虑了由于两个尺度的缺陷导致的结构疲劳寿命的不确定性：微观尺度不均匀性和细观尺度孔隙。为了考虑微尺度缺陷对寿命的影响，开发了一种元素概率应变寿命模型，其标准经过修改以考虑多轴载荷。基于用于制造该结构的一小块多孔材料区域的断层扫描，通过有限元方法对预期孔隙群进行统计建模，从而考虑结构中的细观尺度孔隙。先前实施的 Neuber 型塑性校正算法用于对统计生成的孔隙场周围的应变寿命标准进行快速全场近似。多孔结构失效的概率是通过其组成有限元水平上的最薄弱环节假设获得的。疲劳模型可以通过对包含不同类型孔隙群的结构的实验疲劳数据进行最大似然估计来识别。所提出的方法在现有的具有两个孔隙率水平的铝合金高周疲劳数据集上进行了测试。与将多孔介质视为均质材料的传统模型相比，该模型需要更少的数据进行识别，因为两种等级的多孔材料考虑相同的基础材料。对综合生成数据的数值研究表明，该方法能够考虑疲劳中的统计尺寸效应，并证明次表面多孔材料的疲劳性能低于芯部多孔材料的疲劳性能，这使得该方法的均质化非常重要。

随机载荷作用下无定形固体的自组织和记忆

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Muhittin Mungan, Dheeraj Kumar, Sylvain Patinet, Damien Vandembroucq

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17096v1

摘要： 我们考虑受随机剪切应变协议限制的应变范围 $\pm \varepsilon_{\rm max}$ 的剪切非晶固体的自组织和记忆形成。我们表明，与施加循环剪切的情况一样，驱动系统的响应保留了随后可以检索的应变范围的记忆。我们的研究结果表明，无序材料的自组织和记忆形成可以在更一般的条件下出现，例如与其波动环境相互作用的系统。

六方稀土铁氧体的不适当的挠曲电性

分类： 材料科学

作者： Xin Li, Guodong Ren, Yu Yun, Arashdeep Singh Thind, Amit Kumar Shah, Abbey Bowers, Rohan Mishra, Xiaoshan Xu

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.17022v1

摘要： 挠曲电是一种普遍效应，由于局部应变梯度引起的反演对称性破缺而产生电极化。纳米尺度的大应变梯度使得柔性电效应，特别是纳米级铁电材料，在传感器、执行器、能量收集和存储器应用中具有广阔的前景。在这项工作中，我们研究了六方铁氧体h-YbFeO3的挠曲电性，这是一种不合适的铁电体，预计具有弱压电性和对去极化场的低敏感性，这有利于研究挠曲电效应。我们发现，在 h-YbFeO3 外延薄膜中，晶界附近出现 10^6 m-1 量级的应变梯度，这对引起自发极化的非极性 K3 结构畸变有显着影响。基于Landau不适当铁电性理论的唯象模型表明h-YbFeO3中存在10 nC/m量级的间接挠曲电效应，这远远大于Kogan机制的预期。这些结果揭示了由结构畸变介导的应变梯度和极化之间耦合的一种新的微观机制，我们称之为不适当的挠曲电。

温度激活的位错雪崩标志着 BCC 微柱中脆性到韧性的转变

分类： 材料科学

作者： Yang Li, Inam Lalani, Matthew Maron, William Hixon, Biao Wang, Nasr Ghoniem, Giacomo Po

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16987v1

摘要： 我们在300-900K温度范围内进行微米级钨微柱（W）的应变控制原位压缩实验，并在相同尺度上模拟三维离散位错动力学（DDD）。观察到两种不同的情况。在低温下，塑性变形在时间和空间上都显得平滑。应力波动与柱内不相关的位错活动产生的维纳随机过程一致。然而，高温应力波动是高度相关的，并表现出自组织临界性（SOC）的特征，变形位于明确的滑移带内。高温应力松弛统计数据与表面的热激活成核过程一致。有人认为，两种状态之间转变的性质与块体 BCC 金属中脆性到延性的转变相同。

计算电子声子超导：从理论物理到材料科学

分类： 材料科学, 超导

作者： Shiya Chen, Feng Zheng, Zhen Zhang, Shunqing Wu, Kai-Ming Ho, Vladimir Antropov, Yang Sun

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16975v1

摘要： 寻找室温超导体是现代物理学的一个重大挑战。 1986 年氧化铜超导体的发现带来了希望，但也揭示了难以分析和计算的复杂机制。相比之下，传统的电子声子耦合（EPC）机制有助于金属氢超导的实际实现。自2015年以来，新氢化合物的发现表明EPC可以在高压下实现室温超导，推动了广泛的研究。计算能力的进步，特别是百亿亿次计算，现在允许探索数百万种材料。本文回顾了 2023-2024 年新预测的超导系统，重点关注氢化物、硼-碳系统以及氮、碳和纯金属的化合物。尽管许多计算预测的高温超导体没有得到实验证实，但一些低温超导体已经成功合成。本文对这些进展和未来的研究方向进行了回顾。

关于 CH$_3$NH$3$Pb(I${1-x}$Br$_x$)$_3$ 中的带隙变化

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Sergei M. Butorin

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16775v1

摘要： $x$=0.25, 0.33, 0.50, 0.67, 0.75 时 CH$_3$NH$3$Pb(I${1-x}$Br$_x$)$_3$ 的电子结构和带隙行为, 1.00 使用全相对论密度泛函理论计算进行了研究。采用无参数 Armiento-K"{u}mmel 广义梯度近似交换函数与不可分离梯度近似明尼苏达相关函数的组合。计算出的 CH$_3$NH$3$Pb(I发现 ${1-x}$Br$_x$)$_3$ 系列与实验测量值相似，而优化晶格参数随 Br 含量增加的变化可以通过线性拟合来描述。计算的带隙变化在立方晶体结构的 $x$ 区域表现出类似二次的行为，虽然实验报告对弯曲参数值是否非常小或显着存在分歧，但我们的计算结果支持后一种情况。

超导体自场临界电流的基本性质

分类： 超导, 材料科学

作者： Evgeny F. Talantsev, Jeffery L. Tallon

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16758v1

摘要： 超导体具有传导电流而不耗散能量的特性，可用于医疗保健、自然科学以及正在进行的核聚变和航空全球项目中使用的磁系统。最高的无耗散电流称为临界电流，这是超导体的主要实用特性之一（与临界电流密度 Jc 一起）。最近，Goyal 等人报道了 (RE)BCO 薄膜在 4.2 K 下达到了创纪录的高 Jc~190 MA/cm2，超过了最佳商用 (RE)BCO 线材中最高 Jc 的五倍。基于这个高Jc的巨大潜在实际影响，我们检查了原始实验数据，发现这个高值源于单位转换的错误。真实的 Jc 比报告的 Jc 小 10 倍，与许多制造商目前实现的值一致。

GaAs (100) 衬底上分子束外延 (MBE) 沉积的 GaSb 外延层表面形貌的演变

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Dawid Jarosz, Ewa Bobko, Marcin Stachowicz, Ewa Przeździecka, Piotr Krzemiński, Marta Ruszała, Anna Juś, Małgorzata Trzyna-Sowa, Kinga Maś, Renata Wojnarowska-Nowak, Oskar Nowak, Daria Gudyka, Brajan Tabor, Michał Marchewka

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16729v1

摘要： 本研究展示了使用三种不同方法沉积在砷化镓 (GaAs) (100) 基板上的锑化镓 (GaSb) 层的表面形态行为：变质、界面失配 (IMF) 基质和基于波兰专利的方法申请号 P.443805。前两种方法是常用的，而第三种方法的不同之处在于连续步骤的顺序以及初始生长阶段 Be 掺杂的存在。通过比较在相同生长参数下通过这些方法制造的GaSb层，选择用于形成GaSb缓冲层的最有利的程序。在基于 II 型超晶格 T2SL（例如 InAs/GaSb）的红外探测器结构中，使用带有 GaSb 缓冲层的 GaAs 衬底是比使用 GaSb 衬底更便宜的替代方案。 GaSb缓冲层的质量决定了构成整个T2SL的后续各层的质量，并影响应用中的暗电流等因素

由于挫败导致 Lieb 晶格上 $S=1/2$ 海森堡反铁磁体的亚铁磁基态的塌缩行为

分类： 强关联电子, 材料科学, 统计力学

作者： Rito Furuchi, Hiroki Nakano, Tôru Sakai

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16715v1

摘要： 我们研究了 Lieb 晶格上的 $S = 1/2$ 海森堡反铁磁体，并伴随着产生挫败感的额外相互作用。在没有受挫的情况下，该系统表现出亚铁磁基态。此外，我们通过数值对角化成功观察到了一种新型的亚铁磁性塌缩行为。观察到亚铁磁态以不连续的方式塌缩。此外，在自发磁化强度最终消失之前，获得了具有较小自发磁化强度的不同基态。

非晶电解质中 Li$^+$ 离子传输的原子洞察 Li$_x$AlO$y$Cl${3+x-2y}$ (0.5 $\leq$ x $\leq$ 1.5, 0.25 $\leq$ y $\leq$ 0.75)

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Yang Qifan, Xu Jing, Fu Xiao, Lian Jingchen, Wang Liqi, Gong Xuhe, Xiao Ruijuan, Li Hong

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16712v1

摘要： 最近对粘弹性非晶氯氧化物电解质的研究开辟了固态电解质的新研究领域。在这项工作中，我们选择了含有不同O/Cl比和Li$^+$含量的无序结构的Li-Al-O-Cl体系，利用从头算分子动力学（AIMD）模拟和研究其结构特征和离子传输机制。机器学习基于原子间势的分子动力学（基于 MLIP 的 MD）模拟。研究发现，O掺杂导致AlOCl四面体形成的Al链骨架的存在，玻璃形成能力增加，导致Cl原子在四面体内围绕中心Al旋转，从而促进Li$^的运​​动+$ 离子。然而，O/Cl比的进一步增加减少了旋转Cl原子的数量，削弱了Li$^+$的传输。因此，在不降低Cl含量的情况下提高玻璃形成能力或通过控制合成条件的方法，有助于促进氯氧化物电解质的Li$^+$离子传导。

电镀理论与原子模拟

分类： 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Shayantan Chaudhuri, Reinhard J. Maurer

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16704v1

摘要： 电沉积是电化学的基本过程，在腐蚀防护、装饰精加工、储能、催化和电子等众多行业中都有应用。虽然使用电沉积已有悠久的历史，但其在受控纳米结构生长方面的应用受到限制。建立对电沉积过程和动力学的原子尺度理解对于实现金属纳米粒子和其他纳米结构的受控制造至关重要。分子模拟能力和带电固液界面电子结构理论的显着进步使理论更接近实际应用，但实际应用、动力学的理论理解和原子模拟之间仍然存在差距。在这篇综述中，我们简要总结了当前可用于模拟表面电沉积和电化学生长的最先进的计算技术，并确定了剩余的开放挑战。

锡基硫族化物钙钛矿：一种有前景的稳定高性能光伏无铅替代品

分类： 材料科学

作者： Surajit Adhikari, Sankhasuvra Das, Priya Johari

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16657v1

摘要： 硫属化物钙钛矿（CP）因其稳定性、无毒、带隙小、吸收系数大和高缺陷容限而作为有前景的光电材料引起了人们的兴趣。在这里，我们利用最先进的基于第一性原理的密度泛函理论、密度泛函微扰理论和多体微扰理论（即GW和BSE），解释了激子和极化现象以及相关的一系列扭曲CP ASnX$3$（A = Ca、Sr、Ba；X = S、Se）的稳定性和光电特性。我们的研究结果表明，这些钙钛矿具有机械稳定性，并表现出 0.79 至 1.50 eV 的直接 G${0}$W${0}$ 带隙。此外，我们发现这些化合物的激子结合能（0.04-0.23 eV）与Zr基和Hf基CP的激子结合能相当，但略高于传统卤化铅钙钛矿（HP）。此外，我们还研究了电子 (21.33-416.02 cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$) 和空穴 (7.02-260.69 cm$^) 的极化子促进载流子迁移率{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$)，与铅 HP 中观察到的结果相当或更高，并且显着超过基于 Zr 和 Hf 的 CP 中的结果，因为前者是载流子-声子耦合。最后，估计的光谱极限最大效率（24.2%-31.2%）反映出它们可以成为光伏应用的有希望的候选者。使用 SCAPS-1D 软件通过传统器件 (FTO/TiO${2}$/ASnX$_{3}$/Spiro-OMeTAD/Au) 模拟评估钙钛矿太阳能电池的性能，进一步证实了这一点。

探索 Mn$_{1.4}$PtSn 中反斯格明子的磁输运特征

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Andy Thomas, Darius Pohl, Alexander Tahn, Heike Schlörb, Sebastian Schneider, Dominik Kriegner, Sebastian Beckert, Praveen Vir, Moritz Winter, Claudia Felser, Bernd Rellinghaus

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16649v1

摘要： 与受拓扑保护的自旋纹理（例如斯格明子）的存在相关的新兴磁场预计会对霍尔效应产生额外的、与拓扑相关的贡献。为了毫无疑问地识别这种所谓的拓扑霍尔效应，将这种贡献与反常霍尔效应区分开来至关重要。这就需要横向霍尔电压与底层磁性纹理的直接相关性。我们利用一种新颖的测量平台，可以获取磁性纹理随外部磁场变化的高分辨率洛伦兹透射电子显微镜图像，并同时测量显微镜中的（异常）霍尔电压。标本。我们使用这种方法来研究 Mn$_{1.4}$PtSn 中手性孤子晶格和反斯格明子的输运特征。值得注意的是，观察到的纹理可以完全理解测量的霍尔电压，而不需要由于拓扑霍尔效应而产生任何额外的贡献，并且发现反斯格明子的场控形成和湮灭对测量的霍尔电压没有影响。

费贝尔曼量子表面响应函数的宽带测量

分类： 光学, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zeling Chen, Shu Yang, Zetao Xie, Jinbing Hu, Xudong Zhang, Yipu Xia, Yonggen Shen, Huirong Su, Maohai Xie, Thomas Christensen, Yi Yang

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16616v1

摘要： 费贝尔曼 $d$ 参数是局部体积介电常数的介观补充，描述了界面的量子光学表面响应，包括非局域性、溢出和溢出以及表面启用的朗道阻尼。它已被纳入宏观麦克斯韦框架，以方便建模和理解纳米级电磁现象，要求为纳米光学感兴趣的界面编制 $d$ 参数数据库。然而，精确的$d$参数的第一原理计算面临着计算挑战，而现有的$d$参数测量很少并且仅限于狭窄的光谱窗口。我们展示了一种通用的宽带椭圆偏振方法，用于测量可见光-紫外线范围内金-空气界面处的 $d$ 参数。人们发现黄金以不同的频率流入和流出。我们还观察到黄金的贝内特模式，这是一种与 $d$ 参数极点相关的表面偶极共振，约为 2.5 eV。我们的测量结果产生了 $d$ 参数的被动性和 Kramers-Kronig 因果关系分析，并得到进一步验证。我们的工作增进了对量子表面响应的理解，并可能实现增强电子场发射等应用。

压缩三维扭曲晶体中的量子态

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Vo Tien Phong, Kason Kunkelmann, Christophe De Beule, Mohammed M. Al Ezzi, Robert-Jan Slager, Shaffique Adam, E. J. Mele

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16602v1

摘要： 波力学的一个基本思想是，周期性介质中的传播可以用布洛赫波来描述，布洛赫波的守恒晶体动量定义了它们在被一组离散晶格平移位移时的变换。在不相称的空间周期相互竞争的有序材料中，这一一般原则变得无效，通常会产生戏剧性的后果。例如，电荷或自旋密度波对称性破缺的晶体、产生具有晶体学禁止点对称性的衍射图案的准周期晶格，以及层间具有相对旋转（扭曲）的二维晶格堆叠。在特殊情况下，当竞争周期之间存在微小差异时，一个有用的解决方法是连续统描述，其中周期性长波长场产生布拉格散射，相干地混合短波长载波。在这项工作中，我们提出了一种研究三维扭曲晶体的替代方法，该方法用自由粒子涡旋态福克空间中压缩相干态的表示来取代其光谱拥挤的动量空间布洛赫能带结构。希尔伯特空间的这种重组凸显了科里奥利力在运动方程中的关键作用，它导致了一系列复杂晶体通用的非常规相空间动力学和边缘态结构。

用于量子信息处理的稀土掺杂 Y$_2$SiO$_5$ 微晶的生长和光谱

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Jamin L. B. Martin, Lily F. Williams, Michael F. Reid, Jon-Paul R. Wells

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16580v1

摘要： 采用溶液燃烧、固相和溶胶-凝胶合成技术制备了稀土掺杂的Y${2}$SiO${5}$微晶。其中，溶胶-凝胶法可产生最可靠和高质量的 X2 相 Y${2}$SiO${5}$ 微晶。在低温下对 Nd$^{3+}$、Eu$^{3+}$ 和 Er$^{3+}$ 掺杂材料进行吸收和激光选位荧光测量，结果表明生长的微晶具有高光学质量，具有不均匀加宽的光学线宽，可与类似掺杂剂浓度下的块状晶体相媲美。

MgO 插入 $BaY_2O_4$ 间隙空间对 $Er^{3+}:Yb^{3+}$ 在 976 nm 激发光照射下的上转换响应的影响

分类： 材料科学, 原子物理学

作者： Liviu Dudas

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16568v1

摘要： 嵌入晶体基质中的稀土离子的上转换光谱的效率和形式很大程度上取决于它们的声子色散，因为层间能量跃迁概率受到声子能量的影响。本研究的目的是展示一种影响晶体 $BaY_2O_4$ 声子能量值的新方法，并由此微调作为其掺杂剂的任何稀土离子的光谱。我们使用 $Yb^{3+}$ 敏化的 $Er^{3+}$ 作为掺杂剂，但相同的方法可以推广到其他种类的稀土离子。因此，我们合成了 $BaY_2O_4$ 和 $BaY_2O_4:MgO (BaY_2MgO_5)$ 陶瓷，其活化剂-敏化剂对 $Er^{3+}$ 1% 和 $Yb^{3+}$ 2%（相对于替代品） $Y^{3+}$。首先，我们通过柠檬酸盐-凝胶法合成了前体金属氧化物的混合物，将其压制成颗粒，然后烧结以获得掺杂晶体陶瓷样品。用激光二极管的 976 nm 波长照射陶瓷样品，并测量所得的 $Er^{3+}$ 上转换光谱。 $BaY_2O_4$ 和 $BaY_2O_4:MgO (BaY_2MgO_5)$ 具有几乎相同的 XRD 特征，表明晶体晶胞具有相同的参数，但由于存在额外的 MgO，它们的声子能量不同。比较这两种极端情况 $BaY_2O_4$ 与 $BaY_2O_4:MgO (BaY_2MgO_5)$ 的结果表明，MgO 的存在改变了上转换响应。因此，这项研究实现了两个目标：首先，它揭示了未记录的 $BaY_2O_4:MgO (BaY_2MgO_5)$ 的结构，并展示了它如何基于 $BaY_2O_4$ 的晶体结构，其中 $Mg^{2+}$ 离子占据晶胞间隙。其次，它提出了一种调整 $BaY_2O_4$ 声子能量的方法，从而调整 $Er^{3+}$ 的上转换响应。

存在随机过程引起的孔隙时合金疲劳寿命表征的多尺度概率模型

分类： 计算工程、金融和科学, 材料科学

作者： Abhishek Palchoudhary, Cristian Ovalle, Vincent Maurel, Pierre Kerfriden

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16565v1

摘要： 概率疲劳寿命模型是与多尺度方法结合开发的，用于具有孔隙的结构，其精确分布（即几何形状和位置）是未知的。该模型考虑了由于两个尺度的缺陷导致的结构疲劳寿命的不确定性：微观尺度不均匀性和细观尺度孔隙。为了考虑微尺度缺陷对疲劳寿命的影响，开发了一种元素概率应变寿命模型，其标准经过修改以考虑多轴载荷。基于用于制造该结构的一小块多孔材料区域的断层扫描，通过有限元方法对预期孔隙群进行统计建模，从而考虑结构中细观尺度孔隙的影响。先前实施的 Neuber 型塑性校正算法用于对统计生成的孔隙场周围的应变寿命标准进行快速全场近似。多孔结构失效的概率是通过其构成有限元水平上的最薄弱环节假设获得的。疲劳模型可以通过对包含不同类型孔隙群的结构的实验疲劳数据进行最大似然估计来识别。所提出的方法在具有两个孔隙率水平的铝合金的现有数据集上进行了测试。与将多孔介质视为均质材料的传统模型相比，该模型需要更少的数据进行识别，因为两种等级的多孔材料考虑相同的基材。对综合生成数据的数值研究表明，该模型能够考虑疲劳中的统计尺寸效应，并证明地下多孔材料的疲劳性能低于芯部多孔材料的疲劳性能，这使得模型的均质化非常重要。

铁磁体和二维铁电铋单层异质结构中厚度相关的各向异性吉尔伯特阻尼

分类： 材料科学

作者： Shi-Bo Zhao, Xiang-Fan Huang, Ze-quan Wang Ruqian Wu, Yusheng Hou

发布时间： 2024-09-25

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16514v1

摘要： 描述磁化动力学的吉尔伯特阻尼参数对于现代自旋电子器件的性能至关重要，影响磁阻随机存取存储器的开关速度和临界电流密度等因素。因此，按需设计的能力对于开发新型自旋电子应用至关重要。在这项工作中，我们使用第一原理计算系统地研究了与黑磷类铋单层接触的铁膜的吉尔伯特阻尼参数。在这些 Bi/​​Fe 异质结构中，由于强界面自旋轨道耦合（SOC），我们获得了显着增强的吉尔伯特阻尼。有趣的是，我们发现了非单调厚度相关的吉尔伯特阻尼各向异性，并将其归因于铁膜界面 SOC 和本质各向异性 SOC 之间的竞争。我们进一步证明这些 SOC 效应会导致各向异性能带结构，从而导致各向异性吉尔伯特阻尼。我们的工作提供了对各向异性吉尔伯特阻尼的深入理解，并为在铁磁异质结构中探索它开辟了途径。

位移电流和极化的多态几何

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Alexander Avdoshkin, Johannes Mitscherling, Joel E. Moore

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16358v1

摘要： 量子度量和贝里曲率捕捉了非平凡布洛赫态的基本性质，并支撑了许多令人着迷的现象。然而，越来越明显的是，为了解释涉及多能带布洛赫态的特性（例如光学跃迁），需要更全面地理解量子态几何。为此，我们采用量子态投影仪来开发一种明确的规范不变形式主义，并通过在非线性光学和电子偏振理论中的应用来展示其威力。我们为移位电流提供了一个简单的表达式，它解决了其与电子极化矩的精确关系，阐明了能带简并的处理，并揭示了其分解为占据态偏度和固有多态几何的总和。投影仪方法用于计算过渡金属二硫属化物 (TMD) 层的非线性光学特性，使用先前通过从头计算方法计算的最小紧束缚模型。我们最后对投影算子方法在多状态几何中的潜在进一步应用进行了评论。

红宝石晶格上的有隙和无隙量子自旋液体

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学, 量子气体, 量子物理学

作者： Atanu Maity, Rhine Samajdar, Yasir Iqbal

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16344v1

摘要： 红宝石晶格最近因其在里德堡原子阵列中的实现而成为人们广泛关注的主题，其中其丰富多样的受挫相互作用产生了拓扑有序的量子自旋液体。同样，具有各向同性和各向异性相互作用的红宝石晶格自旋模型的数值研究提供了具有不同低能规范结构的有隙和无隙自旋液体基态的证据。受这些发现的启发，我们对 U(1) 和 $\mathbb{Z}{2}$ 费米自旋平均场理论 $\unicode{x2014}$ 进行射影对称群 (PSG) 分类，尊重空间群和$S=1/2$ 自旋的时间反转对称性$\unicode{x2014}$。我们总共获得了 50 个 U(1) 和 64 个 $\mathbb{Z}{2}$ PSG，并通过平均场 $\textit{Ans"atze}$ 限制它们的实现，最多可达第二个最近值- 邻近单重态振幅（与此处研究的模型相关），仅获得 8 个 U(1) 和 18 个 $\mathbb{Z}{2}$ 不同状态。我们给出了所有 $\textit{Ans\ 的单重态场。 “atze}$ 到第三最近邻键并讨论它们的自旋色散以及它们的动态自旋结构因子。基于此信息，我们还获得了存在第一 ($J{1}$)、第二 ($J_{1}'$) 和第三 ($J_{2}$) 时海森堡模型的相图自洽平均场近似内的邻近反铁磁耦合。

超薄膜硅中拉曼测量应力和应变引起的声子位移的尺寸效应

分类： 材料科学

作者： Christopher Pashartis, Michiel J. van Setten, Geoffrey Pourtois

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16188v1

摘要： 复杂纳米级结构的制造是（纳米）电子器件缩放的关键步骤，通常会导致不同层中产生残余应力。这种应力梯度可以改变许多材料特性并导致期望或不期望的效果，特别是在晶体管的有源部分（其沟道）中。因此，测量、理解并最终控制应力场对于许多设计步骤至关重要。应力水平原则上可以通过显微拉曼光谱来测量。然而，这需要\emph{先验}了解材料的机械性能。当薄膜尺寸变得小于 5 nm 时，机械性能开始偏离本体值。如果忽略此影响，提取的应力分布中可能会引入高达 400% 的误差。在这项工作中，我们阐释了一系列具有不同硅膜厚度（范围为 5 至 0.7 nm）的 Si (001) 板的这种效应，并为正确解释微拉曼应力测量提供了最佳实践。

机器学习小极化子动力学

分类： 材料科学

作者： Viktor C. Birschitzky, Luca Leoni, Michele Reticcioli, Cesare Franchini

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16179v1

摘要： 极化子对于半导体中的电荷传输至关重要，显着影响材料特性和器件性能。小极化子的动力学可以使用第一原理分子动力学来研究。然而，这些模拟的有限时间尺度对充分采样不频繁的极化子跳跃事件提出了挑战。在这里，我们引入了一种消息传递神经网络，它通过编码极化子状态来学习极化子势能表面，从而允许在纳秒尺度上模拟极化子跳跃动力学。通过利用长时间尺度的统计显着性，我们的框架可以准确估计不同情况下原型极化子氧化物中的极化子（各向异性）迁移率和活化势垒（岩盐 MgO 中的空穴极化子和原始和掺氟金红石 TiO$_2$ 中的电子极化子） ）与实验观察结果非常一致。

小说 Ta$_2$Ni$_3$Te$_5$ 单层的拉曼光谱和激子效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Alexandre C. Dias, Raphael M. Tromer, Humberto R. Gutiérrez, Douglas S. Galvão, Elie A. Moujaes

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16170v1

摘要： 我们研究了新型二维 Ta$_2$Ni$_3$Te$_5$ 结构的拉曼光谱和激子效应。单层是一种间接带隙半导体，电子带隙值为 0.09 eV 和 0.38 eV，分别使用 GGA-PBE 和 HSE06 交换相关泛函确定。由于这种结构在能量、动态和机械方面均稳定，因此可以将其合成为独立式材料。我们确定了各种激光能量的十种拉曼和十种红外主动模式，包括拉曼光谱实验中常用的模式。还观察到 Ni 原子的贡献在大多数拉曼振动模式中是最小的。相反，大多数红外振动模式不涉及 Ta 原子的振动。就光学性质而言，该单层表现出强大的线性各向异性，激子结合能为287 meV，并且在紫外区域表现出高反射率，这对于沿x方向的线性光偏振更加强烈。

解开立方和四方 BaZrO$_3$ 的拉曼光谱

分类： 材料科学

作者： Petter Rosander, Erik Fransson, Nicklas Österbacka, Paul Erhart, Göran Wahnström

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16161v1

摘要： 拉曼光谱是一种广泛使用的实验技术，用于研究固体的振动特性。原子尺度模拟可用于预测此类光谱，但在有限温度下进行可靠的研究具有挑战性，这主要是因为需要准确且计算高效的介电磁化率模型。在这里，我们利用分子动力学 (MD) 模拟以及基于密度泛函理论 (DFT) 的介电敏感性模型来确定锆酸钡 BaZrO$_3$ (BZO)（一种经过充分研究的氧化物）的拉曼光谱钙钛矿。在环境条件下，系统为立方体，我们发现与实验测量的拉曼光谱非常吻合。我们的研究表明，实验中看到的相对尖锐的光谱是由于二阶散射造成的。在较高压力下，BZO 为四方晶系，所有一阶拉曼主动模式均被识别。此外，在立方相中，略低于相变，出现宽阔的“中心拉曼峰”。这种类型的峰的起源是有争议的，并且与卤化物钙钛矿的动力学有关并受到广泛争论。在这里，我们证明它也存在于“硬”氧化物钙钛矿中，并且源自立方结构中的高度过阻尼 R 倾斜模式。

二维混合多铁异质结构中的增强磁电耦合

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Xilong Xu, Li Yang

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16138v1

摘要： 绝缘多铁材料中的磁电耦合对于基础研究和多功能器件应用具有不可估量的价值。然而，物质实现仍然是一个重大挑战。我们采用第一性原理计算来预测由 CrCl3 和 CuCrP2S6 组成的多铁性范德华异质结构中的增强且堆叠鲁棒的磁电耦合。在这种异质结构中，层内铁序表现出I型多铁性的特征，而层间铁序类似于II型多铁性，从而形成混合型多铁性。值得注意的是，层间磁性配置可以在电极化反转时切换，同时保持绝缘特性而没有任何重要的相变。我们的分析揭示了强界面自旋局部场效应和邻近极化效应对能带排列的影响。这些因素协同作用决定层间交换相互作用并驱动增强的磁电耦合。最后，我们证明这种磁电效应在多层结构中是稳健的，表现出对层数奇偶校验的依赖性。这项研究为发现混合多铁范德华异质结构中增强的磁电耦合提供了广阔的前景。

操纵二维多铁性呼吸 Kagome 材料中的光电池效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： Haonan Wang, Li Yang

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16130v1

摘要： 多铁性材料以其多个可调阶而闻名，为操纵对对称性敏感的非线性光学响应提供了绝佳的机会。在这项研究中，我们建议利用电场和磁场来选择性地控制和切换二维多铁性呼吸戈薇材料中特定类型的光电池效应。以单层 Nb3I8 为例，我们证明了以电子和空穴的实空间移动为特征的移动电流主要不受磁序的影响。相比之下，注入电流以动量空间中的量子偶极子为特征，与可通过磁场控制的谷极化密切相关。此外，两种光电流都可以通过晶格呼吸被面外电场反转。我们的研究结果揭示了多铁性跳动戈薇结构在多功能光电应用和传感器中的潜力。

坡莫合金介观尺度系统中的阿累尼乌斯定律前因子

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 统计力学, 应用物理

作者： James Delles, E. Dan Dahlberg

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16129v1

摘要： 阿伦尼乌斯方程用于描述介观铁磁粒子中两种状态切换的动力学。使用方形坡莫合金点作为理想的二态切换系统，阿伦尼乌斯定律前因子的测量在势垒高度从 30 meV 到 700 meV 的范围内变化了 26 个十进制。对两井系统的前因数比率的测量揭示了与阿伦尼乌斯定律的常见解释的显着偏差。异常的阿伦尼乌斯前因子和前因子比率可以拟合到修改后的模型，该模型包括对两种状态转换的熵贡献。将阿伦尼乌斯定律应用于其他介尺度系统时也可能会考虑类似的情况。

使用高 k 铋锌铌氧化物的 $β$-$Ga_2O_3$ 垂直肖特基二极管中的电场管理

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Pooja Sharma, Yeshwanth Parasubotu, Saurabh Lodha

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16103v1

摘要： 在这项工作中，我们将铋锌铌氧化物（BZN）（一种高 k 介电材料）集成在金属绝缘体半导体（MIS）和场镀金属半导体（FP-MS）肖特基势垒二极管中 $\beta $-$Ga_2O_3$。利用 BZN (k ~210) 的高介电常数，通过重新分布电场，将击穿电压 ($V_{BR}$) 从 300 V 提高到 600 V。 MIS 器件的肖特基势垒高度提高约 0.14 eV，FP-MS 器件的肖特基势垒高度提高约 0.28 eV，也有助于提高 $V_{BR}$。 BZN 含量对特定导通电阻 ($R_{on,sp}$) 的影响极小。此外，这些器件还表现出出色的电流-电压特性，其理想因子接近于 1，开/关电流比大于 1010。这项工作呈现了迄今为止 MIS 器件报告的最显着的 $V_{BR}$ 增强功能。 \beta$-$Ga_2O_3$ 不影响开启电压和 $R_{on,sp}$。 FP-MS 和 MIS 器件的比较表明，FP-MS 在较低的 R_{on,sp}$、较高的肖特基势垒高度和改进的 VBR 方面优于 MIS。

铁电钙钛矿层状结构中的极性斯格明子理论

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Snehasish Sen, Sudhansu S. Mandal

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16100v1

摘要： 在没有任何已知相互作用的情况下，在 (PbTiO$_3$)$_n$/(SrTiO$_3$)$_n$ 超晶格上发现极性斯格明子，它可以相对于其相邻点在一点处定向电极化，神秘的。我们在这里表明，每层的电极化和应变的耦合负责定向极化。我们建立了电极化和弹性位移矢量的耦合欧拉方程，并求解了每层中具有唯一拓扑数的一系列电场的斯格明子解。正如实验中所观察到的，斯格明子的类型从尼尔到布洛赫各不相同，具体取决于超晶格中各层的位置。

通过 bcc 金属中的优先氢偏析来调节位错反应

分类： 材料科学

作者： Jie Hou, Ducheng Peng, Xiang-Shan Kong, Huiqiu Deng, Wangyu Hu, Cheng Chen, Jun Song

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16092v1

摘要： 位错之间的相互作用是塑性变形、加工硬化和缺陷积累的基础。虽然广泛的研究集中在溶质对单个位错的影响，但溶质如何影响位错-位错反应仍然很大程度上未被探索。在这里，我们使用铁的原子模拟作为 bcc 系统模型，证明氢溶质能够使两个 <111>/2 螺旋位错反应并形成 <001> 刃位错结，这一过程在无氢环境中是不利的。这种现象是由于氢在<001>位错周围优先偏析而产生的，这降低了反应产物的能量。由此产生的<001>位错表现出显着的稳定性，并在应变下转变为<001>空位型位错环。这些空位型位错环可以在连续变形和位错反应过程中积累，成为结构损伤（例如裂纹和起泡）开始的前兆。我们的研究结果强调了氢在位错反应中的关键作用，揭示了一种新的缺陷积累机制，对于解释最近的实验观察结果至关重要，并且代表了理解氢引起的体立方金属损伤的重大进展。

使用机器学习力场追踪卤化物钙钛矿中的离子迁移

分类： 材料科学

作者： Viren Tyagi, Mike Pols, Geert Brocks, Shuxia Tao

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16051v1

摘要： 卤化物钙钛矿光电器件会遭受化学降解和由高迁移率带电缺陷迁移引起的电流-电压滞后现象。原子尺度的分子动力学模拟可以捕获这些离子缺陷的运动，但经典力场太不灵活，无法描述它们的动态电荷状态。以 CsPbI3 作为案例研究，我们通过密度泛函理论计算开发机器学习力场，并研究块状 CsPbI3 中带电卤化物间隙和空位缺陷的扩散。我们发现负碘化物填隙和正碘化物空位（它们各自缺陷类型的最稳定的电荷态）在室温下以相似的速率迁移。中性间隙速度更快，但中性空位速度慢一个数量级。带相反电荷的间隙和空位，因为它们可能发生在器件操作或反向偏压条件下，所以速度明显较慢，并且可以被认为是相对固定的。

具有多电荷态缺陷的 AlN 中声子传输的机器学习潜力

分类： 材料科学

作者： Ying Dou, Koji Shimizu, Jesús Carrete, Hiroshi Fujioka, Satoshi Watanabe

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.16039v1

摘要： 了解充满缺陷的 AlN 中的声子输运特性对于其器件应用非常重要。在这里，我们构建了一个机器学习势，以在原始和充满缺陷的 AlN 中以 $ab$ $initio$ 精度描述声子输运，遵循 Behler-Parrinello 型神经网络势 (NNP) 的模板，但将其扩展为考虑多个缺陷的电荷态。通过计算声子带、三声子非谐、声子同位素和声子缺陷散射率以及热导率，证明了我们的 NNP 在预测二阶和三阶原子间力常数方面的高精度。特别是，我们的 NNP 准确地描述了各种原生缺陷之间以及缺陷的不同电荷状态之间的声子相关特性的差异。他们发现，V${N}^{3+}$ 引起的声子缺陷散射率最大，其次是 V${Al}^{3-}$，而 V$_{N} ^{1+}$ 是效率最低的散射体。 AlN的热导率各自降低的幅度进一步证实了这一点。我们的研究结果揭示了缺陷引起的结构变形对弹性散射率的贡献的重要性。目前的工作表明，我们的 NNP 方案在经济有效地研究含有带电缺陷的部分无序晶相中的声子输运方面是有用的。

OpenFMR：低成本开源宽带铁磁共振波谱仪

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Markus Meinert, Tiago de Oliveira Schneider, Shalini Sharma, Amir Khan

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15976v1

摘要： 我们描述了一种用于科学和教育应用的宽带铁磁共振波谱仪，频率范围高达 30 GHz。它采用现成的低成本组件构建，并利用 3D 打印零件作为样品支架和支撑结构，并且几乎不需要组装。介绍并分析了接地共面波导 (GCPW) 的 PCB 设计。我们还包括用于命令行或脚本驱动数据采集的软件套件、图形用户界面和图形数据分析程序。通过对厚度为 1 nm 的铁磁薄膜进行测量，证明了系统设计的能力。所有设计和脚本均在 GNU GPL v3.0 许可证下发布。

976 nm 激光照射 $Er^{3+}:Yb^{3+}$ 离子对掺杂 $Y_2O_3$ 陶瓷的上转换过程的非平稳行为

分类： 原子物理学, 材料科学, 光学

作者： Liviu Dudas

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15921v1

摘要： 对稀土离子在各种主体中的上转换响应的研究通常描绘静态图片，而在恒定照明下，上转换发射也是恒定的。我们在这里发现，至少在$Y_2O_3$掺杂$Er^{3+}:Yb^{3+}$的情况下，情况并非如此。在恒定的照明功率下，上转换发射不仅波动，而且其变化方式似乎是不同频率的强度波的叠加。我们在此展示我们使用 $1%Er^{3+}-2%Yb^{3+}$ 对 $Y_2O_3$ 执行的测量结果。这种效应的起源仍有待确定，但它表明上转换过程中的能量转移是吸收-饱和-发射-弛豫过程的相互作用。

通过原子信息对象动力学蒙特卡罗模拟研究钨中的高剂量长期缺陷演化

分类： 材料科学

作者： Jintong Wu, Juan-Pablo Balbuena, Zhiwei Hu, Ville Jantunen, Marie-France Barthe, Maria Jose Caturla, Fredric Granberg

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15856v1

摘要： 众所周知，核试验反应堆和发电厂中材料的辐照会改变材料的特性。在皮秒或纳秒时间尺度上发生的辐照事件正在影响宏观时间尺度上材料的演化和特性。经典分子动力学模拟可以捕获级联事​​件，但通常仅限于纳秒时间尺度，导致高剂量率。为了实现实验剂量率，使用了物体动力学蒙特卡罗等更大规模的模型，但它们缺乏原子细节。已知预先存在的缺陷附近级联的精确演化会影响所形成的缺陷，并且所产生的缺陷的结构和形态对于了解宏观材料行为至关重要。在这里，我们介绍了一种新颖的方法，将基于分子动力学的完整级联集成到对象动力学蒙特卡罗中，以实现准确的剂量率，以及钨中级联重叠的原子级精度。我们的研究表明，合并完整级联会显着影响缺陷浓度水平。不仅集中度受到影响，集群统计数据也受到影响。我们观察到，全级联可以在低温下促进空位聚集，并且可以在较高温度下分裂现有的空隙。传统的物体动力学蒙特卡罗模拟中缺少这些效应。这对于存在许多级联重叠效应的更复杂的材料尤其重要。

使用金属上高纵横比纳米柱阵列同时增强 WSe$_2$ 单光子发射器的亮度和纯度

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理, 光学, 量子物理学

作者： Mayank Chhaperwal, Himanshu Madhukar Tongale, Patrick Hays, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Seth Ariel Tongay, Kausik Majumdar

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15819v1

摘要： 转移到纳米柱阵列上的单层半导体提供位点控制的片上单光子发射，这是用于量子技术的可扩展光源平台。然而，迄今为止报道的这些发射器的亮度常常达不到此类应用的预期要求。此外，单光子纯度通常随着亮度的增加而降低。因此，需要一种设计方法来实现提高的发射率，同时保持高的单光子纯度。在高纵横比（$\sim 3$ - 至少比以前的报告高两倍）纳米柱阵列上使用 WSe$_2$，在这里我们演示了 770-800 nm 波段的 $>10$ MHz 单光子发射率与量子存储器和中继器网络（Rb-87-D1/D2 线路）以及卫星量子通信兼容。由于使用金背反射器来淬灭纳米柱的发射，发射器表现出优异的纯度（即使在高发射率下）和改进的输出耦合。

X 射线自由电子激光器不完美衍射图案的深度学习实时相位检索

分类： 应用物理, 材料科学, 机器学习, 光学, 68T07, J.2

作者： Sung Yun Lee, Do Hyung Cho, Chulho Jung, Daeho Sung, Daewoong Nam, Sangsoo Kim, Changyong Song

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15784v1

摘要： 机器学习通过分析大型数据集和从不完整数据中提取科学信息，吸引了几乎所有科学领域的浓厚兴趣。数据驱动的科学正在迅速发展，特别是在 X 射线方法中，先进的光源和检测技术积累了大量的数据，超出了人类细致的检查能力。尽管需求不断增加，但机器学习的全面应用却因数据特定优化的需要而受到阻碍。在这项研究中，我们引入了一种新的基于深度学习的不完美衍射数据相位检索方法。该方法为模拟数据提供了强大的相位检索，并且在来自 X 射线自由电子激光器的弱信号单脉冲衍射数据上表现良好。此外，该方法显着减少了数据处理时间，促进实时图像重建，这对于高重复率数据采集至关重要。因此，这种方法为相位问题提供了可靠的解决方案，预计将在各个研究领域得到广泛采用。

东北材料数据库 (NEMAD)：促进高转变温度磁性化合物的发现

分类： 材料科学, 机器学习, 计算物理

作者： Suman Itani, Yibo Zhang, Jiadong Zang

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15675v1

摘要： 发现具有更大工作温度范围和优化性能的新型磁性材料对于先进应用至关重要。由于缺乏准确、全面和功能丰富的数据库，当前的数据驱动方法具有挑战性和局限性。本研究旨在通过引入一种新方法来应对这一挑战，该方法使用大型语言模型 (LLM) 创建一个全面的、基于实验的磁性材料数据库，名为东北材料数据库 (NEMAD)，该数据库由 26,706 种磁性材料组成 (www.nemad)。 nemad.org）。该数据库包含化学成分、磁性相变温度、结构细节和磁性。在 NEMAD 的支持下，开发了机器学习模型来对材料进行分类并预测转变温度。我们的分类模型将材料分类为铁磁 (FM)、反铁磁 (AFM) 和非磁性 (NM) 的准确率达到 90%。回归模型预测居里 (N'eel) 温度，确定系数 (R2) 为 0.86 (0.85)，平均绝对误差 (MAE) 为 62K (32K)。这些模型从材料项目中识别出 62 (19) 个 FM (AFM) 候选者，其预测居里 (N'eel) 温度高于 500K (100K)。这项工作展示了将自动数据提取大语言模型与机器学习模型结合起来加速磁性材料发现的可行性。

选择紧束缚模型以获得准确的光电响应

分类： 材料科学

作者： Andreas Ghosh, Aaron M. Schankler, Andrew M. Rappe

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15673v1

摘要： 紧束缚模型提供了深刻的见解，并且是计算材料电子结构的 \emph{ab initio} 方法的低成本替代方案。这些模型用于计算光学响应，包括非线性光学效应，例如位移电流体光伏效应。紧束缚模型的有效性通常通过将其能带结构与密度泛函理论计算的能带结构进行比较来评估。然而，我们发现能带结构一致性是精确光学响应计算的必要但不是充分条件。在这封信中，我们使用各种 {MoS$_2$} 紧束缚模型计算位移电流响应和介电张量，包括处理 Mo $4d$ 轨道和/的 Slater-Koster 和 Wannier 紧束缚模型或 S $3p$ 轨道。我们还将 Wannier 函数模型中的跳跃截断为下一个最近邻，这在紧束缚方法中很常见，以便测量对光学响应的​​影响。通过检查能量和光学矩阵元素的差异，我们确定不同紧束缚模型的插值质量，并确定能带结构和波函数的一致性是准确模拟光学响应所必需的，

通过共振光电发射光谱法解析氧化铁的化合价

分类： 材料科学

作者： Hao Chen, Yun Liu, Hexin Zhang, Shengdi Zhao, Slavomir Nemsak, Haishan Liu, Miquel Salmeron

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15649v1

摘要： 精确测定变价过渡金属氧化物中金属阳离子的氧化态仍然是一个重大挑战，但对于理解和预测这些技术上重要的材料的性能至关重要。特别是铁氧化物，由于铁（Fe2+和Fe3+）价态的变化而表现出显着的电子结构多样性，然而，由于Fe2p的显着重叠，使用传统的X射线光电子能谱（XPS）进行定量分析具有挑战性不同氧化态之间的光谱。在这项研究中，我们利用单层厚度 (ML) 的 Pt 支撑 FeO2 相的有趣案例作为模型系统，并采用共振光电子发射光谱 (ResPES) 直接量化这种复杂 Fe 氧化物中的阳离子价态和组成比。我们的结果表明，这种超薄 FeO2 薄膜 (Pt-O-Fe-O) 与密度泛函理论 (DFT) 预测的 +3 价相反，由 Fe2+ 和 Fe3+ 阳离子的等量混合物组成，平均价为 + 2.5.从结构上看，FeO2 可能源自 Fe3O4 亚晶格，具有与上下氧层键合的八面体 Fe 层（50% Fe3+ 和 50% Fe2+）。

使用能量色散 X 射线光谱测量化学位移

分类： 材料科学

作者： Yueyun Chen, Rebekah Jin, Yarin Heffes, Brian Zutter, Tristan P. O'Neill, Jared J. Lodico, B. C. Regan, Matthew Mecklenburg

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15639v1

摘要： 电子显微镜普遍使用能量色散 X 射线光谱 (EDS) 和电子能量损失光谱 (EELS) 进行元素分析。 EDS 和 EELS 能量分辨率通常分别在 30-100 eV 或 0.01-1 eV 之间。大立体角 EDS 检测器技术提高了收集效率，通过平均 0.02-0.1 eV 实现精密光谱。这种改进的精度可以获取化学位移；例如 Al、Ti 和 W 的化合物。EDS 现在可以检测 EELS 所涵盖的补充参数空间（加速电压、厚度、原子序数）中的化学信息。

晶格涨落对卤化铅钙钛矿激发行为影响的理论见解

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Yoonjae Park, Rohit Rana, Daniel Chabeda, Eran Rabani, David T. Limmer

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15632v1

摘要： 由于其独特的光物理性质，阐明卤化铅钙钛矿中电荷-晶格相互作用对光电性质的作用引起了人们的极大兴趣。虽然结构变形和极性涨落对载流子和准粒子行为的重要性存在广泛共识，但这些涨落的强非谐性质及其强相互作用使得卤化铅的理论描述具有挑战性。在本报告中，我们回顾了我们最近为了解此类材料的柔软极性晶格如何改变其准粒子结合能和精细结构、电荷迁移率以及声子和多余电荷的寿命而做出的努力。我们在我们建立的有效模型以及我们开发的用于理解块状晶体材料、纳米结构和低维晶格的新颖理论方法的背景下对此进行了回顾。我们详细介绍的观点不仅提供了光电材料的一些设计原理，还提供了一套在电荷-晶格相互作用很重要时研究光电材料的理论工具。

K$_2$YF$_5$ 微粒中低对称性 Er$^{3+}$ 中心的光谱学和晶体场分析

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Pratik S. Solanki, Michael F. Reid, Jon-Paul R. Wells

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15630v1

摘要： 掺杂镧系离子的 K$_2$YF$5$ 晶体具有多种可能的光学应用。由于系统的低对称性，晶体结构无法通过 X 射线衍射明确确定。然而，电子顺磁共振研究表明，镧系元素离子在 C${\rm s}$ 局部对称位点取代了钇。在这项工作中，我们使用高分辨率吸收和激光光谱来确定 K$_2$YF$_5$ 微粒中 Er$^{3+}$ 离子的电子能级。总共 39 个晶体场能级，分布在 Er$^{3+}$ 离子的 7 个多重态中，已被分配。该光学数据用于 K$_2$YF$_5$ 中 Er$^{3+}$ 电子结构的晶体场建模。我们的模型不仅适合电子能级，还适合基态 g 张量。该磁分裂数据定义了计算的轴系，避免了与低对称性晶体场拟合相关的模糊性。

Ho$^{3+}$ 掺杂 Y${2}$SiO${5}$ 的激光选点光谱和磁超精细分裂

分类： 材料科学, 原子物理学, 量子物理学

作者： Sagar Mothkuri, Michael F. Reid, Jon-Paul R. Wells, Eloïse Lafitte-Houssat, Alban Ferrier, Philippe Goldner

发布时间： 2024-09-24

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15625v1

摘要： 激光选位光谱和高分辨率吸收测量已用于确定 Y${2}$SiO${5}$ 中 Ho$^{3+}$ 中心之一的 51 个晶体场能级。该中心被称为站点 2，并已暂定为七重协调中心。高分辨率吸收测量揭示了遵守并近似选择规则的复杂超精细图案。沿三个光轴施加磁场揭示了在基态和激发态下都存在低于 0.5 特斯拉的避免交叉。

Er$^{3+}$ 掺杂 CaF${2}$ 晶体中 C${\rm 3v}$(O$^{2-}$) 中心的光谱、晶体场和跃迁强度分析

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： M. D. Moull, J. B. L. Martin, T. G. M. Newman, A. L. Jeffery, J. G. Bartholomew, J. -P. R. Wells, M. F. Reid

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15622v1

摘要： 晶体中的铒离子对构成未来网络量子信息技术支柱的技术显示出巨大的前景。尽管在利用铒光纤兼容的红外跃迁进行经典和量子应用方面取得了进展，但总的来说，这些跃迁还没有得到很好的理解。我们展示了 CaF$2$:Er$^{3+}$ 中 C${\rm 3v}$(O$^{2-}$) 中心的详细吸收和激光选点光谱，作为一种有趣的铒现场案例研究。 $^{4}$I${15/2}$Z$1 \rightarrow {^{4}}$I${13/2}$Y$1$ 过渡的低温不均匀线宽为1 GHz，可从 $^{167}$Er 同位素观察到超精细结构。参数化晶体场哈密顿量适合 34 个能级和两个基态磁分裂因子。波函数用于执行跃迁强度分析，并且电偶极子参数适合吸收振荡器强度。 $^{4}$I${11/2}\rightarrow {^{4}}$I${15/2}$ 和 $^{4}$I${13/2 的模拟光谱} \rightarrow {^{4}}$I${15/2}$ 多重态间跃迁与实验测量的光谱非常一致。 $^{4}$I$_{13/2}$ 激发态寿命为 25.0ms，强度计算与该值非常一致。

纳米级非共线反铁磁体中磁畴的切换

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Atul Pandey, Prajwal Rigvedi, Edouard Lesne, Jitul Deka, Jiho Yoon, Wolfgang Hoppe, Chris Koerner, Banabir Pal, James M. Taylor, Stuart S. P. Parkin, Georg Woltersdorf

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15533v1

摘要： 显示出非常小的杂散磁场的反铁磁体是自旋电子应用的理想选择。特别令人感兴趣的是 Mn3X (X=Sn, Ge) 类型的非共线手性反铁磁体，它表现出与其反铁磁排序相关的大磁输运响应。读出和操纵这种顺序的能力对于将它们集成到自旋电子器件中至关重要。这些材料表现出微小的不平衡磁矩，因此原则上可以使用大的外部磁场将材料设置为单个反铁磁域。然而，在 Mn3Sn 薄膜中，我们发现这种场仅引起部分磁序。通过检测磁序矢量的两个正交面内分量，我们发现不可切换部分具有单向各向异性。这也使我们能够可视化沿 Mn3Sn 中多个易轴的切换。研究纳米尺度的开关使我们能够将钉扎行为与 Mn3Sn 纳米线结构中的晶粒边界相关联。

金属合金中的非平衡化学短程有序

分类： 材料科学

作者： Mahmudul Islam, Killian Sheriff, Yifan Cao, Rodrigo Freitas

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15474v1

摘要： 金属合金在制造过程中通常会经历非平衡过程，例如快速凝固和热机械加工。高熵合金文献表明，化学短程有序（SRO）可以提供一个“新旋钮”来调整材料性能。虽然 SRO 对材料性能影响的证据不断积累，但合金制造过程中 SRO 的演变状态仍然不清楚。在这里，我们采用高保真原子模拟来跟踪合金凝固和热机械加工过程中 SRO 的演变。这种方法揭示了合金加工导致 SRO 的非平衡稳态，其有序性低于任何平衡状态。我们证明，非平衡 SRO 形成背后的机制是非平衡事件中存在的固有排序偏差。这些结果表明，传统的制造工艺提供了调节 SRO 的途径，从而导致超出合金平衡设计空间的广泛的 SRO 状态非平衡谱。

最小的 [5,6] 富勒烯作为二维网络的构建模块，具有卓越的稳定性和增强的光催化性能

分类： 材料科学, 应用物理, 原子和分子簇, 化学物理, 计算物理

作者： Jiaqi Wu, Bo Peng

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15421v1

摘要： 具有共价网络的分子组装可以形成各种晶格结构，具有与传统原子晶格不同的物理和化学性质。使用最小的稳定[5,6]富勒烯单元作为构建块，可以形成各种2D C${24}$网络，与最近合成的单层聚合物C${60}$相比，具有优异的稳定性和强度。单层C${24}$利用碳晶体和富勒烯分子的特性，如稳定的化学键、合适的带隙和大的表面积，促进光催化水分解。 C${24}$ 的电子带隙与 TiO$2$ 相当，为酸性和中性 pH 范围内的整体水分解提供了适当的带边缘和足够的外部电势。在光激发时，强束缚亮激子实现的强太阳能吸收可以有效地产生载流子，而 C${24}$ 和其他二维单层之间的 II 型能带排列可以同时分离各个层中的电子和空穴。此外，在更宽的pH范围内，C${24}$单层的表面活性位点数量是其C${60}$对应物的三倍，为析氢反应提供了自发反应途径。我们的工作提供了对使用富勒烯单元的可调构建块进行材料设计的见解，这些富勒烯单元具有用于能量生成、转换和存储的定制功能。

价电子对分子束外延制备氧化铌薄膜核能级X射线光电子能谱的影响

分类： 材料科学

作者： Jasnamol Palakkal, Pia Henning, Lambert Alff

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15237v1

摘要： X 射线光电子能谱 (XPS) 是一种用于识别元素化学和电子状态的多功能工具。然而，各种初始状态和最终状态效应的存在使得 XPS 光谱的解释变得棘手且错误。当载流子在光发射后与光电离子的核心空穴耦合时，金属氧化物显示出多峰 XPS 光谱。额外的峰经常被误解为源自阳离子的其他氧化态。通过系统地分析分子束外延制备的部分氧化 NbOx 薄膜的 Nb 3d XPS 谱，我们发现接近费米能级的价带电子导致 Nb 氧化物中出现卫星峰。含Nb5+（d0）的绝缘铌氧化物，在费米能级附近没有或有较少电子时，没有这样的峰；另一方面，当足够的表面电荷载流子有助于核心空穴-电子耦合时，含 Nb5+ 的薄膜表现出这种卫星峰。

机械驱动聚合物的离格马尔可夫链蒙特卡罗模拟

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 82D60, 82M31

作者： Lijie Ding, Chi-Huan Tung, Bobby G. Sumpter, Wei-Ren Chen, Changwoo Do

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15223v1

摘要： 我们使用马尔可夫链蒙特卡罗开发了受到机械力作用的半柔性聚合物链的离晶格模拟。我们的方法将聚合物建模为固定长度键的链，并通过自适应非局部蒙特卡罗移动更新配置。这种方法能够精确计算聚合物对各种机械力的响应，这是传统的晶格模型无法实现的。我们的方法与静态状态下持久长度和端到端距离以及张力下拉伸距离的理论预测非常一致。此外，我们的模型消除了晶格模型中存在的取向偏差，这显着影响了散射函数等计算，而散射函数是揭示聚合物构象的关键技术。

碘化银超离子相的对称性破缺

分类： 材料科学, 统计力学

作者： Amir Hajibabaei, William J. Baldwin, Gábor Csányi, Stephen J. Cox

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15217v1

摘要： 在碘化银的超离子相中，我们观察到一种扭曲的四方结构，其特征是阳离子分布中的对称性破缺。该相与众所周知的 bcc 相竞争，具有对称的阳离子分布，能量成本仅为几个 meV/原子。较小的能量差异表明这些竞争结构可能都是在超离子转变温度附近热可达的。我们还发现银离子的分布取决于低温母体多晶型物，在我们的模拟中可以在纳秒时间尺度上记忆持续存在于超离子相中。此外，100ns 量级的模拟表明，即使在 bcc 相稳定的温度下，四方晶格结构的显着波动仍然存在。我们的结果与许多“异常”实验观察结果一致，并为碘化银的“记忆效应”提供了分子机制。

元广义梯度近似具有磁性

分类： 材料科学, 原子和分子簇, 化学物理, 计算物理

作者： Jacques K. Desmarais, Alessandro Erba, Giovanni Vignale, Stefano Pittalis

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15201v1

摘要： 密度泛函理论 (DFT) 的雅各布梯提出了令人信服的观点，即通过扩展成功近似的形式——在精确条件和选定的（最少经验的）规范的指导下——上层将比下层做得更好，从而允许平衡准确性和计算量。元广义梯度近似（MGGA）属于与非局部波函数理论混合之前的半局部近似的最后一级。 MGGA 在非磁性系统上的性能比较低级别的 GGA 的性能大大提高。相反，MGGA 在磁性材料上的失效是令人畏惧的，这使得 GGA 的磁性更加可靠。这就提出了一个问题：是否可以沿着雅各布天梯的路线实现磁性的持续改进。在这里，我们从第一原理出发提出一个解决方案：偏离标准方法（即共线自旋 DFT），我们利用自旋电流 DFT 精确函数的 U(1)$\times$SU(2) 规范对称性访问一组扩展的构建块以进行近似。至关重要的是，这使我们能够处理对称性破缺的铁磁和反铁磁态。对于这些状态，我们推导了一个共线 MGGA，它对于典型磁体表现良好，并使其可用于 \textsc{Crystal} 电子结构包中的实现。

根据欧姆定律和时变密度泛函理论研究温稠密氢的电导率

分类： 材料科学, 等离子体物理

作者： Kushal Ramakrishna, Mani Lokamani, Attila Cangi

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15160v1

摘要： 了解热致密氢的电导率对于基础物理学以及行星科学和惯性约束聚变的应用至关重要。我们演示了如何使用欧姆定律的连续体形式计算电导率，并从实时时间相关的密度泛函理论获得电流密度。该方法模拟了氢在温暖致密物质条件下的动态响应，温度约为 30,000 K，质量密度范围为 0.02 至 0.98 g/cc。我们系统地解决了实时依赖于时间的密度泛函理论中的有限尺寸误差，证明我们的计算在数值上是可行且可靠的。我们的结果与其他方法表现出良好的一致性，突出了该方法在模拟从环境到极端条件下的电子输运特性方面的有效性。

大型异构系统 Bethe-Salpeter 方程的 GPU 加速解

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Victor Wen-zhe Yu, Yu Jin, Giulia Galli, Marco Govoni

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15116v1

摘要： 我们提出了 Bethe-Salpeter 方程 (BSE) 的大规模并行、GPU 加速实现，用于计算凝聚态和分子系统的垂直激发能 (VEE) 和光学吸收光谱，从使用以下方法获得的单粒子特征值和特征向量开始密度泛函理论。这里采用的算法使人们能够分别通过密度矩阵微扰理论方法和屏蔽库仑相互作用的低阶分解来规避空态和占据态上的缓慢收敛和以及大介电矩阵的反转。此外，我们通过利用半导体和绝缘体密度矩阵的近视性来节省计算量，并通过分层循环和数据分布策略将计算扩展到数千个 GPU。我们通过计算宽带隙材料中几种自旋缺陷的 VEE 来证明我们方法的有效性，并且我们表明需要具有多达 1000 个原子的超级晶胞才能获得收敛结果。我们讨论常见近似的有效性，例如，在空态和占用态上截断和的 BSE 解。然后，我们将 GW-BSE 实现应用于具有 1727 个原子的金刚石晶格，以研究由点缺陷与延长线缺陷相互作用引起的三重态对称性破缺。

极性半导体中激子能量和吸收光谱的声子介导重整化

分类： 材料科学

作者： Maximilian Schebek, Pasquale Pavone, Claudia Draxl, Fabio Caruso

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15099v1

摘要： 我们基于第一原理电子结构计算研究振动筛选对固体激子和光学性质的影响。我们通过明确考虑屏蔽库仑相互作用中的声子辅助屏蔽效应来求解 Bethe-Salpeter 方程（激子的最先进描述）。在极性半导体 ZnS、MgO 和 GaN 的示例中，发现吸收开始时的激子结合能重整化了几十 meV。对于位置较高的未结合电子空穴对也发现了类似的效应，导致吸收峰红移高达 50 meV。我们的分析表明，振动屏蔽是由涉及极性纵向光学声子的长程 Fr"ohlich 耦合决定的，而其余的振动自由度可以忽略不计。总体而言，通过阐明声子屏蔽对激子态和吸收光谱的影响，这些选定的离子半导体，这项研究有助于推进从头算方法和固体中激子-声子耦合的基本理解。

CuZrAl 金属玻璃中的雪崩

分类： 统计力学, 材料科学

作者： Tero Mäkinen, Anshul D. S. Parmar, Silvia Bonfanti, Mikko J. Alava

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15058v1

摘要： 金属玻璃具有机械性能，会以应力下降的形式表现出雪崩。我们通过无热准静态剪切和改变元素浓度以及纯 CuZr 50/50 情况下的冷却速率来研究经典金属玻璃体系 CuZrAl 中的这些现象。所得的机械性能接近于实验发现的行为。在小应变下，原始系统类似于其他玻璃系统，具有所谓的带小正指数的间隙分布。仅在接近屈服点时才发现临界雪崩行为。屈服后应力下降普遍存在，间隙分布变得平坦。

缓慢淬火，高压玻璃态 B$_2$O$_3$（DFT 精度）

分类： 化学物理, 无序系统和神经网络, 材料科学

作者： Debendra Meher, Nikhil V. S. Avula, Sundaram Balasubramanian

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14949v1

摘要： 无机玻璃建模需要准确表示原子间相互作用、大系统尺寸以允许中间范围的结构顺序，以及缓慢的淬火速率以消除动力学捕获的结构基序。无论是第一性原理还是基于力场的分子动力学 (MD) 模拟都不能明确满足这三个标准。在此，我们报告了经典玻璃 B$_2$O$_3$ 的机器学习潜力 (MLP) 的开发，它很好地满足了这些目标。 MLP 在凝聚相配置上进行训练，其原子上的能量和力是使用周期性量子密度泛函理论获得的。基于该 MLP 的深电势 MD (DPMD) 模拟准确地预测了玻璃的状态方程和熔体淬火速度较慢的致密化。在环境条件下，淬火速率大于 10$^{11}$ K/s 会导致结构中出现伪影。模拟中与压力相关的 X 射线和中子结构因子与实验数据进行了很好的比较。玻璃的高压模拟显示了硼和氧的不同配位几何形状，这与实验观察结果一致。

RECrO3（RE = La、Nd、Sm、Eu 和 Gd）正铬铁矿的结构、微观结构/形态和磁性

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Anurag Yadav, Anuj Kumar

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14927v1

摘要： 我们在此报告了 RECrO3（RE = La、Nd、Sm、Eu 和 Gd）正铬铁矿的结构、微观结构/形态和详细磁特性。通过标准固相反应方法合成了一系列粒径均匀的RECrO3（RE=La、Nd、Sm、Eu和Gd）正铬铁矿多晶样品。 LaCrO3 (LCO)、NdCrO3 (NCO)、SmCrO3(SCO) 和 EuCrO3 (ECO) 结晶为具有 Pnma (No.62) 空间群的斜方结构单相，而 GdCrO3 (GCO) 则结晶为具有 Pbnm 空间的斜方晶相团体。 SEM 图像证实了所有研究样品的系统生长，晶粒生长发生在烧结过程中，并且图像显示了平均晶粒尺寸变化的多面体形状，范围从大约 1.0{\mu}m 到 3{\mu}m，证实了研究了RECrO3。 LaCrO3 的平均晶粒尺寸最低（~ 1.1{μm），EuCrO3 的平均晶粒尺寸最大（~ 2.8{μm）。由于A位的各种稀土元素（La、Nd、Sm、Eu和Gd）引起的晶格畸变，晶粒尺寸的形状发生变化。能量色散 X 射线分析 (EDAX) 揭示了不同研究的 RECrO3 样品中的元素确认。在 EDAX 的检测限内，在不同的合成 RECrO3 样品中未观察到杂质元素。与温度相关的直流磁化 (M-T) 研究表明，所有样品在不同温度下都会因 Cr3+ 自旋而出现反铁磁转变 (TN)。在低温下，在 50K 左右的 NCO、SCO 中也观察到了稀土离子的自旋重新取向 (TSR)，在 ECO 中在 30K 左右观察到了同样的现象，而在 GCO 中却没有观察到这种现象，因为 Gd3+ 离子的矩很大通过外部施加的磁场状态光谱项8S7/2。 GCO 的磁化强度与外加磁场 (M-H) 环在 10K 和 100K 时表现出类铁磁行为，在 300K 时表现出顺磁行为。

用于高强度高熵合金设计的可解释机器学习

分类： 材料科学

作者： Anurag Bajpai, Ziyuan Rao, Abhinav Dixit, Krishanu Biswas, Dierk Raabe

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14905v2

摘要： 高熵合金（HEA）是具有高混合熵稳定固溶体的金属材料。有些表现出优异的强度，通常还伴有附加特性，如磁性、殷钢、腐蚀或低温响应。这促使人们努力发现新的 HEA，但巨大的成分搜索空间使这些努力充满挑战。在这里，我们提出了一个预测和优化面心立方 (FCC) HEA 屈服强度的框架，由于可用数据丰富，因此使用 CoCrFeMnNi 基合金作为案例研究。我们新颖的残差混合学习模型 (RELM) 集成了随机森林和梯度增强，并通过材料属性数据进行增强，以处理现实世界合金的稀疏、倾斜数据集。混合生成对抗网络-变分自动编码器模型探索现有数据集之外的新合金成分。通过纳入决定微观结构和强度的加工参数，RELM 的 R$^2$ 得分为 0.915，超越了传统模型。 SHapley 加法解释 (SHAP) 和部分依赖性增强了可解释性，揭示了成分-加工-性能关系，并通过 X 射线衍射、SEM 分析和拉伸测试等实验进行了验证。该模型发现了两种新的 Co${20}$Cr${16}$Fe${20}$Mn${16}$Ni${24}$Al$4$ 和 Co${24 }$Cr${12}$Fe${12}$Mn${16}$Ni$_{28}$Al$_4$Si$_4$ HEA 的最大屈服强度为 842 和 937 MPa ，显着超过先前报告的这些合金系统的值。这项研究开创了合金设计中可解释的机器学习，提供了一种严格的、数据驱动的方法来发现、处理和优化现实世界的材料。研究结果强调了成分和制造后加工参数在促进对成分-加工-性能关系的理解中的关键作用。

交流磁体 CrSb 中霍尔效应和高迁移率多载流子输运的非线性场依赖性

分类： 材料科学

作者： Yuqing Bai, Xinji Xiang, Shuang Pan, Shichao Zhang, Haifeng Chen Xi Chen, Zhida Han, Guizhou Xu, Feng Xu

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14855v1

摘要： 作为交流磁体的有前途的候选者，CrSb 具有独特的补偿自旋分裂能带结构，可以为自旋电子学领域带来突破性的概念。在这项工作中，我们生长了高质量的 CrSb 单晶，并全面研究了它们的电子和磁传输特性。我们在 CrSb 中观察到大的、正的、非饱和的磁阻 (MR)，它很好地遵循科勒定律，表明其经典的洛伦兹散射起源。值得注意的是，在很宽的温度范围内发现了类似于自发反常霍尔的霍尔效应的非线性磁场依赖性。经过对输运数据的仔细分析，我们得出结论，非线性主要源于磁导率中不同载流子的结合。根据CrSb的费米面分析，我们应用三载流子模型来拟合电导率数据，得到了很好的一致性。提取的载流子浓度和迁移率表明CrSb的行为更像半金属，最高迁移率达到3*103 cm2V-1s-1。此外，使用半经典玻尔兹曼输运理论的计算成功地再现了 CrSb 中实验磁流变和霍尔效应的主要特征。这些卓越的输运特性使得 CrSb 作为交流磁体在自旋电子学应用中具有独特性。

在铁电金属异质结构中创建独立可控且长寿命的极性斯格明子纹理

分类： 材料科学

作者： Fei Sun, Jianhua Ren, Hongfang Li, Yiwei Wu, Jianwei Liang, Hui Yang, Yi Zhang, Jianyi Liu, Linjie Liu, Mengjun Wu, Xiaoyue Zhang, Wenpeng Zhu, Weijin Chen, Yue Zheng

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14843v1

摘要： 在过去的十年中，铁质材料中形成的涡流、迷宫和斯格明子等拓扑结构因其基础物理、有趣的拓扑和技术前景而引起了广泛的兴趣。到目前为止，极性斯格明子在铁电体中仍然很少，因为它们需要各种偶极相互作用之间的微妙平衡。在这里，我们报道了金属接触中的 PbTiO3 薄膜经历了拓扑相变，并稳定了一系列具有独立可控性的类斯格明子纹理（例如，斯格明子气泡、多个 {\pi}-扭曲目标斯格明子和斯格明子袋） ，类似于磁系统中报道的那些。通过扫描探针的局部电和机械刺激，可以成功写入、擦除和读出密度超过 300 Gb/inch2 的弱相互作用斯格明子阵列。有趣的是，与斯格明子气泡相对较短的寿命<20小时相比，多重{\pi}-扭曲目标斯格明子和斯格明子袋表现出拓扑增强的稳定性，寿命超过两周。实验和理论分析表明，异质结构具有由氧八面体倾斜介导的电 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用。我们的结果证明铁电金属异质结构是拓扑状态和涌现现象的沃土。

有限温度下半金属Heusler合金Co2MnZ（Z= Si, Al）交换刚度常数的第一性原理研究：自旋波动引起的有效半金属度

分类： 材料科学

作者： Shogo Yamashita, Akimasa Sakuma, Mikihiko Oogane

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14802v1

摘要： 我们在有限温度下进行了第一性原理计算，以研究假设 L21 和 B2 结构的 Co2MnZ (Z= Si, Al) 的磁性能的温度依赖性，例如交换刚度常数和居里温度。在L21结构中，我们确认了Co2MnAl具有相对较高的居里温度，与Co2MnSi的居里温度兼容；然而，其交换刚度常数和零温下单点磁激发能比Co2MnSi小得多。这可能表明流动磁体的居里温度不能通过零温度下的交换相互作用来确定。我们还研究了两种合金的交换刚度常数的温度依赖性，并且我们发现 Co2MnAl 的交换刚度常数的温度依赖性具有稳健性（假设为 L21 结构）。这可能导致高居里温度，与小的交换刚度常数相反。最后，我们检查了电子结构的温度依赖性，以研究有限温度下交换刚度常数行为的起源。我们证实，由于自旋无序引起的电子结构改变，化学势下的自旋极化随着温度的升高而有效地增加。这可能有助于有限温度下交换刚度常数的鲁棒性。我们的结果可能表明，有限温度下自旋无序导致的电子结构重整影响了 Co2MnAl 的交换相互作用。

FeRh 薄膜中偏压引起的多米诺骨牌磁相变

分类： 材料科学

作者： Huiliang Wu, Jianbo Wang, Chenbo Zhao, Qingfeng Zhan, Jiangtao Xue, Senfu Zhang, Jinwu Wei, Xiangqian Wang, Qingfang Liu

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14772v1

摘要： 一阶磁相变（MPT）通常发生在约数万奥斯特的非常宽的磁场范围内，这阻碍了其应用。在这项工作中，我们通过在FeRh薄膜中引入偏置电压来诱导多米诺骨牌式MPT，从而实现室温下过渡磁场范围从610^4 Oe大幅缩小到低于210^3 Oe 。此外，理论上得到了多米诺骨牌MPT的临界条件和相图，并且我们的实验很好地支持了它。我们的工作不仅有利于MPT器件的研究和应用，而且对于电阻变化相变系统的应用也具有重要意义。

在低温下运行的紧凑型惯性纳米定位器

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学, 超导

作者： Pritam Das, Sulagna Dutta, Krishna K. S., John Jesudasan, Pratap Raychaudhuri

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14725v2

摘要： 纳米定位在扫描探针显微镜和光学等应用中发挥着非常重要的作用。我们报告了紧凑型惯性纳米定位器的开发以及运行速度低至 2 K 的全计算机接口电子设备，及其在我们的全自动针砧型点接触安德烈夫反射 (PCAR) 设备中的使用。我们还展示了使用 LabVIEW 接口和我们自制的电子设备的全自动操作程序。点接触光谱探针已成功用于在低温下对元素超导体进行 PCAR 测量。我们的纳米定位器占地面积小，非常适合集成到低温扫描探针显微镜中，并使该设计可用于各种研究和工业目的。

$β$-Ga2O3 中局部赝镜对称性引起的高度相干晶界

分类： 材料科学

作者： Yuchao Yan, Yingying Liu, Ziyi Wang, Da Liu, Xu Gao, Yan Wang, Cheng Li, KeKe Ma, Ning Xia, Zhu Jin, Tianqi Deng, Hui Zhang, Deren Yang

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14681v1

摘要： 晶界对晶体材料的性能有着广泛的影响。然而，在低对称性晶体中，原子尺度结构及其与局部和晶体学对称性的关系仍然难以捉摸。在此，我们发现局部赝镜对称原子层是低对称性$\beta$-Ga2O3晶体中一系列高度相干晶界的共同物理起源。其中包括 (100) 孪晶界和一系列新兴的 $(h-1'0'2)/(h+1'0'\bar{2})$ 相干不对称晶界 (CAGB)。由于$β-Ga2O3常规晶胞的局域赝镜对称性和特殊的几何关系，这些CAGB将80%的边界原子置于赝重合位点，在重合位点晶格模型下表现出高相干性。结合密度泛函理论计算、直拉生长实验和原子尺度表征，证实了$(002)/(20\bar{2})$-A CAGB的结构和稳定性，具有边界能量密度低至 0.36 J/m2。该CAGB负责在β-Ga2O3外延生长过程中在表面台阶处自发形成孪晶缺陷面，从而保证了β-Ga2O3的衬底取向选择规则。通过这项研究，我们深入了解了低对称性 $\beta$-Ga2O3 晶体中的晶界物理，同时强调了低对称性晶体中局部伪对称性的重要性。

线性和非线性磁声子学的太赫兹控制

分类： 材料科学, 光学

作者： Tianchuang Luo, Honglie Ning, Batyr Ilyas, Alexander von Hoegen, Emil Viñas Boström, Jaena Park, Junghyun Kim, Je-Geun Park, Dominik M. Juraschek, Angel Rubio, Nuh Gedik

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14669v1

摘要： 通过晶格对磁性的相干操纵为在超快时间尺度上控制自旋电子功能提供了前所未有的机会。这种非热控制通常涉及与磁序耦合的拉曼活性声子的非线性激发。相比之下，线性激励具有更有效和选择性地调制磁特性的潜力。然而，线性通道仍然未知，因为它通常被认为在反演对称量子材料中是禁止的。在这里，我们利用磁振子和拉曼活性声子之间的强耦合来实现磁振子极化子、磁振子声子混合准粒子的线性和二次激发方式。我们通过在范德华反铁磁体 $\mathrm{FePS_3}$ 中用强烈的太赫兹脉冲驱动磁振子极化子来证明这一点。这种激发行为提供了一种独特的方法，通过调节太赫兹场强度及其极化来连贯地控制磁振子极化子振荡的振幅。由于不同激发通道之间的强烈干扰，所得相干振荡幅度的偏振测量打破了晶体$C_2$对称性。我们的研究结果开启了操纵材料特性的广泛可能性，包括通过声子-Floquet 工程调节交换相互作用。

二维四方交变磁性中的谷极化

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： San-Dong Guo Xiao-Shu Guo, Guangzhao Wang

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14668v1

摘要： 交变晶体环境引起的交变磁性为设计新型谷极化提供了独特的机会。在这里，我们提出了一种通过调节磁化方向来实现二维（2D）四方交变磁体中谷极化的方法。当磁化方向打破 $C_{4z}$ 晶格旋转对称性时，特别是在传统的面内 $x$ 或 $y$ 方向上，就会出现谷极化和自旋极化。当磁化方向在$x$和$y$方向之间切换时，谷极化和自旋极化将会反转。这与广泛研究的谷极化不同，谷极化发生在面外六角形磁性材料中，谷物理位于 -K/K 点。随后进行第一性原理计算，我们的建议在二维 Janus 四方交磁 $\mathrm{Fe_2MoS_2Se_2}$ 单层中得到证明，具有良好的稳定性，但谷分裂非常小，仅为 1.6 meV。为了清楚地看到我们建议的可行性，使用了不切实际的材料 $\mathrm{Ru_2MoS_2Se_2}$ 来显示 90 meV 的大谷分裂。事实上，我们的建议可以很容易地扩展到二维四方铁磁（FM）材料，例如 FM $\mathrm{Fe_2I_2}$ 单层。我们的研究结果可以丰富谷物理学，并提供新型谷材料。

通过自适应压缩交换加速具有混合密度泛函理论起点的多体摄动理论

分类： 材料科学

作者： Victor Wen-zhe Yu, Marco Govoni

发布时间： 2024-09-23

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14662v1

摘要： 我们报告了使用自适应压缩交换（ACE）算子来加速多体微扰理论（MBPT）计算，包括 G$_0$W$_0$ 和 Bethe Salpeter 方程（BSE），用于混合密度泛函理论点。我们表明，通过用低秩 ACE 算子近似精确交换算子，可以通过全频 G$_0$W$_0$ 计算的准粒子能量和垂直激发能量的系统可控误差来实现大量计算节省，通过求解密度矩阵微扰理论中的 BSE 计算出的光学吸收光谱。我们的实现利用 ACE 加速的电子哈密顿量来执行 G$_0$W$_0$ 和 BSE，而无需显式计算空状态。我们展示了该方法的稳健性，并展示了在 CPU 和 GPU 节点上获得的计算增益。我们的工作将促进微调混合起点的探索和评估，旨在提高 MBPT 计算的准确性。

供应具有风险意识的合金发现和设计

分类： 机器学习, 材料科学

作者： Mrinalini Mulukutla, Robert Robinson, Danial Khatamsaz, Brent Vela, Nhu Vu, Raymundo Arróyave

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.15391v1

摘要： 材料设计是创新的关键驱动力，但忽视材料及其供应链固有的技术、经济和环境风险可能会导致不可持续且容易出现风险的解决方案。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的风险意识设计方法，将供应链意识设计策略集成到材料开发过程中。该方法利用现有的语言模型和文本分析来开发用于预测材料原料供应风险指数的专用模型。为了有效地导航多目标、多约束设计空间，我们采用批量贝叶斯优化 (BBO)，能够识别帕累托最优高熵合金 (HEA)，从而平衡性能目标与最小化供应风险。使用 MoNbTiVW 系统的案例研究证明了我们的方法在四种情况下的有效性，强调了将供应风险纳入设计过程的重大影响。通过优化性能和供应风险，我们确保开发的合金不仅具有高性能，而且具有可持续性和经济可行性。这种综合方法代表了迈向未来的关键一步，材料发现和设计无缝地考虑了可持续性、供应链动态和全面的生命周期分析。

通过机器学习解码多主元素合金中超阿累尼乌斯氢扩散的隐藏动力学

分类： 材料科学

作者： Fei Shuang, Yucheng Ji, Zixiong Wei, Chaofang Dong, Wei Gao, Luca Laurenti, Poulumi Dey

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14573v1

摘要： 了解多主元素合金 (MPEA) 中的原子氢 (H) 扩散对于推进 H 传输、存储和核聚变应用等清洁能源技术至关重要。然而，MPEA 固有的巨大组成空间和复杂的化学环境构成了重大障碍。在这项工作中，我们通过开发一个多方面的机器学习框架来应对这一挑战，该框架集成了机器学习力场、神经网络驱动的动力学蒙特卡罗和机器学习符号回归。该框架允许准确研究 H 在体心立方 (BCC) 难熔 MoNbTaW 合金的整个成分空间中的扩散，从而实现密度泛函理论的准确性。我们首次发现 MPEA 中的 H 扩散表现出超阿伦尼乌斯行为，由 Vogel-Fulcher-Tammann 模型描述，其中 Vogel 温度与 H 溶液能谱的第 5 个百分位数相关。我们还推导出了稳健的解析表达式，可用于预测一般 BCC MPEA 中的 H 扩散率。我们的研究结果进一步阐明，化学短程有序 (SRO) 通常不会影响 H 扩散，但当“有利于 H”的元素（特别是 Nb 和 Ta）以低浓度存在时，它会增强扩散。这些发现不仅增强了我们对一般 MPEA 中 H 扩散动力学的理解，而且还通过操纵元素类型、成分和 SRO 指导 H 相关应用中先进 MPEA 的开发。

评估大语言模型在材料科学问答和性能预测方面的表现和稳健性

分类： 计算和语言, 材料科学, 人工智能, 机器学习

作者： Hongchen Wang, Kangming Li, Scott Ramsay, Yao Fehlis, Edward Kim, Jason Hattrick-Simpers

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14572v1

摘要： 大型语言模型 (LLM) 具有彻底改变科学研究的潜力，但其在特定领域应用中的稳健性和可靠性尚未得到充分探索。本研究对材料科学领域的大语言模型进行了全面的评估和稳健性分析，重点关注特定领域的问答和材料性能预测。本研究使用了三个不同的数据集：1）本科材料科学课程中的一组多项选择题，2）包含各种钢成分和屈服强度的数据集，3）带隙数据集，包含以下内容的文本描述：材料晶体结构和带隙值。大语言模型的表现是使用各种提示策略进行评估的，包括零样本思维链、专家提示和少样本情境学习。这些模型的稳健性针对各种形式的“噪声”进行测试，从现实干扰到故意对抗性操作，以评估它们在现实条件下的弹性和可靠性。此外，该研究还揭示了大语言模型在预测任务期间的独特现象，例如提示示例的接近度改变时的模式崩溃行为以及训练/测试不匹配导致的性能增强。这些发现旨在为大语言模型在材料科学中的广泛使用提供有依据的怀疑，并激发进步，提高其实际应用的稳健性和可靠性。

BiFeO$_3$ 中的振荡磁效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算工程、金融和科学, 仪器仪表和探测器

作者： Thiago Ferro, Adrielson Dias, Maria Clara, Luana Hildever, José Holanda

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14533v1

摘要： 电动汽车的发展导致对更高效、更环保的电池的需求不断增长。因此，人们对研究新材料和技术以提高电池效率产生了浓厚的兴趣。正在探索的一种此类材料是铁酸铋（BiFeO$_3$ 或 BFO），这是一种具有多种特性的钙钛矿。研究人员对利用磁场或电场控制其反铁磁磁化的潜力特别感兴趣。在此，对 BFO 进行了全面分析，重点关注其在振荡磁场下的行为。研究表明，BFO 对这些磁场的频率和形状很敏感，从而发现了与其表面电磁信号传输相关的新效应。这种效应导致电磁信号的功率显着增加，代表着重大的技术突破。根据研究结果，以前在任何此类系统中都没有观察到这种功率增益。研究还表明，BFO 能够通过电输出信号检测磁场，反之亦然，这对于评估电池的状态和效率至关重要，从而有助于储能技术的重大进步。

用于优化全 d 金属 Heusler 合金磁热效应的机器学习算法

分类： 材料科学

作者： Danil Baigutlin, Vladimir Sokolovskiy, Vasiliy Buchelnikov, Sergey Taskaev

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14370v1

摘要： 本研究探讨了机器学习算法（特别是随机森林回归模型）的应用，以优化全 d 金属 Heusler 合金的磁热效应。该模型使用与单个原子的平均属性、基态简单化合物的属性以及化学无序测量相关的描述符进行训练。它在预测结构特性方面表现出高精度，同时在预测磁特性方面表现出中等精度。为了确定最佳合金成分，使用遗传算法来查找马氏体转变期间磁化强度差异最大的合金成分。利用这种组合方法，对 Ni-Co-Mn-Ti 合金体系进行了彻底的探索，发现了一种具有最大磁化差的合金。这些结果与之前基于密度泛函理论（DFT）的研究一致，并强调了将机器学习与遗传算法相结合对于发现具有出色磁热特性的新材料的有效性。该研究强调需要进一步完善能够准确预测复杂磁相互作用的模型，这对于在实际应用中充分发挥全d金属霍斯勒合金的潜力至关重要。

CO 从空 MoSe$_2$ 中与 O 吸附物散射：是否形成 CO$_2$？

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Raúl Bombín, Ricardo Díez Muiño, J. Iñaki Juaristi, Maite Alducin

发布时间： 2024-09-22

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14362v1

摘要： 利用从头算分子动力学 (AIMD) 模拟，基于也考虑了范德华相互作用的密度泛函理论，我们研究了气相 CO 在 Se 空位和氧覆盖度为 0.125ML 的 MoSe$_2$ 上的氧化。在平衡构型中，一个 O 原子吸附在空位上，另一个 O 原子吸附在一个 Se 原子上。 CO 分子与第二个 O 原子重组形成 CO$_2$ 是一个高度放热的反应，能量增益约为 3eV。接下来，通过计算足以克服 CO 氧化复合入口通道中的能量势垒的数百个 AIMD 轨迹来检查该表面上 CO 氧化反应的可能性。尽管如此，还是没有获得CO$_2$形成事件。在大多数计算轨迹中，传入的 CO 分子被直接反射，在某些情况下，主要是在低能量下，分子仍被捕获在表面但不发生反应。作为重要的结论，我们的 AIMD 模拟表明，尽管放热性很大，但 CO 分子与吸附的 O 原子的重组在该系统中是不太可能发生的反应。

欺骗等离子体通道的近场辅助能力

分类： 材料科学, 光学

作者： Mikhail Erementchouk, Pinaki Mazumder

发布时间： 2024-09-21

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14118v1

摘要： 由于欺骗等离子体通道的特定物理实现的复杂性，建立超越光谱特性的欺骗等离子体系统的通用特征具有挑战性。我们引入了一个简单的一维标量模型，再现了欺骗等离子体通道的关键特性，并研究了当仅存在少量局部共振时类等离子体特征的表现。我们表明，应用于结构内部的源和终端（输出端口）之间的通道实际上包括两个子通道。子通道之一的激活取决于源的空间变化，因此，如果源占据亚波长区域，则该子通道在传统系统中的贡献很小。我们表明，在欺骗等离子体结构中，该子通道的激活可以在欺骗等离子体效应突出的频率区域显着增强。这表明，即使是一些局部散射共振也可能强烈影响波载信息流。

Kitaev 候选 Li$_2$RhO$_3$ 的压力相关磁性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Bin Shen, Efrain Insuasti, Ramesh Dhakal, Friedrich Freund, Philipp Gegenwart, Stephen M. Winter, Alexander A. Tsirlin

发布时间： 2024-09-21

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14077v1

摘要： 我们使用压力下的磁化强度测量以及 \textit{ab initio} 和集群多体计算来研究 Kitaev 候选 Li$_2$RhO$_3$ 的磁性。静水压缩至 4.2GPa 导致铁磁 Kitaev 耦合 $K$ 的大小减小，非对角线各向异性 $\Gamma$ 相应增加，而实验居里-魏斯温度随斜率+40K/GPa。另一方面，旋转冻结持续高达至少 3.25GPa，几乎恒定的冻结温度为 $5.5-6.0$K，这并不遵循交换耦合的巨大变化，表明旋转冻结可能是外在起源。 Li$_2$RhO$_3$ 中的磁挫败主要与铁磁 $K$ 和反铁磁 $\Gamma$ 之间的相互作用有关，以及第三邻耦合 $J_3$ 的弱点，否则会稳定锯齿状秩序。小 $J_3\simeq 0.1$,meV 将 Li$_2$RhO$_3$ 与其他 Kitaev 候选者区分开来。

用于预测电子激励动力学的循环神经网络

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Ethan P. Shapera, Cheng-Wei Lee

发布时间： 2024-09-21

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14042v1

摘要： 我们展示了一种基于机器学习的方法，该方法可以学习受到离子辐照的小分子的时间依赖性电子激发动力学。循环神经网络的集合根据时间相关的密度泛函理论生成的数据进行训练，以将原子位置与分子轨道的占据联系起来。使用主动学习过程将新数据增量有效地添加到训练数据中，从而提高模型准确性。发现循环神经网络集成预测的轨道占据变化存在误差和一个标准偏差不确定性，比轨道占据数的典型值小两个数量级。经过训练的循环神经网络集成表现出对未用于训练模型的分子进行泛化的能力有限。在这种情况下，模型能够识别关键的定性特征，但很难匹配定量值。这里开发的机器学习程序具有潜在的广泛适用性，并且有可能通过大幅降低计算成本并为多尺度模拟提供替代模型来研究广泛的材料和动态过程。

由单一 Pd 物质的热力学和动力学行为介导的 Pd-CeO2 中两种不同的氧化分散机制

分类： 材料科学

作者： Chen Zou, Wen Liu, Shiyuan Chen, Songda Li, Fangwen Yang, Linjiang Yu, Chaobin Zeng, Yue-Yu Zhang, Xiaojuan Hu, Zhong-Kang Han, Ying Jiang, Wentao Yuan, Hangsheng Yang, Yong Wang

发布时间： 2024-09-21

链接： http://arxiv.org/abs/2409.14041v1

摘要： 了解负载型催化剂的分散过程对于合成原子级分散催化剂并精确控制其化学状态至关重要。然而，由于分散过程中缺乏原子级证据，潜在的分散机制仍然难以捉摸。在此，通过采用球差校正环境扫描透射电子显微镜（ESTEM）、第一性原理计算和全局优化算法，我们揭示了Pd/CeO2（100）体系中的预氧化色散和直接色散机制，介导通过单一 Pd 物质的热力学和动力学行为。我们发现，在较低温度下，Pd纳米粒子首先发生氧化，然后PdO分散，而在较高温度下，Pd的整个分散过程保持金属态。不同温度下不同的分散机制是由环境依赖性单一钯物质的热力学和动力学差异驱动的。在较低温度下稳定的非移动 Pd1O4 物质会阻碍 Pd 纳米粒子的直接分散，而是触发一系列预氧化，然后进行有限分散。相比之下，在较高温度下高度流动的 Pd1O2 物质有利于 Pd 纳米颗粒的完全和直接分散。这项研究从热力学和动力学角度阐明了氧化分散的基本物理机制，有可能实现精确控制高度分散催化剂状态的策略。

原子系统的广义代表结构

分类： 材料科学, 计算物理

作者： James M. Goff, Coreen Mullen, Shizhong Yang, Oleg N. Starovoytov, Mitchell A. Wood

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13871v1

摘要： 提出了一种生成原子结构的新方法，该结构可以再现任意材料系统、相或系综的基本特征。以前的方法允许人们在小的晶体结构内重现大型随机合金的基本特征（例如化学无序）。在晶体系统的限制下生成随机合金的小表示的能力是使用固定晶格簇相关性来描述结构特征的结果。使用完整的原子环境描述符集可以获得对原子系统结构特征的更一般的描述。这些用于生成代表性原子结构，而不受固定晶格的限制。利用原子簇扩展（ACE）基础提供了一种通用的数据驱动方法。 N 体 ACE 描述符是一套完整的原子环境描述符，涵盖化学和空间自由度，用于描述原子结构。其中提出的广义代表性结构 (GRS) 方法可生成小的原子结构，这些原子结构可再现与任意结构和化学复杂性相对应的 ACE 描述符分布。结果表明，通过优化算法可以有效地产生固定母晶格、非晶材料、液体和原子结构集合上的晶体系统的系统改进表示。我们重点介绍了原子机器学习训练数据集的简化表示，其中包含相似数量的信息和液相的小型 40-72 原子表示。还展示了使用 GRS 方法作为知情新颖结构生成驱动程序的能力。与其他数据驱动方法和仅限于高对称性系统的最先进方法相比，其优势得到了强调。

使用对称感知图神经网络学习晶体材料的排序

分类： 材料科学, 机器学习, 化学物理

作者： Jiayu Peng, James Damewood, Jessica Karaguesian, Jaclyn R. Lunger, Rafael Gómez-Bombarelli

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13851v1

摘要： 图卷积神经网络 (GCNN) 已成为机器学习的主力，通过预测结构的特性来筛选催化和能量存储等领域中晶体材料的化学空间。然而，多组分材料提出了独特的挑战，因为它们可以表现出化学（无序）有序性，其中给定的晶格结构可以包含从高度有序的结构到完全无序的固溶体的各种元素排列。至关重要的是，稳定性、强度和催化性能等性能不仅取决于结构，还取决于有序性。为了实现严格的材料设计，确保 GCNN 能够区分原子排序至关重要。然而，人们对 GCNN 的排序感知能力知之甚少。在这里，我们对各种神经网络架构进行了基准测试，以在通过高通量原子模拟生成的定制数据集中捕获多组分材料的顺序相关能量学。人们发现传统的对称不变 GCNN 无法辨别同一材料的不同对称不等价原子排序之间的结构差异，而对称等变模型架构可以本质上保留和区分各种排序的不同晶体对称性。

通过端到端可微原子模拟进行力场优化

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Abhijeet S. Gangan, Samuel S. Schoenholz, Ekin Dogus Cubuk, Mathieu Bauchy, N. M. Anoop Krishnan

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13844v1

摘要： 原子模拟的准确性取决于力场的精度。传统的数值方法常常难以优化经验力场参数以再现目标特性。最近的方法依赖于根据第一原理模拟中的力和能量来训练这些力场。然而，尚不清楚这些方法是否能够捕获复杂的材料响应，例如振动或弹性特性。为此，我们引入了一个框架，采用内环模拟和外环优化，通过分析计算模拟的梯度来利用自动微分进行属性预测和力场优化。我们通过优化硅系统的经典 Stillinger-Weber 和 EDIP 势来演示该方法，以重现弹性常数、振动态密度和声子色散。我们还演示了如何使用自动微分来微调机器学习的潜力，以重现任何目标属性，例如径向分布函数。有趣的是，与对能量和力进行微调的力场相比，所得力场对未见温度表现出更高的准确性和泛化性。最后，我们演示了针对多个目标属性优化力场的方法的扩展。总而言之，可微分模拟通过梯度的分析计算，为理解物理系统和材料的理论探索和实际应用提供了强大的工具。

三角莫尔系统中广义维格纳结晶度的起源和稳定性

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Aman Kumar, Cyprian Lewandowski, Hitesh J. Changlani

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13814v1

摘要： 最近在莫尔晶胞的多个分数填充中观察到了三角形莫尔超晶格上的广义维格纳晶体（GWC），该超晶格是由两层过渡金属硫属化物堆叠而成的[Nature 587, 214 - 218 (2020) ，纳特。物理。 17, 715 - 719 (2021), 自然 597, 650 - 654 (2021)]。在这些实验的推动下，结合对这些材料进行精确微观描述的需要，我们探索了 GWC 在 $n=1/3$ 和 $2/3$ 填充时的理论起源。我们证明了依赖于截断（有限范围）电子-电子相互作用而不是长程库仑相互作用的这些莫尔长波束理论描述的局限性。我们通过研究零温度和有限温度下的经典效应和量子力学效应来验证我们的发现。更一般地说，我们讨论了理论扩展哈伯德模型相图中电荷挫败的作用，识别了“弹球”相，一种部分量子熔化的广义维格纳晶体，具有共存的固体和液体状特征，没有经典的类似物。量子效应还解释了 $n=1/3$ 和 $2/3$ 晶体的转变温度中微小但可通过实验检测到的不对称性。我们的计算表明，通过适当重整化的最近邻相互作用，可以正确捕获使用长程库仑相互作用预测的电荷排序温度和磁交叉温度。有效的最近邻相互作用强度明显弱于之前报道的，使其接近金属-绝缘体相界。这一观察结果对我们讨论的未来实验具有影响。我们通过研究熔化温度对门到样品分离的依赖性得出结论，并且我们还预测了应该观察到磁交叉的温度范围。

静压金属玻璃中 α 弛豫与平衡之间关系的分解

分类： 材料科学

作者： Antoine Cornet, Jie Shen, Alberto Ronca, Shubin Li, Nico Neuber, Maximilian Frey, Eloi Pineda, Thierry Deschamps, Christine Martinet, Sylvie Le Floch, Daniele Cangialosi, Yuriy Chushkin, Federico Zontone, Marco Cammarata, Gavin B. M. Vaughan, Marco di Michiel, Gaston Garbarino, Ralf Busch, Isabella Gallino, Celine Goujon, Murielle Legendre, Geeth Manthilake, Beatrice Ruta

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13636v1

摘要： 通常假设应用于玻璃的任何热机械协议的记忆都可以通过在过冷液体中加热材料来擦除。虽然对于热处理的非晶固体来说确实如此，但我们表明静水压缩可以不可逆地改变原型金属玻璃形成体的原子运动、热力学状态和结构，其方式取决于材料在压缩过程中达到的遍历程度。虽然通过淬火稠密液体可以获得增强的动力学和热力学稳定性，但玻璃中的高压退火会导致短程和中程有序水平的热再生和复杂的结构重排。当加热到玻璃化转变温度以上时，这些压缩玻璃不会转化为原始的过冷液体，而是转化为不同的系统，这挑战了普遍接受的仅由微观$α$弛豫过程控制的平衡恢复的想法。

非磁性固体中受通用对称性保护的持久自旋纹理

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Berkay Kilic, Sergio Alvarruiz, Evgenii Barts, Bertjan van Dijk, Paolo Barone, Jagoda Slawinska

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13632v1

摘要： 门捷列夫元素周期表的意义不仅仅在于元素的分类。它在于其非凡的预测能力，能够发现新的元素和特性，揭示自然界潜在的对称模式，而这些模式只有随着量子力学的出现才被完全理解。基本的材料特性，例如电子传输和磁性，也受到晶体对称性的控制。特别是，自旋输运取决于电子态的自旋极化，最近发现的电子自旋极化与动量无关的材料（一种称为持久自旋纹理（PST）的特性）有望延长自旋寿命和有效的自旋积累。在本文中，我们建立了块状晶体中对称保护 PST 存在的一般条件。通过系统地分析所有 230 个晶体空间群（类似于元素周期表中的元素），我们证明 PST 普遍存在于所有缺乏反演对称性的非磁性固体中。利用群论，我们确定了布里渊区内承载 PST 的区域，并确定了相应的自旋极化方向。我们的研究结果得到了代表性材料第一性原理计算的支持，为发现基于 PST 的稳健自旋电子材料开辟了道路。

自旋空间群不可约表示的构造与应用

分类： 材料科学

作者： Ziyin Song, A. Z. Yang, Yi Jiang, Zhong Fang, Jian Yang, Chen Fang, Hongming Weng, Zheng-Xin Liu

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13601v1

摘要： 自旋空间群（SSG），包括传统空间群（SG）和磁性空间群（MSG）作为子集，描述了具有弱自旋轨道耦合（SOC）的磁性材料的完全对称性。在目前的工作中，我们系统地研究了 SSG 的不可约表示（irreps），重点关注任何动量点 $\pmb k$ 的小协同群 $L(k)$ 的投影不可表示。我们分析了$L(k)$的因子系统，然后使用哈密顿方法将$L(k)$的投影正则表示简化为不可重复的直接和。特别是，对于包含连续自旋旋转操作的共线 SSG，我们采用离散子群来有效捕获其特征。此外，我们应用SSG的表示理论来研究磁性材料中电子和磁子的能带结构。识别出 SSG 对称群后，我们提取相关的不可表示并确定 $k\cdot p$ 模型。作为示例，我们说明了我们的方法如何适用于材料 \ch{Mn3Sn}。观察到 SSG 对称性促进的简并性，强调了其在材料分析中应用的有效性。 SSG识别和表示代码上传到GitHub，所有SSG的不可表示信息也可以在在线数据库中找到。我们的工作为探索磁性材料复杂的对称性提供了实用的工具包，并为材料科学的未来进步铺平了道路。

推进单原子催化剂：表面工程金属有机平台

分类： 材料科学

作者： Amogh Kinikar, Xiushang Xu, Takatsugu Onishi, Andres Ortega-Guerrero, Roland Widmer, Nicola Zema, Conor Hogan, Luca Camilli, Luca Persichetti, Carlo A. Pignedoli, Roman Fasel, Akimitsu Narita, Marco Di Giovannantonio

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13560v1

摘要： 纳米材料的最新进展将纳米级制造的界限推向了单原子（SA）的极限，特别是在多相催化领域。单原子催化剂（SAC）由分散在惰性基质上的微量过渡金属组成，已成为该领域的重要材料。然而，克服这些 SA 在低温之外聚集的趋势并将它们精确地排列在表面上提出了重大挑战。使用有机模板来协调和调节单个原子的活动是有希望的。在这里，我们介绍了一种新颖的单原子平台（SAP），其中原子牢固地锚定到沿着碳基聚合物分布的特定配位位点，通过表面合成（OSS）合成。即使在高温下，这些 SAP 也表现出原子级的结构精度和稳定性。活性位点电子态的不对称性预示着这些精确定义的反应中心的反应性增强。在低温下暴露于 CO 和 CO2 气体时，SAP 表现出出色的捕集能力。微调配位位点的结构和性质在定制功能方面提供了无与伦比的灵活性，从而为催化应用中以前未开发的潜力开辟了途径。

Kagome 铁磁 Weyl 半金属中的可调谐反常霍尔效应

分类： 材料科学

作者： Samuel E. Pate, Bin Wang, Yang Zhang, Bing Shen, Enke Liu, Ivar Martin, J. Samuel Jiang, Xiuquan Zhou, Duck Young Chung, Mercouri G. Kanatzidis, Ulrich Welp, Wai-Kwong Kwok, Zhi-Li Xiao

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13558v1

摘要： 巨型反常霍尔效应（AHE）源于拓扑和磁性的复杂相互作用，是最近发现的 kagome 铁磁 Weyl 半金属 Co_3Sn_2S_2 最著名的拓扑特性，磁性 Co 原子排列在 kagome 晶格上。在这里，我们报告说，Co_3Sn_2S_2 中的 AHE 可以通过在 kagome 平面约 2 度范围内定向的外加磁场进行微调，而在这个范围之外，它保持不变。特别是，它可以在平行于戈薇平面的磁场中消失，甚至在与自旋方向共线的磁场中减少。这种可调谐的 AHE 可归因于磁性 kagome 晶格的几何挫败所实现的局部自旋切换，表明当磁场接近 kagome 平面时，kagome 铁磁体中的自旋会改变其切换行为。我们的结果还提出了一种调整戈薇磁铁特性的通用方法。

基于电子光学放大独立式磁性纳米膜的直接自旋成像探测器

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： O. E. Tereshchenko, V. V. Bakin, S. A. Stepanov, V. A. Golyashov, A. S. Mikaeva, D. A. Kustov, V. S. Rusetsky, S. A. Rozhkov, H. E. Scheibler, A. Yu. Demin

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13543v1

摘要： 电子光学偏振器/分析器的模拟，基于覆盖微通道板 (MCP) 入口的独立式铁磁 (FM) 纳米膜的自旋过滤器，用于在 2D 视场中进行高效的自旋过滤和电子放大。为了研究自旋相关传输，我们构建了一个自旋三极管装置（自旋管），它由一个紧凑的邻近聚焦真空管和 Na2KSb 自旋极化电子源、FM-MCP 和荧光屏组成，彼此平行放置。在这里，我们演示了 FM 纳米膜的制造，该纳米膜由沉积在总厚度为 10 nm 的独立 3 nm SiO2 层上的 Co/Pt 超晶格组成。 FM-MCP有10e6个通道，单通道谢尔曼函数S=0.6，低电子能量范围内的传输率为1.5x10e-3。基于 FM-MCP 的设备提供了一种紧凑的光学方法，用于测量成像模式下自由电子束的自旋极化，非常适合光电子能谱和显微镜方法。

通过氦注入实现多晶陶瓷薄膜的巨应变可调

分类： 材料科学

作者： A. Blàzquez Martínez, S. Glinšek, T. Granzow, J. -N. Audinot, P. Fertey, J. Kreisel, M. Guennou, C. Toulouse

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13505v2

摘要： 应变工程是一种强大的工具，通常用于控制和增强铁电性、磁序或金属绝缘体转变等特性。薄膜中的外延应变允许操纵面内晶格参数，通常实现高达 4% 的应变值，在某些特定情况下甚至更高。在多晶薄膜中，由于制造成本较低，更适合功能性应用，超过 1% 的应变通常会导致破裂。这对应变工程的功能特性调整提出了挑战。氦注入已被证明可以通过间隙注入诱导负压，从而增加晶胞体积，并允许通过外延单晶薄膜中的注入剂量进行连续应变调节。然而，目前还没有关于氦注入作为应变工程技术可转移到多晶薄膜的研究。在这里，我们展示了该技术对于外延单晶样品之外的应变工程的适用性。氦注入可以在多晶 BiFeO3 薄膜中引发前所未有的晶格参数扩展高达 3.2%，而不会引起结构裂纹。该薄膜在剂量高达 1E15 He/cm2 时仍能保持稳定的铁电性能。这一发现强调了氦注入在应变工程多晶材料中的潜力，可实现经济高效且多功能的应用。

金红石氧化物 RuO$_2$ 中不存在交变磁自旋分裂特征

分类： 材料科学

作者： Jiayu Liu, Jie Zhan, Tongrui Li, Jishan Liu, Shufan Cheng, Yuming Shi, Liwei Deng, Meng Zhang, Chihao Li, Jianyang Ding, Qi Jiang, Mao Ye, Zhengtai Liu, Zhicheng Jiang, Siyu Wang, Qian Li, Yanwu Xie, Yilin Wang, Shan Qiao, Jinsheng Wen, Yan Sun, Dawei Shen

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13504v1

摘要： 金红石 RuO$_2$ 被认为是潜在的 $d$ 波交变磁性候选者，预计自旋分裂高达 1.4 eV。尽管积累了理论预测和输运测量，但对自旋分裂的直接光谱观察仍然难以捉摸。在这里，我们采用自旋和角分辨光电子能谱来研究薄膜和单晶 RuO$_2$ 的能带结构和自旋极化。与交变磁性的预期相反，我们的分析表明 RuO$_2$ 的电子结构与非磁性条件下预测的电子结构一致，没有表现出假设的自旋分裂的证据。此外，我们观察到低位体带的显着面内自旋极化，其关于高对称面反对称，并且由于交变磁力中时间反转对称性破缺而与$d$波自旋结构相反。这些发现明确挑战了之前提出的金红石 RuO$_2$ 的交变磁序，促使人们重新评估其磁性。

探测熵稳定过渡金属氧化物中的弹性各向同性：多晶材料单晶弹性常数的实验估计

分类： 材料科学

作者： Lalith Kumar Bhaskar, Niraja Moharana, Hendrik Holz, Rajaprakash Ramachandramoorthy, K. C. Hari Kumar, Ravi Kumar

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13489v1

摘要： 单晶弹性常数 (SEC) 对于理解材料变形、验证原子间势以及实现关键材料模拟至关重要。熵稳定氧化物展示了有趣的特性，强调了确定精确 SEC 的必要性，以建立可靠的原子间势并通过模拟释放其全部潜力。这项研究提出了一种估计多晶材料 SEC 的创新方法，仅需要立方对称晶体的两个衍射弹性常数和各向同性弹性常数。使用相纯镍进行的验证表明与现有文献值非常一致，$C_{12}$ 值的最大偏差为 11.5%。将方法扩展到 [(MgNiCoCuZn)O]，计算出 SEC：$C_{11}$ 为 219 GPa，$C_{12}$ 为 116 GPa，$C_{44}$ 为 51 GPa。与 DFT 计算的文献报告值进行比较，发现使用 Voigt-Reuss-Hill 平均值计算的体积模量和剪切模量存在显着差异，范围为 25% 至 59%。为了理解这种差异，我们进行了 DFT 计算并彻底检查了影响这些值的因素。这项研究不仅介绍了一种简单可靠的 SEC 估计方法，而且还提供了环境条件下 [(MgNiCoCuZn)O] 熵稳定氧化物的精确实验 SEC 值，这对于在未来研究中开发准确的原子间势至关重要。

自旋 5/2 海森堡分子铁 (III) 三角形中的纠缠、自旋挤压和量子传感

分类： 量子物理学, 材料科学

作者： Hamid Arian Zad, Jozef Strečka, Winfried Plass

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13457v1

摘要： 这项研究提供了对三核高自旋铁 (III) 分子复合物的静态和动态量子特性的见解。利用磁场中自旋 5/2 海森堡三角形的精确对角化，我们模拟了分子化合物 Fe$_3$ 的相应量子行为。我们严格的分析采用各种关键指标来探索这种分子化合物丰富的量子行为。在足够低的温度下，二分负性表明分子复合物 Fe$_3$ 的任何一对铁 (III) 磁性离子之间的成对纠缠可以通过小磁场显着增强。这种增强之后是非常规的阶梯式变化，其特征是随着磁场进一步增强，出现一系列平稳期和突然下降。在三核配合物 Fe$_3$ 中所有三个铁 (III) 磁性离子之间的真正三方纠缠中也观察到了性质相似的行为。值得注意的是，分子复合物 Fe$_3$ 中的二分和三分纠缠分别持续到大约 30K 和 70K 的中等温度。我们还利用自旋挤压参数来识别分子化合物 Fe$_3$ 的相干态、纠缠态和挤压态的参数区域。我们的研究结果表明，与技术应用相关的压缩态可以在低于 15K 的温度和低于 25T 的磁场下实现。此外，我们证明了通过在迪克态初始化分子复合物 Fe$_3$ 来实现量子增强灵敏度。最后，我们研究了一种量子传感协议，通过将局部磁场专门应用于分子化合物 Fe$_3$ 的一个铁 (III) 磁性离子，并依次对剩余的两个铁 (III) 磁性离子之一进行读出。

超导电路热谱仪

分类： 量子物理学, 介观和纳米物理, 材料科学, 其他凝聚态物质, 超导

作者： Christoforus Dimas Satrya, Yu-Cheng Chang, Rishabh Upadhyay, Ilari K. Makinen, Joonas T. Peltonen, Bayan Karimi, Jukka P. Pekola

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13417v1

摘要： 超导电路为基本量子现象的研究以及量子技术应用提供了一个多功能且可控的平台。读取量子电路状态或表征其特性的传统技术基于射频测量方案，涉及昂贵且复杂的仪器。在这里，我们演示了热谱仪的简单直流测量，以研究超导电路的特性，在此概念验证实验中，使用共面波导谐振器。谐振器中的一小部分微波光子被片上测辐射热计吸收，导致可测量的温升。通过监测此过程中温度计的直流信号，我们能够确定谐振器的谐振频率和线形（品质因数）。演示的方案是一种简单的直流测量，具有高达 200 GHz 的宽带，远远超过了典型的射频光谱仪。此外，与传统的射频测量不同，热测量产生洛伦兹吸收信号的高频独立参考电平。在低功率状态下，测量完全无需校准。因此，我们的技术为量子电路提供了一种替代光谱仪，它在很多方面都优于传统方法。

设计和开发用于粒子加速器中束流管应用的先进材料

分类： 加速器物理, 材料科学, 高能物理-实验, 核实验

作者： Kamaljeet Singh, Kangkan Goswami, Raghunath Sahoo, Sumanta Samal

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13415v1

摘要： 目前的研究报告了通过计算和实验方法之间的协同作用，设计和开发了一种具有高品质因数（FoM）的先进材料，用于粒子加速器中的束管应用。机器学习算法已用于预测所设计的 Al-Ti-V 合金的相、低密度和高辐射长度。使用 TC Python Thermo-Calc 软件中的拉丁超立方采样方法获得具有单相和双相混合物的各种成分的 Al-Ti-V 合金、液相线温度和密度值。获得的数据集用于训练机器学习算法。 XGBoost 等分类算法和线性回归和随机森林回归器等回归模型已分别用于计算相数、辐射长度和密度。 XGBoost 算法的准确度为 $98%$，线性回归模型的准确度为 $94%$，随机森林回归模型的准确度高达 $99%$。由于硬质 $Al_3Ti$ 相与少量 FCC $(Al) 体积分数的协同作用，所开发的 Al-Ti-V 合金表现出高辐射长度以及高弹性模量和韧性的良好组合。 {ss}$固溶相混合物。我们的合金合金 1 ($Al{75.2}Ti_{22.8}V_{2}$) 和合金 2 ($Al_{89}Ti_{10}V_{1}$) 的比较显示，与低能粒子加速器中构建束管的首选材料不锈钢 304 相比，辐射长度延长了七倍，密度降低了两到三倍。此外，我们通过实验验证了合金1的弹性模量，计算出FoM等于0.416，在低能实验中优于现有的其他束流管材料。

压力下的氢气作为机器学习原子间势的基准

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Thomas Bischoff, Bastian Jäckl, Matthias Rupp

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13390v1

摘要： 机器学习原子间势 (MLP) 是原子系统势能表面的快速、数据驱动的替代模型，可以将从头算分子动力学 (MD) 模拟加速几个数量级。 MLP 的性能通常通过训练中未使用的数据的能量和力的预测误差来衡量。虽然测试集上的低预测误差是必要的，但它们并不能保证 MD 模拟中的良好性能。后者需要通过运行加速模拟获得物理激励的性能测量。然而，这些措施的采用受到计算和解释它们所需的努力和领域知识的限制。为了克服这一限制，我们提出了一个基准，可以自动量化 MLP 在压力下氢气液-液相变 MD 模拟中的性能，这是一个具有挑战性的基准系统。该基准的 h-llpt-24 数据集提供了不同温度和质量密度下密度泛函理论 MD 模拟的参考几何形状、能量、力和应力。该基准测试的 Python 代码自动运行 MLP 加速的 MD 模拟，并计算、定量比较和可视化压力、稳定分子分数、扩散系数和径向分布函数。利用这个基准，我们发现几种最先进的 MLP 无法重现液-液相变。

非厄米滑翔时间对称性

分类： 量子物理学, 材料科学, 光学

作者： Li-Wei Wang, Jian-Hua Jiang

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13372v1

摘要： 非厄米系统超越了传统的厄米系统，引入了一些有趣的概念，例如异常点和复杂的谱拓扑，以及非厄米集肤效应（NHSE）等奇异现象。然而，以往对非厄米系统的研究主要集中在本征态的性质上，对非厄米动力学现象的讨论相当有限。在这里，受到非厄米物理学中宇称时间对称性的巨大成功的启发，我们从理论上研究了具有滑翔时间反转（GT）对称性的一维非厄米系统。我们发现 GT 对称性带来了独特的物理性质，并在非厄米系统中实现了丰富的动态现象。值得注意的是，我们揭示了动态 NHSE，它们在不同的动态阶段表现出不同的行为，阐明了非厄米动力学的丰富性。我们建立了理解丰富的非厄米动力学现象的理论框架。我们进一步表明，GT 对称系统中丰富的动态相能够对整体和边缘边界的动态进行显着调整。其中包括体中的定向波传播和放大，以及边缘边界处的波捕获和动态模式。随着理论框架的发展和丰富的非厄米动力学相的研究，这项工作为未来非厄米动力学研究奠定了基础，特别强调了晶格对称性的关键作用。

高剂量限制下铜和钨的无热辐照蠕变和膨胀的原子模拟

分类： 材料科学

作者： Luca Reali, Max Boleininger, Daniel R. Mason, Sergei L. Dudarev

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13355v1

摘要： 辐射蠕变和膨胀是即使在低温下受辐射的材料也会发生的不可逆变形现象。在微观尺度上，高能粒子引发级联碰撞，产生并消除缺陷，然后在存在内部和外部应力的情况下相互作用并合并。我们研究了铜和钨在低能和高能辐照极限下的各种施加应力状态下如何膨胀和变形。模拟表明，这两种金属的响应方式在性质上相似，但与 bcc 和 fcc 根本不同的低温塑性行为存在显着偏差。塑性应变的偏差部分对施加的应力特别敏感，导致各向异性尺寸变化。同时，体积变化、空位含量和位错密度对施加的应力几乎不敏感。与高能辐射相比，低能辐射在相同剂量下会导致更大的膨胀、更快的蠕变和更高的缺陷含量。模拟表明，即使在不存在热蠕变的低温下，辐照也会导致相当大的应力依赖性不可逆各向异性变形，其方向与施加应力的方向一致。为了对高剂量微结构进行建模，我们开发了一种算法，该算法以高估约 25% 的缺陷含量为代价，速度比碰撞级联模拟快十倍。级联中原子运动方程的直接时间积分被熔融球形区域能量最小化所取代；熔融区的多次插入和随后的松弛步骤模拟了辐射暴露的增加。

残余应力对纳米晶超弹性NiTi形状记忆合金等温拉伸行为的影响

分类： 材料科学

作者： Kai Yan, Pengbo Wei, Weifeng He, Qingping Sun

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13271v1

摘要： 残余应力极大地影响材料的机械性能。在这项工作中，研究了残余应力对镍钛形状记忆合金等温拉伸行为的影响。聚焦离子束和数字图像相关相结合，测量经过预应变激光冲击喷丸处理的纳米晶镍钛板的二维残余应力。四点弯曲实验验证了该测量方法的准确性。 FIB-DIC 方法是测量相变纳米晶材料二维残余应力的一种有吸引力的工具。内部残余应力显着降低了相变应力，并通过有限元和理论分析研究了其机理。这项工作意味着镍钛形状记忆合金的机械行为可以通过残余应力工程来定制。

1H过渡金属化合物中的杂序拓扑相和转变

分类： 材料科学, 量子物理学

作者： Ning-Jing Yang, Zhigao Huang, Jian-Min Zhang

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13258v1

摘要： 受最近混合拓扑态实验观察的启发 [Nature 628, 527 (2024)]，我们预测 1H 过渡金属化合物 (TMC) 中存在混合阶拓扑绝缘体 (HOTI)，其中二阶和一阶拓扑态共存费米能级附近。最初，由于 d 轨道带隙，1H-TMC 表现出二阶拓扑相。当 p 轨道和 d 轨道耦合时，出现一阶拓扑特征。这种混合阶拓扑相变可通过晶体场效应进行调节。结合第一性原理计算，我们说明了WTe2和NbSe2的相变。此外，HOTI的一阶拓扑带隙表现出很强的自旋霍尔效应。我们的发现揭示了二维电子材料中新颖的混合阶拓扑相，并突出了自旋电子学应用。

拓扑狄拉克和磁性韦尔半金属中的本征自旋能斯特效应

分类： 材料科学

作者： Taiki Matsushita, Akihiro Ozawa, Yasufumi Araki, Junji Fujimoto, Masatoshi Sato

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13225v1

摘要： 我们研究了具有伊辛自旋轨道耦合的拓扑狄拉克半金属 (TDSM) 和磁性韦尔半金属 (MWSM) 中的本征自旋能斯特效应 (SNE)，这是一种由温度梯度引起的横向自旋电流。内在的 SNE 由自旋贝里曲率描述，反映了 TDSM 和 MWSM 的几何性质。我们阐明，当费米能量接近但稍微偏离点节点的能量时，本征 SNE 变得显着。在这种情况下，具有强自旋贝里曲率的布洛赫电子有助于SNE，同时避免电子和空穴之间的载流子补偿。我们发现，在具有小费米面的 TDSM 中，衡量 SNE 效率的自旋能斯特角比在重金属中观察到的要大。这表明具有小费米面的 TDSM 可以实现高效的热-自旋电流转换。在MWSM中，与磁矩的交换耦合幅度的变化显着改变了SNE，影响自旋能斯特电流的方向和幅度。这意味着铁磁转变可用于反转自旋能斯特电流。这些结果为未来的拓扑自旋热电子学提供了基础。

杂化卤化物钙钛矿中的自旋动力学——动态和永久对称性破缺的影响

分类： 材料科学

作者： Kejun Li, Junqing Xu, Uyen N. Huynh, Rikard Bodin, Mayank Gupta, Christian Multunas, Jacopo Simoni, Ravishankar Sundararaman, Zeev Valy Verdany, Yuan Ping

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13200v1

摘要： 杂化有机-无机卤化物钙钛矿（HOIP），例如MAPbBr3，在实验中表现出延长的自旋寿命和表观自旋寿命各向异性。这些现象的根本机制仍然不明确。通过利用我们的第一原理密度矩阵动力学方法和量子散射，包括电子-声子和电子-电子相互作用以及自洽自旋轨道耦合，我们在混合钙钛矿中呈现了温度和磁场依赖性的自旋寿命，与实验观察结果一致。对于中心对称杂化钙钛矿MAPbBr3，实验观察到的自旋寿命各向异性主要归因于有机和无机组分之间的相互作用以及有机阳离子的旋转所产生的动态Rashba效应。对于非中心对称钙钛矿，例如 MPSnBr3，我们在导带最小值处发现了持续的自旋螺旋织构，这显着增强了自旋寿命各向异性。我们的研究为 HOIP 中的自旋动力学以及控制和优化自旋输运的策略提供了理论见解。

时间周期量子系统中的动态非线性光学响应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： S. Sajad Dabiri, Reza Asgari

发布时间： 2024-09-20

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13157v1

摘要： 我们提出了一种用于计算时间周期（Floquet）量子系统的线性和非线性光学响应的​​综合形式。我们的方法基于 Floquet 基础上的密度矩阵演化，采用长度计并结合了位置算子的带内和带间贡献。这种形式能够解释光子辅助跃迁的光学响应，并揭示了 Floquet 系统中对直流场的独特、发散的交流响应，类似于有限频率下的德鲁德峰值。重要的是，我们的方法推广到任意扰动阶数的光学张量电导率计算，为分析驱动量子系统提供了强大的工具。此外，这种方法还可以捕获各种直流光电流，包括位移电流、注入电流、回转电流、贝里偶极子贡献以及一定限度内的本征费米表面效应。

二维太赫兹光谱的稀疏优化

分类： 光学, 材料科学

作者： Zhengjun Wang, Hongju Da, Ankit S. Disa, Tonu Pullerits, Albert Liu, Frank Schlawin

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13101v1

摘要： 二维太赫兹光谱 (2DTS) 是二维光谱的低频模拟，作为各种凝聚态物质系统的探针正在迅速成熟。然而，2DTS 的一个长期存在的问题是实验采集时间长，阻碍了其更广泛的采用。一种不需要增加实验复杂性的潜在解决方案是通过压缩传感进行信号重建。在这项工作中，我们将稀疏指数模式分析 (SEMA) 技术应用于铜酸盐超导体的 2DTS。我们对算法在重建太赫兹非线性方面的性能进行了基准测试，发现SEMA以低至​​10%的采样率再现不对称光子回波线形，并以超过20-30%的采样率达到重建本底噪声。 SEMA 成功再现了这种微妙的、不对称的线形，证实了压缩传感是一种更广泛地加速 2DTS 和多维光谱的通用方法。

亲水壁限制的缔合晶格气体模型中的润湿

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Tássylla O. Fonseca, Bruno H. S. Mendonça, Elizane E. de Moraes, Alan B. de Oliveira, Marcia C. Barbosa

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13089v1

摘要： 通过蒙特卡罗模拟和关联晶格气体模型，评估了亲水约束下二维流体的相。该模型的无约束版本再现了水的密度、扩散和溶解度以及其他动态和热力学特性方面的异常行为。极端限制会抑制相变，因为波动会抑制有序性。亲水限制下的流体形成单个润湿层，逐渐润湿壁。从润湿层形成低密度液体结构。受限流体呈现一级液-液转变，但温度始终低于在本体中观察到的温度。

混合分子束外延生长的 SrHfO$_{3}$ 薄膜中的应变效应

分类： 材料科学

作者： Patrick T. Gemperline, Arashdeep S. Thind, Chunli Tang, George E. Sterbinsky, Boris Kiefer, Wencan Jin, Robert F. Klie, Ryan B. Comes

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13066v1

摘要： 钙钛矿氧化物异质结构具有大量有趣的现象，例如铁电性和二维超导性。铁电钙钛矿氧化物因其在 MOSFET 和 FRAM 中的可能用途而引起了人们的极大兴趣。 SrHfO$_3$ (SHO) 是一种钙钛矿氧化物，其赝立方晶格参数为 4.1 $\mathring{A}$，之前的 DFT 计算表明，当用足够的压缩应变稳定时，可以稳定在铁电 P4mm 相中，类似于 STO 。此外，它是绝缘的，具有大带隙和高介电常数，使其成为氧化物电子器件的理想选择。在这项工作中，SHO 薄膜是通过混合分子束外延与四（乙基甲基氨基）铪（IV）源在 GdScO$_3$ 和 TbScO$_3$ 基板上生长的。使用 X 射线衍射、X 射线吸收光谱和扫描透射电子显微镜对平衡和应变 SHO 相进行表征，以确定应变薄膜的钙钛矿相，并将结果与​​相稳定性与应变的密度泛函理论模型进行比较。与过去的报道相反，我们发现压缩应变的 SrHfO$_3$ 会发生八面体倾斜变形，并且最有可能呈现具有 a$^0$a$^0$c$^-$ 倾斜模式的 I4/mcm 相。

块状生长碳化硅中寿命有限发射体的检查探针光谱

分类： 量子物理学, 介观和纳米物理, 材料科学, 光学

作者： G. L. van de Stolpe, L. J. Feije, S. J. H. Loenen, A. Das, G. M. Timmer, T. W. de Jong, T. H. Taminiau

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.13018v1

摘要： 固态单光子发射器为探索光连接量子网络等量子技术提供了一个多功能平台。一个关键的挑战是确保发射器的光学相干性和光谱稳定性。在这里，我们引入了一种高带宽“检查探针”方案来定量测量（激光诱导的）光谱扩散和电离率以及均匀线宽。我们在市售的块状生长 4H 碳化硅的单个 V2 中心上演示了这些方法。尽管在激光照射下观察到显着的光谱扩散（$\gtrsim$ GHz/s），但光学跃迁很窄（$\sim$35 MHz），并且在黑暗中保持稳定（$\gtrsim$1 s）。通过Landau-Zener-Stuckelberg干涉仪，我们确定光学相干性接近寿命限制（$T_2 = 16.4(4)$ns），暗示了使用块状生长材料开发量子技术的潜力。这些结果增进了我们对半导体材料中量子发射器光谱扩散的理解，并且可能应用于研究其他平台的电荷动力学。

印记原子位移驱动钒酸盐钙钛矿中的自旋轨道有序

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： P. Radhakrishnan, K. S. Rabinovich, A. V. Boris, K. Fürsich, M. Minola, G. Christiani, G. Logvenov, B. Keimer, E. Benckiser

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12871v1

摘要： 具有通用成分 ABO$_3$ 的钙钛矿表现出多种多样的量子态，例如磁性、轨道有序性、铁电性和超导性。它们灵活且相对简单的结构允许在原子级尖锐的外延异质结构中轻松进行化学取代和不同化合物的立方体对立方体的组合。然而，在整体上，钙钛矿的不同物理性质及其各向异性是由与理想钙钛矿结构的微小偏差决定的，而这些偏差很难控制。在这里，我们展示了反铁磁莫特绝缘体 YVO$_3$ 中原子位移的定向印记是通过在等结构基板的不同面上沉积外延膜来实现的。选择这些面使得其他控制参数（包括与覆盖层的应变和极性不匹配）保持不变。我们使用偏振拉曼散射和光谱椭偏仪来检测交错轨道和磁序的特征，并在不同方面展示不同的自旋轨道排序模式。这些观察结果可归因于特定八面体旋转和阳离子位移模式（由基底面印记）对 YVO$_3$ 中键的共价性和超交换相互作用的影响。远远超出了既定的应变工程策略，我们的结果表明，基质诱导的晶格畸变图案模板构成了材料设计的强大途径。

受自旋对称性保护的交磁 Weyl 节点网络半金属

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Shuai Qu, Xiao-Yao Hou, Zheng-Xin Liu, Peng-Jie Guo, Zhong-Yi Lu

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12829v1

摘要： 对称保护拓扑在过去二十年里得到了广泛的研究，但受自旋对称保护的拓扑的研究才刚刚开始。在这项工作中，基于自旋对称分析，我们提出了一类受自旋对称性保护的Weyl节点线半金属。然后，通过第一性原理电子结构计算，我们预测交磁$\rm Nb_2FeB_2$和$\rm Ta_2FeB_2$都是受自旋对称性保护的节点网络半金属。此外，交磁 $\rm Nb_2FeB_2$ 和 $\rm Ta_2FeB_2$ 都具有受镜像对称保护的节环和受非对称自旋对称保护的狄拉克点。此外，当考虑自旋轨道耦合时，交变磁$\rm Nb_2FeB_2$和$\rm Ta_2FeB_2$都将节点网络半金属相转变为Weyl半金属相。因此，我们的工作不仅丰富了受自旋对称性保护的拓扑相，而且为实验研究多种互磁拓扑半金属相的奇异物理性质提供了良好的材料平台。

晶界能量各向异性对晶粒长大的影响

分类： 材料科学

作者： S. Kiana Naghibzadeh, Zipeng Xu, David Kinderlehrer, Robert Suter, Kaushik Dayal, Gregory S. Rohrer

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12999v1

摘要： 考虑晶界能量各向异性的晶粒生长阈值动力学模型已用于模拟实验观察到的多晶镍晶粒生长。该模拟再现了观察到的微观结构演化的几个方面，这些方面在假设各向同性的模拟结果中没有发现。例如，最低能量孪晶界的相对面积随着晶粒生长而增加，而平均晶界能量随着晶粒生长而降低。能量的减少是因为随着总晶界面积的减小，高能晶界的数量减少，而低能晶界的数量增加。这种现象是在不修改能量最小化算法的情况下假设各向异性晶界能量而出现的。这些发现与观察结果一致，即除了晶界面积减少之外，晶粒生长过程中还通过平均晶界能量的减少而耗散了额外的能量。

EuPtSi 的手性声子和电子边缘模式

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Issam Mahraj, Andrzej Ptok

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12807v1

摘要： 具有 P2${1}$3 对称性的系统的特征是实现手性边缘模式，沿着布里渊区一些高对称点周围的闭环在一个方向上传播。我们研究了具有 P2${1}$3 对称性结晶的 EuPtSi 的声子和电子特性。 EuPtSi 还具有令人着迷的磁性，例如斯格明子晶格的实现。在这里，我们使用从头算技术，研究了 EuPtSi 的块体和板片特性。体声子和电子能带结构分别在 $\Gamma$ 和 R 点处表现出自旋 1 韦尔点和电荷 2 狄拉克点。因此，表面态表现出手性边缘模式。这些特征存在于声子和电子表面光谱中。手性声子边缘模式与附近原子的振动相关，而手性电子表面态对应于手性原子链边缘的载流子积累。

高性能硒薄膜太阳能电池的可变温度和载流子分辨照相霍尔测量

分类： 材料科学

作者： Rasmus Svejstrup Nielsen, Oki Gunawan, Teodor Todorov, Clara Brendstrup Møller, Ole Hansen, Peter Christian Kjærgaard Vesborg

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12804v2

摘要： 硒是一种具有宽带隙的元素半导体，适用于一系列光电和太阳能转换技术。然而，开发此类应用需要深入了解基本材料特性。在这里，我们使用最近开发的载流子分辨光霍尔技术研究了硒中多数和少数载流子的特性，该技术能够同时绘制不同光强度下两种载流子的迁移率和浓度。此外，我们还执行与温度相关的霍尔测量，以提取有关受体水平和电离效率的信息。我们的研究结果与其他先进表征技术的结果进行了比较，并概述了不一致之处。最后，我们表征了高性能硒薄膜太阳能电池，并进行了器件模拟，以系统地解决每个差异，并准确地再现实验电流-电压和外部量子效率测量结果。这些结果有助于更深入地了解硒的光电特性和载流子动力学，这可能会指导未来的改进并促进更高效的硒太阳能电池的开发。

工业级 300$,$mm 晶圆加工天然硅/硅锗自旋量子位

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Thomas Koch, Clement Godfrin, Viktor Adam, Julian Ferrero, Daniel Schroller, Noah Glaeser, Stefan Kubicek, Ruoyu Li, Roger Loo, Shana Massar, George Simion, Danny Wan, Kristiaan De Greve, Wolfgang Wernsdorfer

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12731v2

摘要： 通用量子计算机的实现将需要数千到数百万个量子位的运行。使用现有的工业半导体制造技术和基础设施来扩大规模和再现性的可能性使得硅基自旋量子位成为实现这一目标最有前途的平台之一。目前最大的基于半导体的量子处理器是在硅/硅-锗异质结构中实现的，该异质结构以其低电荷噪声、长量子位相干时间和快速驱动速度而闻名，但高结构复杂性给工业实施带来了挑战。在这里，我们展示了天然 Si/SiGe 异质结构中的量子点，该异质结构完全由工业 300 美元/毫米半导体晶圆工艺线制造，从异质结构生长到 Co 微磁体单片集成。我们报告电荷噪声值低于 2$,\mathrm{\mu eV/\sqrt{Hz}}$，自旋弛豫时间超过 1$,$s 以及相干时间 $T_2^*$ 和 $T_2^H$对于使用天然硅生长的量子阱，分别为 1$,\mathrm{\mu s}$ 和 50$,\mathrm{\mu s}$。此外，我们实现了高达 5$,$MHz 的拉比频率和高于 99$,%$ 的单量子位门保真度。除了可扩展性之外，300$,$mm 流程的高再现性还可以对流程参数的量子位度量依赖性进行确定性研究，这对于优化量子位质量至关重要。

刚性且可变形的准晶建筑材料

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络, 介观和纳米物理

作者： Matheus I. N. Rosa, Konstantinos Karapiperis, Kaoutar Radi, Dennis M. Kochmann

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12652v1

摘要： 建筑材料通过精确设计的微观结构实现独特的机械性能，最大限度地减少材料的使用。然而，低密度材料的一个关键挑战是平衡高刚度和大应变下的稳定变形能力。目前的微观结构采用细长元件（例如以周期性图案排列的薄梁和板）来优化刚度，但很容易出现不稳定现象，包括低应变下的屈曲和脆性塌陷。这里通过引入受准晶格启发的新型非周期性结构材料来解决这一挑战。源自规范准晶图案的梁网络（例如 2D 中的彭罗斯平铺和 3D 中的二十面体准晶）被证明可以创建具有不均匀力链分布的刚性、拉伸主导的拓扑，从而有效减轻周期性设计中观察到的全局不稳定性。数值和实验结果证实了这些设计在大应变下结合刚度和稳定变形性的有效性，代表了在需要高抗冲击性和能量吸收的应用中开发低密度超材料的重大进步。我们的结果证明了确定性准周期拓扑在弥合周期性结构和随机结构之间的差距方面的潜力，同时向建筑材料的属性空间中的未知领域分支。

非局域与局域赝势影响无轨道 DFT 中的动能核

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Zhandos A. Moldabekov, Xuecheng Shao, Michele Pavanello, Jan Vorberger, Tobias Dornheim

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12625v1

摘要： 动能 (KE) 核被定义为 KE 泛函关于密度的二阶泛函导数，是构建轨道自由密度泛函理论 (OFDFT) 应用的 KE 模型的关键要素。对于固体，KE 核通常使用均匀电子气 (UEG) 模型或 UEG-with-gap 模型来近似。这些内核没有有关核心电子影响的信息，因为没有用于非局域赝势投影的轨道。为了阐明这一方面，我们提供了一种根据 Kohn-Sham DFT 计算 KE 内核的方法，并将其应用于具有面心立方晶格的块体铝 (Al) 和半导体晶体中的块体硅 (Si) 中的价电子钻石状态。我们发现，批量导出的局部赝势为间隙区域中的 KE 核提供了准确的结果。使用非局域赝势的效果在短波长处显现，短波长由核心电子包围的离子直径定义。具体来说，我们发现非局部赝势的利用导致 KE 核与该区域的 von Weizsacker 结果存在显着偏差，这通常在 OFDFT 模拟的最广泛使用的 KE 函数逼近中明确强制执行。

Ru 成分与化学计量的偏差对 SrRuO3 中本征自旋电荷转换的影响

分类： 材料科学

作者： Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Hikari Shinya, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto, Yoshiharu Krockenberger, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12598v1

摘要： 电荷和自旋电流之间的相互转换是实现下一代自旋电子器件的关键现象。由于自旋贝里曲率增强，预计在具有大自旋轨道相互作用的材料中的能带交叉点处会发生高效的自旋电荷相互转换。另一方面，如果存在缺陷和/或杂质，它们会影响电子能带结构，从而降低自旋贝里曲率。尽管材料中的缺陷和杂质通常很多，但它们对自旋贝里曲率以及因此对自旋电荷相互转换的影响常常被忽视。在本文中，我们在 300 K 下对化学计量 SrRuO3 和非化学计量 SrRu0.7O3 薄膜进行自旋泵浦实验，其中薄膜处于顺磁态，以研究与化学计量条件的 Ru 成分偏差如何影响自旋电荷转换，表明SrRuO3具有比SrRu0.7O3更大的自旋霍尔角。我们利用第一性原理计算推导了顺磁性SrRuO3和SrRu0.75O3的能带结构，表明当掺入Ru缺陷时，源自自旋贝里曲率的自旋霍尔电导率降低，这与实验结果一致。我们的结果表明，点缺陷和杂质控制对于充分利用材料的本征自旋贝里曲率和大自旋电荷相互转换功能至关重要。这些见解有助于我们进行材料设计，以实现高效的自旋电荷相互转换。

使用厚度不断增加的低损耗相变材料 Sb$_2$Se$_3$ 层的超紧凑可编程硅光子学

分类： 光学, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Sophie Blundell, Thomas Radford, Idris A. Ajia, Daniel Lawson, Xingzhao Yan, Mehdi Banakar, David J. Thomson, Ioannis Zeimpekis, Otto L. Muskens

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12582v1

摘要： 高性能可编程硅光子电路被认为是下一代光学处理、光子量子电路和神经网络架构的关键部分。低损耗光学相变材料（PCM）为非易失性自由形式光控制提供了一条有前途的途径。在这里，我们利用厚度高达 100 nm 的 PCM Sb$_2$Se$_3$ 层来开发波导的直写数字图案，与以前的实现相比，其厚度要薄得多，这证明了能够大幅提高每个像素的效果使用了 PCM 层。我们利用 Sb$_2$Se$_3$ 和硅之间出色的折射率匹配来实现可编程光子学的低损耗混合平台。与之前使用薄膜 Sb$_2$Se$_3$ 器件的工作相比，马赫-曾德干涉仪的调制长度减少了五倍，在这项工作中减少到 5 $\mu$m。在多模干涉仪 (MMI) 的直写数字编程中应用较厚的 PCM 层，显示编程像素数量减少了三倍，每个设备的像素数量低于 10 个像素。所证明的性能随 PCM 层厚度的变化对于建立混合硅-PCM 器件的最佳工作范围非常重要，并有望实现超紧凑可编程光子电路。

N 极 AlGaN/GaN 异质结构中具有极高密度 ($>10^{14}$cm$^{-2}$) 和极低薄层电阻的二维电子气，并在蓝宝石衬底上生长 GaN/AlN 超晶格背势垒

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Maciej Matys, Atsushi Yamada, Toshihiro Ohki

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12570v1

摘要： 我们报告了在蓝宝石衬底上生长的 N 极 AlGaN/GaN 异质结构中实现极高密度 ($>10^{14}$cm$^{-2}$) 2D 电子气。通过在 GaN 缓冲层和 AlGaN 势垒层之间引入 GaN/AlN 超晶格 (SL) 背势垒，我们观察到 GaN/Al${0.3}$Ga${0.7}$N 处的二维电子气密度大幅增强从 $3\times10^{13}$cm$^{-2}$（无 SL）到 $1.4\times10^{14}$cm$^{-2}$（有 SL 后屏障）的接口仅是一个订单其数量级低于 $\approx10^{15}$cm$^{-2}$ 的固有晶体极限。我们发现二维电子气密度随 SL 的变化与晶圆翘曲参数的变化密切相关，这表明应变引起的二维电子气密度。同时，室温电子迁移率高达 169 cm$^2$/Vs，在电子密度为 $1.4\times10^{14}$cm$^{-2}$ 的情况下，可提供非常低的薄层电阻 264 $\Omega$/sq（迄今为止报道的 N 极二维电子气通道的最低值之一）。在N极III族氮化物异质结构中发现具有极低方块电阻的极高密度二维电子气，可以将N极GaN HEMT的功率性能提升到传统N极GaN HEMT无法达到的新水平。

迪翁-雅各布森卤化铅钙钛矿的抗光氧化能力增强——对钙钛矿器件稳定性的影响

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Zhilin Ren, Juraj Ovčar, Tik Lun Leung, Yanling He, Yin Li, Dongyang Li, Xinshun Qin, Hongbo Mo, Zhengtian Yuan, Jueming Bing, Martin P. Bucknall, Luca Grisanti, Muhammad Umair Ali, Peng Bai, Tao Zhu, Ali Ashger Syed, Jingyang Lin, Jingbo Wang, Abdul-Khaleed, Wenting Sun, Gangyue Li, Gang Li, Alan Man Ching Ng, Anita W. Y. Ho-Baillie, Ivor Lončarić, Jasminka Popović, Aleksandra B. Djurišić

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12556v1

摘要： 二维金属卤化物钙钛矿显着提高了钙钛矿器件的稳定性，特别是在耐湿性方面。然而，与 3D 钙钛矿相比，一些 2D 钙钛矿更容易受到光氧化的影响。对于更常研究的 Ruddlesden-Popper (RP) 钙钛矿来说尤其如此，与 Dion-Jacobson (DJ) 钙钛矿相比，其对光诱导降解的敏感性更高。不同 RP 和 DJ 钙钛矿之间的比较表明，这种现象不能用通常提出的超氧离子生成、层间距离和晶格结构刚性差异来解释。相反，DJ 钙钛矿的光氧化抗性可归因于有机阳离子损失和钙钛矿分解所需的双去质子化事件（与 RP 钙钛矿中的单去质子化事件相比）的可能性降低。因此，DJ 钙钛矿不易受到氧化降解（光诱导和电化学诱导）的影响，从而提高了基于这些材料的太阳能电池的运行稳定性。

非克莱默离子 Shastry-Sutherland 晶格上稀土磁体的磁性理论

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Guijing Duan, Rong Yu, Changle Liu

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12534v1

摘要： 受稀土 Shastry-Sutherland 晶格磁体快速实验进展的推动，我们提出了一种通用的有效自旋模型，该模型描述了 Shastry-Sutherland 晶格上相互作用的非 Kramer 局部矩。我们指出，局部矩由磁偶极子和四极子分量组成，有效模型是一个扩展的 XYZ 模型，具有解释晶体场分裂的固有场。然后，我们研究了模型的基态相图，发现传统实验探针看不见的纯四极级可以在广泛的范围内稳定。特别是，我们证明了通常存在四极级的隐藏“1/3 磁化平台”，并讨论了其实验特征。最后，我们讨论了我们的结果与稀土 Shastry-Sutherland 晶格磁铁 Pr${2}$Ga${2}$BeO${7}$ 和 Pr${2}$Be$ 的相关性_{2}$GeO$_{7}$。

CoF3：g 波交替磁体

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Meysam Bagheri Tagani

发布时间： 2024-09-19

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12526v1

摘要： 交替磁性是一种桥接铁磁性和反铁磁性的新型磁相，由于其独特的交替自旋排列而表现出零净磁化，从而抵消了宏观磁化。该相的特点是强大的时间反转对称性破缺和自旋动量锁定，从而产生有利于自旋电子学应用的独特电子特性。在本研究中，我们利用哈伯德U校正的密度泛函理论（DFT）结合自旋群理论探讨了三氟化钴（CoF3）交变磁性的可能性。我们的研究结果表明，CoF3 表现出类似于 g 型反铁磁体的零净磁化强度，但具有类似于铁磁体的自旋简并破坏，无需自旋轨道耦合。 CoF3的优化结构以具有中心对称对称群R3c的菱面体晶格为特征，在价带和导带中表现出显着的自旋分裂，高达45 meV。这种自旋分裂归因于电晶体势和自旋密度的各向异性，导致克莱默简并性的打破。

揭示液体基质波动对晶体生长和二维材料无序超均匀性的影响

分类： 材料科学, 计算物理

作者： S. K. Mkhonta, Zhi-Feng Huang, K. R. Elder

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12090v1

摘要： 我们使用与原子长度和扩散时间尺度相关的相场晶体模型研究二维 (2D) 晶体在波动表面上的生长。受最近在液体基底上实现大尺寸高质量二维晶体前所未有的快速生长的实验的启发，我们发现了液体表面对微观结构有序性的新影响。我们发现基底波动会产生短程噪声，从而加速覆盖层的结晶和晶粒生长，超过了独立式系统。与液体基质波动的耦合还可以调节局部随机性，从而产生具有隐藏空间顺序的有趣无序结构，即无序超均匀性。这些结果揭示了二维晶体在液体表面快速生长的物理机制，并展示了合成无序超均匀薄膜结构的新策略。

位错对多层石墨烯堆叠的影响：相场晶体研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理

作者： K. R. Elder, Zhi-Feng Huang, T. Ala-Nissila

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12073v1

摘要： 在这项工作中，研究了多层石墨烯堆叠（最多六层）中 $5|7$ 位错的影响。该研究是通过最近开发的多层系统相场晶体（PFC）模型进行的，该模型结合了平面外变形，并进行参数化以匹配石墨烯双层和其他系统的密度泛函理论计算。所考虑的具体配置由一个单层组成，该单层包含夹在完美石墨烯层之间的四个 $5|7$ 位错（即两个位错偶极子）。该研究揭示了缺陷层中位错的应变场如何导致面外变形，进而导致相邻层变形。与无缺陷系统相比，对多层堆叠的无缺陷自由能进行了定量预测，结果表明，无缺陷系统的无缺陷能随着层数和系统尺寸的增加而增加。此外，据预测，系统缺陷能量在堆叠中大约十个片材处饱和，表明缺陷影响整个多层的范围。还定量地识别了叠层不同层中应力场分布和层高分布的变化。

通过 $\textit{ab initio}$ 计算探索功能化 Zr$_2$N 和 Sc$_2$N MXene 作为超导候选材料

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Alpin N. Tatan, Osamu Sugino

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12052v1

摘要： 我们探索从 $\textit{ab initio}$ 计算中从功能化 MXene 化合物 Zr$_2$NS$_2$、Zr$_2$NCl$_2$ 和 Sc$_2$NCl$_2$ 获得新超导体候选的可能性超导体密度泛函理论（SCDFT）。预测环境压力下的超导转变温度 $T_c$ 可能高达 11.23 K (Zr$_2$NS$_2$)。以 Zr$_2$NCl$_2$ 为例演示了应变引起的 $T_c$ 增强。我们注意到所有化合物的超导间隙 $\Delta$ 剖面与费米表面上的电子声子耦合 $\lambda$ 之间存在相关性，这可能受到其修改的电子能带结构组件的影响。

多层和块状 MoS${}_2$ 中的层间位错

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Isaac Soltero, Vladimir I. Fal'ko

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.12030v1

摘要： 范德华材料中的位错是局限于块体层状晶体的连续化学计量单层之间的界面的线性缺陷。在这里，我们提出了一个介观模型来描述过渡金属二硫属化物薄膜中的层间位错。以2H-MoS${}_2$为代表材料，计算了从少层MoS$_2$到块状晶体的位错能对薄膜厚度的依赖性，并分析了层状晶体周围各层的应变场。错位。我们还分析了应变场对电子和空穴能带边缘分布的影响，并得出结论，所得的能量分布无法定位电荷载流子，特别是在室温下。

1T-TaS2 块状晶体中的斜坡反转存储器

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Avital Fried, Ouriel Gotesdyner, Irena Feldman, Amit Kanigel, Amos Sharoni

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11977v1

摘要： 斜坡反转存储器 (RRM) 是一种非易失性存储器效应，之前在表现出温度驱动的金属绝缘体转变 (MIT) 的相关氧化物中观察到。本质上，当显示 RRM 的系统被加热到 MIT 范围内的特定温度（其中金属域和绝缘域共存），然后通过反转温度斜坡进行冷却时，电阻在随后的加热循环中增加。至关重要的是，这种增加仅发生在反转温度附近，这表明系统“记住”了该温度。然而，该记忆在下一个加热循环中被擦除。虽然这种效应可能在各种系统中显现出来，但迄今为止，仅在相关过渡金属氧化物（包括 VO2、V2O3 和 NdNiO3）薄膜中报道过这种效应。在这项工作中，我们报告了在层状材料 1T-TaS2 的宏观晶体中观察到的 RRM，该材料沿着电荷密度波跃迁经历了接近 190 K 的 MIT。我们的研究结果提供了令人信服的证据，表明 RRM 是一种普遍现象，超出了之前研究的氧化物范围。有趣的是，TaS2 中的 RRM 显示出显着不同的特征：当从冷却到加热（而不是从加热到冷却）反转时可以观察到它，并且其大小（代表存储器的“强度”）几乎比在相关氧化物中。虽然我们讨论 TaS2 中 RRM 的潜在机制，但仍然缺乏全面的第一原理模型。我们希望这项研究能够促进对斜坡反转记忆的潜在机制的进一步研究，增强我们对这一有趣现象的理解。

从 LLM 派生的嵌入表示中采样潜在材料属性信息

分类： 计算和语言, 材料科学

作者： Luke P. J. Gilligan, Matteo Cobelli, Hasan M. Sayeed, Taylor D. Sparks, Stefano Sanvito

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11971v1

摘要： 来自大型语言模型（LLM）的向量嵌入在从文献中捕获潜在信息方面表现出了希望。有趣的是，这些可以集成到材料嵌入中，对于数据驱动的材料属性预测可能有用。我们研究了大语言模型衍生的向量捕获所需信息的程度及其在无需额外培训的情况下提供材料特性见解的潜力。我们的研究结果表明，尽管大语言模型可用于生成反映某些属性信息的表示，但提取嵌入需要识别最佳上下文线索和适当的比较器。尽管存在这种限制，大语言模型似乎仍然有潜力在生成有意义的材料科学表征方面发挥作用。

Si3N4/Al//KTaO3 异质结构中形成的高稳定性二维电子气：合成和深入界面表征

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： E. A. Martínez, A. M. Lucero, E. D. Cantero, N. Biškup, A. Orte, E. A. Sánchez, M. Romera, N. M. Nemes, J. L. Martínez, M. Varela, O. Grizzi, F. Y. Bruno

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11893v1

摘要： 在 KTaO3 基界面中发现的二维电子气 (2DEG) 因其卓越的电子特性而引起了人们的关注。在本研究中，我们研究了嵌入 Si3N4/Al//KTO(110) 异质结构的导电系统。我们证明 Al/KTO 界面支持导电系统，Si3N4 钝化层充当氧扩散的屏障，从而实现异位表征。我们的研究结果表明，系统的迁移率和载流子密度可以通过改变铝层厚度来调节。利用扫描透射电子显微镜、电子能量损失光谱、X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱，我们表征了界面的结构和化学组成。我们发现 Al 层完全氧化成 AlOx，从 KTaO3 基底中吸收氧气。氧耗尽区延伸至基底 3-5 nm，并与 Al 厚度相关。具有较厚铝层的异质结构表现出较高的载流子密度但较低的迁移率，这可能是由于与充当散射中心的氧空位的相互作用。这些发现强调了在复杂氧化物中设计和建模二维电子系统时考虑氧耗尽区的影响和范围的重要性。

Goldene 堆栈如何？

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 00-XX, J.2; I.6

作者： Marcelo Lopes Pereira, Jr, Emanuel J. A. dos Santos, Luiz Antonio Ribeiro, Jr, Douglas Soares Galvão

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11880v1

摘要： 最近合成的 Goldene（一种二维原子单层金）为探索新型材料开辟了新途径。然而，多层 Goldene 何时转变为散装金的问题仍未解决。这项研究使用密度泛函理论计算来解决这个基本问题。我们的研究结果表明，多层 Goldene 保留了多达六层的类 AA 堆叠结构，而没有观察到石墨烯中所见的类伯纳尔堆叠。 Goldene 自发转变为七层块状金结构，采用块状面心立方 (FCC) 金的菱形（ABC 型）堆叠特性。十多个层的原子排列完全收敛到块状金晶格。量子限制显着影响电子特性，单层和块状 Goldene 在布里渊区的 X 点处呈现出单个狄拉克锥。相比之下，多层 Goldene 在 X 点和 Y 点处显示两个狄拉克锥。此外，单层 Goldene 表现出各向异性光学吸收，这是块状金所不存在的。这项研究让人们对多层 Goldene 的结构和电子特性以及一般的堆叠二维材料有了更深入的了解。

时变介质中的宏观 QED 和噪声电流

分类： 光学, 材料科学, 量子物理学

作者： S. A. R. Horsley, B. Baker

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11873v1

摘要： 宏观量子电动力学 (MQED) 是计算色散介质中量子电磁效应的场论。在这里，我们扩展 MQD 来处理时变、色散介质。对于时间相关的 Drude 模型，我们发现标准 MQED 中预期的替换 ${\epsilon}({\omega}) {\to} {\epsilon}(t,{\omega})$ 会导致非物理极化电流，在载流子密度阶跃变化的极限下变得奇异。我们表明，可以通过修改储层动力学、量化所得理论并找到非平衡、时变噪声电流来消除这种奇异行为，这些噪声电流由于材料动力学内的时间反射而表现出额外的相关性。

设计最小朗道理论来稳定所需的准晶体

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Wei Si, Shifeng Li, Pingwen Zhang, An-Chang Shi, Kai Jiang

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11830v1

摘要： 具有多个长度尺度的粒子间相互作用在准晶体的形成和稳定性中起着关键作用。选择一组最小的长度尺度来稳定给定的准晶体是一个具有挑战性的问题。为了应对这一挑战，我们提出了一种智能筛选方法（ISM）来设计具有最少长度尺度的朗道理论（称为最小朗道理论），该理论仅包括稳定准晶体所需的基本长度尺度。基于广义多长度尺度朗道理论，ISM 首先在硬约束下评估候选结构的各种光谱配置。然后它会识别自由能最低的构型。使用这种最佳配置，ISM 计算相图以探索所需准晶体的热力学稳定性。 ISM 可以设计一个最小的朗道理论，能够通过逐渐增加长度尺度的数量来稳定所需的准晶体。我们对 ISM 的应用不仅证实了 10 倍和 12 倍准晶体的已知行为，而且还得出了一个重要的预测：具有 8 倍、14 倍、16 倍和 18 倍对称性的准晶体可以在三倍长度内保持稳定。比例兰道模型。

阴离子无序及其对氮氧化物光活性半导体表面电子结构的影响

分类： 材料科学

作者： Anna Hartl, Ján Minár, Procopios Constantinou, Vladimir Roddatis, Fatima Alarab, Arnold M. Müller, Christof Vockenhuber, Thorsten Schmitt, Daniele Pergolesi, Thomas Lippert Vladimir N. Strocov, Nick A. Shepelin

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11825v1

摘要： 将太阳能转化为以氢的形式储存的化学能，作为新兴技术的可持续燃料具有巨大的潜力。光活性氮氧化物是将水分解成分子氧和氢的有前途的材料。然而，限制氮氧化物广泛商业使用的问题之一是运行期间的降解。虽然最近的研究表明氮的损失，但其与效率降低的关系尚未通过实验直接、系统地解决。在这项研究中，我们证明了 BaTaO$_x$N$_y$ 的阴离子化学计量对其电子结构和功能特性的影响。通过实验离子散射、电子显微镜和光电子能谱研究，我们确定了 BaTaO$_x$N$_y$ 薄膜从本体到表面的阴离子组成。这进一步用作能带结构计算的输入，模拟阴离子位点的取代无序。结合我们的实验和计算方法，我们揭示了氮氧化物薄膜的深度依赖的元素组成，导致向下的能带弯曲和朝向表面的半导体特性的损失。超越理想化系统，我们展示了真正的氮氧化物光阳极的电子特性与其性能之间的关系，为设计用于清洁氢气生产的高效光电极和光催化剂提供了指导。

通过主动学习加速强非调和材料的机器学习原子间势的训练并提高其可靠性

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Kisung Kang, Thomas A. R. Purcell, Christian Carbogno, Matthias Scheffler

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11808v1

摘要： 采用机器学习原子间势 (MLIP) 的分子动力学 (MD) 是对从头算分子动力学 (aiMD) 的有效且迫切需要的补充。通过在从头计算方法生成的数据上训练这些势，它们的平均预测可以以一小部分成本表现出与从头计算方法相当的性能。然而，训练集不足可能会导致对强非谐材料中的动力学的不正确描述，因为关键效应可能在相关情况下被忽视，或者仅被错误捕获，或者在实际不存在时被 MLIP 产生幻觉。在这项工作中，我们证明了一种将 MD 与 MLIP（MLIP-MD）和不确定性估计相结合的主动学习方案可以避免此类有问题的预测。简而言之，高效的 MLIP-MD 用于快速探索配置空间，从而采用基于不确定性估计和能量可行性的采集函数来最大化新生成的数据的价值，并关注最不熟悉但合理可访问的区域相空间。为了验证我们的方法，我们筛选了超过 112 种材料并确定了 10 个遇到上述问题的示例。使用 CuI 和 AgGaSe$_2$ 作为这些有问题材料的原型，我们讨论了强非和谐效应的物理含义，并演示了所开发的主动学习方案如何解决这些问题。

由多对螺旋边缘状态产生的多重马约拉纳角模式

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 量子气体, 超导, 量子物理学

作者： Zhiwei Yin, Haoshu Li, Zhongbo Yan, Shaolong Wan

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11791v1

摘要： 具有一对螺旋边缘态和邻近感应超导性的量子自旋霍尔绝缘体已被证明可以支持具有马约拉纳角模式的二阶拓扑超导体。由于马约拉纳角模起源于量子自旋霍尔绝缘体的螺旋边缘态，具有多对螺旋边缘态和邻近诱导超导性的量子自旋霍尔绝缘体是否可以产生具有多重马约拉纳角模的二阶拓扑超导体这是一个有趣的问题。在这项工作中，我们考虑具有两对螺旋边缘态的量子自旋霍尔绝缘体。我们发现，当螺旋边缘态通过磁场交换场和 $s$ 波配对或 $s+p$ 混合宇称配对的组合作用而产生间隙时，可以实现鲁棒的双重马约拉纳角模式。在磁交换场作用下，每个角的两个马约拉纳零模式的稳定性归因于手性对称性的保护。我们的研究表明，由超导体和具有多对螺旋边缘态的量子自旋霍尔绝缘体组成的异质结构可以作为追求多重马约拉纳角模式的平台。

SnO$_2$ 薄膜特征的智能数据驱动 GRU 预测器

分类： 材料科学, 人工智能, F.2.2; I.2.7

作者： Faiza Bouamra, Mohamed Sayah, Labib Sadek Terrissa, Noureddine Zerhouni

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11782v1

摘要： 在材料物理学中，表征技术对于获取有关物理特性以及结构、电子、磁性、光学、介电和光谱特性的材料数据至关重要。然而，对于许多材料来说，确保可用性和安全可及性并不总是那么容易和充分保证。此外，建模和仿真技术的使用需要大量的理论知识，此外还需要昂贵的计算时间和巨大的复杂性。因此，使用不同技术同时分析多个样品的材料对于工程师和研究人员来说仍然非常具有挑战性。值得注意的是，尽管 X 射线衍射风险很大，但它是众所周知且广泛使用的表征技术，它从晶体 1d、2d 或 3d 材料的结构特性中收集数据。我们在本文中提出了一种用于门控循环单元模型的智能 GRU，用于预测氧化锡 SnO$_2$(110) 薄膜的结构特征或性能。事实上，薄膜样品经过实验精心设计和管理，然后使用收集的数据字典生成 AI（人工智能）GRU 模型，用于氧化锡 SnO$_2$(110) 薄膜结构性能表征。

三维拓扑谷光子学

分类： 光学, 材料科学

作者： Wenhao Li, Qiaolu Chen, Ning Han, Xinrui Li, Fujia Chen, Junyao Wu, Yuang Pan, Yudong Ren, Hongsheng Chen, Haoran Xue, Yihao Yang

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11715v1

摘要： 拓扑谷光子学利用谷自由度来操纵电磁波，为整个光谱范围内的各种经典和量子光子应用提供了实用且有效的途径。然而，当前的谷光子学仅限于二维，通常会遭受面外损耗，并且只能操纵平面几何形状中的光流。在这里，我们从理论上和实验上开发了一个三维（3D）拓扑谷光子学框架，具有完整的光子带隙和矢量谷对比物理。与具有一对以标量谷陈数为特征的谷的二维对应物不同，3D谷系统表现出以谷陈向量为特征的三对谷，从而能够创建矢量体谷涡和运河化的手性谷表面态。值得注意的是，谷陈矢量和谷表面态的循环传播方向本质上受右手拇指法则支配。我们的研究结果揭示了 3D 谷态的矢量性质，并强调了它们在 3D 波导、定向辐射和成像中的潜在应用。

杂化能隙逼近拓扑绝缘体Bi$x$Sb${1-x}$二维极限

分类： 材料科学

作者： Paul Corbae, Aaron N. Engel, Jason T. Dong, Wilson J. Yánez-Parreño, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Alexei Fedorov, Christopher J. Palmstrøm

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11705v1

摘要： 铋锑合金 (Bi$x$Sb${1-x}$) 提供了一个可调材料平台，用于研究由非平凡的体电子结构产生的拓扑输运和自旋极化表面态。在二维极限下，它是研究量子自旋霍尔效应的合适系统。在这项工作中，我们在 InSb(111)B 衬底上生长外延、单向 Bi$x$Sb${1-x}$ 薄膜至两个双层，其中杂化效应应间隙拓扑表面态。在紧束缚模型的支持下，自旋和角度分辨光电子能谱数据显示，随着体能隙因限制而增加，拓扑表面态的费米能级口袋消失。超薄极限显示了拓扑表面态中能隙打开的证据。最后，我们从 10 个双层薄膜的拓扑表面态观察到自旋极化接近一致。超薄 Bi$x$Sb${1-x}$ 合金的生长和表征表明，这种材料系统的超薄膜可用于研究二维拓扑物理以及拓扑器件、低功率电子、和自旋电子学。

非线性磁电耦合的反常霍尔效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Longju Yu, Hong Jian Zhao, Yurong Yang, Laurent Bellaiche, Yanming Ma

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11662v1

摘要： 反常霍尔效应（AHE）是一种与拓扑相关的输运现象，在自旋电子学中具有潜在的意义，因为这种效应能够有效地探测磁序（即存储设备中的数据读出）。众所周知，AHE 在具有磁化作用的铁磁体或反铁磁体中自发发生。虽然最近的研究揭示了电场引起的 AHE（通过线性磁电耦合），但源自非线性磁电耦合的 AHE 在很大程度上仍未得到探索。在这里，通过对称性分析，我们建立了关于磁体中自发和电场驱动的 AHE 的唯象理论。我们表明，各种各样的磁点群都存在由单轴、双轴或三轴电场驱动且来自非线性磁电耦合的 AHE。这种电场驱动的反常霍尔电导率可以通过反转磁序来逆转。此外，我们的第一性原理计算表明 Cr2O3 和 CoF2 是上述 AHE 的候选者。我们的工作强调了非线性磁电耦合在创造奇异输运现象中的重要作用，并为磁序探测提供了替代途径。

Bi基催化剂电化学CO2还原：单晶或混合相

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Mengting Zhou, Hongxia Liu, Juntao Yan, Qingjun Chen, Rong Chen, Lei Liu

发布时间： 2024-09-18

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11648v1

摘要： 金属铋既无毒又具有成本效益。双基催化剂已被证明能够通过 CO2RR 有效生产 HCOOH，同时有效抑制 HER。尽管已经报道了许多关于其 CO2 还原性能的实验，但其价态和晶面对 CO2RR 选择性（例如 HCOOH 与 CO）的影响仍然存在争议。在这里，我们通过密度泛函理论进行了全面的研究，包括 Bi 的三种典型价态，例如 0 (Bi)、+3 (Bi2O3) 和 +5 (Bi2O5) 以及它们经常研究的晶面。结果表明，金属Bi对HCOOH的选择性较差，但对CO2的转化率较高。虽然 Bi2O3 对 HCOOH 的生产具有良好的选择性，但对 CO2 的转化率较低。对于 Bi2O5，所有研究的表面在 HCOOH 和 CO 生成的情况下都显示出高能垒，而 HER 反应的能垒较低，表明 +5 价态的 Bi 不是 2e 转移反应的良好选择。随后，我们进一步考察了氧含量对HCOOH选择性和CO2转化率的影响。有趣的是，我们发现 Bi 的部分氧化有利于选择性和转化率。通过这些观察，我们认为 Bi (0) 和 Bi2O3 (+3) 相的混合物将是未来实验中比单晶更好的选择。

缺陷中带隙态和量子限制的电子捕获相互作用以优化纳米线结构中的热载流子效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Imam Makhfudz, Hamidreza Esmaielpour, Yaser Hajati, Gregor Koblmüller, Nicolas Cavassilas

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11544v1

摘要： 热载流子效应是一种通过光子吸收产生的载流子在不损失太多能量的情况下保持能量的现象，一直是提高太阳能电池效率的主要策略之一。纳米结构提供了一种通过空间限制增强热载流子效应的有效方法，就像纳米线结构中发生的那样。 Esmaielpour 等人最近的实验研究。 [ACS Applied Nano Materials 7, 2817 (2024)]揭示了纳米线阵列中的热载流子效应对纳米线直径的令人着迷的非单调依赖性，这与单独量子限制的预期相反。我们证明这种非单调行为可以通过一个简单的电子能量损失模型来解释，该模型涉及两个主要机制。首先，电子声子散射随着纳米线直径的增加而增加，导致热载流子效应随着直径的增加而减少。其次，带隙内的缺陷能级（即中能隙态）捕获电子，该缺陷能级随着纳米线直径的增加而减小，从而导致热载流子效应随着直径的增加而增加。这两种机制在对应于最佳热载流子效应的特定直径处平衡。我们的结果为通过调整纳米线的尺寸和微观结构特性来优化纳米线太阳能电池中的热载流子效应并最终优化其效率提供了指导。

单轴压缩下 Fe-Co 合金中的巨磁晶各向异性能量：第一性原理预测

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Wojciech Marciniak, Joanna Marciniak, José Ángel Castellanos-Reyes, Mirosław Werwiński

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11388v1

摘要： 单轴应变 Fe-Co 无序合金由于其高磁晶各向异性能（MAE）而成为具有成本效益的无稀土永磁体的有希望的候选者。利用第一原理、相干势近似和 PBE 交换相关势内的完全相对论计算，我们探索了四方 Fe-Co 合金在单轴压缩下的 MAE。我们的结果揭示了一个以前未知的高 MAE 区域，与已知的结构不同，并且可以通过单轴压缩进入。

极端近场状态下两个面内二维纳米带之间的声子热传输

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Md Jahid Hasan Sagor, Sheila Edalatpour

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11345v1

摘要： 使用原子格林函数方法并采用 Tersoff 和 Lennard-Jones 势来描述原子间相互作用，分析了二维材料（石墨烯和硅烯）的两个面内纳米带之间的亚纳米真空间隙的声子热导。研究发现，声子电导随着间隙的大小呈指数衰减。已经确定了三种指数状态。在 Lennard-Jones (L-J) 电势由电子轨道重叠引起的原子间排斥力驱动的情况下，随着间隙的增加，电导会急剧指数衰减（石墨烯的 exp(-10.0d)） 。当排斥力和吸引力（范德华）原子间力都对 L-J 势有贡献时，电导的衰减率显着降低至石墨烯的 exp(-2.0d) 和硅烯的 exp(-2.5d)。在吸引性范德华力主导 L-J 势的情况下，硅烯和石墨烯的声子电导具有最慢的指数衰减，即 exp(-1.3d)。研究还发现，仅当石墨烯纳米带之间的间隙非常小时（d < 1.6 \AA）时，光学声子对电导的贡献才是不可忽略的。显示间隙的声子电导随纳米带的宽度非常适度地变化，使得间隙的热导率随着纳米带宽度线性增加。这项研究的结果对于基本理解极端近场区域的传热以及预测界面和缺陷对传热的影响具有重要意义。

原位偏压下铁电铪锆氧化物纳米晶的结构演化路径

分类： 材料科学

作者： Yunzhe Zheng, Heng Yu, Tianjiao Xin, Kan-Hao Xue, Yilin Xu, Zhaomeng Gao, Cheng Liu, Qiwendong Zhao, Yonghui Zheng, Xiangshui Miao, Yan Cheng

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11217v1

摘要： 萤石型 $\mathrm{HfO_2}$ 基铁电 (FE) 氧化物由于其与硅加工的兼容性和高密度集成的潜力，重新点燃了人们对 FE 存储器的兴趣。有限元器件的偏振特性受亚稳态域结构演化动力学的控制。用于编码和存储的 FE 设备的富有洞察力的设计需要全面了解内部结构演变。在这里，我们通过 $\mathrm{TiN/Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2/ 上的 $in$-$situ$ 偏置，通过瞬态极性正交 (O)-$Pmn2_1$ 类配置展示了域结构的演化球差校正透射电子显微镜内的TiN}$电容器，并结合理论计算。此外，直接证明非FE O-$Pbca$在电场作用下转变为FE O-$Pca2_1$相，FE相的极轴通过铁弹性转变朝向偏置方向，从而增强FE 极化。然而，随着循环的进一步进行，极轴崩溃，导致有限元退化。这些对电场循环下复杂结构演化路径的新颖见解有助于基于 $\mathrm{HfO_2}$ 的有限元存储器件的优化和设计策略。

电解质中的长度尺度

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Ioannis Skarmoutsos, Stefano Mossa

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11179v1

摘要： 在高离子浓度下，难以捉摸的异常增加的筛选长度阻碍了电解质中相互作用的完整描述。将稀释的德拜-休克尔框架扩展到更高浓度的理论预测，除了预期的德拜长度减小之外，最多几个离子直径的数量级的显着规模增加。最近使用不同材料进行的表面力平衡实验成功地测量了不断增加的长度尺度，然而，结果证明其延伸超过十分之一甚至数百个离子直径。虽然模拟工作已经成功地描述了前者的特征，但后者仍然避免被发现，从而引发对其真实起源的怀疑。在这里，我们在澄清这一难题方面向前迈出了一步。我们通过广泛的分子动力学模拟研究了电解质通用模型的特性，即溶解在碳酸乙烯酯中的四氟硼酸锂，在各种盐浓度下，不断地将德拜非相互作用极限加入到相反的过充电离子液体中州。一方面，我们准确地确定了宏观浓度引起的结构、介电和传输变化，另一方面，我们量化了由此产生的纳米级离子组织。仅基于模拟数据，不诉诸任何不受控制的假设或现象学参数，我们为测量的异常增加的长度确定了一个令人信服的候选者，其起源可能被误解。

单层和双层磷烯中电子束诱导的吸附原子空位复合物

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Carsten Speckmann, Andrea Angeletti, Lukáš Kývala, David Lamprecht, Felix Herterich, Clemens Mangler, Lado Filipovic, Christoph Dellago, Cesare Franchini, Jani Kotakoski

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11102v1

摘要： 磷烯是一种褶皱的磷的二维同素异形体，近年来引起了人们极大的兴趣，因为它具有层数依赖的直接带隙和强束缚激子，特别是在光电应用方面的潜力。然而，对其本征缺陷及其在电子辐照下缺陷产生特性的详细实验表征却很少。在这里，我们报告了单层和双层磷烯中 60 kV 电子辐照下各种缺陷构型的产生和稳定性，包括稳定吸附原子空位复合物的第一个实验报告。双层磷烯中的位移横截面测量得出的值为 7.7 ± 1.4 barn，吸附原子空位复合物的估计寿命为 19.9 ± 0.7 秒，而有些在连续电子辐照下可稳定长达 68 秒。令人惊讶的是，从头开始的模拟表明，即使在应变高达 3% 的结构中，复合物也应该很容易重组。所提出的结果将有助于增进对磷烯中各种缺陷、它们的产生及其稳定性的理解，这可能为缺陷工程磷烯器件开辟新途径。

电池正极中纳米多孔粘合剂-导电添加剂相的数据驱动随机 3D 建模

分类： 材料科学, 应用领域, 计算, 方法, 62H11 (Primary) 62M40, 68U10 (Secondary)

作者： Phillip Gräfensteiner, Markus Osenberg, André Hilger, Nicole Bohn, Joachim R. Binder, Ingo Manke, Volker Schmidt, Matthias Neumann

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11080v1

摘要： 提出了一种针对锂离子电池分层结构阴极中纳米多孔粘合剂-导电添加剂相的随机 3D 建模方法。这些电极的粘合剂-导电添加剂相由炭黑、聚偏二氟乙烯粘合剂和石墨颗粒组成。对于随机 3D 建模，使用基于随机几何方法的三步过程。首先，石墨颗粒由椭圆体颗粒的布尔模型描述。其次，炭黑和粘合剂的混合物通过石墨颗粒补充中的高斯随机场的偏移集进行建模。第三，炭黑和粘合剂的混合物内的大孔区域通过具有球形颗粒的布尔模型来描述。模型参数根据聚焦离子束扫描电子显微镜获取的锂离子电池阴极 3D 图像数据进行校准。随后，通过根据不用于模型拟合的各种形态描述符将模型实现与测量的图像数据进行比较来执行模型验证。最后，我们使用随机 3D 模型进行预测模拟，生成具有不同数量石墨颗粒的纳米多孔粘合剂导电添加剂的虚拟但真实的图像数据。基于这些虚拟纳米结构，我们可以研究结构-性能关系。特别是，我们定量研究了石墨颗粒对纳米多孔粘合剂-导电添加剂相中有效传输性能的影响，这对阴极的电化学过程以及电池的性能具有至关重要的影响。

Co$_3$O$_4$ 的高维神经网络潜力

分类： 材料科学

作者： Amir Omranpour, Jörg Behler

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11037v1

摘要： Co$_3$O$_4$尖晶石是氧化催化中的重要材料。其在催化条件下（即在有限温度下）的性质可以通过分子动力学模拟来研究，这主要取决于对原子相互作用的准确描述。由于 Co$_3$O$_4$ 的高度复杂性，这与钴离子的多种氧化态的存在有关，迄今为止 \textit{ab initio} 方法本质上是可靠捕获底层的唯一方法势能面，而更有效的原子势的构建非常具有挑战性。因此，包含 Co$_3$O$_4$ 的系统的计算机模拟的可访问长度和时间尺度仍然受到严格限制。现在，基于电子结构数据训练的现代机器学习潜力（MLP）的快速发展使得弥补这一差距成为可能。在这项工作中，我们采用高维神经网络势（HDNNP）基于密度泛函理论计算构建块状 Co$_3$O$_4$ 尖晶石的 MLP。经过仔细验证潜力后，我们计算了 Co$_3$O$_4$ 尖晶石的各种结构、振动和动力学特性，特别关注其与温度相关的行为，包括热膨胀系数。

ABAB 和 ABBA 堆叠扭曲双双层石墨烯中的探测带拓扑

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Jundong Zhu, Le Liu, Yalong Yuan, Jinwei Dong, Yanbang Chu, Luojun Du, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jianpeng Liu, Quansheng Wu, Dongxia Shi, Wei Yang, Guangyu Zhang

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11023v1

摘要： 扭曲石墨烯莫尔超晶格已被证明是研究相关态和非平凡拓扑的奇异平台。在莫尔条纹家族中，扭曲双双层石墨烯（TDBG）是一种可调谐平带系统，有望表现出依赖于堆叠的拓扑特性。然而，电子相关性和能带拓扑通常在平带极限中交织在一起，使得由于堆叠而产生的独特拓扑性质仍然难以捉摸。重点关注具有弱电子相关性的大角度 TDBG，在这里，我们探测了两种不同堆叠的 TDBG（即 ABBA- 和 ABAB-TDBG）中的朗道能级（LL）光谱，以揭示它们独特的拓扑特性。对于 ABBA-TDBG，我们在零电位移场下观察到非平凡的拓扑，这从半填充中陈能带的出现和临界磁场上方 CNP 处能隙的闭合中可以明显看出。相比之下，对于 ABAB-TDBG，我们发现莫尔带在拓扑上是微不足道的，这得到了半填充中不存在 LL 以及临界磁场上方 CNP 处间隙持续存在的支持。此外，我们还观察到有限 D 场上平凡到非平凡拓扑转变的演变，这一点得到了源于四分之一填充 v = 1 的兰道扇的证实。我们的结果首次证明了独特的堆叠相关TDBG 中的拓扑，为未来研究相关系统中的拓扑状态提供了一个有前途的途径。

强拓扑绝缘体灰砷的磁输运及第一性原理研究

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： N. K. Karn, Kapil Kumar, Geet Awana, Kunal Yadav, S. Patnaik, V. P. S. Awana

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11016v1

摘要： 在本文中，我们报道了通过铋助熔剂法合成单晶灰砷 (As)。生长的样品具有菱面体结构，是最稳定的结构。其 XRD（X 射线衍射）图案确保生长的晶体具有空间群 R-3m 的单相。在机械剥离的薄片上观察到的尖锐 XRD 峰确保了生长方向沿 c 轴的高结晶度。 EDAX（能量色散 X 射线分析）认可生长的砷单晶的化学计量纯度。为了研究振动模式，记录了拉曼光谱，显示 196.2 cm-1 和 255.74 cm-1 处的峰值，通过 DFT 计算确定为 Eg 和 A1g 模式。通过电子和磁传输测量进一步表征样品。电阻率与温度的关系测量说明了其在 2K 至 300K 温度范围内的金属性质。测得样品的残余电阻率为180，这证明了所合成的As单晶的高质量。 RH 测量阐明了观察到的巨大磁阻 (MR) 以及 SdH 振荡，这表明拓扑表面态的存在。 As 的拓扑性质也被第一性原理计算所证实。不仅轨道投影能带显示出能带反转的特征，而且威尔逊环方法计算出的Z2不变值(1,111)也证实了As是强拓扑绝缘体(TI)。

边界重构相竞争中原子位移转变的观察

分类： 材料科学

作者： Qingqi Zeng, Zhiwei Du, Xiaolei Han, Binbin Wang, Guangheng Wu, Enke Liu

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10945v1

摘要： 在相变期间，由于关键竞争而产生多种现象，不同的状态随之演变。在这项研究中，在 Ni-Co-Mn-V 全 d 金属合金体系中，在通常连接没有晶体学关系的多个相的重构相边界处意外地观察到具有晶格剪切畸变的位移马氏体转变。实验和理论计算表明，当接近相界时，母相变得越来越不稳定。由于结构挫败的关键相竞争，具有中等一阶性质的晶格扭曲转变得以幸存，其中出现了可比较的能量和不同相的形成偏好减少。在这种临界状态下，包括马氏体相变在内的相选择可以通过外部场（例如快速冷却、退火和磁场）来调节。我们的研究揭示了一种破坏母相稳定的新方法，通过这种方法，人们可以获得基于相变的新功能材料。

静水压调制巨热效应和电子拓扑跃迁的观察

分类： 材料科学

作者： Jinying Yang, Xingchen Liu, Yibo Wang, Shen Zhang, Yang Liu, Xuebin Dong, Yiting Feng, Qiusa Ren, Ping He, Meng Lyu, Binbin Wang, Shouguo Wang, Guangheng Wu, Xixiang Zhang, Enke Liu

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10936v1

摘要： 相变是凝聚态物理中的一个基本现象，其中物质的状态在不同条件下以各种临界行为相互转变。磁性马氏体相变具有显着的多热量效应，有利于固态冷却或热泵。同时，马氏体体系中由压力驱动的电子拓扑转变（ETT）很少有报道。在此，报告了静水压力对磁性马氏体合金相变的调节作用。由于转变过程中巨大的体积膨胀，1 GPa 内的压力将马氏体转变温度从 339 K 驱动至 273 K，从而在较宽的工作温度范围内产生高度可调的巨巴罗和磁热效应（BCE 和 MCE） 。有趣的是，马氏体相中的压力进一步诱发了 ETT，测得的饱和磁化强度突然下降约 0.6 GPa。第一性原理计算揭示了在相同压力下由于费米能级周围的轨道偏移导致态密度（DOS）的急剧变化，并再现了磁化强度的实验观察。此外，ETT还伴随着晶格参数和晶胞正交性的显着变化。该研究深入了解磁性马氏体系统中压力调制的奇异相变现象。

聚乙烯中的快速重离子：沿路径模拟损伤形成

分类： 材料科学

作者： P. Babaev, R. Voronkov, A. E. Volkov

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10935v1

摘要： 我们提出了沿着非晶态聚乙烯电子停止状态中减速的快重离子 (SHI) 路径上损伤形成的原子级模拟结果。应用的模型结合了蒙特卡罗代码 TREKIS-3（描述离子轨迹周围电子和原子系统的激发）与原子系统对激发响应的分子动力学模拟。模拟结果用于重建损伤区域的损伤形态、形状和尺寸。我们证明了离子轨迹上最大能量损失和最大损伤的位置并不重合，相距超过10微米。发现了具有实现电子停止的布拉格曲线的相反肩部的能量的离子产生损伤的阈值之间的差异。我们还分析了围绕离子轨迹形成的聚乙烯链化学活性片段的空间分布，作为 SHI 能量的函数。

碱金属和碱土金属三元氯化物的紫外交叉发光

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学

作者： Vojtech Vanecek, Juraj Paterek, Robert Kral, Romana Kucerkova, Vladimir Babin, Jan Rohlicek, Roberto Cala, Nicolaus Kratochwil, Etiennette Auffray, Martin Nikl

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10823v1

摘要： 1982年在BaF2中发现交叉发光（CL）后，人们对大量的CL闪烁体进行了研究。然而，尚未发现优于BaF2的CL闪烁体，CL闪烁体的研究也逐渐平息。医学成像和高能物理领域的最新技术发展对超快闪烁体产生了新的需求，而紫外敏感半导体光电探测器的发展进一步支持了这种需求。因此，人们对 CL 闪烁体重新产生了兴趣。为了满足快速定时应用的高光电检测效率的要求，例如。我。闪烁体和光电探测器之间必须实现良好的光谱匹配。铯基三元氯化物可以向光电探测器（PMT 或 SiPM）的敏感区域提供 CL 红移（~1.5 eV），同时保持与 BaF2 相当的光输出和定时特性。

Pr$^{3+}$ 掺杂 Lu$_2$S$_3$ 单晶的生长和光谱性质

分类： 材料科学

作者： Vojtech Vanecek, Vitezslav Jary, Robert Kral, Lubomir Havlak, Ales Vlk, Romana Kucerkova, Petr Prusa, Jan Barta, Martin Nikl

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10818v1

摘要： 首次使用微下拉 (mPD) 技术从熔体中成功生长 Lu$_2$S$_3$（未掺杂和 Pr 掺杂）单晶。卤化物 mPD 设备的定制使我们能够生长具有高熔化温度（~1750 $^\circ$C）的 Lu$_2$S$_3$ 棒状（\O 2 mm，长度约为 20 mm）晶体。 X射线粉末衍射表明，生长的晶体具有{\epsilon}-Lu$_2$S$_3$晶体结构（$\alpha$-Al$_2$O$_3$型，空间群R-3c）。研究了未掺杂和 Pr$^{3+}$ 掺杂 Lu$_2$S$_3$ 的光学和闪烁特性。在光致发光和放射发光光谱中均观察到快速的 5d-4f Pr$^{3+}$ 发光。该技术是勘探一大类高熔点硫化物的有效工具。此类材料显示出作为闪烁体、活性激光介质和光电元件的应用前景。

先进的卤化物闪烁体：从块状到纳米

分类： 应用物理, 仪器仪表和探测器

作者： Vojtech Vanecek, Katerina Decka, Eva Mihokova, Vaclav Cuba, Robert Kral, Martin Nikl

发布时间： 2024-09-17

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10814v1

摘要： 自 1948 年发现 NaI:Tl 闪烁以来，卤化物闪烁体在电离辐射检测中发挥着至关重要的作用。NaI:Tl 的发现推动了卤化物闪烁体的研究和开发 (R&D)，从而导致了 CsI:Tl、 CsI:Na、CaF$_2$:Eu等。后来，由于氧化物材料机械和化学稳定性高、闪烁性能好、块状单晶生长相对容易，研发转向氧化物材料。然而，晶体生长技术的发展使得吸湿性和机械脆弱材料（包括 SrI$_2$ 和 LaBr$_3$）的高质量单晶生长成为可能。基于这些材料的闪烁体表现出优异的性能并突破了无机闪烁体的极限。这些结果激发了对多种卤化物闪烁体的深入研究。此外，基于卤化铅钙钛矿的材料在光伏、固态照明和激光领域得到了应用。第一项研究还表明，卤化铅钙钛矿作为 NC 形式的超快闪烁体具有巨大潜力。本综述的目的是总结过去十年卤化物闪烁体领域的研发情况，并展望未来的发展前景。

揭示 Ta/蓝宝石超导薄膜中埋入金属-基底界面层的起源和性质

分类： 材料科学, 超导

作者： Aswin kumar Anbalagan, Rebecca Cummings, Chenyu Zhou, Junsik Mun, Vesna Stanic, Jean Jordan-Sweet, Juntao Yao, Kim Kisslinger, Conan Weiland, Dmytro Nykypanchuk, Steven L. Hulbert, Qiang Li, Yimei Zhu, Mingzhao Liu, Peter V. Sushko, Andrew L. Walter, Andi M. Barbour

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10780v1

摘要： 尽管表面和界面只占量子位电磁模式的一小部分，但它们作为高损耗角正切的来源可以产生重大影响，这就提出了揭示这些扩展缺陷的特性并确定其控制路径的需要。在这里，我们研究了 Ta/蓝宝石基超导薄膜中金属-基底界面层的结构和成分。基于同步加速器的 Ta 薄膜 X 射线反射率测量（常用于这些量子位）揭示了金属-基底界面处未经探索的界面层。扫描透射电子显微镜和核心级电子能量损失光谱在金属-基底界面处发现了约 0.65 \ \text{nm} \pm 0.05 \ \text{nm} 厚的混合层，其中含有 Al、O 和 Ta 原子。密度泛函理论 (DFT) 建模表明，Ta/蓝宝石异质结的结构和性能是由 Ta 沉积之前蓝宝石表面上的氧含量决定的，正如针对富 O 与 Al 上 Ta 薄膜的限制情况所讨论的那样-富Al2O3(0001)表面。通过使用多模态方法，集成各种材料表征技术和 DFT 建模，我们对金属和基材之间的界面层有了更深入的了解。金属-基底界面的这种混合会影响它们的热力学稳定性和电子行为，这可能会影响量子位的性能。

金属有机框架的研究进展：人机交互的科学计量方法

分类： 数字图书馆, 材料科学, 化学物理

作者： Xintong Zhao, Kyle Langlois, Jacob Furst, Yuan An, Xiaohua Hu, Diego Gomez Gualdron, Fernando Uribe-Romo, Jane Greenberg

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10776v1

摘要： 本文报告了由人类领域专家支持的科学计量分析，以检验金属有机框架（MOF）研究领域。科学计量分析揭示了某个领域的知识格局。该研究让 MOF 科学家参与了我们研究工作流程的设计和审查。 MOF 材料是下一代可再生能源存储和生物医学技术的重要组成部分。该研究方法展示了如何通过人参与的流程吸引专家，有助于形成对现场研究趋势、有影响力的作品和专业主题的全面看法。

Cr 掺杂 V2O3 薄膜中莫特跃迁的电子与声子热传输

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Johannes Mohr, Kiumars Aryana, Md. Rafiqul Islam, Dirk J. Wouters, Rainer Waser, Patrick E. Hopkins, Joyeeta Nag, Daniel Bedau

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10748v1

摘要： 了解铬掺杂 V2O3 的热导率对于优化存储器和神经形态设备选择器的设计至关重要。我们利用时域热反射技术来测量不同浓度的铬掺杂 V2O3 的热导率，跨越掺杂引起的金属-绝缘体转变。此外，还研究了其晶相和非晶相的不同氧化学计量和薄膜厚度。铬掺杂浓度（0%-30%）和结晶度是影响热性能的主要因素，而沉积过程中氧气流量（600-1400 ppm）的影响被证明可以忽略不计。我们的观察表明，即使在 V2O3 的金属相中，晶格贡献也是热传输的主导因素，电子对热传输没有明显的影响。最后，在低温（80-450 K）下测量了非晶态和晶态 V2O3 的热导率。我们的热导率测量结果表明，两种相都表现出与非晶材料类似的行为，这表明 V2O3 晶相中存在明显的声子散射效应。

探索FCC金属中跨音速位错滑移与堆垛层错宽度之间的关系

分类： 材料科学

作者： Kathryn R. Jones, Khanh Dang, Daniel N. Blaschke, Saryu J. Fensin, Abigail Hunter

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10705v1

摘要： 理论预测位错无法克服的限制滑动速度。计算和最近的实验表明，这些极限速度是软障碍，位错在高速塑性变形情况下可以达到跨音速速度。在本文中，我们使用 MD 模拟系统地研究了几种面心立方 (FCC) 金属（Al、Au、Pt 和 Ni）在极端大外加应力状态下的刃位错和螺位错的迁移率。我们的结果表明，刃位错由于其高迁移率和比螺旋位错更低的极限速度而更有可能以跨音速移动。重要的是，在所考虑的 FCC 金属中，位错核心结构决定了位错达到跨音速速度的能力。这可能是由于极限速度附近的相对论效应导致堆垛层错宽度 (SFW) 的变化。

Co|Al界面上不同氧化水平控制的界面自旋轨道电子效应

分类： 材料科学

作者： Sachin Krishnia, Libor Vojáček, Tristan Da Câmara Santa Clara Gomes, Nicolas Sebe, Fatima Ibrahim, Jing Li, Luis Moreno Vicente-Arche, Sophie Collin, Thibaud Denneulin, Rafal E. Dunin-Borkowski, Philippe Ohresser, Nicolas Jaouen, André Thiaville, Albert Fert, Henri Jaffrès, Mairbek Chshiev, Nicolas Reyren, Vincent Cros

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10685v1

摘要： 垂直磁各向异性 (PMA) 和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用是现代自旋电子学中的关键相互作用。这些相互作用被认为是由典型的铂-钴-铝氧化物系统中 Co|Al 界面的氧化主导的。在这里，我们观察到各向异性的双符号变化和界面手性相互作用的大约三倍变化，这不仅受到氧化的影响，而且还受到金属铝厚度的影响。与之前关于轻金属界面处自旋轨道效应可忽略不计的假设相反，我们不仅观察到具有完全氧化的Al的强PMA，在Co|Al界面处随着较少的氧而减少并变成负值（面内），我们还观察到在全金属 Co|Al 界面处，磁各向异性恢复为正值（面外）。这些发现表明，通过 Co|Al 轨道杂化对 Co d 带进行了修饰，这种效应得到了 X 射线吸收光谱和从头算理论计算的支持，强调了应变对全金属 Co|Al 界面的界面机制的关键影响。

位错的单原子分辨振动光谱

分类： 材料科学

作者： Hailing Jiang, Tao Wang, Zhenyu Zhang, Ruochen Shi, Xifan Xu, Bowen Sheng, Fang Liu, Weikun Ge, Ping Wang, Bo Shen, Peng Gao, Lucas R Lindsay, Xinqiang Wang

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10628v1

摘要： 位错散射引起的声子阻力通常分为短程核心相互作用和长程应变场相互作用。使用 GaN 位错上的电子能量损失光谱，我们报告了对位于特定核心原子（短程）的振动模式和位错周围应变驱动的声子能量移动（长程）的观察结果。从头计算支持这些发现并得出更多细节。这项研究揭示了位错的原子分辨振动光谱，从而为工程改进材料功能提供了见解。

蜂窝晶格上两个不同自旋翻转相的连续拓扑相变

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Xudong Li, Jize Zhao, Jinbin Li, Qiang Luo

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10439v1

摘要： 近年来，具有键依赖性相互作用的基塔耶夫磁体因其具有奇异相和非平凡激发的能力而引起了相当大的关注。拓扑磁振子由非零陈数和热霍尔电导率表示，旨在部分解释实际材料中的热霍尔测量。迄今为止，当磁场垂直于蜂窝平面时，拓扑磁振子已被广泛研究，但在面内磁场存在的情况下，其拓扑特性研究较少。在这里，我们研究了 $\Gamma$-$\Gamma'$ 模型中两个不同的面内场引起的自旋翻转相位，这两个相位都是与 Kitaev 相互作用密切相关的非对角耦合。这两个自旋翻转相位的区别在于它们的面外自旋分量可以是反平行或平行的，因此分别称为反铁磁（AFM）或铁磁（FM）自旋翻转相位。我们绘制了两个相的拓扑相图，揭示了陈数在交换参数和磁场上的丰富模式。我们分析计算了磁场沿 $a$ 和 $b$ 方向时拓扑相变的边界。我们发现，当跨越不同的拓扑相变时，热霍尔电导率及其导数表现出截然不同的行为。这两个阶段的显着区别在于，当磁场沿$b$方向时，拓扑磁振子在AFM自旋翻转阶段中完全不存在，而在FM类似物中在某些参数区域中它们可以存在。

离子注入磁性超材料

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Christina Vantaraki, Petter Ström, Tuan T. Tran, Matías P. Grassi, Giovanni Fevola, Michael Foerster, Jerzy T. Sadowski, Daniel Primetzhofer, Vassilios Kapaklis

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10433v1

摘要： 我们提出了一种增材制造具有最小表面粗糙度的平面磁性纳米阵列的方法。合成是通过将用于生成纳米图案掩模的电子束光刻与薄膜中的离子注入相结合来完成的。通过注入 $^{56}$Fe$^{+}$ 离子，我们能够以受控方式将磁性功能引入连续的 Pd 薄膜中，实现低至几十纳米的 3D 空间分辨率。我们的结果证明了该技术在制造方形人造自旋冰晶格中的成功应用，该晶格表现出明确的磁化纹理和图案化磁性元素之间的相互作用。

辐照双层石墨烯薄片的热电性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 计算物理

作者： Cynthia Ihuoma Osuala, Tanu Choudhary, Raju K. Biswas, Sudin Ganguly, Chunlei Qu, Santanu K. Maiti

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10380v1

摘要： 我们提出了一项通过任意偏振光照射增强双层石墨烯 (BLG) 热电 (TE) 性能的综合研究，重点关注具有锯齿形边缘的 $AA$ 和 $AB$ 堆叠结构。利用紧束缚理论和密度泛函理论（DFT）的结合，我们系统地分析了光照射对电子和声子输运性质的影响。光照射改变电子跳跃参数，产生不对称传输函数，从而显着增加塞贝克系数，从而提高整体品质因数（FOM）。对于声子贡献，DFT 计算表明，与 $AA$ 堆叠相比，$AB$ 堆叠的 BLG 表现出较低的晶格热导率，这归因于增强的非谐波散射和声子群速度。综合分析表明，两种堆叠类型的 FOM 都超过了统一性，在辐照引起的间隙附近有显着的改进。此外，我们还探讨了 FOM 对系统尺寸和温度的依赖性，证明光照射 BLG 在高效热电能量转换和废热回收方面具有广阔的前景。我们的结果显示在各种辐照参数下都有良好的反应。这些发现为通过光诱导修改优化先进 TE 应用的 BLG 提供了重要的见解。

反向非平衡分子动力学模拟太阳-石墨炔的晶格热导率

分类： 材料科学, 00-xx, J.2; I.6

作者： Isaac de Macêdo Felix, Raphael Matozo Tromer, Leonardo Dantas Machado, Douglas Soares Galvão, Luiz Antônio Ribeiro Jr, Marcelo Lopes Pereira Jr

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10355v1

摘要： 二维 (2D) 材料的热导率对于确定其是否适合从电子到热管理等多种应用至关重要。在这项研究中，我们使用分子动力学 (MD) 模拟来研究 8-16-4(Sun)-Graphyne（一种最近提出的二维碳同素异形体）的热导率和声子性质。根据 Muuller-Plathe 方法，使用反向非平衡 MD 模拟来估计热导率，揭示了对系统尺寸的强烈依赖性。声子色散计算证实了 Sun-GY 的稳定性，同时也显示出与石墨烯相比热导率显着降低。这种减少归因于乙炔键，它增强了声子散射。光谱分析进一步表明，Sun-GY 表现出较低的声子群速度和增加的声子散射，这主要是由于声学和光学模式之间的相互作用。 Sun-GY 的固有热导率约为 24.6 W/mK，远低于石墨烯，使其成为需要热传输性能降低的材料的应用的有希望的候选者。

通过超低能电子辐照在二维半导体中产生超高空间分辨率的量子光

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Ajit Kumar Dash, Sharad Kumar Yadav, Sebastien Roux, Manavendra Pratap Singh, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Akshay Naik, Cedric Robert, Xavier Marie, Akshay Singh

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10321v1

摘要： 单光子发射器 (SPE) 是量子技术的构建模块。二维材料的缺陷工程是制造 SPE 的理想选择，其中空间确定性和质量保持的制造方法对于集成到量子器件和腔中至关重要。现有方法使用应变和电子辐照或离子辐照的组合，这使得制造复杂，并且受到周围晶格损伤的限制。在这里，我们仅利用超低能量电子束照射（5 keV）在 hBN 封装的单层 MoS2 中产生稀缺陷密度，并具有超高空间分辨率（< 50 nm，可扩展至 10 nm）。低温光致发光光谱表现出尖锐的缺陷峰，遵循单一缺陷有限密度的幂律，以及 MoS2 缺陷复合物的特征塞曼分裂。尖锐的峰值具有低光谱抖动（< 200 {μ}eV），并且可以通过栅极电压和电子束能量进行调节。使用低动量电子辐照、易于处理和高空间分辨率，将破坏高质量 SPE 的确定性创建。

如何在化学和材料科学领域进行有影响力的人工智能研究

分类： 机器学习, 材料科学, 人工智能, 化学物理

作者： Austin Cheng, Cher Tian Ser, Marta Skreta, Andrés Guzmán-Cordero, Luca Thiede, Andreas Burger, Abdulrahman Aldossary, Shi Xuan Leong, Sergio Pablo-García, Felix Strieth-Kalthoff, Alán Aspuru-Guzik

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10304v1

摘要： 机器学习已经普遍触及许多科学领域。化学和材料科学也不例外。尽管机器学习已经产生了巨大的影响，但它仍然没有充分发挥其潜力或成熟度。从这个角度来看，我们首先概述了化学中各种问题的当前应用。然后，我们讨论机器学习研究人员如何看待和处理该领域的问题。最后，我们提供了在研究化学机器学习时最大化影响力的考虑因素。

神经形态自旋电子学

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 其他凝聚态物质, 人工智能

作者： Atreya Majumdar, Karin Everschor-Sitte

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10290v1

摘要： 神经形态自旋电子学结合了神经形态计算和自旋电子学这两个先进技术领域，创建了受大脑启发的高效计算系统，利用了电子自旋的独特属性。在本书的章节中，我们首先介绍这两个领域——神经形态计算和自旋电子学，然后介绍神经形态自旋电子学。我们讨论神经形态自旋电子学的具体例子，包括基于波动的计算、人工神经网络和储层计算，强调它们彻底改变计算效率和功能的潜力。

EuCuP 中磁化依赖的各向异性拓扑特性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Jian Yuan, Xianbiao Shi, Hong Du, Xia Wang, Jinguang Cheng, Baotian Wang, Ruidan Zhong, Shihao Zhang, Yanfeng Guo

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10061v1

摘要： 磁性和非平凡拓扑能带结构之间的相关性是发现奇异拓扑性质的独特场所。结合磁输运测量和第一性原理计算，我们在此揭示了六方EuCuP在顺磁结构中保持拓扑平凡状态，而在自旋极化结构中保持强磁化依赖的各向异性拓扑状态。具体来说，它在面内自旋极化结构中具有平凡的拓扑态，而在面外自旋极化结构中具有Weyl半金属态。我们的尺度分析表明，自旋极化结构中的固有贝里曲率可以解释观察到的大的各向异性反常霍尔效应。第一性原理计算表明，磁化强度和自旋轨道耦合对于面外自旋极化结构中四对Weyl点的出现同时起着至关重要的作用。因此，我们的工作在EuCuP中建立了磁性与非平凡拓扑态之间的密切关系，这对于未来拓扑物理这一关键问题的研究具有指导意义。

适用于各种应用的手性分子组装体中自旋控制的电子传输

分类： 材料科学

作者： Ritu Gupta, Anujit Balo, Rabia Garg, Amit Kumar Mondal, Koyel Banerjee Ghosh, Prakash Chandra Mondal

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10036v1

摘要： 手性诱导自旋选择性（CISS）效应因其无需磁体即可产生自旋极化电子的潜力而引起了分子自旋电子学领域的极大兴趣。最近致力于各种手性材料中的 CISS 效应的研究展示了自旋电子学、手性识别和量子信息应用的令人兴奋的前景。一些实验研究已经证实手性分子对于自旋过滤特性、影响自旋极化电子传输和光电发射的适用性。研究人员旨在通过汇编实验结果和增强对 CISS 效应的理解来预测 CISS 现象并将这一概念应用于实际应用。为了扩大自旋操纵的可能性并为基于自旋的技术创造新的机会，研究人员正在努力探索不同的手性有机和无机材料来探测 CISS 效应。这项正在进行的研究有望开发新型自旋技术，并增进对手性和电子自旋之间复杂关系的理解。这篇综述展示了显着的 CISS 效应及其对自旋电子学的影响，以及它在其他各个科学领域的相关性。

交变磁体及其他：节点磁序相

分类： 材料科学

作者： Tomas Jungwirth, Rafael M. Fernandes, Jairo Sinova, Libor Smejkal

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10034v1

摘要： 最近发现的交流磁体为凝聚态有序相领域开辟了新的视角。在强相关超流体中，$^{3}$He 和铜酸盐的节点 p 波和 d 波有序相位因其丰富的对称破缺有序参数现象学而在物理学中发挥着重要作用。虽然 p 波和 d 波超流体在过去的半个世纪中得到了广泛的研究，但它们的磁性对应物的材料实现几十年来仍然难以捉摸。这个问题在交流磁体中得到了解决，其最近的发现是由自旋电子学领域对高度可扩展的信息技术的研究推动的。交变磁体具有 d、g 或 i 波磁序，具有自旋极化和自旋简并节点的特征交替。在这里，我们回顾如何从晶格中共线自旋密度的对称性中识别交变磁性，并在正常条件下在广泛的绝缘和导电材料中实现交变磁性。我们重点介绍了交变磁序的显着电子结构特征，讨论了其能带结构中出现的非凡相对论和拓扑现象，并对强相关效应进行了评论。然后，我们将讨论扩展到晶体中的非共线自旋密度，包括 p 波磁体的预测，并以对节点磁有序相的物理性质的简要总结作为结束。

图神经网络力场预测固态特性的通用性

分类： 机器学习, 材料科学, 数值分析, 数值分析

作者： Shaswat Mohanty, Yifan Wang, Wei Cai

发布时间： 2024-09-16

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09931v1

摘要： 机器学习力场 (MLFF) 有望为复杂分子系统的从头模拟提供计算高效的替代方案。然而，确保它们在训练数据之外的普遍性对于它们在固体材料研究中的广泛应用至关重要。这项工作研究了基于图神经网络 (GNN) 的 MLFF（在 Lennard-Jones Argon 上进行训练）描述训练期间未明确包含的固态现象的能力。我们评估了 MLFF 在预测零温度和有限温度下完美面心立方 (FCC) 晶体结构的声子态密度 (PDOS) 方面的性能。此外，我们还使用直接分子动力学 (MD) 模拟和弦法来评估不完美晶体中的空位迁移率和能垒。值得注意的是，训练数据中不存在空缺配置。我们的结果证明了 MLFF 能够捕获基本的固态特性，并且与参考数据具有良好的一致性，即使对于不可见的配置也是如此。我们进一步讨论了增强 MLFF 通用性的数据工程策略。所提出的一组基准测试和工作流程用于评估 MLFF 在描述完美和不完美晶体方面的性能，为 MLFF 在研究复杂固态材料中的可靠应用铺平了道路。

高品质因数手性光学腔实现 Si-MoSe2 异质结构的室温谷选择性发射

分类： 光学, 材料科学

作者： Feng Pan, Xin Li, Amalya C. Johnson, Scott Dhuey, Ashley Saunders, Meng-Xia Hu, Jefferson P. Dixon, Sahil Dagli, Sze-Cheung Lau, Tingting Weng, Chih-Yi Chen, Jun-Hao Zeng, Rajas Apte, Tony F. Heinz, Fang Liu, Zi-Lan Deng, Jennifer A. Dionne

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09806v2

摘要： 过渡金属二硫化物 (TMDC) 具有谷赝自旋，允许光子自旋与电子自旋耦合，并实现经典信息和量子信息的初始化和读出。快速谷相移相工艺阻碍了在室温下运行的可扩展、高性能谷电子器件的开发。在这里，我们证明即使在线性偏振激发下，手性共振超表面也可以实现室温谷选择性发射。该平台提供具有高品质因数（Q因子）和强手性近场增强的圆本征偏振态，从而产生单一发射圆二色性（即单手圆偏振发射）。我们制造的 Si 手性超表面在可见波长下表现出 Q 因子高达 450 的手性电磁模式，光谱调谐到 MoSe2 单层的激子能量。利用 100 K 至 294 K 温度范围内的空间和光谱分辨映射，我们证明了室温下高达 0.5 的圆偏振度 (DOP)。激子发射的倒易空间映射揭示了手性 q-BIC 将谷选择性发射定位在光子伽马点附近。光子自旋和时间分辨光致发光测量表明，高 DOP 可归因于超表面提供的手性光学局域密度显着增加，这将谷特定的辐射跃迁率提高了约 13 倍，寿命也缩短了作为 189 ps。我们的工作可以促进紧凑的手性经典和量子光源的开发以及用于量子对映选择性合成的分子手性极化子的创建。

用于分析聚合物共混物生成的原子力显微镜 (AFM) 图像的机器学习

分类： 图像和视频处理, 材料科学, 软凝聚态物质, 计算机视觉和模式识别, 机器学习

作者： Aanish Paruchuri, Yunfei Wang, Xiaodan Gu, Arthi Jayaraman

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11438v1

摘要： 在本文中，我们提出了一种新的机器学习工作流程，采用无监督学习技术来识别从聚合物薄膜获得的原子力显微镜图像中的域。该工作流程的目标是在几乎不需要人工干预的情况下识别两种类型聚合物域的空间位置，并计算域尺寸分布，这反过来可以帮助将材料的相分离状态限定为宏观相或微相有序或无序域。我们简要回顾了其他领域、计算机视觉和信号处理中使用的现有方法，这些方法可适用于高分子科学与工程领域经常发生的上述任务。然后，我们在 AFM 图像数据集上通过计算机视觉和信号处理测试这些方法，以确定我们第一个任务中每种方法的优点和局限性。对于我们的第一个域分割任务，我们发现使用离散傅里叶变换或离散余弦变换和方差统计作为特征的工作流程效果最好。与基于 DFT 和 DCT 的工作流程相比，计算机视觉领域流行的 ResNet50 深度学习方法在 AFM 图像的域分割任务中表现出相对较差的性能。对于第二个任务，对于 144 个输入 AFM 图像中的每一个，我们使用现有的porepy python 包根据基于 DFT 的工作流程的该图像的输出来计算域大小分布。我们在本文中分享的信息和开源代码可以为聚合物和软材料领域的研究人员提供指导，他们需要 ML 建模和工作流程来自动分析聚合物样品的 AFM 图像，这些样品可能具有结晶或非晶域、尖锐或域之间或微观或宏观相分离的域之间的粗糙界面。

旋转、初始应力材料条中的裂纹动力学：数学方法

分类： 经典物理学, 材料科学

作者： Soniya Chaudhary, Diksha, Pawan Kumar Sharma

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.11434v1

摘要： 当前的研究探索了初始应力、旋转材料条中的裂纹分析，从奇异积分方程中汲取见解。在这项工作中，考虑使用有限厚度和无限延伸的自增强材料条，在初始应力和旋转运动的作用下检查格里菲斯断裂。带材的边缘受到沿其移动的冲头的恒定负载的推动。这项研究在材料中产生波，影响裂缝的运动。采用独特的数学技术来简化一对具有一阶奇点的奇异积分方程的解析。这些获得的方程有助于我们了解断裂的行为。使用狄拉克δ函数对作用在裂缝边缘的力进行建模。然后，利用希尔伯特变换方法计算裂缝边缘处的应力强度因子(SIF)。此外，该研究还探讨了各种情况，包括从 SIF 表达式推导出来的无冲头压力的恒定强度力、旋转参数、初始应力和带材中的各向同性。研究中通过数值计算和图形分析来评估各种因素对SIF的影响。最后，对初始应力和旋转增强材料带中的断裂行为与标准材料带中的断裂行为进行比较，以识别任何差异。

使用 Jonker 和 Ioffe 公式预测可实现的最大功率因数：含石墨夹杂物的掺铝 ZnO 三角形微晶案例研究

分类： 材料科学

作者： Soumya Biswas, Keshav Dabral, Saptak Majumder, Rajasekar Parasuraman, Aditya S. Dutt, Vinayak B. Kamble

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09728v2

摘要： 在流行的TE材料中，硒化物和碲化物是高效系统的标杆。然而，对于高温应用（>700 K），由于硅化物和氧化物具有出色的热稳定性，因此需要依赖它们。 ZnO是热电领域最早应用的几种氧化物之一。掺铝 ZnO 是一种经过验证的高温热电应用材料。然而，高晶界电阻限制了该氧化物效率的进一步提高。能带工程、能带改性是降低晶界阻力的成功方法。在晶界处添加石墨和石墨基材料已被证明可以达到此目的。在这项工作中，石墨粉以不同比例添加到Al掺杂ZnO三角形微晶中。因此，对制备的材料进行表征，以确认其形成并研究界面、形态等的性质。还测量了这些材料的电导率、塞贝克系数和导热率等 TE 参数。由于制备方法多种多样，导致孔隙率、性质和密度缺陷等因素的变化，TE效率zT的理论计算结果往往与实际实验结果存在差异。在本文中，我们尝试通过 Jonker 和 Ioffe 分析，根据这组样本的测量 TE 参数来估计最大可实现功率因数 (PFmax)。根据预测的 PFmax，已确定合适的材料成分以实现相同的效果。随后，通过测量参数计算 TE 效率 (zT)。此外，本文还研究了所制备的未掺杂 ZnO 石墨复合材料在高温范围（625 K - 1000 K）下热导率的突然下降。

了解聚合物胶体凝胶：使用低场 NMR 的溶剂视角

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 应用物理

作者： Léo Hervéou, Gauthier Legrand, Thibaut Divoux, Guilhem P. Baeza

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09864v1

摘要： 目前的工作强调了低场核磁共振弛豫测量法通过探测 $\rm 10^{\circ}C$ 和 $\rm 80^{\circ} 之间各种配方的水动力学来研究胶体聚合物水凝胶的相关性加元。通过检查横向弛豫时间 $T_2$ 的温度依赖性，我们证明了 NMR 响应与水凝胶流变行为之间的明确联系。特别是，我们表明，针对溶剂的 NMR 弛豫测量可以提供对水凝胶微观结构的可靠见解，并允许检测相变和老化过程。我们的研究结果表明，这种以溶剂为中心的技术可以极大地造福软物质界，补充凝胶研究中的其他实验方法。

提高氢空位浓度提高超氢化镧的超导转变温度

分类： 超导, 材料科学

作者： Haoran Chen, Hui Wang, Junren Shi

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09836v1

摘要： 人们在实验样品中发现各种笼形超氢化物超导体存在氢缺陷，但它们对超导性的影响往往被忽视。在本研究中，我们利用路径积分方法从第一原理研究了缺氢超氢化镧 (LaH$_{10-\delta}$) 的超导性。在热和量子涨落的影响下，氢空位被发现在系统内扩散，导致离子振动、电子结构和电子-声子耦合的改变。这些变化导致超导转变温度 ($T_c$) 对空位浓度 ($\delta$) 的非单调依赖性。通过比较实验和理论状态方程，我们认为 $\delta$ 在不同压力下的样本之间会有所不同。这解释了在低于 150 GPa 的实验中 $T_c$ 的正压力依赖性。值得注意的是，在这个压力范围内，我们发现通过增加$\delta$可以进一步提高$T_c$。

连续体中平面手性准束缚态实现的室温谷选择性发射

分类： 光学, 材料科学

作者： Feng Pan, Xin Li, Amalya C. Johnson, Scott Dhuey, Ashley Saunders, Meng-Xia Hu, Jefferson P. Dixon, Sahil Dagli, Sze-Cheung Lau, Tingting Weng, Chih-Yi Chen, Jun-Hao Zeng, Rajas Apte, Tony F. Heinz, Fang Liu, Zi-Lan Deng, Jennifer A. Dionne

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09806v1

摘要： 过渡金属二硫属化物（TMDC）单层中的光学可寻址自旋光子界面对于使用光子实现经典和量子操作至关重要。 TMDC 中的谷赝自旋允许圆偏振光与电子（空穴）自旋耦合，从而实现经典信息和量子信息的初始化和读出。快速谷相移相工艺阻碍了在室温下运行的可扩展、高性能谷电子器件的开发。在这里，我们证明了手性共振超表面可以实现室温谷选择性发射。该平台由连续体中的手性准束缚态驱动，提供具有高品质因数（Q 因子）和强手性近场增强的圆本征偏振态，并产生单一发射圆二色性（即单手圆偏振发射）。我们在可见光波长下制造的高 Q 因子 (> 200) Si 手性超表面，在线性偏振光激发下，强烈增强了包含 MoSe2 单层的器件中的谷选择性光学跃迁，实现了从 100 K 到 100 K 的高度光学圆偏振 (DOP)。 294 K，并在 294 K 时达到接近 0.5。高 DOP 归因于特定谷的激子/三重子辐射复合率增强。我们的工作可以促进紧凑的手性经典和量子光源的开发以及用于量子对映选择性合成的分子手性极化子的创建。

Cu(001)上吸附的Fe-八乙基卟啉二次谐波发生光谱中的共振分子跃迁

分类： 材料科学, 化学物理

作者： A. Eschenlohr, R. Shi, J. Chen, P. Zhou, U. Bovensiepen, W. Hübner, G. Lefkidis

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09801v1

摘要： 金属表面上的金属有机分子吸附剂提供了为未来（自旋）电子应用生成材料的潜力，以及对分子-基底相互作用更好的基本理解，前提是可以分析和/或分析此类界面的电子特性。有针对性地进行操纵。为了研究此类界面处的电子相互作用，我们测量了吸附在 Cu(001) 上的铁八乙基卟啉 (FeOEP) 的光学二次谐波产生 (SHG)，并使用包括光学激发在内的耦合簇方法进行电子结构计算。我们发现，与裸露的 Cu(001) 表面相比，FeOEP/Cu(001) 的倍频响应在 2.15-2.35 eV 基本光子能量处发生了变化。我们的偏振相关分析表明，$\chi_{zzz}^{(2)}$ 非线性磁化率张量元素在这种修改中占主导地位。第一性原理计算证实了这种效应，并得出了 $\hbar\omega \geq 2$ eV 处分子跃迁共振增强的 SHG 的结论。我们表明，$\chi^{(2)}_{zzz}$ 的增强是由于分子-基底相互作用的强电荷转移特性所致。我们的研究结果证明了表面二次谐波对于表征此类界面的适用性以及将其用于光诱导电子动力学的时间分辨二次谐波实验的潜力。

应变工程 InSe/MS$_2$ (M=Mo,W) 范德华异质结构中的巨大光发射增强

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Elena Blundo, Marzia Cuccu, Federico Tuzi, Michele Re Fiorentin, Giorgio Pettinari, Atanu Patra, Salvatore Cianci, Zakhar Kudrynskyi, Marco Felici, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Amalia Patanè, Maurizia Palummo, Antonio Polimeni

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09799v1

摘要： 二维晶体通过弱范德华 (vdW) 力堆叠在一起，为 vdW 异质结构 (HS) 中的层数、顺序和扭转角度提供了无限的可能性。然而，高性能光电器件的实现需要实现特定的能带排列、导带最小值和价带最大值之间的$k$空间匹配，以及组成层之间的有效电荷转移。缺乏设计理想 HS 的微调机制。在这里，我们展示了层选择性应变工程可以作为 vdW HS 的额外自由度来利用，以定制其能带排列和光学特性。为此，选择性地将应变施加到 InSe/MS$_2$ HS 中的 MS$_2$ (M=Mo,W) 单层。这会触发高度可调但发射微弱的 InSe 的 PL 大幅增强一到三个数量级。由第一原理计算支持的谐振 PL 激发测量提供了应变激活的直接电荷从 MS$_2$ ML 向 InSe 转移的证据。 InSe 的这种显着的发射增强拓宽了其光电应用范围。

接枝 AlGaAs/GeSn 光泵浦激光器，工作温度高达 130 K

分类： 光学, 材料科学

作者： Jie Zhou, Daniel Vincent, Sudip Acharya, Solomon Ojo, Alireza Abrand, Yang Liu, Jiarui Gong, Dong Liu, Samuel Haessly, Jianping Shen, Shining Xu, Yiran Li, Yi Lu, Hryhorii Stanchu, Luke Mawst, Bruce Claflin, Parsian K. Mohseni, Zhenqiang Ma, Shui-Qing Yu

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09752v1

摘要： IV 族 GeSn 双异质结构 (DHS) 激光器具有直接带隙和 CMOS 兼容性的独特优势。然而，通过传统的外延和晶圆键合，GeSn 的结性能有限，从而限制了激光性能的进一步提高。这项工作利用半导体接枝来合成和表征光泵浦脊边发射激光器 (EEL)，其中 AlGaAs 纳米膜 (NM) 转印到外延生长的 GeSn 衬底上，并通过超薄 Al2O3 层连接。接枝的 AlGaAs/GeSn DHS 激光器在 77 K 时表现出 11.06 mW 的激光阈值，最高激光温度为 130 K。这些结果凸显了接枝技术在增强电荷载流子和光场限制方面的潜力，为房间温度电注入GeSn激光器。

用于热力学、自旋电子学和光电应用的新型 Half Heusler 合金 VPdZ（Z= Ge、Sn）的第一性原理分析

分类： 材料科学

作者： Ashwani Kumar, Shyam Lal Gupta, Sumit Kumar, Anupam, Diwaker

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09735v1

摘要： 本研究利用密度泛函理论探讨了 VPdZ (Z= Ge, Sn) half Heusler 合金的结构稳定性、弹性、机械、电子、热物理、磁、光学和晶格动力学性能。该合金在{\α}型铁磁相中表现出稳定性，并具有半金属能带拓扑。半金属特征通过电子能带结构的详细轮廓揭示的自旋极化行为来表示。根据电子能带分布，两种合金都是半金属，VPdGe 和 VPdSn 半霍斯勒合金在自旋向下通道中的间接能隙分别为 1.10 eV 和 1.02 eV。准谐波德拜模型有助于研究热力学参数，并且磁矩值符合斯莱特-鲍林规则。该合金在热力学、自旋电子学和光电领域具有潜在的应用。

使用 Jonker 和 Ioffe 公式预测可实现的最大功率因数：含石墨夹杂物的掺铝 ZnO 三角形微晶案例研究

分类： 材料科学

作者： Soumya Biswas, Keshav Dabral, Saptak Majumder, Rajasekar Parasuraman, Aditya S. Dutt, Vinayak B. Kamble

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09728v1

摘要： 在流行的TE材料中，硒化物和碲化物是高效系统的标杆。然而，对于高温应用（>700 K），由于硅化物和氧化物具有出色的热稳定性，因此需要依赖它们。 ZnO是热电领域最早应用的几种氧化物之一。掺铝 ZnO 是一种经过验证的高温热电应用材料。然而，高晶界电阻限制了该氧化物效率的进一步提高。能带工程、能带改性是降低晶界阻力的成功方法。在晶界处添加石墨和石墨基材料已被证明可以达到此目的。在这项工作中，石墨粉以不同比例添加到Al掺杂ZnO三角形微晶中。因此，对制备的材料进行表征，以确认其形成并研究界面、形态等的性质。还测量了这些材料的电导率、塞贝克系数和导热率等 TE 参数。由于制备方法多种多样，导致孔隙率、性质和密度缺陷等因素的变化，TE效率zT的理论计算结果往往与实际实验结果存在差异。在本文中，我们尝试通过 Jonker 和 Ioffe 分析，根据这组样本的测量 TE 参数来估计最大可实现功率因数 (PFmax)。根据预测的 PFmax，已确定合适的材料成分以实现相同的效果。随后，通过测量参数计算 TE 效率 (zT)。此外，本文还研究了所制备的未掺杂 ZnO 石墨复合材料在高温范围（625 K - 1000 K）下热导率的突然下降。

Ti(Cr)取代的Fe2CrV全d金属Heusler铁磁体的结构、磁性和电子/热传输的演变

分类： 材料科学

作者： Yiting Feng, Shen Zhang, Qingqi Zeng, Meng Lyu, Junyan Liu, Jinying Yang, Yibo Wang, Qiusa Ren, Yang Liu, Binbin Wang, Hongxiang Wei, Enke Liu

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09718v1

摘要： 全d金属全霍斯勒合金具有优异的机械性能和高自旋极化，这将在自旋电子学应用中发挥重要作用。尽管如此，迄今为止它们的电和热传输特性尚未得到全面研究。在这项工作中，我们通过理论计算和实验相结合，分析了 Cr 和 Ti 取代的 Fe2CrV 全 d 金属 Heusler 合金的结构、磁性和输运性能的演变。两个系列合金均以Hg2CuTi型结构结晶。随着Ti掺杂量的增加，计算得到的Fe50Cr25V25-xTix的总磁矩线性减小。当x < 4时，实验饱和磁化强度与理论计算和Slater-Pauling规则高度一致，表明原子占据高度有序。通过改变自旋极化和交换相互作用可以显着调节磁化强度和居里温度。外来原子Ti的引入导致残余电阻率线性增加，而电子声子散射保持相对恒定。在化学计量的 Fe2CrV 成分中观察到电和热传输特性的最大值。

铁磁中心对称半金属 FeIn2S4 中的拓扑节点链和横向输运

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Junyan Liu, Yibo Wang, Xuebin Dong, Jinying Yang, Shen Zhang, Meng Lyu, Binbin Wang, Hongxiang Wei, Shouguo Wang, Enke Liu, Baogen Shen

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09712v1

摘要： 受非对称对称性保护的节点链半金属与狄拉克和韦尔半金属不同，具有非常规的拓扑表面状态并导致异常的磁输运特性。在这里，我们发现铁磁 FeIn2S4 理论上是合适的节点链候选者。具有非对称对称性的中心对称 FeIn2S4 显示出半金属性和干净的能带交叉，并具有沙漏型色散，描绘出节点线。由于滑移镜对称性，非平凡的节点环形成节点链，其与垂直滑移镜平面相关。这些节点链对于自旋轨道相互作用具有鲁棒性，从而导致鼓面型表面态和闭合表面费米弧的共存。此外，受非对称性保护的节点环路会导致大的反常霍尔电导率和反常能斯特电导率。我们的结果为探索磁系统中有趣的拓扑状态和横向输运特性提供了一个平台。

基于有效的 Weyl 模型缩放拓扑传输

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Shen Zhang, Jinying Yang, Meng Lyu, Junyan Liu, Binbin Wang, Hongxiang Wei, Claudia Felser, Wenqing Zhang, Enke Liu, Baogen Shen

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09709v1

摘要： 磁性拓扑半金属越来越激发人们对热电学和自旋电子学等奇异电子热物理的兴趣。控制此类材料中拓扑载流子的传输成为一个中心问题。然而，真实材料中的拓扑带通常很复杂，这给以物理清晰的方式理解输运留下了障碍。与著名的半导体磁场尺度有效双能带模型并行，这里开发了一种具有纯外尔态和一些有意义的拓扑半金属参数的温标有效外尔能带模型。基于该模型，建立了通用标度，并随后通过报告的实验传输进行了验证。异常霍尔和能斯特输运的基本符号规律与外尔节点和载流子类型的手性有关。基于双Weyl模型，进一步提出了贝里曲率亚铁磁结构的概念，作为真实空间磁结构的类比，并很好地描述了能斯特热电输运在温度尺度上出现的符号反转。我们的研究为扩展外尔费米子相关输运物理提供了一种方便的工具，并促进了磁性拓扑材料在未来拓扑量子器件中的调制和应用。

外延1T'-WSe$_2$单层膜的鲁棒库仑隙和变温研究

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Wang Chen, Mengli Hu, Junyu Zong, Xuedong Xie, Wei Ren, Qinghao Meng, Fan Yu, Qichao Tian, Shaoen Jin, Xiaodong Qiu, Kaili Wang, Can Wang, Junwei Liu, Fang-Sen Li, Li Wang, Yi Zhang

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09698v1

摘要： 具有 1T' 结构相的过渡金属二硫属化物 (TMDC) 预计在零温度下是二维拓扑绝缘体。尽管 1T'-WTe$_2$ 的量子化边缘电导已被证实可在高达 100 K 的温度下工作，但对于工业应用来说，这个温度仍然相对较低。针对 1T'-TMDC 中温度影响的有限研究，我们的研究重点是在双层石墨烯 (BLG) 和 SrTiO$_3$(100) 基板上生长的外延 1T'-WSe$_2$ 单层的电子和晶体特性。各种温度。对于在 BLG 上生长的 1T'-WSe$_2$，我们观察到其能带结构具有显着的热膨胀效应，热膨胀系数为 $\sim$60$\times$10$^{-6}$ K$^{- 1}$。相比之下，由于基材施加的应变增强，在 SrTiO$_3$(100) 上生长的 1T'-WSe$_2$ 随着温度的变化表现出最小的变化。此外，在角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道光谱（STS）中观察到在费米能级处存在显着的库仑间隙（CG）。研究发现，CG 随着温度的升高而降低，并且对于 1T'-WSe$_2$/BLG 可以持续高达 200 K，这与我们的蒙特卡罗模拟一致。 CG的鲁棒性和正的基本能隙赋予外延1T'-WSe$_2$单层在实现量子自旋霍尔器件方面具有巨大的潜力。

通过逆 EXAFS 分析确定晶体结构：利用 Demeter 软件包的比较研究

分类： 材料科学

作者： Osman Murat Ozkendir

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09693v1

摘要： 本研究介绍了一种利用逆 EXAFS 分析 (IEA) 进行晶体结构分析的新方法。为了评估 IEA 的可靠性，我们将其应用于各种实验研究材料，包括 LiCrO2 和 CuFeO2。我们的研究结果表明，IEA 为 XRD 等传统技术提供了一种有前途的替代方案，特别是在仪器或晶体结构缺陷构成挑战的情况下。 IEA 有效揭示了 LiCrO2 和 CuFeO2 的晶体结构，证明了其准确表征复杂材料的能力。该技术在增强 XAFS 数据分析方面的潜力巨大，为研究人员提供了确定晶体结构的宝贵工具。 IEA 的未来发展可以进一步扩展其能力，并使其成为材料科学家更容易使用和更有效的方法。

共聚物的外推 ML 模型

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 机器学习

作者： Israrul H. Hashmi, Himanshu, Rahul Karmakar, Tarak K Patra

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09691v1

摘要： 机器学习模型已逐渐用于预测材料特性。这些模型可以使用预先存在的数据来构建，并且可用于快速筛选天文数字般巨大的材料的物理化学空间。然而，机器学习模型本质上是插值的，并且它们在材料已知属性范围之外搜索候选者的功效尚未解决。此外，机器学习模型的性能与其学习策略和训练数据量密切相关。在这里，我们确定了 ML 模型的外推能力、训练数据集的大小和范围以及学习方法之间的关系。我们关注一个典型问题，即预测共聚物的性能与其单体序列的函数关系。人们发现，学习聚合物结构之间相似性的树搜索算法对于外推来说效率低下。相反，神经网络和 XGBoost 模型的外推能力试图学习聚合物结构和性能之间的潜在功能相关性，显示出与训练数据的数量和范围有很强的相关性。这些发现对基于机器学习的新材料开发具有重要意义。

反钙钛矿 c-Na3HS 固态电解质的第一原理洞察

分类： 材料科学

作者： Sananya Chakraborty, Nidhi Verma, Ashok Kumar

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09690v1

摘要： 我们探索了新型反钙钛矿 c-Na3HS 作为钠离子电池固态电解质的潜力。为了研究c-Na3HS的动态稳定性、相稳定性、热稳定性、机械稳定性以及离子、电子和扩散特性，基于密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）模拟的第一性原理方法已就业。 c-Na3HS 没有虚声子模式，表明其动态稳定性。主要发现包括船体上方能量小、4.35 eV 的宽带隙以及表明 c-Na3HS 具有中等硬度和稍脆性质的机械稳定性分析。 c-Na3HS 中 Na 的活化能经计算为约 300 meV，引入 Na 空位后降低至约 100 meV。通过 c-Na3HS 结构中的空位和卤素掺杂，离子电导率可提高约 3 个数量级。因此，所获得的结果表明c-Na3HS可以作为钠离子电池中的固态电解质的可行选择。

具有强梯级相互作用的双腿自旋梯化合物 Ba2RE2Ge4O13（RE = Pr、Nd 和 Gd-Ho）家族的结构和磁性能

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Jin Zhou, Andi Liu, Fangyuan Song, Langsheng Ling, Jingxin Li, Wei Tong, Zhengcai Xia, Gaoshang Gong, Yongqiang Wang, Jinkui Zhao, Hanjie Guo, Zhaoming Tian

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09686v1

摘要： 自旋梯代表一种特殊类型的低维磁体，允许研究从一维自旋链到二维方晶格自旋系统的维度交叉，并且根据交换相互作用参数，在此类系统中可以出现不同的磁基态。梯子的横档和腿。尽管人们对基于3d过渡金属的自旋梯化合物进行了深入的研究，但由稀土离子构建的材料仍然很少见。在此，我们报道了一族基于稀土的自旋梯化合物Ba2RE2Ge4O13 (RE=Pr,Nd,Gd-Ho)，结晶成空间群C2/c的单斜结构。结构分析表明，稀土离子在结构上形成双腿自旋梯图案，分别沿横档和腿方向通过 RE-O-RE 路径和 RE-O-Ge-O-RE 路径桥接。此外，RE2O12二聚体内的梯级距离比腿距离短得多，表明Ba2RE2Ge4O13是强梯级自旋梯系统。所有合成的 Ba2RE2Ge4O13 (RE=Pr,Nd,Gd-Ho) 化合物均表现出主要的反铁磁相互作用，并且在低至 1.8K 时不存在磁序。在家族成员中，Ba2Dy2Ge4O13可以用Jeff=1/2 Kramers双态来描述，它表现出在Tsr~2.4K处最大化的短程自旋相关性和TN=0.81K处的长程AFM有序性的共存，如低值所示。温度比热数据。短程自旋相关性归因于 Dy2O12 二聚体梯级交换相互作用的发展，长程 AFM 顺序与降低温度下增强的腿或梯间耦合有关。因此，该 Ba2RE2Ge4O13 化合物系列提供了一个罕见的平台来研究新型自旋梯物理，其自旋轨道纠缠 Jeff=1/2 矩超出了基于 3d TM 的对应物。

三元五边形 CdSeTe 单层中两个带边排列之间的选择性切换：原子谷锁定

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhi-Qiang Wen, Qiu Yang, Shu-Hao Cao, Zhao-Yi Zeng, Hua-Yun Geng, Xiang-Rong Chen

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09625v1

摘要： 在光催化水分解领域，目前还没有研究明确研究具有本征电场的二维（2D）材料中多个带边排列的共存。在这封信中，我们设计了三元五边形CdSeTe单层，并提出了一种称为原子谷锁定的新概念，它可以提供多个带边位置。在 CdSeTe 单层中，电子结构中出现两个不同的谷，一个由 Se 原子贡献，另一个由 Te 原子贡献，它们之间的自发极化为 187 meV。这种现象可归因于谷电子的局域化和四重旋转反射对称性的破缺，但它并不依赖于时间反演对称性的破缺。由于原子相关的谷分布，可以识别两种类型的带边缘排列。此外，可以通过应变工程实现它们之间的选择性切换，从而能够精确控制析氢反应的位点。我们的研究结果为探索谷极化开辟了新的机会，并为具有本征电场的二维材料的光催化应用提供了独特的见解。

晶体 CsCu$_4$Se$_3$ 中的高阶非谐散射和宽温范围玻璃态热传输

分类： 材料科学

作者： Jincheng Yue, Yanhui Liu, Jiongzhi Zheng

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09594v1

摘要： 了解具有本质上低晶格热导率 ($\kappa_L$) 的晶体化合物的晶格动力学和热传输对于凝聚态物理至关重要。在这项工作中，我们通过将第一原理非调和晶格动力学与统一热传输理论相结合，研究了晶体 CsCu$_4$Se$_3$ 的晶格热导率。我们考虑三次和四次非谐性对声子散射和能量转移的影响，以及热通量算子的对角项和非对角项。我们的结果表明，CsCu$_4$Se$_3$ 的振动特性具有强非谐性和波状声子隧道效应。特别是，由铜原子引起的强烈的三声子和四声子散射显着抑制了粒子状传播，同时增强了波状隧道效应。此外，相干驱动的热导率主导着沿 $z$ 轴的总热导率，导致异常的、宽温度范围 (100-700 K) 的玻璃状热传输。重要的是，不同振动本征态的耦合产生的显着相干性贡献促进了跨层的有效热传输，这与传统的层状材料形成鲜明对比。最后，我们建立了将非简谐散射与本征态之间的频率差联系起来的准则，该准则有效地解释了相干热导率的非单调温度依赖性。我们的工作不仅揭示了晶体 CsCu$_4$Se$_3$ 中高阶非谐自能的影响，而且还研究了波状热导率的动态演化，为驱动反常热传输的微观机制提供了见解。

机器学习辅助筛选负极材料金属二元合金

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Xingyue Shi, Linming Zhou, Yuhui Huang, Yongjun Wu, Zijian Hong

发布时间： 2024-09-15

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09583v1

摘要： 在充满活力且快速发展的电池领域，合金负极材料因其优异的电化学性能而成为焦点。传统的筛查方法效率低且耗时。我们的研究引入了机器学习辅助策略来加速这些材料的发现和优化。我们从 MP 和 AFLOW 数据库中编制了一个庞大的数据集，包含数以万计的合金成分和特性。利用 CGCNN，我们准确预测了合金阳极的电势和比容量，并根据实验数据进行了验证。该方法确定了大约 120 种低电位和高比容量合金阳极，适用于各种电池系统，包括锂、钠、钾、锌、镁、钙和铝基电池。我们的方法不仅简化了电池负极材料的筛选，而且推动了电池材料研究和储能技术创新的进步。

Co/富勒烯 (C60) 双层系统中生长引起的非常规磁各向异性；来自两粒 Stoner-Wohlfarth 模型的见解

分类： 材料科学

作者： Sonia Kaushik, Rakhul Raj, Pooja Gupta, R Venkatesh, Andrei Chumakov, Matthias Schwartzkopf, V Raghavendra Reddy, Dileep Kumar

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.10569v1

摘要： 有机自旋电子学由于在自旋阀器件中的各种应用而引起了科学界的兴趣。然而，由于金属-有机界面处复杂的自旋输运，高效的室温有机自旋阀装置尚未在实验上实现。本研究的重点是全面了解对于提高器件性能和功能至关重要的界面特性。研究了沉积在富勒烯（C60）层上的超薄钴（Co）薄膜的结构和磁性能，以研究金属有机双层结构中磁各向异性的起源。由于 C60 的机械柔软性，X 射线反射率和二次离子质谱测量证实了铁磁 Co 原子在 C60 薄膜内部的渗透。掠入射小角度 X 射线散射和原子力显微镜提供了有关 Co/C60 双层的结构和形态特性的信息，不同 Co 层厚度的角度相关磁光克尔效应测量提供了有关生长诱导的单轴磁的信息各向异性。与无机硅基板相比，Co膜中的磁各向异性倾向于在C60层上25 {\AA}厚度处发展，并且随着钴的厚度的增加而进一步增加。沿标称硬轴的矫顽力和剩磁变化的异常行为可以通过具有晶间交换耦合的双晶 Stoner-Wohlfarth 模型来解释。通过克尔显微镜研究的磁域的不均匀空间分布进一步证实了这一点。这些异常现象可能是由于 Co/C60 界面处扩散层的形成引起的磁晶各向异性分布和不均匀应变造成的。

使用咔唑基膦酸界面改性剂提高钙钛矿量子点发光二极管的亮度并降低效率下降

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Gillian Shen, Yadong Zhang, Julisa Juarez, Hannah Contreras, Collin Sindt, Yiman Xu, Jessica Kline, Stephen Barlow, Elsa Reichmanis, Seth R. Marder, David S. Ginger

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09556v1

摘要： 我们演示了 [2-($\textit{9H}$-咔唑-9-基)乙基]膦酸 (2PACz) 和 [2-(3,6-di-$\textit{tert}$-丁基) 的使用-$\textit{9H}$-咔唑-9-基)乙基]膦酸 (t-Bu-2PACz) 作为金属卤化物钙钛矿量子点发光二极管 (QLED) 中的阳极修饰层。与具有PEDOT:PSS（聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐）/PVK（聚（9-乙烯基咔唑））空穴传输层的传统QLED结构相比，由膦酸（PA）修饰的氧化铟锡制成的QLED（ ITO）阳极的亮度增加了 7 倍以上，达到 373,000 cd m$^{-2}$ 的亮度，这是迄今为止报道的胶体钙钛矿 QLED 的最高亮度之一。重要的是，与使用传统 PEDOT:PSS/PVK 空穴传输层制造的对照 QLED 相比，使用 PA 改性阳极制造的 QLED 在电流密度高约 1000 倍时就会出现效率滚降或效率下降，从而使器件能够在 >10$^{5}$ cd m$^{-2}$ 的亮度下维持显着更高水平的外部量子效率。稳态和时间分辨光致发光测量表明，这些改进是多种因素综合作用的结果，包括减少 PEDOT:PSS 界面处光致发光的猝灭以及减少高电流密度下的光致发光效率损失。

有限温度下量子材料的弹性模量和热导率

分类： 材料科学

作者： Dylan A. Folker, Zekun Chen, Giuseppe Barbalinardo, Florian Knoop, Davide Donadio

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09551v1

摘要： 我们描述了一种理论和计算方法来计算材料从低温量子态到高温非简谐态的振动、弹性和热特性。该方法基于非调和晶格动力学和玻尔兹曼输运方程。它依赖于二阶和三阶力常数张量，通过使用第一原理机器学习哈密顿量拟合来自路径积分量子模拟的温度相关经验势 (TDEP) 来估计。温度重整简谐振力常数用于计算材料的弹性模量和声子模式。结合谐波和非谐波力常数来求解声子玻尔兹曼输运方程，从而计算晶格热导率。我们证明了这种方法在 50 至 1200~K 温度范围内对体晶硅的有效性，与实验相比，在预测目标特性的温度依赖性方面显示出显着的改进。

静水压力下无毒RbBaX$_3$（X=F、Cl、Br、I）钙钛矿结构、电子和光学性质的第一性原理研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Pranti Saha, In Jun Park, Protik Das, Fariborz Kargar

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09524v1

摘要： 我们利用第一原理密度泛函理论 (DFT) 研究了基于 Rb 的立方钙钛矿 RbBaX$_3$ (X = F, Cl, Br, I) 在静水压力下的结构、机械、电子和光学性质。所有 RbBaX$_3$ 钙钛矿在环境压力下均表现出热力学和机械稳定性。 RbBaF$_3$ 在所有检查的压力下保持结构稳定，而 RbBaCl$_3$、RbBaBr$_3$ 和 RbBaI$_3$ 分别保持高达 60、60 和 40 GPa 的机械稳定性。这些材料即使在高压下也具有延展性。 RbBaF$_3$ 的直接带隙为 4.80 eV，而其他组合物与 Cl、Br 和 I 卤化物原子的间接带隙分别为 4.37、3.73 和 3.24 eV。在升高的静水压力下，只有 RbBaCl$_3$ 和 RbBaI$_3$ 表现出间接到直接的能带跃迁，而其他则保留其带隙性质。我们的结果表明，自旋轨道耦合仅显着影响较大尺寸卤化物（Cl、Br、I）的价带。通过混合功能（HSE）校正，这四种材料的带隙分别增加到6.7、5.6、4.8和4.4 eV，但直接/间接带跃迁的性质保持不变。轨道分解部分态密度计算表明，卤素p轨道在费米能级附近的价带中占主导地位，而Rb 5s轨道对导带最小值影响最大。光学特性的研究表明其在紫外至深紫外范围内具有宽带吸收、低电子损失、适中的反射率和较低的折射率。吸收的强度和范围随着静水压力的增加而显着增加，这表明 RbBaX$_3$ 钙钛矿是可调谐紫外吸收光电器件的有希望的候选者。

渔具回收玻璃纤维增​​强聚丙烯长丝的性能

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Garrett Russell

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09445v1

摘要： 塑料污染主要来自丢失的高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）渔具，造成了严重的环境障碍。本研究评估了从鱼网/绳索中回收 PP 并用 3D 打印机长丝形式的玻璃纤维 (GF) 对其进行强化的潜力，作为减少/防止海洋塑料的一种方法。使用差示扫描量热法、拉伸和夏比冲击试验对两种材料进行了分析，一种是原生材料 (vPP-GF)，另一种是由回收聚丙烯和原生玻璃纤维制成的 (rPP-GF)。从结果来看，发现rPP-GF往往优于vPP-GF。 rPP-GF具有较高的熔点和结晶点，可能具有较高的结晶度，并且可以承受较高的拉伸应力，而vPP-GF可以承受较高的拉伸应变。进一步分析表明，rPP-GF 复合材料中可能存在 HDPE，但制造商并未报告这一点。这极大地影响了夏比试验，并且很难从结果数据中得出结论。然而，它们在机械和材料性能方面的可比性表明，回收聚丙烯渔网/绳索并用玻璃纤维对其进行加固，以延长其使用寿命并减少海洋塑料的巨大潜力。

LCAO基组第一原理计算的GPU加速

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Haochong Zhang, Shi Yin, Lixin He

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09399v1

摘要： 第一性原理计算软件对于材料研究和开发具有重要意义，是分析材料微观结构和性能的基础资源。然而，计算规模和相关成本的限制限制了第一性原理计算在材料领域的适用性。异构计算特别是通用图形处理单元（GPGPU）的快速发展，为科学计算的增强和成本效益带来了新的前景。本文利用 GPGPU 改进了 UStc 原子轨道从头计算 (ABACUS) 中的现有算法，这是一种基于原子轨道线性组合 (LCAO) 基组的第一性原理计算软件，总体目标是提高计算速度。通过对扭曲双层石墨烯系统的计算，计算加速的有效性得到了清楚的证明，该系统跨越了广泛的尺度，系统大小高达 10,444 个碳原子。

通过可编程纳米雕刻对金刚石颗粒进行可扩展的重塑

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Tongtong Zhang, Fuqiang Sun, Yaorong Wang, Yingchi Li, Jing Wang, Zhongqiang Wang, Kwai Hei Li, Ye Zhu, Qi Wang, Lei Shao, Ngai Wong, Dangyuan Lei, Yuan Lin, Zhiqin Chu

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09393v1

摘要： 金刚石颗粒具有许多有趣的特性和可能的​​应用。然而，大规模生产具有明确形状的金刚石颗粒具有挑战性，因为金刚石具有化学惰性且极其坚硬。在这里，我们展示了空气氧化，这是一种提纯钻石的常规方法，可用于大规模精确地塑造钻石颗粒。通过利用金刚石内部不同晶面和缺陷的不同反应性，逐层从外到内和从内到外的氧化产生了不同的金刚石形状，包括球形、扭曲表面、金字塔岛、倒金字塔、纳米-花和空心多边形。纳米雕刻钻石具有更多、更精细的特征，使其在各种应用中都优于原始钻石。通过实验观察和蒙特卡罗模拟，我们建立了一个形状库，指导具有明确形状和功能价值的金刚石颗粒的设计和制造。我们的研究提出了一种简单、经济且可扩展的方法来生产用于各种光子学、催化、量子和信息技术应用的形状定制钻石。

双层中的两倍各向异性超导 T$_d$-MoTe$_2$

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Zizhong Li, Apoorv Jindal, Alex Strasser, Yangchen He, Wenkai Zheng, David Graf, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Luis Balicas, Cory R. Dean, Xiaofeng Qian, Abhay N. Pasupathy, Daniel A. Rhodes

发布时间： 2024-09-14

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09308v1

摘要： 具有大自旋轨道耦合的非中心对称二维超导体为探索远远超出泡利极限的超导行为提供了机会。一种这样的超导体，即几层 T$_d$-MoTe$_2$，具有很大的上临界场，可以超过泡利极限高达 600%。然而，控制这种增强的机制仍然存在争议，理论指向自旋轨道宇称耦合或倾斜伊辛自旋轨道耦合。此外，最近在双层中观察到了与超导相伴的铁电性，在整个铁电转变路径中可以观察到超导性的强烈变化。在这里，我们报告了双层 T$_d$-MoTe$ _2$ 在面内磁场下的超导行为，同时系统地改变磁场角度和面外电场强度。我们发现双层 MoTe$_2$ 中的超导性表现出双重对称性，上临界场最大值沿 b 轴出现，最小值沿 a 轴出现。二次旋转对称性在整个超导区域和铁电磁滞回线中保持稳健。我们对自旋轨道耦合强度（高达 16.4 meV）的实验观察与第一性原理计算的自旋纹理和自旋分裂一致，表明倾斜伊辛自旋轨道耦合是主要的潜在机制。

Si衬底碳化合成SiC纳米线的新关键生长参数和机理模型：H$_2$/CH$_4$气体流量比的作用

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Junghyun Koo, Chinkyo Kim

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09233v1

摘要： SiC结构，包括纳米线和薄膜，可以通过碳化在Si衬底上有效生长。然而，除了温度之外，影响 SiC 纳米线或薄膜优先形成的生长参数尚未确定。在这项工作中，我们通过改变生长温度和氢气与甲烷气体流量比 (H$_2$/CH$_4$)，研究使用甲烷 (CH$_4$) 通过硅碳化合成 SiC。我们证明，调整这些参数可以使 SiC 纳米线或薄膜优先生长。具体来说，当H$_2$/CH$_4$比率超过特定阈值时，SiC纳米线优先生长，该阈值随生长温度变化，范围在1200$^\circ$C和1310$^\circ$C之间。根据 H$_2$/CH$_4$ 比率和生长温度建立 SiC 纳米线的精确生长窗口，为 SiC 的参数驱动形貌提供了新的见解。此外，我们提出了一个基于气相反应和表面过程动力学的机械模型来解释 SiC 纳米线或薄膜的优先生长。这些发现不仅增进了我们对 SiC 生长机制的理解，而且为优化 SiC 基纳米结构的制造策略铺平了道路。

通过贝叶斯优化自动设计不可逆热发射器

分类： 材料科学, 机器学习, 应用物理

作者： Bach Do, Sina Jafari Ghalekohneh, Taiwo Adebiyi, Bo Zhao, Ruda Zhang

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09192v1

摘要： 打破基尔霍夫热辐射定律的不可逆热发射器有望在热和能源应用领域带来令人兴奋的应用。不可逆效应的带宽和角度范围的设计直接影响不可逆发射器的性能，通常依赖于物理直觉。在这项研究中，我们提出了一种通用的数值方法来最大化不可逆效应。我们选择掺杂磁光材料和磁性Weyl半金属材料作为模型材料，并专注于无图案多层结构。优化随机地从效率较低的结构开始，并通过贝叶斯优化和重新参数化的结合逐步改善宽带不可逆性。优化结果表明，所提出的方法可以发现仅使用更少的层即可在 5 至 40 微米波长下实现宽带非互易发射的结构，在性能和简单性方面显着优于当前基于直觉的最先进设计。

相关化合物中的负电荷转移能量

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Robert J. Green, George A. Sawatzky

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09176v1

摘要： 在含有处于高形式氧化态的阳离子的相关化合物中（通过假设阴离子达到全价壳来指定），配体到阳离子电荷转移的能量可能变小甚至为负。这产生了具有高度共价键的化合物，并且可以导致空穴自掺杂进入价带的配体态。此类化合物特别引起人们的关注，因为经过深入研究的含有三价镍或四价铁的钙钛矿氧化物是负电荷转移系统，含镍的锂离子电池阴极材料也是如此。在本报告中，我们回顾了负电荷转移能量的主题，重点是图表和图表作为分析工具，本着著名的田边-菅野图的精神，田边-菅野图是本期专题的焦点。

无序微孔桑迪亚八面体分子筛耐中子辐射

分类： 材料科学, 高能物理-实验

作者： Rana Faryad Ali, Melanie Gascoine, Krzysztof Starosta, Byron D. Gates

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09146v1

摘要： 具有多孔和缺陷结构的材料可以具有一系列受到追捧的有用特性，包括它们对核辐射的耐受性、有效储存和释放同位素的能力、固定核废料的能力以及即使在高温下也表现出相稳定性的能力。 。由于纳米级孔隙和表面结构可以充当辐射诱导非晶化的汇，一维（1D）多孔纳米棒由于其高表面积与体积比而具有在核科学应用中用作先进材料的潜力。在这项研究中，我们展示了二铌酸二钠水合物（Na2Nb2O6 H2O）或桑迪亚八面体分子筛（SOMS）的微孔一维八面体分子筛的合成和详细分析。此外，还对这些 SOMS 暴露于高温和中子辐照后的稳定性进行了评估。采用表面活性剂辅助溶剂热法制备这些基于 SOMS 的纳米棒。这种相对低温的溶液相方法可以形成微孔 Na2Nb2O6 H2O 晶体纳米棒。这些一维结构的平均直径约为 50 nm，长度大于 1 微米。纳米棒采用有缺陷的微孔相，该相还表现出对辐射引起的非晶化的抵抗力。暴露于高入射中子通量后，基于 SOMS 的纳米棒的尺寸、相和结晶度与合成产品相当。这些微孔 SOMS 的辐射耐受性可用于设计核反应堆材料、弹性核燃料、热弹性材料、高温催化剂以及用于处理和储存放射性废物的耐用材料。

滑石准二维层中的原生缺陷和杂质

分类： 材料科学

作者： Gellért Dolecsek, Joel Davidsson, Viktor Ivády

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09132v1

摘要： 层状半导体最近已成为适用于从语音到传感等新型量子应用的基质材料。大多数研究都集中在人造层状材料上，例如六方氮化硼和过渡型二硫属化物。天然层状材料，如滑石粉和其他硅酸盐，尽管具有理想的特性，例如宽直接带隙、低浓度的光学活性缺陷和低丰度的核自旋，但在很大程度上仍未被开发。在本文中，我们对原始和有缺陷的滑石层进行了广泛的计算研究，并讨论了它们的潜在应用。在确定块状滑石粉的特性后，我们研究了空位缺陷、金属、准金属和非金属杂质的电子结构、电荷态、自旋和光学特性。我们确定了几个色心、电子顺磁共振 (EPR) 中心、潜在自旋量子位和掺杂剂。这些发现增进了我们对缺陷滑石层的理解，并指出了量子技术的潜在应用。

反常流动不平衡引起的非平衡狄拉克系统中的逆自旋霍尔效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 高能物理-晶格

作者： Hung-Hsuan Teh, Tokiro Numasawa, Shun Okumura, Takashi Oka

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09025v1

摘要： 我们在存在空间依赖性手征规范场和热力学梯度的情况下研究狄拉克费米子，建立了与逆自旋霍尔效应的联系。手性规范场感应出手性磁场，从而产生表面费米弧态和手性朗道能级态，尽管其在整体上是离域的，但我们表明它对杂质具有更强的鲁棒性。通过应用化学势和温度梯度，我们实现了非零充电电流，每个梯度都会导致不同的费米能级依赖性，这两种情况都在最近的实验中观察到。与传统的混合轴向重力异常不同，我们的电流需要非共线手性磁场和热力学梯度。我们进一步推导了低能传输公式，并证明了仔细处理紫外线截止对于理解我们的晶格计算的重要性。

铌中的氢和氘隧道效应

分类： 材料科学

作者： Abdulaziz Abogoda, W. A. Shelton, I. Vekhter, J. A. Sauls

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09014v1

摘要： 我们使用密度泛函方法来识别被 O 杂质捕获并嵌入块体 Nb 中的 H 和 D 原子的原子构型。我们计算了 O-H 和 O-D 杂质的双阱势、波函数以及 H 和 D 原子的隧道分裂。我们的结果与低浓度 O-H 和 O-D 的 Nb 的热容量分析和中子散射测量结果一致。

使用 DNA 组装复杂的胶体系统

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： William M. Jacobs, W. Benjamin Rogers

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08988v1

摘要： DNA编程胶体自组装领域诞生近三十年后，已经开始实现其最初的承诺。在这篇综述中，我们总结了设计有效相互作用和理解 DNA 涂层纳米颗粒和微米颗粒动态自组装途径的最新进展，以及这些进展如何推动晶体工程的巨大进步。我们还强调了令人兴奋的新方向，表明将纳米粒子与 DNA 折纸相结合的新型亚基可用于设计新型多组分组件，包括具有自限制、有限尺寸的结构。最后，我们展望了最近关注自组装动力学的理论进展如何带来新的材料设计机会，例如从单一悬浮液中检索多个不同目标结构或获得稳定的新型材料的可能性通过能量耗散，模仿生命系统中的自组装。

用等变图卷积神经网络表示玻恩有效电荷

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Alex Kutana, Koji Shimizu, Satoshi Watanabe, Ryoji Asahi

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08940v1

摘要： 图卷积神经网络在材料特性的机器学习中发挥了重要作用。当表示张量属性时，物理信息网络的权重和描述符必须遵守一定的变换规则，以确保属性对参考系选择的独立性。在这里，我们使用等变图卷积神经网络对这些属性进行显式编码。该网络通过使用等变权重和描述符来始终尊重晶体的旋转对称性，并提供目标值的张量输出。论证了原子玻恩有效电荷张量在钙钛矿氧化物、Li3PO4 和 ZrO2 等多种材料中的应用，并获得了良好的性能和泛化能力。

多铁性 YbFeO$_3$ 中反相边界处的极化钉扎

分类： 材料科学

作者： Guodong Ren, Pravan Omprakash, Xin Li, Yu Yun, Arashdeep S. Thind, Xiaoshan Xu, Rohan Mishra

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08902v1

摘要： 铁电体和多铁体的开关特性受到拓扑缺陷与畴壁相互作用的影响。我们报告了多铁性六方 YbFeO$_3$ 薄膜中反相边界引起的极化钉扎。我们结合像差校正扫描透射电子显微镜 (STEM) 和基于密度泛函理论 (DFT) 的总能量计算，直接解析了 YbFeO$_3$ 薄膜中尖锐反相边界 (APB) 的原子结构。我们发现 APB 处存在一层 FeO$_6$ 八面体，桥接相邻的域。 STEM 成像显示在穿过 APB 时极化方向发生反转，DFT 计算证实这本质上是结构性的，因为极化反转减少了 APB 处 FeO$_6$ 八面体层的变形。六方钙钛矿中的此类 APB 有望充当磁畴壁钉扎位点并阻碍磁畴的铁电切换。

热电材料的热电势和开尔文关系推导

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Sikun Chen, Hongxin Zhu, Haidong Wang, Zengyuan Guo

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08836v1

摘要： 目前热电研究主要集中在增强性能材料的探索上，导致对热电效应缺乏基础认识。这种情况不利于热电转换效率的进一步提高。此外，开尔文关系推导的可用物理图像是不明确的。推导过程很复杂，需要对热电转换现象有更深入的了解。本文从热电转换的物理本质出发，提出了一个新的物理量“热电势”。该量表示为塞贝克系数和绝对温度的乘积，即 ST。基于热电势，我们通过呈现清晰的物理图片来阐明热电效应中各种形式的能量的转换。塞贝克效应物理机制的分析结果表明，热电势而不是温度梯度场对热电材料中的电荷载流子施加力。基于热电势，可以宏观地描述不同材料界面处的珀耳帖效应。使用所提出的量重新推导了开尔文关系，这简化了推导过程并阐明了热电转换的物理图像。

多元素离子晶体巨大构型空间库仑能的优化

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Konstantin Köster, Tobias Binninger, Payam Kaghazchi

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08808v1

摘要： 大多数新型能源材料都含有多种元素，占据其晶格中的一个位置。这些材料极大的构型空间给确定其基态结构带来了挑战。可能构型的库仑能量通常与更高理论水平的计算能量显示出令人满意的相关性，因此可以筛选最小能量结构。采用二阶簇扩展，我们使用蒙特卡罗和遗传算法获得了高效的库仑能量优化器。与现有软件相比，所提出的优化包 GOAC（库仑原子配置全局优化）可以实现几个数量级的加速。我们的代码能够找到涉及高达 $10^{920}​​$ 结构配置的复杂系统的低能量配置。因此，GOAC 包提供了一种为具有巨大构型空间的多元素材料构建基态原子模型的有效方法。

307 K 至 420 K 气态顺式 1,3,3,3-四氟丙烯 (R1234ze(Z)) 中的声速

分类： 材料科学, 化学物理

作者： D. Lozano-Martín, D. Madonna Ripa, R. M. Gavioso

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08722v1

摘要： 介绍了气态 cis-1,3,3,3-四氟丙-1-烯 (R1234ze(Z)) 中声速的测量结果。测量是使用准球形声谐振器在 307 K 至 420 K 的温度和高达 1.8 MPa 的压力下进行的。根据结果​​直接计算出相同温度范围内的理想气体热容和声维里系数。我们确定 R1234ze(Z) 的声速 $w$($p$,$T$) 的相对准确度约为 $\pm$ 0.02%。理想气体热容比 ${\gamma}^{0}$($T$) 的确定精度约为 $\pm$ 0.25%。发现这些数据与 R1234ze(Z) 基本状态方程的预测基本一致。

PbSe热电材料的系统研究

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Md. Moklesur Rahman, Md Kamal Hossain, Fateha Samad, Fysol Ibna Abbas

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08716v1

摘要： 本研究研究了掺杂镓（Ga）的铅硒（PbSe）的热电特性。当硫化铅（PbSe）用适当的掺杂剂调节时，它表现出令人满意的ZT值，因此使其成为一种有前途的热电材料。本研究研究了添加不同量 Ga 的 PbSe 的电导率、塞贝克系数、热导率和功率因数。结果表明，将 Ga 掺入 PbSe 中可提高其热电性能，在 873 K 时最大 ZT 值约为 1.2最佳掺杂浓度为0.005原子百分比。这种改进归因于电导率增加和热导率降低的综合效应。这些发现表明，Ga 掺杂 PbSe 是中温热电应用的有希望的候选者。

使用激光驱动加速器实时观察纳米结构 SiO2 电离受挫超快恢复

分类： 加速器物理, 材料科学, 等离子体物理

作者： J. P. Kennedy, M. Coughlan, C. R. J. Fitzpatrick, H. M. Huddleston, J. Smyth, N. Breslin, H. Donnelly, C. Arthur, B. Villagomez, O. N. Rosmej, F. Currell, L. Stella, D. Riley, M. Zepf, M. Yeung, C. L. S. Lewis, B. Dromey

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08689v1

摘要： 物质中的电离辐射相互作用可以引发一系列过程，从而支撑介质中的长期损伤。然而，迄今为止，由于缺乏合适的方法，我们无法理解材料纳米结构在这一级联中所扮演的角色。在这里，我们使用瞬态光吸收来跟踪散装和纳米结构 SiO2（气凝胶）中的自由电子 (t_c) 的寿命，这些电子受到来自激光驱动加速器的皮秒级 (10^-12 s) X 射线和质子爆发的照射。光学条纹显示，在气凝胶中预期的声子-分形交叉的狭窄平均密度 (p_av) 范围内，t_c 从 < 1 ps 急剧增加到 > 50 ps。数值模型表明，这种不连续性可以通过辐照纳米结构 SiO_2 中快速声子辅助恢复的猝灭来理解。这被证明可以导致激发电子群的能量密度延长一段时间。总的来说，这些结果开辟了一条直接途径，可以追踪复杂系统中的低级过程如何支持宏观观察到的现象，更重要的是，追踪允许它们出现的条件。

通过密度泛函理论计算辅助的 X 射线衍射和红外光谱研究玻璃形成的思密克原的结构和动力学

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Aleksandra Deptuch, Natalia Górska, Stanisław Baran, Magdalena Urbańska

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08654v1

摘要： 玻璃形成 (S)-4'-(1-甲基庚基羰基)联苯-4-基 4-[7-(2,2,3,3,4,4,4-七氟丁氧基)庚基的手性近晶相中的分子排列-1-氧基]苯甲酸酯通过X射线衍射进行研究。过冷状态下位置短程有序的相关长度增加与先前六方近晶相的假设一致。然而，记录的 X 射线衍射图对于六方相来说并不典型。近晶层间距和光学倾斜角的比较表明分子具有强烈的非线性形状，这使得可以选择通过 DFT 计算获得的分子模型，随后用于解释红外光谱。六方近晶 FA* 或 IA* 相的假设得到了与过冷状态下 C=O 拉伸相关的吸收带分裂的支持，而在熔化温度以上的近晶 CA* 相中不存在这种分裂。玻璃化转变影响近晶层间距的温度依赖性，但仅微妙地影响红外光谱。应用 k 均值聚类分析可以区分低于和高于玻璃化转变温度的红外光谱，但仅限于某些光谱范围。

区分使用化学气相沉积生长的 WSe2 双层中的不同堆叠

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Aymen Mahmoudi, Meryem Bouaziz, Davide Romani, Marco Pala, Aurelien Thieffry, Thibault Brule, Julien Chaste, Fabrice Oehler, Abdelkarim Ouerghi

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08617v1

摘要： 二维过渡金属二硫属化物（TMD）的堆叠顺序作为范德华异质结构的重要组成部分引起了极大的兴趣。区分 AAprime (2H) 和 AB (3R) 配置的常用且快速的方法是使用光学图像中每个三角形层 (theta) 的相对边缘方向。在这里，我们强调仅此方法不足以完全识别堆叠顺序。相反，我们提出了一种模型和方法，使用二次谐波发生（SHG）和拉曼光谱准确确定 WSe2 的双层构型。我们证明 AB 相 (theta = 0) deg 层的 SHG 响应比单层结构的信号更强烈。然而，SHG 在同质双层 WSe2 的 AAprime 和 ABprime 相（分别为 60 度和 0 度）中完全消失。此外，我们发现同质双层 WSe2 的几个光学特征取决于堆叠顺序的细节，其中差异在低频 (LF) 拉曼频率中最为明显，正如 DFT 模拟所证实的那样。这使得能够对 TMD 中的堆叠顺序进行明确、高通量、非破坏性的识别，而这一新兴研究领域尚未得到强有力的解决。

材料相关特性在太赫兹场导数扭矩引起的非线性磁化动力学中的作用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Arpita Dutta, Pratyay Mukherjee, Swosti P. Sarangi, Somasree Bhattacharjee, Shovon Pal, Ritwik Mondal

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08541v1

摘要： 传统的 Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程经常描述线性和非线性磁化动力学，即使在超短时间尺度（例如飞秒）下也是如此。相比之下，其他几种非相对论性和相对论性自旋扭矩已被报道为 LLG 自旋动力学的延伸。在这里，我们探讨了相对论场导数扭矩（FDT）在应用于具有高吉尔伯特阻尼和交换磁振子频率的铁磁体的非线性太赫兹磁化动态响应中的贡献。我们的研究结果表明，FDT 在线性和非线性状态下的磁化动力学中发挥着重要作用，弥合了传统 LLG 自旋动力学和实验观察之间的差距。我们发现相干太赫兹磁振子激励幅度随着场导数扭矩的增加而增强。此外，FDT 项还会引起磁振子振荡的相移。反铁磁体的相移几乎为 90，而我们研究的亚铁磁体的相移几乎为零。分析双太赫兹激励及其FDT，我们发现如果没有FDT项就无法清楚地观察到非线性信号。然而，包含 FDT 项会产生明显的非线性信号，与之前报道的实验结果非常匹配。

通过缺陷控制实现 SnTe 中费米能级的可调

分类： 材料科学

作者： Bamidele Oluwagbenga Onipede, Matthew Metcalf, Nisha Fletcher, Hui Cai

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08515v1

摘要： 碲化锡（一种拓扑晶体绝缘体）中费米能级的调谐对于获得其独特的表面态并优化其电子特性以用于自旋电子学和量子计算等应用至关重要。在这项研究中，我们证明了碲化锡的费米能级可以通过控制化学气相沉积合成过程中的锡浓度来有效调节。通过引入富锡条件，我们观察到锡和碲的 X 射线光电子能谱核心能级峰出现蓝移，表明费米能级向上移动。通过紫外光电子能谱测量的功函数值的下降证实了这种转变，证实了锡空位的抑制。我们的研究结果提供了一种低成本、可扩展的方法来实现碲化锡中可调谐费米能级，从而在开发具有针对下一代技术应用的定制电子特性的材料方面取得了重大进展。

六方氮化硼的色心

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Suk Hyun Kim, Kyeong Ho Park, Young Gie Lee, Seong Jun Kang, Yongsup Park, Young Duck Kim

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08460v1

摘要： 原子薄二维 (2D) 六方氮化硼 (hBN) 已成为范德华异质结构和高效深紫外光电子学封装层的重要材料。这主要是由于其卓越的物理特性和超宽带隙（接近 6 eV，在某些情况下甚至更大）特性。六方氮化硼中的色心是指二维晶格内的内在空位和外在杂质，从而导致在紫外 (UV) 到近红外 (IR) 范围内具有独特的光学特性。此外，六方氮化硼中的每个色心都表现出独特的发射光谱并具有各种自旋特性。这些特性为开发下一代光电子学和量子信息应用（包括室温单光子源和量子传感器）开辟了可能性。在这里，我们全面概述了原子构型、光学和量子特性，以及用于形成六方氮化硼色心的不同技术。对六方氮化硼色心的深入了解，可以利用六方氮化硼色心提供的卓越功能，推动下一代紫外光电子应用、固态量子技术和纳米光子学的发展。

碲烯中厚度相关的极化子交叉

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Kunyan Zhang, Chuliang Fu, Shelly Kelly, Liangbo Liang, Seoung-Hun Kang, Jing Jiang, Ruifang Zhang, Yixiu Wang, Gang Wan, Phum Siriviboon, Mina Yoon, Peide Ye, Wenzhuo Wu, Mingda Li, Shengxi Huang

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08458v1

摘要： 极化子是由电子声子耦合产生的准粒子，对于理解高温超导性和巨磁阻等材料特性至关重要。然而，对于具有声子极性和电子结构跃迁的低维材料中极化子的形成的研究却很少。在这项工作中，我们研究了由碲原子手性链组成的碲烯极化子。当碲烯厚度低于 10 nm 时，A1 声子的频率和线宽会因较薄的碲烯而变得越来越极性，表现出突然的变化。同时，当厚度小于10 nm时，碲烯的场效应迁移率迅速下降。这些声子和传输特征，与计算的声子极性和能带结构相结合，表明从大块碲的大极化子到少层碲烯的小极化子的交叉。有效场理论考虑强耦合（小极化子）状态下的声子重正化，并半定量地再现了在少层碲烯中观察到的声子硬化和展宽效应。这种极化子交叉源于碲烯的准一维性质，其中链间距离的调制减少了介电屏蔽并促进电子声子耦合。我们的工作为极化子对低维材料的声子、电子和结构特性的影响提供了有价值的见解。

通过无氧制造实现二维电子学中的声子限制传输

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Subhrajit Mukherjee, Shuhua Wang, Dasari Venkatakrishnarao, Yaoju Tarn, Teymour Talha-Dean, Rainer Lee, Ivan A. Verzhbitskiy, Ding Huang, Abhishek Mishra, John Wellington John, Sarthak Das, Fabio Bussoloti, Thathsara D. Maddumapatabandi, Yee Wen Teh, Yee Sin Ang, Kuan Eng Johnson Goh, Chit Siong Lau

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08453v1

摘要： 未来的电子产品需要在保持器件性能的同时大幅缩小通道材料的厚度。二维 (2D) 半导体是有前途的候选材料，但尽管经过二十多年的研究，实验性能仍然落后于理论预期。在这里，我们开发了一种无氧方法，将二维场效应晶体管的电传输推向理论声子限制的本征迁移率。我们在 SiO2 衬底上的单（双层）层 MoS2 晶体管实现了创纪录的 91 (132) cm2V-1s-1 载流子迁移率。来自 60 多个器件的统计数据证实，无氧制造可将关键品质因数提高一个数量级以上。虽然之前的研究表明二维过渡金属二硫属化物（例如 MoS2 和 WS2）在空气中是稳定的，但我们表明，短期环境暴露会通过不可逆的氧化学吸附降低其器件性能。这项研究强调了避免氧气暴露的重要性，为二维材料的基础研究和实际应用的器件制造提供了指导。

地下氧对铜表面 CO2 充电能量变化的影响

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Xiaohe Lei, Vojtech Vlcek

发布时间： 2024-09-13

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08433v1

摘要： 氧化物衍生的铜催化剂中的地下氧显着影响 CO$_2$ 的活化。然而，它对分子充电过程（形成 CO$_2^{\delta-}$ 中间体的关键）的影响仍然知之甚少。我们采用多体摄动理论来研究地下氧引起的结构因素对 CO$_2$ 带电活化的影响。通过计算Cu(111)表面电子接受轨道($\sigma*$)的分子单粒子态能量，我们研究了该分子准粒子(QP)能量如何随着吸附附近和多个次表面的变化而变化。氧构型。我们证明，地下氧气会损害 CO$_2$ 充电，其存在和密度是影响因素。事实证明，非局域势对于准确的激发能量预测非常重要，但对微小的原子结构变化不敏感。更重要的是，状态离域和混合对于确定 QP 能量至关重要。这些见解对于设计原子结构以优化改性表面的催化性能具有启发意义。

单轴拉伸应变下双峰聚乙烯单晶的支链、连接链和缠结

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： William S. Fall, Jörg Baschnagel, Hendrik Meyer

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08399v1

摘要： 使用粗粒分子动力学模拟和 PE 联合单体模型，在之前的工作 [ACS Macro Letters 12, 808 (2023)] 中生长的单个排列良好的多层 PE 晶体可单轴变形以模拟拉伸测试。在变形过程中，对结晶度、系链段、缠结和折叠进行监测，并将其与应力应变行为和机械性能相关联。在小应变下，当变形方向垂直于整体茎方向时，单个排列良好的 PE 晶体表现出更大的杨氏模量。在大应变下，初始拓扑的记忆在机械响应中几乎不起作用，并且被观察到完全被破坏。短链支化似乎抑制了变形过程中链的解缠结和剪切引起的排列。因此，连接链和缠结在支化系统中持续存在，并且发现失效时的峰值应力与从脆性断裂开始到结束的连接链数量的变化成正比。我们的研究结果表明，双峰支化聚乙烯的卓越机械性能直接由系链产生，而缠结在机械响应中起着次要作用。

$S$ = 5/2 fcc 反铁磁体 Ba$_2$MnTeO$_6$ 和 Ba$_2$MnWO$_6$ 的磁漫散射

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Otto H. J. Mustonen, Charlotte E. Pughe, Lucile Mangin-Thro, Robert Tarver, Heather M. Mutch, Helen C. Walker, Edmund J. Cussen

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08323v1

摘要： 我们使用极化中子研究了等结构 $S$ = 5/2 fcc 反铁磁体 Ba$_2$MnTeO$_6$ 和 Ba$_2$MnWO$_6$ 的磁漫散射。两种材料在高于各自的磁有序温度 20 K 和 8 K 时均表现出短程相关磁性。使用反向蒙特卡罗方法分析了自旋相关性。对于 Ba$_2$MnTeO$_6$，我们发现反铁磁最近邻相关性以及铁磁次近邻相关性直接与 $T_N$ 以下的 I 型顺序相关。对于 Ba$_2$MnWO$_6$，最近邻和次近邻自旋相关性在顺磁态下都是反铁磁性的。短程自旋相关性持续到 $T$ = 7$T_N$。磁漫散射也使用 Onsager 反应场理论进行拟合，使我们能够评估这些材料中的磁相互作用。我们获得 Ba$_2$MnTeO$_6$ 的 $J_1$ = -3.25(3) K 和 $J_2$ = 0.41(2) K 和 $J_1$ = -1.08(1) K 和 $J_2$ = -0.88( 1) K 为 Ba$_2$MnWO$_6$。这些相互作用与之前低于 $T_N$ 的非弹性中子散射实验的结果相当，这凸显了 Onsager 方法在磁相互作用分析方面的潜力。

数据驱动的吹粉定向能量沉积过程虚拟试验台

分类： 系统与控制, 材料科学, 系统与控制

作者： Michael Juhasz, Eric Chin, Youngsoo Choi, Joseph T. McKeown, Saad Khairallah

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.09092v1

摘要： 制造业中的数字孪生是工业时代和数字时代之间的重要桥梁，提供了巨大的价值。当前的增材制造工艺能够生成大量的过程中数据，这些数据在有效吸收后可以转化为富有洞察力的决策。来自降阶建模和系统识别的数据驱动方法在管理这种数据洪流方面特别有前途。本研究的重点是配备原位过程测量的激光粉末定向能量沉积（LP-DED），以开发紧凑的虚拟测试台。该测试床可以准确地获取任意过程输入并将过程中的可观察结果报告为输出。该虚拟测试床使用带控制的动态模式分解 (DMDc) 导出，并与不确定性量化技术相结合，以确保稳健的预测。

一维 [(CH3)2NH2]PbI3 杂化钙钛矿中的强电子声子耦合和晶格动力学

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： A. Nonato, Juan S. Rodríguez-Hernández, D. S. Abreu, C. C. S. Soares, Mayra A. P. Gómez, Alberto García-Fernández, María A. Señarís-Rodríguez, Manuel Sánchez andújar, A. P. Ayala, C. W. A. Paschoal, Rosivaldo Xavier da Silva

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08259v1

摘要： 混合卤化物钙钛矿（HHP）由于其卓越的光电特性，结合了有机-无机材料低成本制造方法的优点而引起了广泛关注。值得注意的是，包括二维（2D）层和一维（1D）链的低维杂化卤化物钙钛矿因其卓越的稳定性和防潮性而受到认可，使其在实际应用中极具吸引力。特别是，DMAPbI3 由于其他有趣的行为和性质而引起了人们的关注，例如热诱导的有序无序过程、介电转变和 DMA 偶极矩的协同电排序。在本文中，我们研究了低维（1D）杂化卤化物类钙钛矿材料 DMAPbI3 所经历的低温 SPT 与其光电特性之间的相互作用。我们的方法结合了同步加速器 X 射线粉末衍射、拉曼光谱、热显微镜、差示扫描量热法 (DSC) 和光致发光 (PL) 技术。温度依赖性同步加速器粉末衍射和拉曼光谱表明，与 I-Pb-I 和 DMA+ 离子相关的模式在 DMAPbI3 的有序-无序 SPT 中发挥着至关重要的作用。可逆 SPT 改变了其光电特性，特别是影响其热致变色行为和 PL 发射。 PL 现象的起源与自陷激子 (STE) 有关，这是由于黄-里斯因子 (S = 97+-1) 量化的强电子-声子耦合而允许的。值得注意的是，我们确定了 84 cm-1 处的纵向光学 (LO) 声子模式，该模式在电子-声子相互作用中发挥着重要作用。我们的结果表明，这些 STE 不仅在较低温度下增强了 PL 光谱，而且还引起颜色发射的变化，将其从浅橙红色转变为强烈的亮红色。

强非谐性决定了 I 型包合物的超低导热率

分类： 材料科学, 化学物理

作者： Dipti Jasrasaria, Timothy C. Berkelbach

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08242v1

摘要： I 型笼形固体由于其超低导热率和随后在热电应用中的前景而引起了人们的极大兴趣，但这些特性背后的机制尚不清楚。在这里，我们扩展了振动动态平均场理论（VDMFT）的框架来计算 $X_8$Ga${16}$Ge${30}$ 的温度相关热传输特性，其中 $X=$ Ba， Sr，使用多体格林函数方法。我们发现笼声模式和振动模式之间的非共振散射会导致声声子寿命缩短，从而降低热导率。此外，我们发现，300 K 以上电导率的适度温度依赖性（与实验测量一致）无法通过标准微扰理论计算来重现，该计算预测 $T^{-1}$ 依赖性。因此，我们得出结论，非微扰非谐效应，包括四声子和更高声子散射过程，是造成 I 型包合物超低导热率的原因。

电流引起的 TiO2 结构和电子转变

分类： 材料科学

作者： Tyler C. Sterlinga, Feng Ye, Seohyeon Jo, Anish Parulekar, Yu Zhang, Gang Cao, Rishi Raj, Dmitry Reznik

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08223v1

摘要： 原位扩散中子散射实验表明，当电流在有利于闪速烧结的条件下通过金红石TiO2单晶时，会诱导氧空位平行平面的形成。具体而言，垂直于c轴的电流生成垂直于(132)倒晶格向量的平面，而与c轴对齐的电流形成垂直于(132)和(225)向量的平面。缺陷的浓度随着电流的增加而增加。结构修改与磁化率中相互作用的 Ti3+ 矩特征的出现有关，这意味着空位平面周围的结构崩溃。改性材料的电导率测量揭示了半导体状态之间的几种电子跃迁（通过类金属中间态），最小间隙为 27 meV。通过加热然后在空气中缓慢冷却可以恢复原始的二氧化钛。我们的工作提出了一种实现与闪光现象相关的电导率切换的新范例

来自动量空间非对称性的声学高阶拓扑绝缘体

分类： 原子物理学, 材料科学, 量子物理学

作者： Jinbing Hu, Kai Zhou, Tianle Song, Xuntao Jiang, Songlin Zhuang, Yi Yang

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08196v1

摘要： 动量空间非对称对称性源于合成规范场的射影代数，可以修改布里渊区的流形并导致各种拓扑现象。我们提出了受一对反交换动量空间滑移反射保护的高阶拓扑绝缘体（HOTI）的声学实现。我们使用由声谐振器阵列制成的圆柱体几何形状，从测量的边缘带动量半平移及其动量解析概率分布中确认动量空间滑移反射的存在。特别是，我们观察到这种圆柱体的内在和外在 HOTI 特征：沿开放边界的跳跃强度变化导致体间隙闭合，而沿闭合边界的跳跃强度变化导致边缘间隙闭合。此外，我们通过传输和场分布测量确认了四极角模式的存在。我们的观察丰富了动量空间非对称对称性的拓扑物理研究。

将碳氢化合物和氢化碳材料的描述与化学反应机器学习原子间势统一起来

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Rina Ibragimova, Mikhail S. Kuklin, Tigany Zarrouk, Miguel A. Caro

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08194v1

摘要： 我们提出了碳和氢的通用机器学习（ML）原子间势，能够模拟由这些元素组成的各种材料和分子。该 ML 原子间势是使用高斯近似势 (GAP) 框架和从密度泛函理论获得的 C-H 配置的广泛数据集进行训练的。该数据集是通过迭代训练和结构搜索技术构建的，可生成广泛的配置来对势能表面进行全面采样。此外，该数据集还补充了相关的块体、分子和高压结构。最后，将长程范德华相互作用添加为局部参数化模型。通过在各种条件下（包括弱相互作用、高温和高压）对不同模拟的分析，验证了势的准确性和普遍性。我们的 CH GAP 模型描述了不同的问题，例如简单和复杂的烷烃、芳香烃、氢化无定形碳 (a-C:H) 和极端条件下 CH 系统的形成，同时对纯碳材料保持了良好的准确性。我们使用该模型来生成不同大小和复杂性的碳氢化合物，而无需事先了解有机化学规则，并强调在单个计算框架内同时描述分子内和分子间相互作用的内在局限性。我们的通用ML原子间势能够显着推进含氢碳材料和化合物领域的研究，特别是在较长的动力学、反应性和大规模效应可能很重要的领域。

扭曲双层石墨烯中栅极定义的平带载流子限制

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Alexander Rothstein, Ammon Fischer, Anthony Achtermann, Eike Icking, Katrin Hecker, Luca Banszerus, Martin Otto, Stefan Trellenkamp, Florian Lentz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Bernd Beschoten, Robin J. Dolleman, Dante M. Kennes, Christoph Stampfer

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08154v1

摘要： 魔角附近的扭曲双层石墨烯（tBLG）是研究相关电子相的有趣平台。这些相是栅极可调的，并且与通过单粒子带隙隔离的平坦电子带的存在密切相关。这允许对平带中的电荷载流子进行静电控制，以探索限制、能带重正化、电子-电子相互作用和莫尔超晶格之间的相互作用，从而有可能揭示这些电子相背后的关键机制。在这里，我们展示了近魔角 tBLG 中的栅极控制平带电荷载流子限制，导致 tBLG 中静电定义岛的充电产生良好可调的库仑阻塞共振。库仑共振测量可以研究磁场引起的源漏库态密度中的量子振荡，从而深入了解 tBLG 的栅极可调费米面。与紧束缚计算的比较强调了位移场引起的能带重整化的重要性，这对于未来先进的门可调谐量子器件和 tBLG 电路至关重要。

用于未来 CMOS 技术节点的亚 1 纳米厚度氧化物半导体的 Ab Initio 器件驱动筛选

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理

作者： Linqiang Xu, Yue Hu, Lianqiang Xu, Lin Xu, Qiuhui Li, Aili Wang, Chit Siong Lau, Jing Lu, Yee Sin Ang

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08096v1

摘要： 厚度低于 1 nm 的超薄氧化物半导体因其对短沟道效应的抵抗能力、高空气稳定性以及低能耗器件运行的潜力而成为超大规模场效应晶体管 (FET) 应用的有前途的构建模块。然而，超薄氧化物 FET 的 n 型主导地位阻碍了它们集成到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术中，而后者需要 n 型和 p 型器件。在这里，我们开发了从头开始的设备驱动的计算筛选工作流程，以识别用于亚 5 纳米 FET 应用的亚 1 纳米厚度氧化物半导体。我们证明，超薄 CaO2、CaO 和 SrO 与国际半导体技术路线图 (ITRS) 规定的高性能 (HP) 和低功耗 (LP) 要求下的 p 型器件兼容，从而扩大了有限的应用范围。 p型氧化物半导体家族。值得注意的是，CaO 和 SrO 是首个亚 1 nm 厚度氧化物半导体，能够同时满足 n 型和 p 型器件的 ITRS HP 和 LP 标准。 CaO 和 SrO FET 的性能优于许多现有的低维半导体，表现出低于 5 nm 栅极长度的可扩展性。我们的研究结果为从头开始、器件驱动的亚 1 nm 厚度氧化物半导体筛选提供了开创性的成果，显着拓宽了未来 CMOS 技术节点的材料候选池。

石墨烯上 Tb 吸附原子的低能磁态

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Monirul Shaikh, Alison Klein, Aleksander L. Wysocki

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08079v1

摘要： 利用密度泛函理论和包括自旋轨道耦合在内的多构型量子化学技术相结合，从第一原理研究了石墨烯上 Tb 吸附原子的电子结构和磁相互作用。我们确定六重对称空心位点是首选吸附位点，并研究了不同吸附原子氧化态的电子谱，包括 Tb$^{3+}$、Tb$^{2+}$、Tb$^{1+ }$ 和 Tb$^{0}$。对于所有电荷态，保留 Tb $4f^8$ 配置，其他吸附原子价电子分布在 $5d_{xy}$、$5d_{x2+y2}$ 和 $6s/5d_0$ 单电子轨道上。我们发现强大的位点内吸附原子交换耦合确保 $5d6s$ 自旋与 $4f$ 自旋平行。对于Tb$^{3+}$，能级可以通过石墨烯晶体场分裂的$J=6$多重态来描述。对于其他氧化态，在存在自旋轨道耦合的情况下，$4f$ 电子与 $6s5d$ 电子的自旋和轨道自由度相互作用，产生由紧密分布的有效多重态组成的低能谱，这些多重态被石墨烯分裂水晶领域。由于单轴磁各向异性和由温度辅助量子隧道控制的 440 cm$^{-1}$ 附近的有效各向异性势垒，预测 Tb$^{3+}$ 和 Tb$^{2+}$ 吸附原子具有稳定磁矩通过第三激发双峰的磁化强度。另一方面，Tb$^{1+}$ 和 Tb$^{0}$ 吸附原子存在面内磁各向异性。我们的结果表明，$6s5d$轨道的占据可以显着影响稀土吸附原子的磁各向异性和磁矩稳定性。

通过红外光谱和量子化学模型的相互作用揭示 HCN 和宇宙硅酸盐之间的界面化学

分类： 材料科学, 星系天体物理学

作者： Niccolò Bancone, Rosangela Santalucia, Stefano Pantaleone, Piero Ugliengo, Lorenzo Mino, Albert Rimola, Marta Corno

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08074v1

摘要： 了解氰化氢 (HCN) 和硅酸盐表面之间的相互作用对于阐明星际颗粒核心以及彗星和陨石基质中发生的生命起源过程至关重要。在这项研究中，我们通过将低温（100-150 K）下的实验红外光谱与周期性 DFT 模拟相结合，表征了 HCN 在结晶镁橄榄石（Mg2SiO4）（最丰富的宇宙硅酸盐之一）表面上的吸附特征。结果表明，分子和解离 HCN 吸附络合物作为所考虑的镁橄榄石晶面的函数共存。分子吸附在最稳定的表面上占主导地位，而解离吸附主要发生在稳定性较低的表面上，由表面暴露的 Mg2+-O2- 离子对增强的路易斯酸碱行为催化。对整组吸附情况进行了谐波频率计算，并与实验红外波段进行了比较。为了理清对实验宽带产生影响的每种振动模式，我们在预测的频率集和实验频带之间进行了最佳非线性拟合。这一过程的结果使我们能够： i) 通过将计算出的简正振动模式分配给每个波段的主要特征，对实验红外光谱进行解卷积； ii) 揭示哪些晶面对吸附振动带的贡献最大，提供有关样品形态的信息。目前的简单程序非常通用，并且在复杂无机材料表面吸附物红外光谱的精细表征中具有广泛的意义。

人工智能加速发现高临界温度超导体

分类： 超导, 材料科学, 人工智能, 计算物理

作者： Xiao-Qi Han, Zhenfeng Ouyang, Peng-Jie Guo, Hao Sun, Ze-Feng Gao, Zhong-Yi Lu

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08065v1

摘要： 新型超导材料的发现，特别是那些表现出高临界温度 ($T_c$) 的超导材料，一直是凝聚态物理领域中一个充满活力的研究领域。传统方法主要依靠物理直觉在现有数据库中寻找潜在的超导体。然而，已知的材料仅触及材料领域内广泛可能性的表面。在这里，我们开发了一个人工智能搜索引擎，集成了深度模型预训练和微调技术、扩散模型和基于物理的方法（例如第一原理电子结构计算），用于发现高$T_c$超导体。利用这个 AI 搜索引擎，我们获得了 74 种动态稳定材料，其临界温度由 AI 模型根据非常小的样本集预测为 $T_c \geq$ 15 K。值得注意的是，这些材料不包含在任何现有数据集中。此外，我们分析了数据集和个别材料的趋势，包括 B$_4$CN$_3$ 和 B$_5$CN$_2$，其 $T_c$ 分别为 24.08 K 和 15.93 K。我们证明人工智能技术可以发现一组新的高$T_c$超导体，概述其加速发现具有目标特性的材料的潜力。

使用机器学习特征预测和加速纳米材料合成

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Christopher C. Price, Yansong Li, Guanyu Zhou, Rehan Younas, Spencer S. Zeng, Tim H. Scanlon, Jason M. Munro, Christopher L. Hinkle

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08054v1

摘要： 解决材料合成和加工的复杂条件需要分析从多种表征模式收集的信息。目前，定量信息是通过手动工具和直觉连续提取的，限制了流程优化的反馈周期。我们使用机器学习来自动化和概括原位反射高能电子衍射 (RHEED) 数据的特征提取，以在小组 ($\sim$10) 专家标记数据中建立定量预测关系，并应用这些来节省大量成本。随后外延生长样品的时间。这些关系的保真度在代表性材料系统（$W_{1-x}V_xSe2$ 在 c 平面蓝宝石衬底 (0001) 上生长）上进行了两个合成阶段的测试，目的有两个：1) 预测晶粒排列2) 使用原位 RHEED 作为非原位方法（例如 X 射线光电子能谱）的替代方法估计钒 (V) 掺杂剂浓度。这两项任务都是使用同一组与材料无关的核心功能来完成的，无需针对特定系统进行重新训练，并且在 100 个样品合成活动中可能节省 80% 的时间。这些预测为配方调整提供了指导，以避免注定失败的试验，减少后续表征，并提高材料合成的控制分辨率，最终加速材料发现和商业规模化。

难熔高熵合金中的阈值位移能

分类： 材料科学

作者： Jesper Byggmästar, Flyura Djurabekova, Kai Nordlund

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08030v1

摘要： 难熔高熵合金显示出良好的抗辐射能力，但人们对辐射引起的缺陷形成的基本性质知之甚少。在这里，我们使用精确的机器学习原子间势来模拟等原子 MoNbTaVW 中的阈值位移能量，覆盖晶体方向的整个角空间。通过比较随机有序和短程有序 MoNbTaVW 的结果来评估局部化学有序性的影响。随机合金中的平均阈位移能为 $44.3 \pm 0.15$ eV，短程有序合金中的平均阈值位移能略高，为 $48.6 \pm 0.15$ eV。两者都显着低于任何纯金属成分。我们确定了缺陷产生的机制，并发现它们主要取决于反冲和碰撞元件的质量。当重原子（W、Ta）取代并取代最轻原子（V）时，通常会发现低阈值。因此，当被反冲元件分离时，平均阈值能量根据其质量逆序排列，这与纯金属中 W 迄今为止具有最高阈值的趋势相反。然而，当考虑电子辐照中缺陷形成的横截面时，由于来自电子的质量依赖的反冲能，合金的趋势发生了逆转。

短程有序稳定了地球内核中的立方铁合金

分类： 地球物理学, 材料科学

作者： Zhi Li, Sandro Scandolo

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08008v1

摘要： Fe-Si 二元合金的相图和声速对于理解地核至关重要，是通过深度学习辅助的混合蒙特卡罗模拟在内核边界压力下以 \textit{ab-initio} 精度确定的。在接近熔化温度时会出现复杂的相图，其中观察到体心立方 (bcc) 相的重新进入。 bcc 结构通过 Si 原子的明显短程有序性而稳定。短程有序 bcc 结构和长程有序立方 B2 结构之间的混溶性差距随着温度的升高而缩小，并且转变在 6000 K 以上变得连续。我们发现 bcc Fe-Si 固溶体再现了重要的地球物理数据，例如低剪切声速和内核的地震各向异性远优于其他结构。

三阶反常霍尔效应的层次结构：从干净到无序的状态

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Chanchal K. Barman, Arghya Chattopadhyay, Surajit Sarkar, Jian-Xin Zhu, Snehasish Nandy

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07993v1

摘要： 狄拉克材料中由 Berry 连接极化率驱动的三阶反常霍尔效应 (TOAHE) 为探索量子几何现象提供了一条有前途的途径。我们使用半经典玻尔兹曼框架研究了 TOAHE 上杂质散射的作用，通过比较内在贡献（源于 Berry 连接极化效应）与由无序引起的外在贡献。为了验证我们的理论发现，我们采用广义二维低能狄拉克模型来分析评估 TOAHE 的内在和外在贡献。我们的分析揭示了明显的无序介导效应，包括偏斜散射和侧跳贡献。我们还阐明了它们对费米表面各向异性的有趣依赖性，并讨论了实验探索的机会。

MoSe$_2$/WSe$_2$莫尔晶格中平带的演化：机器学习和能带展开方法相结合的研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Shengguo Yang, Jiaxin Chen, Chao-Fei Liu, Mingxing Chen

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07987v1

摘要： 由于长波长莫尔势产生的平坦电子带，莫尔晶格已成为探索新颖物理的理想量子模拟平台。然而，此类系统的大尺寸对全面计算其电子结构的第一性原理方法提出了挑战，从而给理解平带的性质和演化带来了困难。在本研究中，我们通过结合从头算和机器学习方法研究了 MoSe$_2$/WSe$_2$ 莫尔图案的电子结构。我们发现，在扭曲角为 3.89$^{\circ}$ 的 H 堆叠的 K 点处，价带边缘下方出现了带宽约为 5 meV 的平带。然后，随着扭转角减小，它发生急剧变化，并变得比扭转角 3.15$^{\circ}$ 的价带最大值高约 20 meV。当扭转角减小到 1.7$^{\circ}$ 时，会出现多个超平坦带。能带展开揭示了由 $\Gamma$ 和 K 谷形成的超平坦能带表现出不同的行为。 $\Gamma$谷平带对层间耦合敏感，因此随着扭转角的减小而经历剧烈的变化。相比之下，K谷平带对层间耦合的依赖性较弱，主要受到长波长莫尔电势的调制。因此，需要相对较小的角度（2.13$^{\circ}$）来生成K谷平带，随着扭转角的减小，它会经历从蜂窝状到三角晶格的转变。

用于高保真机器学习原子间势的数据高效多保真度训练

分类： 材料科学

作者： Jaesun Kim, Jisu Kim, Jaehoon Kim, Jiho Lee, Yutack Park, Youngho Kang, Seungwu Han

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07947v1

摘要： 机器学习原子间势 (MLIP) 用于从头计算估计势能面 (PES)，提供接近量子级的精度并降低计算成本。然而，组装高保真数据库的高成本阻碍了 MLIP 在需要高化学精度的系统中的应用。利用等变图神经网络，我们提出了一个同时在多保真度数据库上进行训练的 MLIP 框架。这种方法能够使用最少的高保真数据准确学习高保真 PES。我们在 Li$_6$PS$_5$Cl 和 In$x$Ga${1-x}$N 系统上测试该框架。计算结果表明，高保真元梯度广义近似（meta-GGA）数据库未覆盖的几何和组成空间可以从低保真GGA数据中有效推断，从而提高准确性和分子动力学稳定性。我们还开发了一种通用 MLIP，它利用材料项目中的 GGA 和元 GGA 数据，显着增强了 MLIP 执行高精度任务的性能，例如预测一般晶体的外壳以上能量。此外，我们证明当前的多保真度学习比迁移学习或 $\Delta$ 学习更有效，并且它也可以应用于学习高达耦合集群级别的更高保真度。我们相信，这种方法有望通过有效扩展高保真数据集来创建高度准确的定制或通用 MLIP。

采用化学气相沉积技术在 SiO$_2$ 基底上控制大面积双层 MoS$_2$ 薄膜的生长

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Umakanta Patra, Faiha Mujeeb, Abhiram K, Jai Israni, Subhabrata Dhar

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07921v1

摘要： 双层 (2L) 过渡金属二硫属化物 (TMD) 能够容纳层间激子，其中电子和空穴部分在空间上分离，与直接激子相比，寿命更长。这一特性可用于开发基于激子的逻辑器件，与电子器件相比，其在能源效率和光通信兼容性方面应该更为优越。然而，获得大面积覆盖的均匀厚度的双层外延薄膜具有挑战性。在这里，我们设计了前驱体在衬底表面上的流动模式，通过化学气相沉积 (CVD) 技术在 SiO$_2$ 上获得大面积 (mm2) 严格覆盖的双层 MoS$_2$ 薄膜，而无需对衬底进行任何等离子体处理生长之前。这些薄膜的双层性质已通过拉曼、低频拉曼、原子力显微镜 (AFM) 和光致发光 (PL) 研究得到证实。通过拉曼峰分离和PL强度图检查了薄膜的均匀性。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示晶体和扭曲的双层岛在层内共存。在双层上制造的背栅场效应晶体管 (FET) 结构显示出 10^6 的开/关比和 2.5 V/Decade 的亚阈值摆幅 (SS)。

表面氟吸附超导 FeSe 单层的可控磁各向异性和铁弹性

分类： 材料科学

作者： Yueqiao Qu, Yu Liao, Zhixiang Wang, Liang Liu, Gang Yao

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07910v1

摘要： 原子薄二维磁体的可控磁化对于发展自旋电子学是非常理想的。对于 FeSe 单层，其磁性基态尚未完全了解，构建高速和先进器件的潜力仍然未知。利用密度泛函理论计算，我们确认单层 FeSe 的自旋排序为二聚体织构。通过氟 (F) 吸附 (F/FeSe)，该系统表现出覆盖范围相关的磁各向异性和多铁性，这可归因于 Jahn-Teller 效应，有利于潜在的自旋电子应用。有趣的是，提出了在能量上最有利的 F/FeSe 系统中磁性和铁弹性之间的固有耦合。因此，我们的研究不仅为控制自旋电子特性和构建多铁性材料提供了一种有前景的方法，而且使 F/FeSe 成为磁性研究和实用高性能多功能器件的理想平台。

局部畸变对顺磁性 Pr3Ga5SiO14 硅酸镁石磁和磁电性能的影响

分类： 材料科学

作者： A. Tikhanovskii, V. Yu. Ivanov, A. Kuzmenko, E. Constable, A. Pimenov, A. Mukhin

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07897v1

摘要： 在三角非中心对称顺磁性 Pr3Ga5SiO14 硅酸钙石中观察到磁场诱导的电极化。我们检测到不同磁场方向下沿 a 轴的二次电极化。根据三角对称性，沿 c 轴的电极化仅从磁场的四次方开始明显。 Pr3Ga5SiO14 的磁性能主要源于晶体电场中两个最低 Pr3+ 单线态（准双线态）的局部各向异性磁矩。 Ga/Si 在 2d 位置的随机分布导致 C2 对称性的局部畸变和准双峰的分裂分布。通过考虑允许磁电耦合的现象学方法中不同 Pr3+ 位置之间局部矩的相互作用，我们根据局部磁化率和场分量的对称允许组合推导了电极化。基面电极化的磁场依赖性 P_{a,b*} 主要由有效局部磁化率的累积决定，在低场中表现出类似的行为，而沿 c 轴的极化 P_c 则由不同Pr3+位置的局部有效磁化率不相等。我们的研究结果表明，磁化率和磁电化率的温度依赖性对准双峰分裂的分布高度敏感，这反映了局部对称性破缺。

辐射级联的波矢量解析偏振纠缠

分类： 量子物理学, 材料科学

作者： Alessandro Laneve, Michele B. Rota, Francesco Basso Basset, Mattia Beccaceci, Valerio Villari, Thomas Oberleitner, Yorick Reum, Tobias M. Krieger, Quirin Buchinger, Saimon F. Covre da Silva, Andreas Pfenning, Sandra Stroj, Sven Höfling, Armando Rastelli, Tobias Huber-Loyola, Rinaldo Trotta

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07875v1

摘要： 从辐射级联产生纠缠光子使得量子信息科学中具有里程碑意义的实验成为可能，并在光子量子技术中得到了多种应用。人们正在致力于提高基于通常嵌入光子腔中的单量子发射器的近确定性纠缠光子源的性能，从而提高光子对的通量。一般假设是发射器产生几乎处于最大纠缠偏振态的光子，准备用于应用目的。在这里，我们证明这个假设是不合理的。我们表明，在辐射级联中，光子偏振和发射波矢量之间存在相互作用，当发射器嵌入微腔中时，会强烈影响量子相关性。我们讨论了量子点中双激子-激子级联的光子对的偏振纠缠如何强烈依赖于它们的传播波矢，并且对于大发射角它甚至可以消失。我们的实验结果在理论模型的支持下，对各种量子发射器的级联发射产生了全新的理解。此外，我们的模型为设计保持高度纠缠和收集效率的光学微腔提供了定量指南，使社区向量子技术理想的纠缠光子源又迈进了一步。

PdCoO$_2$ 薄膜中的太赫兹二次和三次谐波产生

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 光学

作者： T. Priessnitz, L. Feng, T. V. A. G. de Oliveira, G. Baker, I. Ilyakov, A. Ponomaryov, A. Arshad, G. L. Prajapati, J. -C. Deinert, S. Kovalev, B. Keimer, S. Kaiser

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07872v1

摘要： 太赫兹高次谐波产生（THz HHG）是非线性系统的一个共同特性。最近，它已被用于研究控制石墨烯、狄拉克半金属或高温超导体等新型量子材料中输运和非线性动力学的基本原理。在这里，我们报告了在低温下高导电铜铁矿 PdCoO$_2$ 薄膜中观察到的异常大的太赫兹二次谐波和三次谐波产生。与普通 $c$ 轴生长的薄膜相比，这种材料在切边基板上的生长可以显着增强三次谐波强度。此外，这似乎是观测太赫兹二次谐波产生的必要条件。我们通过玻尔兹曼输运理论对三次谐波产生的温度依赖性进行建模，并通过将该系统与电场引起的二次谐波产生进行比较来对二次谐波产生提供解释。因此，本研究为太赫兹高次谐波低温起源的持续讨论做出了重要贡献，并可能作为太赫兹高次谐波应用的新平台。

三维厚SrRuO$_3$薄膜中的非常规二维量子振荡

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Yuta Matsuki, Shinichi Nishihaya, Markus Kriener, Ren Oshima, Fumiya Miwa, Masaki Uchida

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07835v1

摘要： SrRuO$_3$ 是一种典型的过渡金属氧化物，具有丰富的物理特性，包括巡回铁磁性、高电导率和源自韦尔点的固有霍尔效应。最近，据报道，残余电阻率超过 50 的高质量 SrRuO$_3$ 薄膜尽管具有很强的电子相关性，但在低温下表现出量子振荡。虽然已经讨论了与基于外尔半金属能带结构的外尔轨道相关的振荡起源，但到目前为止，实验报告的结果既彼此不一致，也不与理论预期的行为一致，将振荡起源留在 SrRuO$_3$ 中电影仍然难以捉摸。在本报告中，我们仔细评估了在具有 RRR = 82 高残余电阻率比的三维厚 SrRuO$_3$ 薄膜中观察到的量子振荡。我们揭示了源自二维电子态和质量略有不同，表明涉及不同外尔点对之间形成的表面费米弧态。

使用机器学习和经验方法对涂层基底上的核池沸腾进行建模

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Vijay Kuberan, Sateesh Gedupudi

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07811v1

摘要： 表面改性可显着改善池沸腾传热。薄膜涂层和多孔涂层基材通过不同的材料和技术，由于表面存在微腔而增加成核，从而显着促进传热。这些涂层表面上沸腾的现有模型和经验相关性受到特定操作条件和参数范围的限制，因此受到其预测精度的限制。本研究的重点是通过有效捕获影响变量之间的实际关系来开发准确可靠的机器学习（ML）模型。各种机器学习算法已经在不同研究中收集的薄膜涂层和多孔涂层数据集上进行了评估。经过交叉验证和超参数调整后，CatBoost 模型表现出了最佳的预测精度。对于优化后的CatBoost模型，进行了SHAP分析，以确定突出的影响参数并解释参数变化对目标变量的影响。该模型解释清楚地证明了模型预测背后的决策的合理性，使其成为预测涂层表面形核沸腾传热系数 (HTC) 的稳健模型。最后，评估了现有的经验相关性，并提出了新的相关性来预测这些表面上的 HTC，其中包括通过 SHAP 解释确定的影响参数。关键词：池沸腾、薄膜涂层、多孔涂层、传热系数、机器学习、CatBoost、SHAP 分析

单层 Janus MnBi2SexTe4-x 中的工程量子反常霍尔效应

分类： 材料科学

作者： Jiale Chen, Jun Hu

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07740v1

摘要： 近年来，探索下一代自旋电子器件的本征磁拓扑绝缘体（TI）仍然具有挑战性。在这里，我们对单层 (ML) Janus MnBi2TexSe4-x 的电子、磁性和拓扑性质进行了理论研究，该单层 (ML) Janus MnBi2TexSe4-x 源自两种普通磁性半导体 ML MnBi2Se4 和 MnBi2Te4。我们的能带结构分析表明，八个 Janus 结构中的两个表现出由自旋轨道耦合引起的能带反转。这些结构被证实具有非零整数陈数，表明了它们的拓扑性质。此外，拓扑状态在中等双轴应变下是稳健的。有趣的是，施加压缩应变会导致陈数高达 2，并增强其在高温下的磁稳定性。我们的研究结果提供了一种有效的策略来设计 ML MnBi2Te4 系列中的磁性 TI 状态。

Cu2N/Cu(100)上Fe原子电子和磁性的第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Jiale Chen, Jun Hu

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07739v1

摘要： 通过第一性原理计算研究了 Cu2N/Cu(100) 上单个 Fe 原子和 Fe 二聚体的结构、电子和磁性。当 Fe 原子吸附到 Cu2N/Cu(100) 上时，会形成牢固的 Fe-N 键，从而在表面 Cu2N 层中掺入单个 Fe 原子和 Fe 二聚体。 Fe-3d 轨道的部分占据导致 Fe 原子上的自旋矩较大。有趣的是，单个Fe原子和Fe二聚体都表现出面内磁各向异性，其中Fe二聚体的磁各向异性能量（MAE）超过单个Fe原子的两倍。这种磁各向异性可归因于沿自旋轨道耦合哈密顿量的 x 方向分量的主要贡献。此外，Fe-Cu 二聚体的形成可能进一步增强磁各向异性，因为 Fe-3d 轨道的能级受到 Cu 原子存在的显着影响。我们的研究证明了揭示磁各向异性的起源在设计磁性纳米结构的磁性方面的重要性。

准晶反常热导率大规模数据库分析及其在热敏二极管中的应用

分类： 材料科学

作者： Takashi Kurono, Jinjia Zhang, Yasushi Kamimura, Keiichi Edagawa

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07735v1

摘要： 准晶体研究中长期存在且至关重要的问题之一是确定准晶体的物理性质特征。在几种准晶体中观察到在高于室温的温度下热导率的大正温度系数就是这样的特性之一。在这里，我们通过大型物理性质数据库“Starrydata”的分析表明，这确实是准晶体的一个非常独特的性质。事实上，就热导率正温度系数的大小而言，几种准晶体在各种材料（金属合金、半导体、陶瓷等）的10,000多个样品中几乎排名第一。这种独特的特性使准晶体成为复合热二极管的理想选择。我们在数据库中搜索了最合适的材料，这些材料可以与准晶体结合来创建高性能复合热二极管。使用简单的一维模型的分析计算表明，通过选择最佳材料，可以获得3.2的热整流比。基于有限元方法的传热模拟证实这可以在现实条件下实现。这是迄今为止报道的此类热二极管的热整流比的最高值。

半金属 In$_2$CoSe$_4$ 中的磁性拓扑外尔费米子

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Xiaosong Bai, Yan Wang, Wenwen Yang, Qiunan Xu, Wenjian Liu

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07727v1

摘要： 磁性外尔半金属（WSM）由于其在实现强反常霍尔效应方面的潜力而备受关注。然而，如何设计此类系统仍不清楚。基于第一性原理计算，我们在此表明​​铁磁半金属化合物 In$_2$CoSe$_4$ 具有多对 Weyl 点，因此是磁性 WSM 的良好候选者。随着哈伯德 $U$ 的增加，这些韦尔点将逐渐接近费米能级，并最终在达到临界值 $U_c$ 后消失。实现磁WSM态的哈伯德$U$的范围可以通过压力来扩展，体现了本预测的实用性。此外，通过在Co-Se键处裂解化合物后在Co或In原子上产生两个表面终端，在表面态中发现了连接一对具有相反手性的Weyl点的非平凡费米弧。此外，可以通过实验观察重要的表面状态，例如角分辨光电子能谱（ARPES）测量。因此，目前的发现强烈暗示一种新的磁性 WSM 可能具有大的异常霍尔电导率。

从电子带中寻找超导体的深度学习方法

分类： 超导, 材料科学

作者： Jun Li, Wenqi Fang, Shangjian Jin, Tengdong Zhang, Yanling Wu, Xiaodan Xu, Yong Liu, Dao-Xin Yao

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07721v1

摘要： 能带理论是凝聚态物理学的基础框架。在这项工作中，我们采用深度学习方法 BNAS 来寻找电子能带结构与超导转变温度之间的直接相关性。我们的研究结果表明电子能带结构可以作为超导性的主要指标。为了避免过度拟合，我们使用了一个相对简单的深度学习神经网络模型，尽管它很简单，但展示了超导特性的预测能力。通过利用深度学习中的注意力机制，我们能够识别与超导性最相关的电子能带结构的特定区域。这种新颖的方法从另一个角度提供了对超导驱动机制的新见解。此外，我们预测了几种潜在的超导体，它们可以作为未来实验合成的候选者。

无限层CaCoO$_2$中的轨道反转和涌现晶格动力学

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Daniel Jost, Eder G. Lomeli, Woo Jin Kim, Emily M. Been, Matteo Rossi, Stefano Agrestini, Kejin Zhou, Chunjing Jia, Brian Moritz, Zhi-Xun Shen, Harold Y. Hwang, Thomas P. Devereaux, Wei-Sheng Lee

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07705v1

摘要： 层状钴酸CaCoO$_2$表现出独特的人字形结构。作为一类新型复杂晶格图案的潜在原型，我们使用 X 射线吸收光谱 (XAS) 和共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 研究了 CaCoO$_2$ 的特性。我们的结果揭示了 Ca $4s-$ 和 Co $3d-$ 轨道之间存在显着的面间杂化，导致方形平面几何教科书轨道占据的反转。此外，我们的 RIXS 数据揭示了一种强烈的低能量模式，异常强度调制作为动量传递的函数，接近暗示电子和/或轨道排序的准静态响应。这些发现表明，CaCoO$_2$ 中新发现的人字形结构可能成为设计具有强电子、轨道和晶格相关性的材料的有前景的实验室。

压力下二维层状纳米材料晶格动力学和弹性常数的层间工程

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Guoshuai Du, Lili Zhao, Shuchang Li, Jing Huang, Susu Fang, Wuxiao Han, Jiayin Li, Yubing Du, Jiaxin Ming, Tiansong Zhang, Jun Zhang, Jun Kang, Xiaoyan Li, Weigao Xu, Yabin Chen

发布时间： 2024-09-12

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07698v1

摘要： 二维（2D）层状纳米材料中的层间耦合可以为我们提供新的策略来激发其优越的性能，例如奇异的平带和扭曲层的非常规超导性、莫尔激子的形成和相关的非平凡拓扑。然而，尽管付出了巨大的努力，准确量化层间电位并进一步测量二维材料的弹性性能仍然模糊。在此，通过基于超低频拉曼光谱的压力工程策略系统地研究了二维纳米材料的层相关晶格动力学和弹性常数。利用线性链模型分析了不同厚度MoS2的剪切模式和层呼吸拉曼位移。有趣的是，我们发现剪切拉曼模式和呼吸拉曼模式的层相关 d{\omega}/dP 显示出相反的趋势，这在数量上与我们的分子动力学模拟和密度泛函理论计算一致。这些结果可以推广到其他范德华系统，并可能揭示二维材料在纳米力学和纳米电子学中的潜在应用。

核结构材料小尺寸样品拉伸性能数据集

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学

作者： Longze Li, John W. Merickel, Yalei Tang, Rongjie Song, Joshua E. Rittenhouse, Aleksandar Vakanski, Fei Xu

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.08306v1

摘要： 使用小尺寸样品进行机械测试在核工业中发挥着重要作用，有助于在较低辐照水平的有限实验空间中进行测试，并加速新材料的鉴定。与标准尺寸的样品相比，样品尺寸的减小导致微观尺度、介观尺度和宏观尺度上的材料行为不同，这被称为样品尺寸效应。尽管已经提出分析模型来将小尺寸样品的特性与标准尺寸样品相关联，但这些模型缺乏跨不同材料和测试条件的广泛适用性。本研究的目的是为核结构材料中使用的小尺寸样品创建第一个大型公共拉伸性能数据集。我们对相关出版物进行了广泛的文献回顾，并提取了 1,000 多个拉伸测试记录，其中包括 54 个参数，包括材料类型和成分、制造信息、辐照条件、样本尺寸和拉伸性能。该数据集可以作为研究样本尺寸效应和开发计算方法来关联小尺寸样本的拉伸性能的宝贵资源。

通过基于图神经网络的代理建模快速评估单相高熵合金中的稳定晶体结构

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Nicholas Beaver, Aniruddha Dive, Marina Wong, Keita Shimanuki, Ananya Patil, Anthony Ferrell, Mohsen B. Kivy

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07664v1

摘要： 为了开发一种快速、可靠且经济高效的方法来预测单相高熵合金的结构，引入了基于图神经网络 (ALIGNN-FF) 的方法。该方法在132种不同的高熵合金上成功进行了测试，并将结果与​​密度泛函理论和价电子浓度计算进行了分析和比较。此外，还研究了各种因素（包括晶格参数和具有独特原子构型的超晶胞数量）对预测精度的影响。随后使用基于 ALIGNN-FF 的方法来预测新型无钴 3d 高熵合金的结构，并通过实验验证了结果。

多层电子叠层成像对点缺陷的灵敏度：SiC 的案例研究

分类： 材料科学

作者： Aaditya Bhat, Colin Gilgenbach, Junghwa Kim, James LeBeau

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07663v1

摘要： 3D 点缺陷的稳健原子分辨率结构表征是电子显微镜面临的长期挑战。在这里，我们评估了多层电子叠层成像技术作为一种工具，对碳化硅中的点缺陷进行 3D 原子分辨率表征作为模型。通过多层电子散射模拟、随后的叠层重建和数据分析，我们表明，在真实的样品和显微镜条件下，可以以约 0.1 nm 的深度精度检测过渡金属之外的空位和取代等固有缺陷。此外，还描述了缺陷部位对比度对电子能量和剂量的依赖性，以及最佳采集参数。总的来说，这些结果可以作为旨在分析极薄样品或重元素之外的点缺陷的实验的指南。

通过黑硅中的超快激光脉冲调整离子迁移率

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： Christelle Inès K. Mebou, Martin E. Garcia, Tobias Zier

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07659v1

摘要： 飞秒激光激发固体中的高度非平衡条件会导致各种热条件无法实现的超快现象，例如亚皮秒固-液或固-固相变。近年来，各种激光诱导晶体重排的微观途径可以被识别，并导致光电子学、光子学和纳米技术的新应用和/或改进。然而，目前尚不清楚飞秒激光激发对改变的晶体环境中的离子杂质，特别是原子迁移率有何影响。在这里，我们使用高激发价电子系统代码 (CHIVES) 对激光激发黑硅（一种有前途的高效太阳能电池材料）进行了从头算分子动力学 (AIMD) 模拟。通过计算掺杂浓度为 0.16% 和 2.31% 时随时间变化的布拉格峰值强度，我们可以确定随着杂质密度的增加晶体环境的总体减弱情况。通过分析不同激发密度后的 Si-S 键角和长度，以及计算原子间力，可以识别离子迁移率随杂质密度和激发强度增加而发生的变化。我们的结果表明杂质浓度对于激光激发黑硅中离子迁移率的重要性，并且可以为半导体器件优化和材料科学进步提供重要见解。

系统发现激光快速凝固铝锗合金中新型纳米级亚稳态金属间共晶相

分类： 材料科学

作者： Arkajit Ghosh, Wenqian Wu, Tao Ma, Ashwin J. Shahani, Jian Wang, Amit Misra

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07648v1

摘要： 铸态 Al-Ge 共晶合金的激光表面重熔可产生超细层状共晶形态，层间距细化至约 60 nm，由 FCC Al 固溶体和在近平衡凝固过程中不会形成的异常 AlxGey 金属间相组成。结合使用选区电子衍射、高分辨率扫描透射电子显微镜、能量色散 X 射线光谱来获得高分辨率元素图，并使用密度泛函理论和原子尺度图像进行原子建模，对微观结构进行表征和分析模拟。根据局部凝固条件，共晶微观结构中 AlxGey 金属间相的晶体学为单斜晶 (C 2/c) 或单斜晶 (P 21)，两种情况下都具有高密度缺陷。这与铸态合金形成鲜明对比，铸态合金显示出名义上纯的 Al 和 Ge 相，分别具有显着的溶质分配和平衡 FCC 和金刚石立方晶体结构。提出了相应的动力学相图来解释具有平衡 Al 和亚稳态 AlxGey 相的纳米层状共晶形态的演变，并解释由超细 Ge 簇析出所表现出的 Al 相中固溶度的增加。从竞争生长准则的角度讨论了激光快速凝固下这些亚稳态共晶的形成原因。

当更多数据受到损害时：优化数据覆盖范围，同时减轻超快机器学习潜力中多样性引起的欠拟合

分类： 材料科学, 机器学习, 计算物理

作者： Jason B. Gibson, Tesia D. Janicki, Ajinkya C. Hire, Chris Bishop, J. Matthew D. Lane, Richard G. Hennig

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07610v1

摘要： 机器学习原子间势（MLIP）正在成为材料建模的重要工具。然而，优化用于参数化 MLIP 的训练数据的生成仍然是一个重大挑战。这是因为当遇到与训练数据中存在的环境差异太大的本地环境时，MLIP 可能会失败。确定分子动力学 (MD) 模拟过程中遇到的环境的困难需要多样化的高质量训练数据。本研究使用超快力场 (UF$^3$) 来模拟非晶氮化硅，研究训练数据多样性如何影响 MLIP 的性能。我们采用专家和自主生成的数据来创建训练数据，并将四种力场变体拟合到数据子集。我们的研究结果揭示了训练数据多样性的关键平衡：多样性不足会阻碍泛化，而多样性过多会超出 MLIP 的学习能力，从而降低模拟精度。具体来说，我们发现在训练数据的子集上训练的 UF$^3$ 变体（其中去除了富氮结构）比任何其他变体提供了更好的预测和模拟精度。通过比较这些 UF$^3$ 变体，我们强调了创建准确 MLIP 的细微差别要求，强调了特定于应用的训练数据对于在复杂材料行为建模中实现最佳性能的重要性。

使用原位多重反射布拉格相干 X 射线衍射成像研究钛酸锶微晶中的低温铁电态

分类： 材料科学

作者： David Yang, Sung Soo Ha, Sungwook Choi, Jialun Liu, Daniel Treuherz, Nan Zhang, Zheyi An, Hieu Minh Ngo, Muhammad Mahmood Nawaz, Ana F. Suzana, Longlong Wu, Gareth Nisbet, Daniel G. Porter, Hyunjung Kim, Ian K. Robinson

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07595v1

摘要： 钛酸锶是一种经典的量子顺电氧化物材料，已在块体和薄膜领域得到广泛研究。它在 105 K 时表现出众所周知的立方到四方反铁畸变相变，其特征是氧八面体的旋转。较低温度下可能发生的第二相变被量子涨落抑制，从而防止铁电有序的出现。然而，最近的研究表明，可以通过诱导应变等方式在低温下建立铁电有序。在这里，我们使用原位多重反射布拉格相干X射线衍射成像来测量两种钛酸锶微晶在低温下的应变和旋转张量。我们观察到微晶中位错和夹杂物引起的应变。根据径向震级图，这些应变的震级和扩散随着温度的降低而增加。 Pearson 相关热图显示 50 K 时的结构转变，我们将其与应变存在下低温铁电相的形成联系起来。我们没有观察到与 105 K 时四方相变相关的局部应变的任何变化。

使用喷雾沉积和近红外烧结，通过溶胶-凝胶法原位烧结获得陶瓷 NASICON (Na$_3$Zr$_2$ (SiO$_4$)$_2$PO$_4$) 薄膜的新方法

分类： 材料科学

作者： Rafael Marti Valls, Rebecca Griffin, Anne Sawhney, Celina Domingos-Dlofo, Tom Dunlop, Sam Reis, Peter J. Holliman, Jenny Baker

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07436v1

摘要： 在这项工作中，我们展示了在熔融石英基底上原位烧结的 NASICON 薄膜。这种生产方法通过结合使用喷涂溶胶-凝胶溶液和近红外 (NIR) 超快烧结技术，大大缩短了制造时间。首次演示高温 (~1000$^\circ$C) 下的 NIR 烧结陶瓷。

钻石中单 IV 族色心的激光激活

分类： 量子物理学, 材料科学

作者： Xingrui Cheng, Andreas Thurn, Guangzhao Chen, Gareth S. Jones, Maddison Coke, Mason Adshead, Cathryn P. Michaels, Osman Balci, Andrea C. Ferrari, Mete Atatüre, Richard Curry, Jason M. Smith, Patrick S. Salter, Dorian A. Gangloff

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07421v1

摘要： 基于钻石中 IV 族色心的自旋光子界面为量子网络提供了一个有前途的平台。该领域的一个关键挑战是实现精确的单一缺陷定位和激活，这对于可扩展的设备制造至关重要。在这里，我们通过演示锡空位（SnV-）中心的两步制造方法来解决这个问题，该方法使用位点控制离子注入，然后进行带有原位光谱监测的局部飞秒激光退火。离子注入以低于 50 nm 的分辨率进行，剂量从数百个离子控制到每个位点单个离子，受泊松统计的限制。使用这种方法，我们成功地演示了单个 SnV 中心的位点选择性创建和修改。该技术打开了在单一缺陷水平上调整材料的窗口，并提供了对退火过程中的缺陷结构和动力学的新见解。虽然已针对 SnV 中心进行了演示，但这种多功能方法可以轻松推广到金刚石和宽带隙材料中的其他植入色心。

电子声子散射的自洽电子寿命

分类： 材料科学

作者： Jae-Mo Lihm, Samuel Poncé, Cheol-Hwan Park

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07404v1

摘要： 压电材料中的声声子通过宏观电场与电子强烈耦合。我们证明这种耦合会导致 Fan-Migdal 电子线宽的动量相关发散。然后，我们开发了一种用于计算电子线宽的自洽理论，该理论不仅消除了这种压电发散，而且还大大改变了非压电极性材料的线宽。我们的预测有待立即的实验证实，这种自洽的方法应该广泛用于解释真实材料电子特性的各种实验。

从第一原理看掺杂半导体中的等离激元-声子杂化

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Jae-Mo Lihm, Cheol-Hwan Park

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07393v1

摘要： 尽管等离子体激元和声子是控制掺杂半导体低能物理的集体激发，但它们的非绝热杂化和相互屏蔽尚未从第一原理进行研究。我们通过将戴森方程转换为等效阻尼振荡器的频率无关动态矩阵来实现这一目标。对掺杂 GaAs 和 TiO2 的计算与现有的拉曼数据非常吻合，并等待红外、中子、电子能量损失和角分辨光发射光谱的立即实验证实。

形状记忆合金中的双分支：具有能量耗散效应的一维连续体模型

分类： 材料科学

作者： Stanislaw Stupkiewicz, Seyedshoja Amini, Mohsen Rezaee-Hajidehi

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07382v1

摘要： 我们开发了形状记忆合金双分支的一维连续体模型。分支微结构的自由能包括界面和弹性应变能贡献，两者均以平均孪晶间距表示，视为位置的连续函数。然后将总自由能最小化，并使用有限元方法对相应的欧拉-拉格朗日方程进行数值求解。该模型可以被视为 Seiner 等人最近的离散模型的连续体对应物。 （2020），我们的结果表明在整个物理相关参数范围内与该模型非常一致。此外，我们的连续体设置有助于将能量耗散纳入模型中。因此研究了与速率无关的耗散对分支微观结构演化的影响。结果表明，只有相对较小的域尺寸才会对系统的微观结构和能量产生显着影响。

批量掺杂可调谐 CDW 相变 1T-ZrSe$_2$

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Andreas Ørsted, Alessandro Scarfato, Céline Barreteau, Enrico Giannini, Christoph Renner

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07342v1

摘要： 过渡金属二硫属化物 (TMD) 中可调节的电子特性对于进一步其在器件应用中的应用至关重要。在这里，我们对半导体块体 1T-ZrSe$_2$ 中的掺杂诱导电荷密度波 (CDW) 进行了全面的扫描隧道显微镜和光谱研究。我们发现，局部将费米能级 ($E_F$) 移至导带的原子杂质会触发 CDW 重建，同时在 $E_F$ 处打开能隙。我们的研究结果为早期光电子能谱和块体 1T-ZrSe$_2$ 的理论研究提供了新的线索，并提供了对半导体 TMD 中观察到的电子掺杂介导的 CDW 跃迁的局部理解。

通过化学修饰可调节电学和光学特性的 2D T-carbon 2-(111) 结构：第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Haifang Cai, Zhiwen Duan, Douglas S. Galvao, Kun Cai

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07329v1

摘要： 我们提出了一种新的二维碳材料，称为2-(111)平面T-碳，它是通过沿其(111)晶体方向切片块状T-碳而获得的。 2-(111)平面T-碳的光学和电学特性可以通过表面修饰来设计。比较通过第一性原理计算获得的原始和五种修饰的2-(111)平面T-碳的DFT声子谱，我们得出结论，表面修饰为提高2-(111)的结构稳定性提供了一种有前景、有效且可行的策略。 ) 平面 T 碳。计算出的能带结构和电子特性显示直接电子带隙值在 0.17 eV（-O= 修饰）和 2.21 eV（氢化）之间。化学修饰还保证其光学特性发生蓝色或红色能量变化。

开发用于电催化/表面成分研究的 Ni-Mo 合金的嵌入原子方法潜力

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Ambesh Gupta, Chinmay Dahale, Soumyadipta Maiti, Sriram Goverapet Srinivasan, Beena Rai

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07320v1

摘要： 镍钼高温合金因其卓越的机械性能、优异的耐腐蚀性和抗氧化性、电催化性能和表面稳定性而成为各种应用的首选材料。了解和优化镍钼合金的表面成分对于提高其实际应用性能至关重要。传统的实验表面分析技术虽然信息丰富，但在成本和时间方面往往令人望而却步。同样，第一原理计算等理论方法需要大量的计算资源，并且很难模拟大型结构。本研究介绍了一种利用混合蒙特卡罗/分子动力学 (MC/MD) 模拟来研究 Ni-Mo 合金表面成分的替代方法。我们报告了专门针对 Ni-Mo 合金的优化嵌入式原子方法 (EAM) 潜力的开发，该方法使用元素和面心立方 (FCC) Ni-Mo 固溶体合金的经验晶格常数和形成能仔细参数化。 EAM 潜力的可靠性通过状态方程的评估得到证实，特别关注再现结构特性。利用这一经过验证的潜力，进行了 MC/MD 模拟，以了解 Ni-Mo 合金纳米粒子和扩展表面的成分在深度方向上的变化。这些模拟揭示了镍在表面上的优先偏析，以及钼在次表面层上的优先偏析。由于这种优先偏析，在针对目标应用定制表面特性时必须考虑表面偏析。

磁场中蜂窝晶格非共线自旋态的拓扑和磁特性

分类： 材料科学

作者： Randy S. Fishman, Daniel M. Pajerowski

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07319v1

摘要： 我们研究了蜂窝晶格上非共线自旋态的贝里曲率和陈数，当沿 $z$ 轴施加磁场时，该晶格从共面演化为铁磁态。共面状态通过最近邻铁磁相互作用、沿 $z$ 的单离子各向异性以及次近邻位点之间的 Dzyalloshinskii-Moriya 相互作用来稳定。在对齐自旋的临界场 $H_c$ 以下，磁性晶胞包含 $M=6$ 位点，自旋动力学包含六个磁振子子带。尽管经典能量对于最近邻自旋之间的扭转角 $\phi $ 是简并的，但低温下自由能对 $\phi $ 的依赖性主要由磁振子零点能量决定，其中包含 $\ 处的极值phi =\pi l/3$ 对于整数 $l$。唯一唯一的基态 GS($\phi )$ 具有 $l=0$ 或 1。对于 $H < H_c'$，零点能量在偶数 $l$ 处具有最小值，基态为 GS(0) 。对于 $H_c' < H < H_c$，零点能量在奇数 $l$ 处具有最小值，基态为 GS($\pi/3$)。在 GS(0) 中，磁振子态密度呈现出五个不同的相位，场强与两个或三个磁振子带之间能隙的打开和关闭相关，每个磁振子带包含 1 到 4 个四个磁振子子带。虽然贝里曲率在零场中对于共面 $\phi=0$ 相消失，但贝里曲率和陈数在低于 $H_c'$ 的非零场上表现出五个相位的特征。如果 $\phi \ne \pi l/3$，则两个或三个波能带的陈数为非整数。我们还评估了 GS(0) 和 GS($\pi/3$) 的所有五个相中的六个磁振子子带产生的非弹性中子散射谱 $S(\vk ,\omega )$。

铁电纳米颗粒海水淡化

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 化学物理

作者： Sergei V. Kalinin, Eugene A. Eliseev, Anna N. Morozovska

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07318v1

摘要： 铁电材料物理学的基本方面是通过从环境中解离吸附离子电荷来筛选未补偿的束缚电荷。当铁电体经历温度诱导的从顺电相到铁电态的转变时，离子的吸附会特别强。在这里，我们证明，由于纳米颗粒中强的铁离子耦合，铁电纳米颗粒的极性表面对离子和自由基的吸附在水溶液中可以非常有效。获得的结果可用于制定吸附阳离子（Li+、K+、Na+等）、阴离子（Cl-、Br-、J-）和/或自由基（CO-、 NH4+等）由无铅单轴铁电纳米颗粒从水溶液中提取。研究结果可能成为环保清洁不同水溶液免受离子污染以及利用自然温度变化淡化海水的替代方法。

[110] 和 [100] 硅纳米线中的低温电子传输：DFT - 蒙特卡罗研究

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 计算物理, 量子物理学

作者： Daryoush Shiri, Reza Nekovei, Amit Verma

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07282v1

摘要： 研究了极低温度对 [110] 和 [100] 轴向排列的无应变硅纳米线 (SiNW) 中电子传输的影响。采用半经验10轨道紧束缚方法、密度泛函理论（DFT）和集成蒙特卡罗（EMC）方法的组合。声学和光学声子都包含在涵盖子带内和子带间事件的电子声子散射率计算中。与室温（300 K）特性的比较表明，对于两种纳米线，在相对中等的电场和较低的温度下，平均电子稳态漂移速度至少增加两倍。此外，[110]纳米线的平均漂移速度比[100]纳米线的平均漂移速度高50%，这可以通过其传导子带有效质量的差异来解释。瞬态平均电子速度表明，在低温下存在明显的电子流运动，这是由于电子声子散射率降低所致。

并联堆叠 MoS$_2$ 中铁电序的激子特征

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 应用物理, 光学

作者： Swarup Deb, Johannes Krause, Paulo E. Faria Junior, Michael Andreas Kempf, Rico Schwartz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jaroslav Fabian, Tobias Korn

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07234v1

摘要： 界面铁电性普遍存在于各种平行堆叠的层状材料中，允许通过相邻层的面内滑动来切换面外铁电顺序。它的抗掺杂能力有可能使下一代存储和逻辑设备成为可能。然而，研究仅限于铁电的间接传感或可视化。对于过渡金属二硫属化物，关于铁电序对其本征谷和激子性质的影响知之甚少。在这里，我们报告了使用反射对比光谱法直接探测少层 3R-MoS$_2$ 中的铁电性。与简单的静电感知相反，具有面外电偶极矩的层杂化激子仍然与铁电有序性解耦，而具有面内偶极子取向的层内激子对此敏感。从头计算确定了导致这种不对称响应的堆叠特异性层间杂化。利用这种灵敏度，我们展示了场效应器件中具有迟滞切换的多态偏振的光学读出和控制。时间分辨克尔椭圆率揭示了自旋谷动力学与堆叠顺序之间的直接对应关系。

TiN/AlN基超导量子位组件的开发

分类： 应用物理, 材料科学, 量子物理学

作者： Benedikt Schoof, Moritz Singer, Simon Lang, Harsh Gupta, Daniela Zahn, Johannes Weber, Marc Tornow

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07227v1

摘要： 本文介绍了氮化钛 (TiN) 和氮化铝 (AlN) 层超导量子位组件的制造和表征，以在全氮化物架构中创建约瑟夫森结和超导谐振器。我们的方法包括用于制造 TiN/AlN/TiN 结的完整工艺流程，其特征在于扫描电子显微镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM)、椭圆光度术和直流电测量。我们评估了不同条件下 AlN 的溅射速率、不同溅射环境下 TiN 薄膜的临界温度以及由这些薄膜制造的几 GHz 范围内 TiN 谐振器的内部品质因数。总体而言，这提供了对对量子位性能至关重要的材料特性的见解。对 TiN / AlN / TiN 结临界电流依赖性的测量得出的值范围为 150 ${\mu}$A 至 2 ${\mu}$A，AlN 势垒厚度可达 ca。分别为5纳米。我们的研究结果证明了基于氮化物的超导量子位组件制造的进步，这可能会在基于新型材料的量子计算技术中得到应用。

超级润滑剂阵列中的可切换晶体岛

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： Youngki Yeo, Yoav Sharaby, Nirmal Roy, Noam Raab, Watanabe Kenji, Takashi Taniguchi, Moshe Ben Shalom

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07225v1

摘要： 扩展场效应器件的性能是当前技术核心的不断发展的芯片行业面临的主要挑战。通过原子运动的电场控制而不是典型的电子重新分布，期望在微型多铁性晶体管中实现高度期望的非易失性响应。最近，通过在相反极化域之间滑动窄边界位错，在蜂窝范德华（vdW）多型体的相应堆叠配置中建立了这种结构转变的场效应控制。然而，界面铁电响应依赖于相对较大的微米级域之间预先存在的边界带，严重限制了实际实现。在这里，我们报告了嵌入超级润滑剂 vdW 阵列中的纳米级岛中单域多型体的稳健切换。我们将空腔蚀刻到薄层间隔物中，然后用平行的功能薄片将其封装。间隔件上方和下方的不相称薄片在每个空腔处下垂并接触，形成均匀的结晶岛，没有层间变形。通过对多型体的铁电响应进行成像，我们观察到边界带的可逆成核和湮灭以及几何形状适应性的磁滞回线。利用机械应力，我们精确定位边界带，修改层间扭转角度，并使中间极域图案成核。通过精确设计这些超级润滑剂多型阵列 (SLAP) 中岛的尺寸、形状、对称性和分布，我们设想了众多的设备功能和 SlideTronics 应用。这些范围从原子级位移的超灵敏探测器到具有可调强制开关场的非易失性多铁性隧道晶体管，甚至用于神经形态架构的弹性耦合存储单元。

基于谷声干涉仪的声波操纵

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Wei Zhao, Jia-He Chen, Shu-Guang Cheng, Yong Mao, Xiaojun Zhang, Zhi Tao, Hua Jiang, Zhi Hong Hang

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07221v1

摘要： 拓扑声学为具有前所未有的功能的材料提供了新的机遇。在这项工作中，我们报告了一种由 Y 形谷声波晶体设计的拓扑谷声干涉仪。通过紧界计算和实验演示，我们成功地通过配置通道来调节声能分配率。为解释传输特性而提出的分析理论与实验观察结果非常吻合。额外的 {\pi} Berry 相被验证可以沿着形状无关的拓扑谷声干涉仪累积旋转，这在赝自旋半系统中是独一无二的。基于累积动态相位和{\pi} Berry相位产生的谱振荡，探索了一种测量声谷界面色散的简化方法，克服了传统快速傅里叶变换方法的缺点，通过简单分析提高了测量效率测量的透射光谱的峰值和谷值。此外，一种有效的调整其传输的方法，以及通过干涉仪的局部几何设计提出和实现的谱线形状，在物理机制不变的情况下表现出很强的可调谐性。我们的工作为设计具有基于干涉和贝里相物理机制的声波操纵功能的未来声学设备开辟了一条途径。

拓扑绝缘体量子极限中的能斯特高原

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Peng-Lu Zhao, J. L. Zhang, Hai-Zhou Lu, Qian Niu

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07199v2

摘要： 能斯特效应是一种由温度梯度引起的横向电流，是揭示凝聚态物质涌现相的有前途的工具。我们在低载流子密度拓扑绝缘体中发现了能斯特系数平台，作为弱拓扑绝缘体量子极限中一维韦尔点的特征。平台高度与杂质密度成反比，这表明了一种设计无限大能斯特效应的方法。能斯特高原也存在于强拓扑绝缘体中，位于最低朗道带的底部。我们表明，这些平台在之前的实验中被忽略了，并且我们强调了观察它们的实验条件。我们的结果可能会激发更多的研究，利用反常能斯特效应来识别凝聚态物质的涌现阶段。

空气等离子体产生太赫兹脉冲驱动的电子子周期纳米尖端场发射

分类： 材料科学, 等离子体物理

作者： Benjamin Colmey, Rodrigo T. Paulino, David G. Cooke

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07196v1

摘要： 据报道，由双色激光等离子体产生的太赫兹脉冲峰值场强超过 MV/cm，当照射金属纳米尖端时，尖端顶点的近场增强应通过子循环冷场发射产生极高的束电荷和电子能量。在这里，报告了由长丝空气等离子体产生的太赫兹脉冲驱动的钨纳米尖端的电子发射。检测到的电子能量高达 1.1 keV，每个脉冲的束电荷高达 2x$10^5$ 电子，远低于通过时间平均坡印廷矢量计算出的峰值场的预期值。调查显示，由于焦点中太赫兹脉冲的时空重组，将时间平均坡印廷矢量应用于长灯丝太赫兹脉冲时出现故障。考虑到这种重组，场强显着降低至约 160 kV/cm，与观察到的电子束电荷、峰值能量及其对太赫兹焦点中尖端位置的依赖性一致。尽管有这些发现，我们的结果在电子能量和束电荷方面都超过了以前的太赫兹等离子体驱动的电子产生一个数量级，并且提出了通过修改太赫兹光学将这些增加一个数量级的路径。

在化学中应用多保真贝叶斯优化：开放的挑战和主要考虑因素

分类： 机器学习, 材料科学, 化学物理

作者： Edmund Judge, Mohammed Azzouzi, Austin M. Mroz, Antonio del Rio Chanona, Kim E. Jelfs

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07190v1

摘要： 多保真贝叶斯优化 (MFBO) 利用不同质量和资源成本的实验和/或计算数据来有效地优化所需的最大值。由于 MFBO 能够整合不同的数据源，因此这种方法对于化学发现特别有吸引力。在这里，我们研究了 MFBO 在加速有前途的分子或材料的识别中的应用。我们专门分析了与单保真度问题公式相比，较低保真度数据可以提高性能的条件。我们解决了两个关键挑战：选择最佳采集函数、了解成本的影响以及数据保真度相关性。然后我们讨论如何评估 MFBO 对于化学发现的有效性。

用于分析混合相铁电材料偏振态的玻尔兹曼统计方法

分类： 材料科学

作者： Abhijit Pramanick, Laurent Daniel

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07177v1

摘要： 铁电体由于其有吸引力的电气和机电特性而被广泛用于各种技术应用。为了获得大的功能特性，材料成分通常被设计为有利于多个铁电相的共存。对于此类组合物，宏观观察到的增强性能不同程度地归因于更容易的域切换和/或相变。然而，混合相铁电体中并发域切换和相变的建模仍然是一项具有挑战性的任务。在这里，提出了一种方法来定量评估复杂机电负载下混合相铁电体中不同域变体的体积分数。该方法将铁电相的朗道自由能现象学与玻尔兹曼统计分析相结合，并针对同形相界 (MPB) 附近的 Pb(Zr,Ti)O3 提出了该方法。结果表明，特定的晶粒取向对于相界的接近程度如何影响微观现象以及由此产生的功能响应具有显着影响。

亚铁磁外尔半金属中的拓扑自旋轨道扭矩

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Tomonari Meguro, Akihiro Ozawa, Koji Kobayashi, Yasufumi Araki, Kentaro Nomura

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07106v1

摘要： 通过线性响应理论研究了补偿亚铁磁性 Weyl 半金属 ${\rm Ti}{2}{\rm MnAl}$ 中的自旋轨道扭矩 (SOT)。我们阐明，与传统金属磁体不同，磁性外尔半金属中存在由所有占据的电子态驱动的 SOT。围绕外尔点的能量，我们发现这样的 SOT 占主导地位并且几乎独立于紊乱。 ${\rm Ti}{2}{\rm MnAl}$中SOT的出现可以从Weyl点周围的混合Berry曲率的结构来理解，该结构与普通Berry曲率类似。

蒸发液滴内的相分离破裂和对称性破缺；形成花朵状图案

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Vahid Nasirimarekani

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07095v1

摘要： 液相内图案的形成是一种涉及地球生命许多不同方面的现象。蒸发液体的液滴形式可以揭示取决于液滴的化学性质和所涉及的物理参数的模式。我们观察到，由于含有盐和非离子聚合物的液滴蒸发，微米大小的颗粒呈现花状沉积图案。我们通过实验表明，由于盐析效应而导致的聚合物相分离会导致强烈的熵流，表现为涡流。这种流动称为相分离爆裂流，它导致轴对称性破坏并形成径向排列的花状图案。我们预见，了解观察到的流动可以深入了解相分离的流体物理方面，并可能对技术应用产生影响。

六方晶系和斜方晶系 Fe${3}$C、Co${3}$C、(Fe-Co)$_{3}$C 及其与硼、氮和过渡金属的合金的磁硬度：A第一性原理研究

分类： 材料科学

作者： Justyn Snarski-Adamski, Mirosław Werwiński, Justyna Rychły-Gruszecka

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07058v1

摘要： 在这项研究中，我们考虑了一大组与正交 Fe$_3$C（渗碳体）密切相关的材料，目的是表征其固有磁性的趋势并识别最适合应用的合金。对(Fe-Co)$_3$C、(Fe-Co)$_3$(B-C)的六方相($\epsilon$)和斜方相($\theta$)的全浓度范围进行了全面分析。 (Fe-Co)$_3$(C-N)，及其与 3$d$、4$d$ 和 5$d$ 过渡金属的合金。使用全势局域轨道代码（FPLO）中实现的密度泛函理论进行计算。计算的属性包括地层能、居里温度、磁矩、磁晶各向异性能 (MAE) 和磁硬度。所考虑的组合物表现出一系列磁性，包括软磁、半硬磁和硬磁。最有希望用于硬磁应用的材料是正交 Co$_3$C 化合物，以及精选的富钴正交 (Fe,Co)$_3$C 和六方 (Fe,Co)$_3$C 合金。计算结果并不表明用过渡金属替代会增加合金在永磁体应用中的潜力。正交晶系$\theta$-Fe$_3$C（渗碳体）与过渡金属的合金化的一个显着缺点是居里温度显着下降。我们发现相当一部分正交晶系Co$_3$(B-C-N)合金具有硬磁性能，其中硼替代提高了居里温度并提高了稳定性。通过绘制 MAE 对覆盖 3$d$（从 Fe 到 Co）和 2$p$（从 B、C、到 N）位置的元素浓度的依赖性，我们首次证明了近MAE 的等电子性质。后一种观察可能对于设计新型硬磁材料的成分特别有用。

结合布里渊光谱和机器学习的原子间势来探测金属有机框架的机械性能

分类： 材料科学

作者： Florian P. Lindner, Nina Strasser, Martin Schultze, Sandro Wieser, Christian Slugovc, Kareem Elsayad, Kristie J. Koski, Egbert Zojer, Caterina Czibula

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.07039v1

摘要： 金属有机框架（MOF）的机械性能具有很高的基础性和实际意义。用于确定各向异性弹性张量的一种特别有趣的技术是布里渊散射，到目前为止，该技术很少用于 MOF 等高度复杂的材料。在本论文中，我们应用该技术来研究一种新合成的 MOF 型材料，称为 GUT2。我们将实验与最先进的弹性特性和声子带模拟相结合（基于机器学习力场和色散校正密度泛函理论）来证明这一点。这提供了对与纵向和横向声速相关的实验信号的全面理解。此外，即使在处理相对较小的单晶时（这限制了可获得的实验数据的范围），结合模拟和实验的见解也可以确定所研究材料的弹性张量分量的近似值。

通过扭曲六方氮化硼进行莫尔激子极化子工程

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 光学

作者： Minhyun Cho, Biswajit Datta, Kwanghee Han, Saroj B. Chand, Pratap Chandra Adak, Sichao Yu, Fengping Li, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone, Jeil Jung, Gabriele Grosso, Young Duck Kim, Vinod M. Menon

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06999v1

摘要： 扭曲六方氮化硼 (thBN) 由于形成具有交替的 AB 和 BA 域的莫尔超晶格而表现出新兴的铁电性。这些域具有电偶极子，从而产生周期性的静电势，可以将其印到放置在其附近的其他二维材料上。在这里，我们演示了从扭曲六方氮化硼 (thBN) 到单层 MoSe2 上的莫尔图案的远程压印，并研究了由此产生的激子特性的变化。我们使用开尔文探针力显微镜 (KPFM) 和高光谱光致发光 (PL) 映射通过接近确认莫尔图案在单层 MoSe2 上的印记。通过开发一种技术来创建范围从 1 {μm} 到 8.7 {μ}m 的大铁电畴尺寸，我们实现了前所未有的 387 ± 52 meV 的电势调制。我们观察了由于反铁电莫尔域引起的电荷重新分布而形成激子极化子，并通过将莫尔图案尺寸改变至110 nm来研究单层MoSe2中莫尔图案引起的光学性质变化。我们的研究结果凸显了扭曲六方氮化硼作为控制光电和谷电子应用二维材料光学和电子特性的平台的潜力。

使用多层电子叠层成像技术量化植入损伤和点缺陷

分类： 材料科学

作者： Junghwa Kim, Colin Gilgenbach, Aaditya Bhat, James LeBeau

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06987v1

摘要： 离子注入广泛用于掺杂半导体以制造电子器件，但量化点缺陷和诱发损伤的技术有限。虽然有几种技术可以高精度测量掺杂剂浓度分布，但没有一种技术允许同时进行原子分辨率结构分析。在这里，我们使用多层电子层析术来量化在 1,000 nm\textsuperscript{3} 体积区域内宽带隙半导体 4H-SiC 中铒注入引起的损伤。这种损坏比不考虑晶体学的注入模拟所预期的更深入到样品中。此外，该技术对掺杂剂和空位的敏感性被评估为损坏的函数。由于每个重建的分析体积包含大约 10$^5$ 原子，因此在注入尾部区域表现出 10\textsuperscript{18} cm\textsuperscript{-3} （大约 10 ppm）的灵敏度。点缺陷识别后，\ch{Er_{Si}} 和 \ch{v_{Si}} 缺陷周围的局部变形被量化。这些结果强调了多层电子叠层成像技术作为点缺陷研究工具来指导未来电子设备制造的能力。

GeO$_2$ 玻璃中的中程有序度比较：使用机器学习原子间势的分子动力学与\反向蒙特卡罗拟合实验数据

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Kenta Matsutani, Shusuke Kasamatsu, Takeshi Usuki

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06982v1

摘要： 使用从头计算数据训练的机器学习原子间势，通过分子动力学研究 GeO$_2$ 玻璃中的短程和中程有序，并与中子衍射数据的反向蒙特卡洛拟合进行比较。为了表征每个模型中的结构差异，进行了总/部分结构因子、配位数、环大小和形状分布以及持久同源性分析。这些结果表明，尽管这两种方法产生相似的二体相关性，但它们可以产生具有非常不同的短程和中程排序的三维模型。特别是在环分布中观察到明显的差异； RMC 模型在环尺寸分布中表现出广泛的分布，而神经网络势分子动力学产生更窄的环分布。这证实了从头计算中的密度泛函近似比具有简单配位约束和具有同位素替代的中子衍射数据的RMC更严格地确定了优选的网络组装。

双层系统中交变磁性的一般堆叠理论

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Baoru Pan, Pan Zhou, Pengbo Lyu, Huaping Xiao, Xuejuan Yang, Lizhong Sun

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06964v1

摘要： 最近提出可以在扭曲的反铁磁双层中实现二维（2D）交变磁性，这提供了一种在实验上可行的方法来在二维材料中实现它。然而，仍然缺乏对双层系统中交变磁性出现机制的全面理解。在这封信中，我们通过引入广义堆积理论（GST）作为双层系统中出现交变磁性的关键条件来解决这一差距。 GST 提供了简单的标准来预测双层是否表现出交变磁自旋分裂，仅基于组成单层的层组。根据 GST，只有七个双层点群有利于交变磁性的出现。据透露，除了先前提出的反铁磁扭曲 vdW 堆叠之外，交变磁性甚至可以出现在通过两个单层的对称限制直接堆叠形成的双层中。通过结合 GST 和第一原理计算，我们提出了展示交变磁性的双层的说明性示例。我们的工作建立了一个强大的框架，用于设计具有交变磁性的多种双层系统，从而为该领域的基础研究和实际应用开辟了新的途径。

双层氯氧化镍Sr$_3$Ni$_2$O$_5$Cl$_2$晶体结构的理论研究及可能出现的非常规超导现象分析

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Masayuki Ochi, Hirofumi Sakakibara, Hidetomo Usui, Kazuhiko Kuroki

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06935v1

摘要： 在双层镍酸盐 La$_3$Ni$_2$O$_7$ 中发现高压下 T_c$ 超过 80 K 的超导性，引发了在环境压力下实现类似高 $T_c$ 现象的强烈愿望。作为在环境压力下实现超导性的一种可能途径，我们在此建议将 Sr$_3$Ni$_2$O$_5$Cl$_2$ 视为可能的候选者。在本研究中，我们从理论上研究了Sr$_3$Ni$_2$O$5$Cl$2$的电子结构及其结构稳定性。我们的声子计算表明，这种具有 $I4/mmm$ 四方结构的化合物即使在环境压力下也是动态稳定的。该化合物中的特征晶体场降低了 Ni-$d{3z^2-r^2}$ 轨道能量，从而使 Ni-$d{3z^2-r^2}$ 轨道变得更接近一半-填充Sr$_3$Ni$_2$O$_5$Cl$_2$而不是La$_3$Ni$_2$O$7$。结果，我们发现即使 $t{2g}$ 和 $e_g$ 轨道之间相对较强的轨道杂化对超导性有些不利，超导性仍得到增强。我们还检查了形成焓，这表明高压合成可能是实际生产 Sr$_3$Ni$_2$O$_5$Cl$_2$ 的好方法。我们发现 Sr$_3$Ni$_2$O$_5$Cl$_2$ 是一种有前途的双层镍酸盐超导体新候选者，它比加压 La$_3$Ni$_2$O$ 具有更高的 $T_c$ _7$，在环境压力下。

氧化金刚石表面上的亚纳米厚原生 sp2 碳

分类： 材料科学

作者： Ricardo Vidrio, Cesar Saucedo, Vincenzo Lordi, Shimon Kolkowitz, Keith G. Ray, Robert J. Hamers, Jennifer T. Choy

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06934v1

摘要： 氧封端金刚石具有广泛的应用，包括稳定近表面色心、半导体器件和生物传感器。尽管有大量关于表征金刚石官能团的文献，但使用 XPS 和 FTIR 等传统技术探测表面最浅部分（< 1 nm）的化学成分仍然具有挑战性。在这项工作中，我们演示了使用角度分辨 XPS 探测 (100) 单晶金刚石的前十纳米，显示氧官能团和碳同素异形体随深度的变化。通过使用一致的峰拟合方法，确定了 sp2 碳、醚、羟基、羰基和 C-H 基团的峰身份和相对峰结合能。对于氧封端样品，我们还根据俄歇电子能谱和 D 参数的分析，将位于块状 sp3 金刚石键合碳顶部的 sp2 碳层的厚度量化为 0.4 $\pm$ 0.1 nm计算。这些结果表明，大部分氧键合到金刚石上的 sp2 碳层上，而不是直接键合到 sp3 金刚石键合碳上。

（脱）锂稳定正极的电压挖掘和锂离子正极电压的机器学习模型

分类： 材料科学

作者： Haoming Howard Li, Qian Chen, Gerbrand Ceder, Kristin A. Persson

发布时间： 2024-09-11

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06921v1

摘要： 锂金属阳极的进步激发了人们对发现无锂阴极的兴趣，其中大多数阴极都是在充电状态下发现的。这与当今的商用锂离子电池阴极形成鲜明对比，后者在放电状态下更加稳定。在这项研究中，我们结合了两类阴极材料的计算阴极电压信息，分别涵盖了 5577 个和 2423 个独特的结构对。由此产生的关于两类化合物的氧化还原对和阴离子类型的电压分布强调了高压阴极的设计原理，这有利于较高氧化态的第四周期过渡金属和更多电负性阴离子（如氟或聚阴离子基团）。一般来说，处于充电、脱锂状态的阴极表现出的电压低于在其锂化状态下最稳定的电压，这与热力学预期一致。发现这种趋势的偏差源于氧化还原对之间不同的阴离子分布。此外，还构建了基于化学公式的电压预测机器学习模型，与用于材料特性预测的两个基于成分的机器学习模型 Roost 和 CrabNet 相比，该模型显示了最先进的性能。

通过应变加载/卸载技术在 TmVO$_4$ 中实现低温巨弹热冷却

分类： 材料科学, 强关联电子, 应用物理

作者： Mark P. Zic, Linda Ye, Maya H. Martinez, Ian R. Fisher

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06909v1

摘要： 绝热弹热效应将材料所经历的应变变化与其温度变化联系起来。虽然弹性热材料已被用于在室温应用中进行冷却，但将此类材料用于低温冷却仍然相对未经探索。在这里，我们在低温下使用应变加载/卸载技术，类似于在室温下使用的技术，以证明 TmVO$_4$ 具有很大的冷却效果。对于 $1.8 \cdot 10^{-3}$ 的应变变化，推断的冷却在 5 K 时达到材料起始温度的大约 50%，证明了“巨人”这一绰号的合理性。除了确定此类材料对低温弹热冷却的适用性之外，这些测量还提供了对材料中作为应变和温度函数的熵景观的额外见解，包括接近四极相变的行为。

主动扫描热探头校准的通用方法

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 仪器仪表和探测器

作者： Alexander Tselev

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06872v1

摘要： 扫描热显微镜 (SThM) 是一种扫描探针技术，旨在定量表征小至数十纳米的长度尺度上的局部热特性。对于许多探针设计和解释探针响应的方法，需要一个通用框架，该框架将允许探针校准和探针性能比较。在这里，我们开发了一个基于有源 SThM 探头的抽象、正式探头模型的校准框架。校准可以通过使用两个或三个校准样品的测量来完成。对校准样品的要求通过已发表文献中确定的合适样品的结构示例进行描述。提供了已发表的实验工作的链接，该实验工作间接验证了所提出的程序。校准不需要了解内部探头特性，并产生一组小型通用参数，可用于量化样品向探头呈现的热阻，以及表征任何类型和任何测量的有源模式 SThM 探头频率。我们已经说明了如何使用探头校准参数来指导探头设计。我们还分析了何时可以直接使用校准方法来测量未知样品的热导率。

来自具有理想径向自旋纹理的结构手性的 Moiré Kramers-Weyl 费米子

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： D. J. P. de Sousa, Seungjun Lee, Tony Low

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06806v1

摘要： 我们证明了二维克莱默-韦尔费米子可以在自旋轨道耦合的扭曲双层中进行设计，其中这些莫尔系统的手性结构打破了所有镜像对称性，将克莱默-韦尔费米子限制在布里渊中的高对称点时间反演对称区域。我们的理论分析揭示了一种增强对称性的 Weyl 式层间莫尔耦合，该耦合普遍确保在 n>2 的 $C_{nz}$ 对称性下，任意扭转角度下的理想径向自旋纹理。第一原理密度泛函计算证实了这些费米子在扭曲的 $\alpha$-In$_2$Se$_3$ 双层中的实现，其中每层中的平带和面外铁电极化保证了二维 Kramers-Weyl 物理具有完美理想的径向旋转纹理。

菱形四层石墨烯中的谷内自旋极化超导

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Yang-Zhi Chou, Jihang Zhu, Sankar Das Sarma

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06701v1

摘要： 我们研究了菱面体四层石墨烯中的谷内自旋极化超导性，该超导性已在 Han $et$ $al$ arXiv:2408.15233 中通过实验发现。我们构建了谷内自旋极化超导性的最小模型，假设简化的各向异性相互作用仅取决于传入和传出动量之间的角度。尽管没有费米表面嵌套，我们表明超导性出现在范霍夫奇点附近，最大$T_c$靠近态密度峰值的分叉点。我们将拓扑 $p+ip$、拓扑 $h+ih$ 和非拓扑节点 $f$ 波对确定为可能的状态，由于谷内的性质，这些都是对密度波阶。此外，这些对密度波阶需要超导性的有限吸引阈值，从而导致狭窄的超导区域，这与实验结果一致。我们讨论了可能的配对机制，并指出 Kohn-Luttinger 机制是菱面体四层石墨烯中谷内自旋极化超导性的合理解释。

生成分层材料搜索

分类： 材料科学, 人工智能

作者： Sherry Yang, Simon Batzner, Ruiqi Gao, Muratahan Aykol, Alexander L. Gaunt, Brendan McMorrow, Danilo J. Rezende, Dale Schuurmans, Igor Mordatch, Ekin D. Cubuk

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06762v1

摘要： 大规模训练的生成模型现在可以生成文本、视频，最近还可以生成晶体结构等科学数据。在材料科学（特别是晶体结构）的生成方法应用中，领域专家以高级指令形式提供的指导对于自动化系统输出可用于下游研究的候选晶体至关重要。在这项工作中，我们将端到端的语言到结构的生成表述为多目标优化问题，并提出了生成分层材料搜索（GenMS）用于晶体结构的可控生成。 GenMS 由以下部分组成：(1) 语言模型，以高级自然语言为输入并生成有关晶体的中间文本信息（例如化学式）；以及 (2) 扩散模型，以中间信息为输入并生成低级文本信息。水平连续值晶体结构。 GenMS还使用图神经网络来预测生成的晶体结构的特性（例如形成能）。在推理过程中，GenMS 利用所有三个组件在可能结构的空间上进行前向树搜索。实验表明，GenMS 在满足用户请求和生成低能量结构方面都优于直接使用语言模型生成结构的其他替代方案。我们确认 GenMS 能够仅通过自然语言输入生成常见的晶体结构，例如双钙钛矿或尖晶石，因此可以为在不久的将来生成更复杂的结构奠定基础。

溶胶-凝胶法合成 Nd 掺杂 BiFeO$_3$ 的结构、磁性能和摆线自旋排序

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： K. Komędera, K. Siedliska, Ł. Gondek, D. M. Nalecz, R. Panek, M. Krupska-Klimczak, I. Jankowska Sumara, W. Tokarz, W. Tabiś, T. Pikula

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06678v1

摘要： 在本研究中，研究了分子式为 Bi$_{1-x}$Nd$_x$FeO$_3$ $(x = 0 - 0.2)$ 的 Nd 掺杂 BiFeO$_3$ 材料的结构和磁性。使用溶胶-凝胶法制备样品并在 823 K 下退火 4 小时。微观结构研究表明，产生的纳米材料的平均晶粒尺寸小于100 nm，观察到的最小晶粒尺寸为$x = 0.15$的固溶体。衍射图案的 Rietveld 分析揭示了从菱面体 $(R3c)$ 晶格到斜方 $(Pbam)$ 结构的成分驱动转变。上述发现与M"ossbauer光谱数据相关，该数据证明了由于向$Pbam$结构的结构转变，自旋摆线逐渐被破坏。使用反映摆线自旋排序的复杂超精细磁场分布模型对光谱进行了分析扫描差示量热法表明，对于所研究的材料，磁有序温度接近 640 K，与 Nd 浓度无关。磁测量表明，随着 Nd 离子浓度的增加，出现了弱铁磁特性，这与 M'ossbauer 光谱数据一致。

超越设计师的知识：通过大型语言模型生成材料设计假设

分类： 机器学习, 材料科学, 人工智能

作者： Quanliang Liu, Maciej P. Polak, So Yeon Kim, MD Al Amin Shuvo, Hrishikesh Shridhar Deodhar, Jeongsoo Han, Dane Morgan, Hyunseok Oh

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06756v1

摘要： 材料设计通常依赖于人类生成的假设，这一过程本质上受到认知约束的限制，例如知识差距和整合和提取知识含义的能力有限，特别是在需要多学科专业知识时。这项工作表明，大型语言模型（LLM）与即时​​工程相结合，可以通过整合不同来源的科学原理来有效地生成重要的材料假设，而无需人类专家的明确设计指导。其中包括具有优异低温性能的高熵合金和具有增强离子电导率和可成形性的卤化物固体电解质的设计理念。这些设我们的方法主要利用编码加工-结构-性能关系的材料系统图，通过浓缩大量论文中的关键信息来实现更有效的数据集成，并对人类认知的众多假设进行评估和分类，两者都是通过大语言模型。这种由大语言模型驱动的方法通过加速设计、使创新民主化以及扩展设计师直接知识之外的能力，为人工智能驱动的材料发现新途径打开了大门。

THeSeuSS 之旅：用于模拟分子和固体的红外和拉曼振动光谱的自动化 Python 工具

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Ariadni Boziki, Frédéric Ngono Mebenga, Philippe Fernandes, Alexandre Tkatchenko

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06597v1

摘要： 振动光谱是一种不可或缺的分析工具，可以提供分子、固体及其界面的结构指纹。本研究介绍了THeSeuSS（太赫兹光谱模拟软件）——一个自动化计算平台，可有效模拟周期性和非周期性系统的红外和拉曼光谱。利用 DFT 和 DFTB，THeSeuSS 为详细的振动谱模拟提供了强大的功能。我们广泛的评估和基准测试表明，THeSeuSS 准确地再现了先前计算的和实验的光谱，从而能够精确比较和解释各种测试案例的振动特征，包括气相中的水和甘氨酸分子，以及固体氨和固体布洛芬。 THESeuSS 采用用户友好的界面设计，并与现有计算化学工具无缝集成，增强了先进光谱模拟的可访问性和适用性，支持化学、制药和材料科学的研究和开发。未来的更新旨在通过结合机器学习技术来分析更大、更复杂的系统，从而扩大其方法的多样性，从而巩固 THESeuSS 作为计算化学家武器库中重要工具的作用。

Zr 在富铜单相和纳米复合材料 Cu-Zr 中的作用：分子动力学和实验研究

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Jiri Houska, Mariia Zhadko, Radomir Cerstvy, Deepika Thakur, Petr Zeman

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06582v1

摘要： 通过磁控溅射沉积和分子动力学模拟相结合，研究了富铜 Cu-Zr 薄膜的非平衡原子逐原子生长。我们重点关注 Zr 在从大固溶体晶体通过纳米复合材料（约 5 at.% Zr）到金属玻璃的转变中的作用。我们发现，与基于平衡相图的假设相反，在这种非平衡情况下，大部分晶粒细化和大部分硬度增强（从 2.5-3 到 4-5 GPa）发生在成分范围内（高达 ~ 3 at.% Zr)，其中许多甚至大多数 Zr 原子（取决于溅射方式）位于过饱和固溶体中，而不是位于晶界处。这些结果对于设计和理解技术上重要的纳米结构金属薄膜非常重要。同时，从方法论的角度来看，结果包括模拟逐个原子纳米复合材料生长的早期示例。

脉冲激光沉积法生长的 Hf${0.5}$Zr${0.5}$O$_2$ 薄膜中极性相生长和稳定的复杂性

分类： 材料科学

作者： Deepak Kumar

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06549v1

摘要： 十年前在 HfO$2$ 基薄膜中发现铁电性后，铁电 Hf${0.5}$Zr${0.5}$O$2$ (HZO) 薄膜经常被用于 CMOS（互补金属氧化物半导体）和逻辑器件，由于它们具有大的剩余极化、高保持力和耐久性。为了了解外延 HZO 薄膜中铁电性的起源并在原子水平上控制控制铁电相的微观结构，人们做出了大量的努力。尽管如此，HZO薄膜仍然存在一些基本问题，例如（1）HZO、缓冲层和控制极性相的基底之间的界面机制不明确； (2) 产生铁电性的亚稳态极性相的性质，是斜方晶系还是菱方晶系；人们对此知之甚少。在这里，我们通过采用原位反射高能电子衍射辅助脉冲激光沉积并在功能性钙钛矿氧化物基底上生长的高质量 HZO 薄膜上绘制不对称极性图来解决这些问题。 La${0.7}$Sr${0.3}$MnO$_3$ (LSMO) 和基底之间的界面非常重要，前者的稍微粗糙的界面会破坏 HZO 铁电相的稳定性，无论铁电层的生长受到良好控制。通过 X 射线衍射非对称极坐标图提取了 HZO 晶胞的类菱形对称性。对 STO(001) 基板上近 7 nm HZO 薄膜的铁电测量显示，残余极化接近 8 uC/cm$^2$。这些结果凸显了二元氧化物薄膜中原子尺度界面的复杂性，对于仍处于起步阶段的 HfO$_2$ 基铁电界具有重要意义。

从精确的交换相关势和能量学习局部和半局部密度泛函

分类： 化学物理, 材料科学, 机器学习, 计算物理

作者： Bikash Kanungo, Jeffrey Hatch, Paul M. Zimmerman, Vikram Gavini

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06498v1

摘要： 寻找准确的交换相关 (XC) 泛函仍然是密度泛函理论 (DFT) 中的决定性挑战。尽管经过了 40 年的积极开发，现有的泛函仍然难以达到所需的化学精度。我们提出了一种数据驱动的途径，通过利用精确的密度、XC 能量和 XC 势来学习 XC 泛函。虽然准确的密度是通过准确的构型相互作用 (CI) 获得的，但准确的 XC 能量和 XC 势是通过 CI 密度的逆 DFT 计算获得的。我们演示了基于简单神经网络 (NN) 的局部密度近似 (LDA) 和广义梯度近似 (GGA)，仅在五个原子和两个分子上进行训练，如何显着改善数百个原子的总能量、密度、原子化能量和势垒高度训练集之外的分子。特别是，基于 NN 的 GGA 泛函达到了与更高梯级 SCAN 元 GGA 相似的精度，凸显了在 XC 泛函建模中使用 XC 潜力的前景。我们希望这种方法能够为系统学习日益准确和复杂的 XC 泛函铺平道路。

氩团簇中里德伯激发异构体的更新

分类： 原子和分子簇, 材料科学, 化学物理, 计算物理

作者： Mukul Dhiman, Benoit Gervais

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06484v1

摘要： 使用双原子分子内 (DIM) 方法报告了激发氩异构体中的二化作用。在之前使用 DIM 的工作中，Ar$_N^$ 的最低能量异构体显示为 Ar$_3^-$Ar$_{N-3}$，但是，使用空穴粒子赝势 (HPP) 方法，表明激发位于二聚体而不是三聚体上； Ar$2^*-$Ar${N-2}$。在这项工作中，我们通过包括先前忽略的 3p4s 和 3p4p $^{1,3}\Sigma$ 状态之间强烈避免的交叉来改进 DIM 计算。

富 Ge Ge$_2$Sb$_2$Te$_5$ 合金中相变存储器操作的多物理场建模

分类： 材料科学

作者： Robin Miquel, Thomas Cabout, Olga Cueto, Benoît Sklénard, Mathis Plapp

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06463v1

摘要： 三元化学计量化合物 Ge$_2$Sb$_2$Te$_5$ (GST) 是相变存储器 (PCM) 中使用最广泛的活性材料之一，其结晶温度较低，约为 150$^\circ$ C.实现更高工作温度的一种解决方案是添加额外的锗 (GGST) 来丰富 GST。这种合金结晶成两相（GST 和几乎纯的锗）的多晶混合物。在之前的作品中[R. Bayle 等人，J. Appl。物理。 128, 185101 (2020)]，使用多相场模型 (MPFM) 研究了该结晶过程，并通过单独的求解器计算出简化的热场。在这里，我们将 MPFM 和相位感知电热解算器结合起来，为 PCM 中的设备操作实现一致的多物理模型。执行内存操作模拟是为了证明其重现实验观察结果和用于评估 PCM 单元性能的最重要校准曲线的能力。

通过中子散射探索的 ErB$_4$ 磁相图

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Simon Flury, Wolfgang J. Simeth, Danielle R. Yahne, Daniel G. Mazzone, Eric D. Bauer, Priscila F. S. Rosa, Romain Sibille, Oksana Zaharko, Dariusz J. Gawryluk, Marc Janoschek

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06436v1

摘要： 四方$4f$-电子金属间化合物ErB$_4$的特点是沿四方$c$轴具有强伊辛各向异性。铒位点上的磁矩可以映射到 Shastry-Sutherland (SSL) 晶格上，从而导致几何挫败。在零磁场下，ErB$4$ 表现出低于 $T\text{N} = 15.4$ K 的共线柱状反铁磁 (CAFM) 顺序。在存在平行于 $c$ 轴的磁场时，ErB$4$ 表现出饱和磁化强度 $M\text{S}$ 的 $1/2$ 处的平台，该平台出现在 $H_1$ $=$ 1.9 T 处的自旋翻转跃迁处。分数磁化平台和其他奇异自旋相是一个公认的特征受挫旋转系统的特征。蒙特卡洛模拟表明，ErB$4$ 是在 CAFM 和 $M/M\text{S}=1/2$ 平台 (HP) 相之间的 $H_1$ 附近具有自旋超固体相的理想候选者。这里我们结合单晶中子衍射和非弹性中子散射来研究ErB$4$的磁相图和晶体电场（CEF）基态。我们作为磁场函数的测量没有发现自旋超固相的特征，但使我们能够确定 HP 相的磁性结构为与 Ising 材料一致的 uuud 类型。由我们的非弹性中子散射测量确定的 CEF 配置预期的磁矩 $\mu{\mathrm{CEF}}$ $=$ 8.96 $\mu_B$ 也与中子衍射中观察到的有序矩一致，表明力矩为完全有序且接近 Er$^{3+}$ 自由离子矩 (9.6 $\mu_B$)。

硅表面的连续二聚体角：关键特性和 Kibble-Zurek 机制

分类： 统计力学, 材料科学

作者： Andreas Weitzel, Gernot Schaller, Friedemann Queisser, Ralf Schützhold

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06412v1

摘要： Langevin 动力学模拟用于分析适用于 Si(001) 表面上形成的二聚体的 XY 模型的静态和动态特性。这些数值利用 GPU 上的高性能并行计算方法。对称破缺 XY 模型的静态指数 $\nu$ 确定为 $\nu = 1.04$。动态临界指数 $z$ 确定为 $z=2.13$，并与 $\nu$ 一起显示 Ising 普适性类的行为。对于与时间相关的温度，我们观察冻结域并将其尺寸分布与基布尔-祖雷克理论的预测进行比较。我们确定了一个明显更大的淬灭指数，该指数几乎不依赖于阻尼或对称破缺场。

LaB6 在正常大气条件下有助于块状石墨自发转化为碳纳米管

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Shalaka A. Kamble, Soumen Karmakar, Somnath R. Bhopale, Sanket D. Jangale, Neha P. Gadke, Srikumar Ghorui, S. V. Bhoraskar, M. A. More, V. L. Mathe

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06410v1

摘要： 在此，我们报告了一个案例研究，其中我们看到商业块状石墨在正常大气条件下自发转化为 LaB6 装饰的碳纳米管 (CNT)。原料石墨用作填充LaB6粉末的空心圆柱形阳极，并在纯氮气氛下的直流电弧等离子体反应器中进行部分侵蚀。当放置在周围大气条件下时，经等离子体处理的残余阳极会异常自发地变形为蓬松粉末，这种变形会持续数月。通过电子显微镜、拉曼光谱和X射线衍射证实了所生成的粉末中存在大量LaB6装饰的多壁碳纳米管。所合成的基于 CNT 的大面积场发射体表现出有前景的场发射特性，在施加的电场为每微米约 1.5 V 的低开启电场和每平方厘米约 1.17 mA 的电流密度每微米 3.24 V。

稀土杂质稀释在镧中的电阻率（第一部分）

分类： 材料科学

作者： Viviana P. Ramunni

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06400v1

摘要： 在这项工作中，我们研究了稀释在 dhcp 镧中的稀土磁性（Gd、Tb、Dy）和非磁性（Lu）杂质的与温度无关的电阻率。我们考虑了一个双带系统，其中传导完全由$s$电子引起，而杂质引起的电荷差的屏蔽由$d$电子进行。我们使用戴森方程中的 $T$ 矩阵形式得到电阻率的表达式。由于电子特性强烈依赖于能带结构，我们考虑了两种类型的能带结构，一种是“抛物线”能带，另一种是通过 VASP 第一原理计算出的更现实的能带结构。我们验证了作为叉积出现的交换参数强烈影响自旋电阻率项的大小；并且能带结构在共振散射或虚拟束缚态中的作用取决于能带结构。我们的研究还包括平移对称性破缺和稀土杂质引入的过量电荷对电阻率的影响。

通过时间分辨光致发光揭示卤化铅钙钛矿中双晶对的潜力

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Hannes Hempel, Martin Stolterfoht, Orestis Karalis, Thomas Unold

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06382v1

摘要： 连续照明下的光致发光（PL）通常用于评估太阳能转换材料的电压损失。然而，人们对这些损失的早期时间演变仍然知之甚少。因此，我们将该方法扩展到时间分辨PL，引入了孪生PL、掺杂PL和同级PL的概念来量化光生电子-空穴对的瞬态化学势和关键光电特性。分析初始 PL 振幅揭示了 100 nm 左右的热载流子分离，并且可能受到三重阳离子钙钛矿晶粒尺寸的限制。接下来的 PL 衰减是由非激子对的扩散分离引起的，并且通过增加熵来时间解析基本但经常被忽视的能量损失。对于三重阳离子卤化物钙钛矿，我们测量到高达 90 meV 的“成对相关能”，持续约十纳秒。这种能量在标准太阳能电池中未得到利用，在 Shockley-Queisser 模型中被认为是损失的。因此，这种双生能量可以大大提高设备的效率，特别是在最大功率点和低照度条件下。

CsPbBr$_3$ 纳米晶能隙温度重正化中不存在反常电子声子耦合

分类： 材料科学

作者： Shima Fasahat, Benedikt Schäfer, Kai Xu, Nadesh Fiuza-Maneiro, Sergio Gómez-Graña, M. Isabel Alonso, Lakshminarayana Polavarapu, Alejandro R. Goñi

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06374v1

摘要： 当金属卤化物钙钛矿以四方相或立方相结晶时，带隙随着温度的升高呈现相当线性的增加。一般来说，热膨胀和电子-声子相互作用效应对间隙随温度的变化有同等的影响。在此，我们通过光致发光 (PL) 测量，解开了胶体 CsPbBr$_3$ 纳米晶体 (NC) 的两种贡献，作为温度（从 80 K 到环境温度）和静水压力（从大气压到约 1）的函数。 GPa）。在室温附近，CsPbBr$_3$ NC 也表现出带隙随温度线性增加，其斜率与典型的甲基铵碘化铅 (MAPbI$_3$) 钙钛矿的斜率相似。鉴于最近对具有低 Cs 含量的混合阳离子 Cs$x$MA${1-x}$PbI$_3$ 单晶的观察，这在某种程度上是出乎意料的，其中 Cs 的掺入导致其含量减少了两倍在间隙的温度斜率中。这种效应归因于与笼空隙内的铯平移动力学混合的振动模式耦合引起的反常电子声子相互作用。因此，在 CsPbBr$_3$ NC 中没有发现异常耦合的痕迹。事实上，我们表明，由于电子带边态具有共同的键合/反键合和原子轨道特征，CsPbBr$_3$ NC 的能隙表现出的线性温度重正化与大多数金属卤化物钙钛矿相同。通过这种方式，我们可以更深入地了解当 A 位阳离子动力学不参与电子-声子相互作用时的一般情况下的间隙温度依赖性。

离子注入金刚石中激光照射引起的色心光活化

分类： 光学, 材料科学, 量子物理学

作者： V. Pugliese, E. Nieto Hernández, E. Corte, M. Govoni, S. Ditalia Tchernij, P. Olivero, J. Forneris

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06359v1

摘要： 钻石中的分裂空位色心是用于实施光子量子技术的有前途的固态平台。这些发光缺陷通常是通过低能离子注入和随后的热退火制造的。他们的技术采用将需要可靠的方法来受控、大规模生产局部单个光子发射器。这项任务部分是通过受控离子注入在主体材料中引入选定的杂质来实现的，并且需要开发具有挑战性的束聚焦或准直程序以及单离子检测技术。我们报告了通过使用 mW 光功率的连续波激光进行局部处理来直接光学激活钻石中分裂空位色心的协议。我们证明了在离子注入的高纯度金刚石晶体中，在整体和单光子发射器水平上光致发光镁和锡相关中心的激活，无需进一步热处理。所提出的光刻方法能够通过相对便宜的设备激活大面积样品的特定位置处的各个色心，从而提供实时、原位的过程监控。

钴基氧硝化物中不存在巡回铁磁性

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Hua-Xun Li, Hao Jiang, Yi-Qiang Lin, Jia-Xin Li, Shi-Jie Song, Qin-Qing Zhu, Zhi Ren, Guang-Han Cao

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06337v1

摘要： 我们报告了一种层状过渡金属有序的氧硝化物Sr${2}$CrCoAsO${3}$。这种新材料是通过真空下的固相反应合成的。它具有共生结构，其中钙钛矿型 Sr$_3$Cr$_2$O$_6$ 单元和 ThCr$_2$Si$_2$ 型 SrCo$_2$As$2$ 块沿着晶体 $c 一致堆叠$ 轴。电阻率、磁化率和比热的测量表明 CoAs 层的金属电导率和 CrO${2}$ 平面中的短程反铁磁有序性。没有观察到 CoAs 层中预期的巡回电子铁磁性。这一结果与第一性原理计算和之前关于其他 CoAs 层材料的报告相结合，表明 Co$-$Co 键长在流动铁磁性的出现中起着至关重要的作用。

由跨平面分子间耦合和亚稳态漏斗状相介导的二维杂化 Ruddlesden$-$Popper 钙钛矿中的铁弹性

分类： 材料科学

作者： Devesh R. Kripalani, Qiye Guan, Hejin Yan, Yongqing Cai, Kun Zhou

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06333v1

摘要： 铁弹性描述了一种现象，其中材料表现出两种或更多种同等稳定的取向变化，并且可以在施加的应力下从一种形式切换到另一种形式。最近的工作表明，二维层状有机$-$无机杂化Ruddlesden$-$Popper钙钛矿可以作为实现铁弹性的理想平台，然而，具有单个八面体层的结构的铁弹性（FE）行为，例如（BA） $_2$PbI$_4$ (BA = CH$_3$(CH$_2$)$_3$NH$_3$$^+$) 仍然难以捉摸。在此，通过结合使用第一原理和元动力学方法，揭示了 (BA)$_2$PbI$_4$ 在机械应力和热应力下的有限元行为。 FE 切换是通过跨平面分子间耦合介导的，这可以通过多种旋转模式发生，从而形成 FE 域和几个亚稳态顺弹性 (PE) 相。这种亚稳态相类似于其他层状材料中的皱纹结构，并且可以充当空穴载流子的“漏斗”。热激发往往会使取向变体之间的过渡路径的动力学势垒变平，这表明高温下亚稳态 PE 态的浓度增加，而卤素与 Br 的混合会提高这些势垒，相反会降低 PE 态的浓度。这些发现揭示了 (BA)$_2$PbI$_4$ 域丰富的结构多样性，这可以在增强钙钛矿的光电性能方面发挥至关重要的作用，并为机械开关、形状记忆和信息处理带来令人兴奋的前景。

用楔形 Pt/Co/Pt 自旋轨道扭矩装置模拟突触可塑性

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Shiwei Chen, Mishra Rahul, Huanjian Chen, Hyunsoo Yang, Xuepeng Qiu

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06286v1

摘要： 我们制作了具有垂直磁各向异性的楔形 Pt/Co/Pt 器件，并证明 Co 磁化强度可以在没有任何磁场的情况下仅通过自旋轨道扭矩进行切换。与突触权重类似，我们观察到楔形 Pt/Co/Pt 器件的 Co 磁化状态（由反常霍尔电阻 RH 表示）可以通过施加脉冲电流以大量非易失性水平连续调节。此外，我们研究了楔形 Pt/Co/Pt 装置的突触可塑性，包括兴奋性突触后电位或抑制性突触后电位以及尖峰时间依赖性可塑性。这项工作阐明了楔形 Pt/Co/Pt 器件作为新型人工突触器件候选者的前景，该器件由自旋电流诱导，并为自旋电子学和突触器件的结合铺平了一条重要途径。

SeeBand：用于分析电子运输数据的高效交互式工具

分类： 数据分析、统计和概率, 材料科学, 计算物理

作者： Michael Parzer, Alexander Riss, Fabian Garmroudi, Johannes de Boor, Takao Mori, Ernst Bauer

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06261v1

摘要： 将能带结构和散射理论的基础物理与可测量的整体热电输运特性等宏观特征联系起来，对于透彻理解输运现象必不可少，并确保更有针对性和更高效的实验研究。在这里，我们介绍SeeBand，一种基于玻尔兹曼传输理论的高效交互式拟合工具。完全集成的用户界面和可视化工具可实现电子能带结构 (EBS) 和微观输运特性之间的实时比较和连接。它允许同时分析塞贝克系数 $S$、电阻率 $\rho$ 和霍尔系数 $R_\text{H}$ 的数据，以识别合适的 EBS 模型并从模型中提取基础微观材料参数和附加信息。至关重要的是，EBS 可以通过直接拟合单个样品的温度相关特性来获得，这超越了之前研究掺杂依赖性的方法。最后，神经网络辅助的初始猜测和高效的后续拟合例程的结合可以快速处理大数据集，促进高通量分析以识别潜在的、尚未发现的依赖关系，从而指导材料设计。

采用 BaTiO$_3$ 铁电填料设计的柔性三层纤维素纸隔膜，用于高能量密度钠离子电池

分类： 材料科学, 应用物理, 化学物理

作者： Simranjot K. Sapra, Mononita Das, M. Wasim Raja, Jeng-Kuei Chang, Rajendra S. Dhaka

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06743v1

摘要： 我们设计了一个完整的电池配置，其中 Na${3}$V${2}$(PO${4}$)${3}$ 作为阴极，预钠化硬碳作为纤维素纸的阳极隔膜并将这些陶瓷浸渍聚合物涂层纤维素纸隔膜与商用玻璃纤维隔膜的电化学性能进行比较。值得注意的是，纸基多层隔膜提供了理想的特性，例如优异的电解质润湿性、高达 200°C 的热稳定性和离子电导率，这些特性对于 SIB 的有效运行至关重要。纤维素隔膜涂有一层聚偏二氟乙烯聚合物，然后是第二层苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）聚合物，其中集成了铁电填料 BaTiO$_{3}$，通过路易斯酸与聚合物主体相互作用。碱相互作用离子并改善了 Na$^{+}$ 离子的传导机制。最终层压是通过改变 SBR 浓度（0.5、0.75 和 1.0 w/v%）来进行的。掺入的聚合物基质提高了纳米颗粒的柔韧性、粘附性和分散性以及电解质对电极的亲和力。纸隔膜的形态显示出具有多孔结构的均匀互连纤维。有趣的是，我们发现，与其他浓度相比，SBR 含量为 0.75 w/v% 的纸隔膜表现出降低的界面电阻和改善的电化学性能，在 240 次循环中保留率为 62%，库仑效率接近 100% 。此外，我们观察到能量密度约为 376 Wh kg$^{-1}$（考虑阴极重量），这与市售玻璃纤维隔膜相当。我们的结果证明了这些多层纸分离器在实现储能系统的可持续性和安全性方面的潜力。

反铁磁拓扑金属 NdGaSi 中的巨大各向异性反常霍尔效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Anyesh Saraswati, Sudipta Chatterjee, Nitesh Kumar

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06250v1

摘要： 磁性材料中磁性和强电子相关性之间的相互作用揭示了各种有趣的拓扑特征。在这里，我们报告了对 NdGaSi 单晶的磁、热力学和电传输特性的系统研究。磁测量揭示了低于 T_N (11 K) 的磁排序，自旋在面内反铁磁排列，并且在面外铁磁 (FM) 排列。由于 TN 处的磁序，纵向电阻率数据和热容表现出明显的异常。磁阻研究显示，沿任一方向测量时，会出现明显不同的行为，这是由于磁性结构的复杂性质造成的，源于一个方向上的力矩完全饱和以及另一个方向上随后的自旋随角异变转变。值得注意的是，我们还注意到了不寻常的各向异性异常霍尔响应。我们在 2 K 时观察到了巨大的反常霍尔电导率 (AHC)，分别为 1730 ohm-1 cm-1 和 490 ohm-1 cm-1，分别为 B // [001] 和 B // [100]。我们对 AHC 的标度分析表明，所研究化合物中的异常霍尔效应主要由 Berry 相驱动的内在机制决定。 NdGaSi 中的这些惊人发现为稀土金属间化合物中的反铁磁自旋电子学开辟了新的可能性。

使用机器学习的原子间势研究非晶固体电解质中的离子扩散率

分类： 材料科学

作者： Aqshat Seth, Rutvij Pankaj Kulkarni, Gopalakrishnan Sai Gautam

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06242v1

摘要： 由于其非晶态性质和不同的化学计量，研究非晶锂磷氮氧化物 (LiPON) 框架内的 Li$^+$ 传输，特别是跨 Li||LiPON 界面，已被证明具有挑战性，需要大型超级电池和长时间尺度的计算模型。值得注意的是，机器学习原子间势（MLIP）可以将经典力场的计算速度与密度泛函理论（DFT）的准确性结合起来，使其成为模拟此类非晶材料的理想工具。因此，在这项工作中，我们在由 13,454 个化学相关结构组成的基于 DFT 的综合数据集上训练和验证神经等变原子间势 (NequIP) 框架来描述 LiPON。通过优化的训练（验证）能量和力平均绝对误差分别为 5.5 (6.1) meV/atom 和 13.6 (13.2) meV/{\AA}，我们在散装 LiPON 和通过 Li||LiPON 接口。通过优化电势生成的非晶态 LiPON 结构确实类似于从头算分子动力学生成的结构，其中 N 结合在非桥接顶端和桥接位点上。随后对大容量 LiPON 结构中 Li$^+$ 扩散率的分析表明与迄今为止的计算和实验文献广泛一致。此外，我们研究了 Li$^+$ 穿过 Li(110)||LiPON 界面的传输的各向异性，我们观察到穿过界面的 Li 传输比块状 Li 内的 Li 运动慢一个数量级和LiPON阶段。尽管如此，我们注意到，锂在界面上传输的各向异性很小，并且预计它不会导致任何显着的阻抗增加。最后，我们的工作强调了 MLIP 在大长度和时间尺度上对复杂非晶系统进行高保真建模的效率。

VQCrystal：利用矢量量化发现稳定的晶体结构

分类： 材料科学

作者： ZiJie Qiu, Luozhijie Jin, Zijian Du, Hongyu Chen, Yan Cen, Siqi Sun, Yongfeng Mei, Hao Zhang

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06191v1

摘要： 通过计算方法发现功能晶体材料仍然是材料科学中的一项艰巨挑战。在这里，我们介绍 VQCrystal，这是一种创新的深度学习框架，它利用离散潜在表示来克服当前晶体生成和逆向设计方法中的关键限制。 VQCrystal采用分层VQ-VAE架构来编码全局和原子级晶体特征，结合基于机器学习的原子间势（IAP）模型和遗传算法来实现以属性为目标的逆向设计。对不同数据集的基准评估证明了 VQCrystal 在表示学习和新型晶体发现方面的先进能力。值得注意的是，VQCrystal 在 MP-20 上实现了最先进的性能，力有效性为 91.93%，Fr'echet Distance 为 0.152，这表明采样过程中具有很强的有效性和高度多样性。为了演示现实世界的适用性，我们将 VQCrystal 应用于 3D 和 2D 材料设计。对于 3D 材料，密度泛函理论验证证实 56 种过滤材料的 63.04% 的带隙和 99% 的形成能符合目标范围。此外，437 个生成的材料被验证为训练集之外的完整数据库中的现有条目。对于二维材料的发现，23 个过滤结构中的 73.91% 表现出高稳定性，形成能低于 -1 eV/原子。我们的结果凸显了 VQCrystal 在加速发现具有定制特性的新型材料方面的潜力。

温度和裂纹尖端速度对弹性固体中裂纹扩展的影响

分类： 材料科学, 软凝聚态物质, 化学物理

作者： B. N. J. Persson

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06182v1

摘要： 我研究了类橡胶材料中裂纹尖端处的键断裂温度和裂纹尖端速度的影响。键断裂被认为是一种应力辅助的热激活过程，并导致有效的裂纹扩展能量，该能量随着温度的降低或裂纹尖端速度的增加而急剧增加。这种效应对于粘合剂（界面）裂纹扩展特别重要，但对于内聚裂纹扩展不太重要，因为在后一种情况下，粘结断裂能要大得多。对于粘合剂裂纹，理论结果与与石英玻璃表面接触的有机硅 (PDMS) 橡胶的粘合力测量结果一致。对于内聚裂纹，该理论与 PDMS 薄膜化学结合到硅化玻璃的实验结果非常吻合。

Mn2P2S3Se3/Sc2CO2范德华异质结构中谷极化金属-半导体转变的铁电调谐及其在非线性霍尔效应器件中的应用

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Hanbo Sun, Yewei Ren, Chao Wu, Pengqiang Dong, Weixi Zhang, Yin-Zhong Wu, Ping Li

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06181v1

摘要： 为了促进下一代纳米自旋电子器件的发展，调节二维（2D）材料中的谷自由度具有重要意义。在这里，我们提出了一种通过二维铁电基板操纵谷和非线性霍尔效应的机制。单层 Mn2P2S3Se3 是一种坚固的反铁磁谷极化半导体。重要的是，Mn2P2S3Se3 的谷极化金属-半导体相变可以通过切换 Sc2CO2 的铁电极化来有效调节。我们揭示了相变的微观机制，其源于电荷转移和能带排列。此外，我们发现 Sc2CO2 的偏振方向变换可以灵活地控制贝里曲率偶极子。基于这一发现，我们提出了通过非线性霍尔效应器件检测谷极化金属-半导体转变。这些发现不仅提供了调整谷自由度的方案，而且为设计非线性霍尔效应器件提供了有前途的平台。

二维 Rashba 交流磁体中螺旋度控制的自旋霍尔角

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Weiwei Chen, Longhai Zeng, W. Zhu

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06167v1

摘要： 我们研究了二维 Rashba 交替磁体中电荷到自旋转换的效率，这是一类融合了铁磁体和反铁磁体特性的材料。利用量子线性响应理论，我们量化了该系统中的纵向和自旋霍尔电导率，并证明通过相对论自旋轨道相互作用和非相对论交磁交换相互作用的双重效应，在能带交叉点以下实现了自旋霍尔角的大幅增强。此外，我们发现该系统中的斜散射和拓扑相关的内在机制几乎可以忽略不计，这与传统的铁磁 Rashba 系统形成鲜明对比。我们的研究结果不仅增进了对 Rashba 交变磁体中自旋动力学的理解，而且还为通过非共线面内和共线面外自旋纹理的复杂控制来操纵电荷到自旋转换的新策略铺平了道路。

CsPbBr3 纳米晶体中非单调尺寸依赖性激子辐射寿命

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Abdullah S. Abbas, Daniel Chabeda, Daniel Weinberg, David T. Limmer, Eran Rabani, A. Paul Alivisatos

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06165v1

摘要： 卤化铅钙钛矿纳米晶体最近因其较短的辐射寿命和接近一致的光致发光量子产率而成为相干量子光发射器和固态激光冷却等应用的理想光学材料。在这里，我们研究了 CsPbBr3 纳米晶体尺寸对环境条件下辐射寿命的影响。高质量纳米晶体具有单指数时间分辨光致发光衰变行为，揭示了辐射寿命的非单调趋势。这种非单调性似乎反映了 II-VI (CdSe) 和钙钛矿半导体纳米晶体中常见的行为。我们发现，由于热可接近的暗态群体，弱量子限制体系中的大纳米晶体表现出较长的辐射寿命。令人惊讶的是，强量子限制范围内的小纳米晶体也表现出较长的辐射寿命，但由于振荡器强度的大幅降低。中量子限制区域中的纳米晶体表现出最短的辐射寿命，因为它们的振荡器强度相对于强限制区域中的粒子增强，但没有像大粒子那样具有足够的低位暗淡态来抵消这种影响。这些发现揭示了纳米晶体尺寸对辐射寿命的影响，并为各种光学应用中的定制光学材料铺平了道路。

使用解缠变分自动编码器进行数据高效且可解释的逆向材料设计

分类： 机器学习, 材料科学

作者： Cheng Zeng, Zulqarnain Khan, Nathan L. Post

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06740v1

摘要： 事实证明，逆向材料设计在加速新材料发现方面取得了成功。许多逆向材料设计方法使用无监督学习，其中学习潜在空间以提供材料表示的紧凑描述。就目标属性和材料的其他属性而言，以这种方式学习的潜在空间可能会发生纠缠。这使得逆向设计过程变得模糊。在这里，我们提出了一种基于解缠变分自动编码器的半监督学习方法，用于学习特征、潜在变量和目标属性之间的概率关系。这种方法的数据效率很高，因为它以连贯的方式组合了所有标记和未标记的数据，并且即使在标记数据有限的情况下，它也使用专家知情的先验分布来提高模型的稳健性。它本质上是可解释的，因为可学习的目标属性与材料的其他属性分开，并且可以通过对模型的分类头进行事后分析来提供额外的可解释性层。我们在实验高熵合金数据集上演示了这种新方法，其中化学成分作为输入，单相形成作为单一目标属性。虽然本工作中使用单一属性，但解缠结模型可以扩展以定制具有多个目标属性的材料的逆向设计。

铁电异质结构中的负电容

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Yuchu Qin, Jiangyu Li

发布时间： 2024-09-10

链接： http://arxiv.org/abs/2409.06156v1

摘要： 负电容可用于克服场效应晶体管 (FET) 中的亚阈值摆幅 (SS) 下限，从而实现超低功耗微电子学，尽管铁电负电容的概念仍然存在争议。在这项工作中，我们使用朗道-登文郡理论严格分析铁电/电介质异质结构中的负电容，确定负电容稳定性发生变化的一（二）阶铁电相变的三（一个）临界电介质厚度。还确定了一个临界电窗口，超过该窗口就无法维持铁电负电容。在第一临界厚度和第二临界厚度之间，在零极化附近存在亚稳态负电容，但当电窗被打破时，亚稳态负电容会丢失且无法恢复。在第二和第三临界厚度之间，无论初始极性状态如何，稳定的负电容始终存在于电窗内接近零极化的位置，从而导致迟滞双P-E环路。超过一（二）阶相变的第三（第一）临界厚度，P-E环变得无磁滞，尽管在足够大的电场下仍然可以诱发自发极化。在临界厚度或电场下也观察到有效介电常数的奇异性。分析表明，铁电体的负电容可以通过临界电窗口内的线性电介质来稳定，并且对于一阶铁电体，负电容可以是无磁滞或磁滞的，而对于二阶铁电体来说，负电容始终是无磁滞的。

界面氧扩散对Pd/CoFeB/Pd/Ta异质结构磁性能和热稳定性的影响

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Saravanan Lakshmanan, Cristian Romanque, Mario Mery, Manivel Raja Muthuvel, Nanhe Kumar Gupta, Carlos Garcia

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05783v1

摘要： 我们研究了退火温度 (TA) 对 Pd (5 nm)/CoFeB (10 nm)/Pd (3 nm)/Ta (10 nm) 多层结构的影响。沉积态样品呈现出具有面内单轴磁各向异性（UMA）的非晶态，从而导致低矫顽力和中等阻尼常数（{\alpha}）值。增加TA导致结晶，形成bcc-CoFe(110)晶体，这增加了面内矫顽力并引入了各向同性磁各向异性，略微降低了{α}。两倍UMA在高达600℃的温度下仍保持不变，即使TA = 700℃，面内磁各向异性的热稳定性也保持不变。TA显着影响磁性能，例如面内饱和磁化强度（Ms//）、面内和面外矫顽力，以及面内有效磁各向异性能量密度 (Keff)。超过 600 C，Keff 下降，表明向单轴垂直磁各向异性转变。观察到从 Ta 覆盖层到 Pd/CoFeB/Pd 界面的界面氧化和扩散，影响化学键合状态。在700℃退火，通过涉及Ta结晶的氧化还原反应减少TaOx中的氧，形成TaB、PdO和BOx状态。铁磁共振谱分析表明，由于局部化学环境，共振场 (Hr) 存在变化。 {α} 的减少在 300 C 退火时达到最小值，归因于不均匀性导致的结构紊乱减少。通过 TA 控制的氧扩散/氧化来定制 Pd/CoFeB/Pd/Ta 结构中的磁各向异性和自旋动力学特性，凸显了它们在 SOT、DMI 和基于磁性斯格明子的自旋电子器件中的潜力。

单层铍烯中不寻常的声子热传输机制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sapta Sindhu Paul Chowdhury, Santosh Mogurampelly

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05766v1

摘要： 我们使用线性化声子玻尔兹曼输运方程以及从 \textit{ab-initio} 计算获得的原子间力常数来计算单层铍的热导率。单层铍在室温下表现出令人印象深刻的 270 W/m$\cdot$K 导热率，超过块状铍 100% 以上。我们的研究揭示了一种显着的温度依赖性行为：$\kappa \sim T^{-2}$ 在低温下，归因于较高的正常声子-声子散射，而 $\kappa \sim T^{-1}$ 在高温下温度，由于 Umklapp 声子相互作用。特定模式分析表明，寿命较长的弯曲声子是热导率的主要贡献者，约占 80%。这种优势是由于散射过程的相空间有限而导致其在面外方向上的较低散射率。此外，我们的研究结果强调了弯曲模式下 Umklapp 散射的抑制和相空间的减小，使人们能够全面了解单层铍的缓和导热性及其在先进热管理应用中的潜力。

二维材料的实时光学气体传感

分类： 应用物理, 材料科学, 化学物理, 计算物理, 光学

作者： Gia Quyet Ngo, Chanaprom Cholsuk, Sebastian Thiele, Ziyang Gan, Antony George, Joerg Pezoldt, Andrey Turchanin, Tobias Vogl, Falk Eilenberger

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05693v1

摘要： 二维过渡金属二硫化物（TMD）由于其强的光-物质相互作用和高的表面积与体积比，对于气体传感器、芯片实验室设备和生物传感应用非常有吸引力。在不同基底和波导几何形状上生长这些范德华材料的能力为可扩展的片上光子纳米器件开辟了前景。在这里，我们报告了一种使用二维 TMD 进行实时远程光学气体传感的多功能技术。气体分子在单层表面上的吸附为基于电荷转移引起的光致发光变化的气体传感提供了途径。对于单层TMD表面吸附较弱的气体，用N2等惰性气体吹扫单层表面可以在室温下从单层中解吸气体。我们通过监测在 SiO2/Si 芯片上生长的半导体 MoS2 单层的光致发光，以 10 ppm 的水平和快速响应时间来演示 CO、NO 和 NO2 检测。我们的密度泛函理论计算支持了观察结果，该计算预测了这些气体和 MoS2 单层之间的显着相互作用。这些发现可能会促进遥感、表面敏感生物分析和芯片实验室传感器的进步。

使用反向蒙特卡罗模拟对高压下非晶 GeO$_2$ 进行结构分析

分类： 材料科学, 无序系统和神经网络

作者： Kenta Matsutani, Asumi Yamauchi, Shusuke Kasamatsu, Takeshi Usuki

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05604v1

摘要： 基于同位素取代原位高压中子衍射实验报告的结构因子，使用逆蒙特卡罗模拟在环境压力到高压下研究了非晶态 GeO$_2$（一种典型的网络玻璃）的结构特性。结果表明，保留了主要包含四面体 GeO$_4$ 单元的拓扑结构，最高可达 ca.~\SI{4}{\giga\pascal} ($\rho/\rho_0 = 1.15$)，这可以通过以下公式解释减少空腔体积。随着进一步施加压力，首先观察到 GeO$_5$ 单元数量增加，然后 GeO$_6$ 单元数量逐渐增加。

探索结合超化学计量和低于化学计量的 MIEC 材料用于氧离子电池的潜力

分类： 材料科学

作者： Silvère Panisset, Alexander Schmid, Alexander Stangl, Juergen Fleig, David Jauffres, Mónica Burriel

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05582v1

摘要： 对储能解决方案不断增长的需求刺激了对下一代电池技术的深入研究。利用混合离子电子导电（MIEC）氧化物的氧离子电池（OIB）由于其固体、不易燃的性质和高功率密度的潜力而成为有前途的候选者。本研究研究了使用超化学计量的 La2NiO4+delta (L2NO4) 作为 OIB 的阴极材料，探索其电化学储能能力。半电池测量表明，具有闭孔微观结构的 L2NO4 可以储存氧气，在 400 {\deg}C 的电流密度和电势为 3.6 uA.cm-2 的情况下，可实现 63 mA.h.cm-3 的体积电荷相对于 1 bar O2，电压高达 0.75 V。此外，还成功开发了结合超化学计量的L2NO4和低于化学计量的La0.5Sr0.5Cr0.2Mn0.8O3-delta（LSCrMn）的功能性全电池，表现出优异的循环性能和库仑效率。全电池在 400°C、17.8 uA.cm-2 和 1.8 V 截止电压下达到 90 mA.h.cm-3 的最大体积电荷。这一概念验证强调了将超化学计量和低于化学计量的 MIEC 材料结合到 OIB 中，并为优化电极材料和调整氧含量以提高性能提供重要见解。这项研究为 OIB 技术的未来发展奠定了基础，旨在开发电阻更低、效率更高的材料。

SciAgents：通过多智能体智能图形推理自动化科学发现

分类： 人工智能, 无序系统和神经网络, 材料科学, 计算和语言, 机器学习

作者： Alireza Ghafarollahi, Markus J. Buehler

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05556v1

摘要： 人工智能的一个关键挑战是创建能够通过探索新领域、识别复杂模式以及揭示大量科学数据中以前未见过的联系来自主推进科学理解的系统。在这项工作中，我们提出了 SciAgents，这是一种利用三个核心概念的方法：（1）使用大规模本体知识图来组织和互连不同的科学概念，（2）一套大型语言模型（LLM）和数据检索工具，以及（3）具有原位学习能力的多智能体系统。 SciAgents 应用于受生物启发的材料，揭示了以前被认为无关的隐藏的跨学科关系，实现了超越传统人类驱动研究方法的规模、精度和探索能力。该框架自动生成和完善研究假设，阐明潜在机制、设计原理和意想不到的材料特性。通过以模块化方式集成这些功能，智能系统可以产生重大发现，批判和改进现有假设，检索有关现有研究的最新数据，并突出其优点和局限性。我们的案例研究证明了可扩展的能力，可以结合生成人工智能、本体表示和多智能体建模，利用类似于生物系统的“智能群”。这为材料发现提供了新途径，并通过解锁自然的设计原理加速了先进材料的开发。

探讨稳定空位有序双钙钛矿的光电特性：来自多体微扰理论的见解

分类： 材料科学

作者： Surajit Adhikari, Priya Johari

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05538v1

摘要： A${2}$BX${6}$ 空位有序双钙钛矿 (VODP) 引起了科学界的广泛研究兴趣，因为它们提供了卤化铅钙钛矿的环保且稳定的替代品。在这项研究中，我们采用最先进的基于第一原理的方法研究 Rb${2}$BCl${6}$ (B = Ti, Se, Ru, Pd) VODP 作为有前景的光电材料，特别是密度泛函理论与密度泛函微扰理论（DFPT）和多体微扰理论的结合[在GW和BSE的框架内]。我们的计算表明，所有这些材料都具有立方晶格结构，并且具有动态和机械稳定性。有趣的是，它们都表现出间接带隙，除了 Rb${2}$RuCl${6}$ 显示金属特征。这些化合物的 G${0}$W${0}$ 带隙值在 3.63 至 5.14 eV 范围内。此外，BSE 的结果表明它们在近紫外到中紫外光区域表现出卓越的吸收能力。此外，对输运和激子特性的研究表明，与空穴相比，它们表现出较低的有效电子质量，激子结合能在 0.16-0.98 eV 之间。与这些化合物中的电子-声子耦合相比，我们还观察到普遍存在的空穴-声子耦合。总的来说，这项研究为指导空位有序双钙钛矿的设计提供了宝贵的见解，作为未来光电应用有希望的无铅候选材料。

调整 Au(111) 上芳香族噻蒽基分子的平面度

分类： 材料科学

作者： Kwan Ho Au-Yeung, Suchetana Sarkar, Sattwick Haldar, Pranjit Das, Tim Kühne, Dmitry A. Ryndyk, Preeti Bhauriyal, Stefan Kaskel, Thomas Heine, Gianaurelio Cuniberti, Andreas Schneemann, Francesca Moresco

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05489v1

摘要： 非平面芳香族分子由于其高稳定性和电子特性而成为有机电子和光电子应用中有趣的系统。通过使用扫描隧道显微镜和光谱学，我们研究了吸附在 Au(111) 上的噻蒽基分子，这些分子在气相和块状固态下是非平面的。改变分子覆盖度会导致两种不同类型的自组装结构的形成：密堆积岛和准一维链。我们发现分子在密堆积岛内是非平面的，而分子链和单个吸附分子的构型是平面的。使用垂直尖端操作将分子与岛分离，我们演示了非平面分子到其平面构型的转换。我们在密度泛函理论计算的支持下讨论了两种不同的几何形状及其电子特性。

通过功能梯度压电粘弹性结构确定波传播中的应力强度因子的积分变换技术

分类： 材料科学

作者： Diksha, Soniya Chaudhary, Pawan Kumar Sharma

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05472v1

摘要： 本研究采用积分变换方法来研究具有界面裂纹的旋转复合结构中洛夫波的传播。该结构包括粘合到压电粘弹性半空间的初始应力功能梯度压电粘弹性半空间。该研究重点关注两种材料系统：Epoxy-BNKLBT 与 Epoxy-KNLNTS 配对，以及 Epoxy-BNKLBT 与 Epoxy-PZT7A 配对。对粘弹性材料进行建模以反映其在旋转和应力条件下的复杂行为。应用伽利略变换将笛卡尔坐标系转换为与洛夫波的传播对齐的移动参考系。利用 Bessel 函数特性，系统被转换为一组二重积分方程，随后重新表述为联立 Fredholm 积分方程。这些 Fredholm 积分方程的数值解用于计算界面裂纹附近的电位移强度因子 (EDIF) 和应力强度因子 (SIF)。本研究的主要目的是可视化不同材料参数（如压电常数、介电常数、初始应力、界面电位移、界面应力和旋转）对 SIF 和 EDIF 的影响。这项研究的研究将有助于表面声波（SAW）传感器和压电执行器等先进技术，以及提高早期癌症检测和生物医学植入的SAW生物传感器的灵敏度和稳定性。

太赫兹发射光谱揭示手性多重半金属 CoSi 非线性光电流的起源

分类： 光学, 材料科学

作者： Yao-Jui Chan, Syed Mohammed Faizanuddin, Raju Kalaivanan, Sankar Raman, Hsin Lin, Uddipta Kar, Akhilesh Kr. Singh, Wei-Li Lee, Ranganayakulu K. Vankayala, Min-Nan Ou, Yu-Chieh Wen

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05424v1

摘要： 不同非线性光电流的光谱识别揭示了电子波函数和动量空间拓扑结构的量子几何特性。对于具有巨大量子化圆形光电池效应的可能性的手性拓扑半金属来说，这是特别有趣的，但仍然令人困惑。在这里，我们报告了手性多重 CoSi 在 0.26 ~ 1 eV 下非线性光电导的全面太赫兹 (THz) 发射光谱分析。我们发现了一个大的线性位移电导率（17 {\mu}A/V2），并确认了巨大的注入电导率（167 {\mu}A/V2），这是来自多重节点附近的强烈干扰的非量化贡献的结果具有相反的手性。由具有复杂波矢量的泵浦场激发的体注入电流被证明携带纵向和横向分量。对称性分析进一步揭示了除了光电池效应之外的弱非局域光子拖曳效应。这项工作不仅通过各种非线性光学通道突出了手性过渡金属单硅化物在中红外光伏应用中的应用，而且巩固了用于定量光伏研究的太赫兹光谱。

高温下非常慢的 O 扩散对氢负离子导体 LaH2.75O0.125 中非常快的 H 扩散的影响

分类： 材料科学

作者： Yoyo Hinuma

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05353v1

摘要： 对优异的 H 导体 LaH2.75O0.125 进行的基于神经网络势的分子动力学 (MD) 模拟表明，根据原子位置的变化（无论时间步长如何），O 在 Tc~550 K 的临界温度以上开始扩散。低于 Tc 温度下的原始扩散过程具有 0.25 eV 的激活势垒。使用不同 O 和 La 质量的 MD 模拟表明，在高于 Tc 时，0.25 eV 过程和激活势垒为 0.20 eV 的附加扩散过程共存。 O 和 La 具有强烈的不和谐特征。

利用温度依赖性防止红外椭偏仪中的过度拟合：以熔融石英为例

分类： 光学, 材料科学, 应用物理

作者： Shenwei Yin, Jin-Woo Cho, Demeng Feng, Hongyan Mei, Tanuj Kumar, Chenghao Wan, Yeonghoon Jin, Minjeong Kim, Mikhail A. Kats

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05323v1

摘要： 材料的色散线性光学特性经常使用振荡器模型来描述，其中振荡器代表光与各种材料共振（振动、自由载流子、带间等）之间的相互作用。最先进的复折射率测量方法是可变角度椭圆偏振光谱仪 (VASE)，与单角度反射率和透射率等更简单的测量相比，额外的测量角度和测量的光去偏振可提供更多信息。然而，即使是最先进的 VASE 数据也很难使用振荡器模型进行唯一拟合，并且生成的模型可能难以进行物理解释。在这里，我们演示了使用额外的自由度、温度来提高材料振荡器模型的准确性、独特性和物理性。我们的方法依赖于材料共振的众所周知的温度依赖性，特别是无定形 SiO2 中的振动共振，预计材料共振会从室温到数百摄氏度单调变化。我们在不同温度下进行了 VASE 测量，独立拟合了数据在每个温度下，然后通过监测所得拟合参数的温度依赖性来确认我们的模型是唯一的和物理的。利用这种技术，我们生成了高度准确和精确的数据集和材料模型，描述了三种不同等级的熔融 SiO2 的中红外复折射率，然后可用于中红外光学元件（例如热发射器）的建模。

通过应用材料中的图神经网络研究材料界面扩散现象

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Zirui Zhao, Haifeng-Li

发布时间： 2024-09-09

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05306v1

摘要： 了解和预测材料中的界面扩散现象对于各种工业应用（包括半导体制造、电池技术和催化）至关重要。在这项研究中，我们提出了一种利用图神经网络（GNN）来研究和模拟材料界面扩散的新方法。我们首先收集来自不同材料系统的扩散系数、浓度梯度和其他相关参数的实验和模拟数据。对数据进行预处理，并提取影响界面扩散的关键特征。随后，我们构建了一个针对扩散问题的 GNN 模型，并用图形表示来捕获材料的原子结构。该模型架构包括用于特征聚合和更新的多个图卷积层，以及用于捕获原子之间复杂关系的可选图注意层。我们使用预处理的数据训练和验证 GNN 模型，实现扩散系数、扩散速率、浓度分布和潜在扩散路径的准确预测。我们的方法提供了对界面扩散的基本机制的见解，并为优化材料设计和工程提供了宝贵的工具。此外，我们的方法提供了可能的策略来解决与材料界面扩散相关的长期存在的问题。

预测聚合物熔体粘度的物理强化神经网络

分类： 计算工程、金融和科学, 材料科学

作者： Ayush Jain, Rishi Gurnani, Arunkumar Rajan, H. Jerry Qi, Rampi Ramprasad

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05240v1

摘要： 通过增材制造 (AM) 实现卓越的聚合物组件依赖于流变学的精确控制。与增材制造特别相关的一项关键流变特性是熔体粘度 ($\eta$)。熔体粘度受聚合物化学、分子量 ($M_w$)、多分散性、诱导剪切速率 ($\dot\gamma$) 和加工温度 ($T$) 的影响。 $\eta$ 与 $M_w$、$\dot\gamma$ 和 $T$ 的关系可以通过参数化方程来捕获。需要进行多次物理实验来拟合参数，因此在未探索的物理领域中预测新聚合物材料的 $\eta$ 是一个费力的过程。在这里，我们开发了一个物理强制神经网络（PENN）模型，该模型可以预测经验参数并对参数化方程进行编码，以计算 $\eta$ 作为聚合物化学、$M_w$、多分散性、$\dot\gamma$、和$T$。我们将 PENN 与物理未知的人工神经网络 (ANN) 和高斯过程回归 (GPR) 模型进行基准测试。最后，我们证明，当外推到稀疏聚合物的 $M_w$、$\dot\gamma$ 和 $T$ 的未见值时，PENN 提供了较高的 $\eta$ 值。

利用热导率各向异性的无铅室温铁电热导开关

分类： 材料科学

作者： Lucile Féger, Carlos Escorihuela-Sayalero, Jean-Michel Rampnoux, Kyriaki Kontou, Micka Bah, Jorge Íñiguez-González, Claudio Cazorla, Isabelle Monot-Laffez, Sarah Douri, Stéphane Grauby, Riccardo Rurali, Stefan Dilhaire, Séverine Gomès, Guillaume F. Nataf

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05216v1

摘要： 具有按需控制导热系数的材料是构建导热开关的先决条件，可以打开和关闭导热系数。然而，虽然需要开发固态制冷、能量收集甚至声子电路的新方法，但理想的开关仍然缺失。它应该仅由活性材料组成，对环境友好，并且在接近室温的情况下工作，具有可逆、快速和大的开关比。在这里，我们首先通过从头算电子结构计算预测钛酸钡中的铁电域表现出各向异性热导率。我们通过结合钛酸钡单晶的频域热反射和扫描热显微镜测量来证实这一预测。然后，我们利用所获得的知识提出一种无铅导热开关，无需非活性材料，可在电场下可逆操作。在室温下，我们发现开关比为 1.6 $\pm$ 0.3，超过了建议用于导热开关的最先进材料的性能。

流体剥离法室温合成氧化镓薄膜

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Fengyu Xu, Jianyu Wang, Li Wang

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05173v1

摘要： 二维金属氧化物在电子学和光电子学中发挥着重要作用，获得薄氧化物薄膜仍然是一个挑战。这里，采用流体剥离方法以加林斯坦为反应物合成金属氧化物薄膜，并获得约1 cm尺寸的Ga2O3薄膜。光学显微镜和扫描电子显微镜图像显示Ga2O3薄膜从galinstan上剥离，没有留下任何液滴。能量色散 X 射线测量证实了 Ga2O3 薄膜的存在。透射电子显微镜和选区电子衍射图表明氧化过程没有预先的方向。基于合金液的室温流体剥离方法为二维金属氧化物的合成提供了一条有前途的途径，在电子和光电器件中显示出重要的应用。

使用基于网格的子图几何深度学习学习多晶塑性

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Hanfeng Zhai

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05169v1

摘要： 金属中的多晶塑性的特点是非线性行为和应变硬化，使得数值模型的计算量很大。我们采用图神经网络 (GNN) 从有限元法 (FEM) 模拟中替代多晶塑性。我们提出了一种新颖的消息传递 GNN，它对 FEM 网格单元之间的节点应变和边缘距离进行编码，将它们聚合以获得嵌入，并将解码的嵌入与节点应变相结合以预测图节点上的应力张量。我们演示了基于 FEM 网格图生成的子图来训练 GNN，其中网格单元被转换为节点，并在相邻单元之间创建边。 GNN 在 72 个图上进行训练并在 18 个图上进行测试。我们将训练好的 GNN 应用于周期性多晶，并基于应变梯度塑性理论学习应力应变图。 GNN 基于 FEM 图进行精确训练，其中训练集和测试集的 $R^2$ 均为 0.993。与随机选择的测试多晶上的基准 FEM 方法相比，所提出的 GNN 塑性本构模型速度提高了 150 倍以上。我们还将经过训练的 GNN 应用于 30 个未见过的 FEM 模拟，GNN 的泛化能力很好，总体 $R^2$ 为 0.992。对多晶中 von Mises 应力分布的分析表明，GNN 模型可以准确地学习应力分布，且误差较小。通过比较训练、测试和未见过的数据集的误差分布，我们可以推断出所提出的模型不会过度拟合，并且泛化能力远远超出了训练数据。这项工作预计将为在多晶塑性建模中使用图作为替代物铺平道路。

单层 VCl3 中的多组分磁轨道序和磁轨道

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Luigi Camerano, Adolfo O. Fumega, Gianni Profeta, Jose L. Lado

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05056v1

摘要： 具有磁态的范德华单分子层为人造量子物质提供了基本的构建模块。在这里，我们建立了以 3d2-过渡金属三卤化物 VCl3 单层磁轨道激发为特征的多组分基态的出现。我们证明单层 VCl3 使用密度泛函理论实现了同时磁和轨道排序的基态。使用第一原理方法，我们推导出具有交织的自旋和轨道自由度的有效哈密顿量，我们证明它可以通过应变进行调整。我们表明，磁轨道子出现为这种复杂顺序的集体模式，并且由于系统中的磁轨道耦合而由耦合轨道磁振子激发产生。我们的结果表明 VCl3 是一种有前景的二维材料，可用于观察新兴磁轨道激发并为多组分对称性破缺提供平台。

金属辅助从聚乙烯醇覆盖的基底上剥离引起的 2D TMDC 应变

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 光学

作者： T. A. Kamenskaya, I. A. Eliseyev, V. Yu. Davydov, A. Yu. Kuntsevich

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05008v1

摘要： 我们改进了金属辅助转移技术，通过引入初始阶段——将块状晶体剥离到中间基材上，特别是涂有聚乙烯醇的硅片，从过渡金属二硫属化物块状晶体中获得大面积的几层薄片。接下来，我们将银热蒸发到样品上，并将晶体的顶层与银层一起转移到目标基板上。该技术可以高产量生产视觉上无波纹的单层和多层薄片。将使用我们的方法剥离的薄片的显微拉曼和显微光致发光光谱与从透明胶带上剥离的薄片的光谱进行直接比较，揭示了它们性质的差异。我们识别了从中间基底剥离的薄片的变形特征，表明基底和薄片之间存在静摩擦。因此，我们的研究结果提出了一种诱导二维材料固有变形的新方法。

脉冲激光沉积技术生长的 p-(001)NiO/n-(0001)ZnO 异质结构

分类： 材料科学

作者： Bhabani Prasad Sahu, Amandeep Kaur, Simran Arora, Subhabrata Dhar

发布时间： 2024-09-08

链接： http://arxiv.org/abs/2409.05003v1

摘要： NiO/ZnO 异质结构是使用脉冲激光沉积 (PLD) 技术在 c 蓝宝石衬底上生长的。 X射线衍射研究表明，ZnO层按照预期在(0001)蓝宝石表面上沿[0001]方向外延生长。同时，发现外延NiO薄膜沿[001]方向沉积在(0001)ZnO表面上。此外，在我们的 NiO 薄膜中还观察到存在三个相互横向旋转 30{\deg} 的 (001)NiO 域。该研究揭示了 NiO 薄膜的连续性质，并且还具有非常光滑的表面形态。与此形成鲜明对比的是，当沉积在 (111)NiO 层上时，ZnO 薄膜会沿 [0001] 方向生长。这些薄膜还表现出柱状形态。 (001)NiO/(0001)ZnO 层表现出整流电流-电压特性，表明这些器件中存在 p-n 结。然而，在 (0001)ZnO/(111)NiO 异质结中无法观察到这种行为。原因可能是 ZnO 层的柱状形貌。这种形态可以促进金属离子从接触焊盘传播到下面的NiO层并抑制p-n结效应。

向列液晶中二维片状体的光激活运动、几何和约束引起的光学效应

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Antonio Tavera-Vázquez, Danai Montalvan-Sorrosa, Gustavo Perez-Lemus, Otilio E. Rodriguez-Lopez, Jose A. Martinez-Gonzalez, Vinothan N. Manoharan, Juan J. de Pablo

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04912v1

摘要： 由于 LC 弹性和表面效应对外部刺激的高度敏感性，运动液晶 (LC) 胶体表现出特殊的行为。然而，很少有研究关注利用液晶相变通过向列相各向同性 (NI) 界面推动胶体包裹体。我们设计了一个准二维主动系统，由浸入热致向列液晶中的固体微米级吸光片组成。血小板在光存在的情况下自我推进，同时自我诱导局部 NI 相变。样品的温度、光强度和限制决定了三种不同的状态：二维大状态，其中血小板各向同性相气泡是静态的并且 NI 界面保持稳定；紧凑的运动二维状态，其中 NI 界面更接近血小板的轮廓；以及以 LC 多极构型的出现为特征的运动 3D 限制机制。我们进行连续介质理论模拟，预测 3D 限制下的静止血小板液晶状态。我们在本质上远离平衡的景观中的研究对于设计简单的合成系统至关重要，这有助于我们理解利用液晶的相变来推动胶体包裹体并触发可调谐的拓扑重构，从而导致光子响应。

一种基于元广义梯度近似的时间相关和介电函数相关的固体材料光学特性方法

分类： 材料科学

作者： Hong Tang, Niraj Pangeni, Adrienn Ruzsinszky

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04904v1

摘要： 准确有效地计算固体材料的光学响应特性仍然具有挑战性。我们提出了一种基于时间相关和介电函数相关的元广义梯度近似 (metaGGA) 密度泛函方法，用于计算散装固体和二维 (2D) 单层材料的光吸收、激子结合能和固有激子寿命。该方法使用先进的metaGGA泛函来描述能带结构，并使用介电函数mBSE（模型Bethe-Salpeter方程）来准确有效地捕获屏蔽效应以及电子和空穴之间的相互作用。计算得出的块体 Si、金刚石、SiC、MgO 和单层 MoS2 的光学吸收光谱与实验结果定性一致。 mBSE 的直接带隙固体 Ar、NaCl 和 MgO 的光学吸收光谱中第一个突出峰的激子结合能与标准 GW-BSE 的激子结合能定性一致。对于单层 MoS2，mBSE 可以定量准确地预测第一个突出峰的结合能，比 GW-BSE 更好。此处考虑的材料的计算本征激子寿命显示，对于大多数亮激子来说，其本征激子寿命为几纳秒。所提出的 mtaGGA-mBSE 方法是一种计算有效的替代材料光学特性的方法，具有整体定性精度。

碳纳米管作为量子点接触谷过滤器和谷分离器

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Naif Hadadi, Adel Belayadi, Ousmane Ly, Adel Abbout

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04815v1

摘要： 通过施加弹性应变可以显着改变碳纳米管的电特性。本研究的重点是使用紧束缚传输计算来探索单壁碳纳米管（SWNT）中的这种现象。结果表明，在特定应变下，扶手椅式 SWNT 可以充当过滤器，分离两个谷电子 K 和 Kp。值得注意的是，当受到变形时，单壁碳纳米管表现出有趣的行为，包括随应变强度变化的量化电导分布。因此，对量子化平台宽度的精确控制可以产生极化谷电流。此外，当两种 K 型都进行时，菌株被证明可以完全分离它们，引导每种 K 型通过不同的途径。

FePd2Te2：具有一维 Fe 链的各向异性二维铁磁体

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子, 超导

作者： Bingxian Shi, Yanyan Geng, Hengning Wang, Jianhui Yang, Chenglin Shang, Manyu Wang, Shuo Mi, Jiale Huang, Feihao Pan, Xuejuan Gui, Jinchen Wang, Juanjuan Liu, Daye Xu, Hongxia Zhang, Jianfei Qin, Hongliang Wang, Lijie Hao, Mingliang Tian, Zhihai Cheng, Guolin Zheng, Peng Cheng

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04800v1

摘要： 近年来，二维（2D）磁体因其在基础物理和自旋电子学应用研究中的重要性而引起了人们的广泛关注。在这里，我们报告了一种新的三元化合物 FePd2Te2 的发现。它具有层状准二维晶体结构，具有沿解理面中的 b 轴延伸的一维 Fe 锯齿状链。可以生长出厘米尺寸的FePd2Te2单晶。对这些晶体的密度泛函理论计算、机械剥离和原子力显微镜表明它们是可以减薄至 5 nm 的二维材料。磁表征表明，FePd2Te2 是一种易面铁磁体，Tc 为 183 K，具有较强的面内单轴磁各向异性。磁阻和反常霍尔效应表明，具有大矫顽力的FePd2Te2薄片可以保持铁磁性。通过扫描隧道显微镜观察到晶体孪晶效应，该效应使 Fe 链在解理平面上呈直角弯曲，并产生有趣的自旋纹理。我们的研究结果表明，FePd2Te2 是一种相关各向异性二维磁体，可能会吸引多学科的研究兴趣。

暗场紫外光电子显微镜中的磁二色性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Maximilian Paleschke, David Huber, Friederike Wührl, Cheng-Tien Chiang, Frank O. Schumann, Jürgen Henk, Wolf Widdra

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04771v1

摘要： 光电发射电子显微镜 (PEEM) 已发展成为纳米尺度表面结构和磁性表征不可或缺的工具。与基于同步辐射的 X 射线 PEEM 作为通过磁性圆二色性 (MCD) 测量元素特定磁性的主要方法形成鲜明对比，实验室紫外 (UV) PEEM 的应用有限，面内二色性效应要小得多磁化。在这里，我们引入暗场 PEEM 作为一种增强阈值光电发射中 MCD 对比度的新方法，从而实现高效的 MCD 成像，并且 Fe(001) 的对比度显着增强一个数量级。这一进步为使用现代激光器在飞秒时间尺度上进行 MCD 成像铺平了道路。实验结果将与先进的相对论光电子计算进行定量基准比较。

WSe2/CrSBr 异质结构中本征局域激子的高度偏振单光子发射器

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Varghese Alapatt, Francisco Marques-Moros, Carla Boix-Constant, Samuel Manas-Valero, Kirill Bolotin, Josep Canet-Ferrer, Eugenio Coronado

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04749v1

摘要： 单光子发射器 (SPE) 是量子信息应用中的关键组件，通常通过非均匀应变工程在 2D 材料中生成。在这里，我们报告了一种涉及 2D 半导体/2D 磁体异质结构的替代方法。 WSe2/CrSBr 异质结构的光学研究揭示了与特征 WSe2 发射相比在较低能量下的几种新发射线，这些发射线被分配给局域激子。进一步的研究表明，这些出现线之一是 SPE，具有强谷极化响应和 CrSBr 中场诱导变磁转变的大能量转移，将其与相邻 CrSBr 层的磁邻近效应联系起来。与之前关于 WSe2 的报道相比，WSe2 只允许通过面外磁场调节 SPE，而我们的发射器对面内和面外磁场都很敏感。我们的研究结果证明了这种方法在改善 2D 材料中 SPE 的控制和极化方面的潜力。

面内磁化的铁谷性

分类： 材料科学

作者： Yibo Liu, Yangyang Feng, Ying Dai, Baibiao Huang, Yandong Ma

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04739v1

摘要： 铁谷性是一种表现出自发谷极化的基本现象，通常被认为发生在具有面外磁化的二维 (2D) 材料中。在这里，我们提出了一种在具有面内磁化的二维材料中实现铁谷性的机制，其中物理与三角晶格中的非共线磁性相关。我们的模型分析提供了允许面内铁谷性的综合成分，揭示了显着的谷偏振需要镜面对称性，并且应该排除时间反转镜面联合对称性。通过调制面内磁化偏移，可以反转谷极化。遵循第一性原理，这种机制在单层W3Cl8的多铁性三角晶格中得到了证明。我们进一步表明，谷极化的反转也可以通过施加调制铁电性的电场来驱动。我们的研究结果极大地丰富了谷物理研究，并显着扩展了铁谷性材料类别的范围。

CrysAtom：用于晶体特性预测的原子分布式表示

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Shrimon Mukherjee, Madhusudan Ghosh, Partha Basuchowdhuri

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04737v1

摘要： 人工智能（AI）的应用在基础科学领域研究的发展中已经无处不在。研究人员频繁使用基于机器学习 (ML) 和深度学习 (DL) 的方法在过去十年中取得了重大进展。这些技术显着提高了不同任务的性能，例如蛋白质结构预测、药物靶点结合亲和力预测和分子特性预测。在材料科学文献中，众所周知，晶体材料表现出拓扑结构。这种拓扑结构可以表示为图，并且利用基于图神经网络（GNN）的方法可以帮助将它们编码到增强的表示空间中。这些框架主要采用监督学习技术，针对基于电子特性（形成能、带隙、总能量等）和晶体结构的下游特性预测任务。一般来说，这种类型的框架高度依赖于手工制作的原子特征表示以及结构表示。在本文中，我们提出了一种无监督框架，即 CrysAtom，使用未标记的晶体数据生成原子的密集向量表示，可用于现有的基于 GNN 的属性预测器模型，以准确预测晶体的重要属性。经验结果表明，我们的密集表示嵌入了原子的化学性质，并显着提高了基线性质预测模型的性能。

使用生成模型确定粉末衍射晶体结构

分类： 材料科学

作者： Qi Li, Rui Jiao, Liming Wu, Tiannian Zhu, Wenbing Huang, Shifeng Jin, Yang Liu, Hongming Weng, Xiaolong Chen

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04727v1

摘要： 准确的晶体结构测定对于涉及晶体材料的所有科学学科至关重要。然而，从粉末 X 射线衍射 (PXRD) 数据求解和精炼无机晶体结构传统上是一个劳动密集型且耗时的过程，需要大量的专业知识。在这项工作中，我们介绍了 PXRDGen，这是一种端到端神经网络，它通过学习实验稳定晶体及其 PXRD 的联合结构分布来确定晶体结构，并通过 PXRD 数据精炼产生原子级精确的结构。 PXRDGen 集成了预训练的 XRD 编码器、基于扩散/流动的结构生成器和 Rietveld 细化模块，可在几秒钟内以无与伦比的精度求解结构。对 MP-20 无机数据集的评估显示，有效化合物的匹配率高达 82%（1 个样品）和 96%（20 个样品），均方根误差 (RMSE) 接近 Rietveld 精修的精度极限。 PXRDGen 有效解决了 XRD 中的关键挑战，例如轻原子的精确定位、邻近元素的区分以及重叠峰的分辨率。总体而言，PXRDGen 标志着根据粉末衍射数据自动确定晶体结构方面的重大进步。

磁振子的手性阻尼

分类： 材料科学

作者： Dae-Yun Kim, Imane Berrai, T. S. Suraj, Yves Roussigne, Shuhan Yang, Mohamed Belmeguenai, Fanrui Hu, Guoyi Shi, Hui Ru Tan, Jifei Huang, Anjan Soumyanarayanan, Kyoung-Whan Kim, Salim Mourad Cherif, Hyunsoo Yang

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04713v1

摘要： 由于反演对称磁体中禁止的独特现象的出现，手性磁体引起了人们的极大兴趣。虽然通过 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 广泛探索了手性磁体的平衡特性，但磁阻尼等非平衡特性受到的关注相对较少。我们首次通过布里渊光散射（BLS）光谱直接观察手性阻尼。采用 BLS 谱分析，我们独立推导了 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 和手性阻尼，分别从谱峰的频移和线宽中提取它们。所得线宽相对于磁振子波矢量表现出明显的奇对称性，明确证实了手性阻尼的存在。我们的研究引入了一种量化手性阻尼的新方法，该方法对手性磁体中的各种非平衡现象具有潜在的影响。

MOVPE 在图案化表观石墨烯上选择性生长高质量六方氮化硼

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Vishnu Ottapilakkal, Abhishek Juyal, Suresh Sundaram, Phuong Vuong, Collin Beck, Noel L. Dudeck, Amira Bencherif, Annick Loiseau, Frédéric Fossard, Jean-Sebastien Mérot, David Chapron, Thomas H. Kauffmann, Jean-Paul Salvestrini, Paul L. Voss, Walt A. de Heer, Claire Berger, Abdallah Ougazzaden

发布时间： 2024-09-07

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04709v1

摘要： 六方氮化硼封装是保护石墨烯免受环境掺杂和杂质散射影响的首选方法。先前已证明，金属有机气相外延 (MOVPE) 可在表观石墨烯（在 SiC 上生长的石墨烯）上生长外延有序、均匀的 BN 层。由于石墨烯的非润湿特性，六方氮化硼优先从石墨烯凸缘开始生长。我们利用这一事实，通过在 BN 生长之前对表观石墨烯微结构进行图案化，选择性地促进表观石墨烯上高质量扁平 h-BN 的生长。通过 MOVPE 生长的 h-BN 薄膜（低至 6 nm）在表观石墨烯上显示出光滑且褶皱的表面形态，而在 SiC 上则观察到褶皱的 BN。横截面高分辨率透射电子显微镜图像和荧光成像证实表观石墨烯上生长的氮化硼质量更高。传输测量揭示了 p 掺杂，正如表观石墨烯的氢嵌入以及高和低迁移率区域所预期的那样。该方法可用于制备结构均匀的高质量h-BN/表观石墨烯微/纳米尺度异质结构。

预测双金属复合材料的电导率

分类： 材料科学

作者： Daniel N. Blaschke, John S. Carpenter, Abigail Hunter

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04655v1

摘要： 产生高磁场不仅需要材料具有高导电性，而且还需要具有良好的强度特性，以便承受必要的强大洛伦兹力。许多双金属复合材料，尤其是铜/铌，被认为是实现此目的的良好候选材料。在这里，我们概括了我们之前关于 Cu/Nb 的工作，以便从理论上预测许多其他双金属复合材料的电导率对微观结构和导电性较差成分的体积分数的依赖性。结合强度特性信息（取自以前的文献），我们在这项工作中提供的电导率信息可以帮助识别具有最高可实现场强的磁体应用的新的有前途的候选材料。

自旋赝阀型 $\mathrm{L}_j$/semiconductor/$\mathrm{L}_j$ 三层的理论自旋输运分析（其中 $\mathrm{L}_j$ = 铁磁）

分类： 材料科学

作者： Julián A. Zúñiga, Arles V. Gil Rebaza, Diego F. Coral Coral

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04635v1

摘要： 在这项工作中，对赝阀自旋（PSV）异质结构中的自旋输运进行了理论研究。对于半导体（SC），考虑倒易空间$\Gamma$点处的导带和自旋轨道耦合（SOC）。对于左侧 ($l$) 和右侧 ($r$) 的铁磁 (FM) 电极，内部交换能量 ($\Delta_j$，其中 $j = \left(l,r\right)$) 和考虑势垒平面上的磁化法向矢量 ($\mathbf{n}_j$)。根据边界条件下的 {\em Schr"odinger-Pauli} 方程，得到了作为 $\mathbf{n}_j$ 方向函数的传输概率的解析表达式。此外，T 处的隧道磁阻 (TMR) $\approx$ 0 K 的计算取决于有利于 FM 磁化强度 ($\theta_m$) 的晶轴方向和 SC 的厚度，使用 {\em Landauer-B"{u}ttiker } 单个通道的公式。可以看出，当 $\mathbf{n}_l$ 方向平行于 $\theta_m$ 时，TMR 达到最大值。将该物理数学模型应用于 Fe/SC/Fe PSV，其中 SC 为 GaAs、GaSb 和 InAs，结果发现 {\em Dresselhaus} SOC 对 TMR 没有显着贡献。

分层 4f 材料的高通量搜索和预测

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Lin Hou, Ying Wai Li, Christopher Lane

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04632v1

摘要： 多功能设备的发展需要发现具有新颖电子特性的新型层状材料。由于存在强自旋轨道耦合、电子-电子相互作用以及流动电子和局域电子之间的杂化，f电子系统自然地具有丰富的竞争和交织相。然而，很少有人关注探索 f 电子化合物家族以寻找新的有前途的层状材料候选物。在这里，我们从镧系元素中鉴定出了 295 种稀土化合物，这些化合物表现出一系列晶格对称性和电子特性。特别是，我们发现带隙覆盖 0.1 eV 至 5.3 eV 范围的金属化合物和绝缘系统，这为红外量子传感器、设计光催化剂和可调谐晶体管开辟了新的可能性。层状系统中包含 4f 态也表明二维受限重费米子超导和拓扑半金属的可能性。我们的研究作为进一步系统理论研究 4f 和其他由重元素组成的二维材料的相关驱动特性的跳板。

机器人群体凝聚力和集群群体过渡的几何条件

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学, 适应和自组织系统, 应用物理

作者： Mathias Casiulis, Eden Arbel, Yoav Lahini, Stefano Martiniani, Naomi Oppenheimer, Matan Yah Ben Zion

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04618v1

摘要： 我们提出了一种用于自驱动粒子的尺寸控制聚类的几何设计规则。在外力作用下倾向于旋转的活性粒子具有带有曲率单位的固有符号参数，我们将其称为曲率，可从第一原理导出。机器人实验和数值模拟表明，单个机器人的属性（半径和曲率）单独控制二元系统中的配对凝聚力以及群体中聚集和聚类的稳定性。我们的结果已应用于超材料并体现了分散控制。

胶体镜：利用深度学习检测 3D 致密胶体

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 统计力学

作者： Abdelwahab Kawafi, Lars Kürten, Levke Ortlieb, Yushi Yang, Abraham Mauleon Amieva, James E. Hallett, C. Patrick Royall

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04603v1

摘要： Colloidscope 是一种采用 3D 残差 Unet 架构的深度学习管道，旨在通过共焦显微镜增强对致密胶体悬浮液的跟踪。该方法使用模拟训练数据集，反映各种现实世界的成像条件，特别针对传统检测方法难以解决的高胶体体积分数和低对比度场景。我们方法的核心是使用实验信噪比 (SNR)、对比度噪声比 (CNR) 和点扩散函数 (PSF) 来准确量化和模拟实验数据。我们的研究结果表明，与传统的启发式方法相比，胶体镜在粒子检测中实现了卓越的召回率（发现更多粒子）。同时，保持高精度（真阳性的比例很高）。该模型对光漂白样品表现出显着的鲁棒性，从而延长了成像时间和可能采集的帧数。此外，胶体镜保持足以对局部结构图案进行分类的小尺度分辨率。通过模拟和实验数据集进行评估，胶体镜将深度学习带来的计算机视觉进步带到了高体积分数的粒子跟踪中。我们为软物质社区的研究人员提供了一个有前途的工具，该模型已部署并可供预训练使用：https://github.com/wahabk/colloidscope。

扭曲 MoTe2 纳米结的反常超导性

分类： 超导, 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Yanyu Jia, Tiancheng Song, Zhaoyi Joy Zheng, Guangming Cheng, Ayelet J Uzan, Guo Yu, Yue Tang, Connor J. Pollak, Fang Yuan, Michael Onyszczak, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shiming Lei, Nan Yao, Leslie M Schoop, N. P. Ong, Sanfeng Wu

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04594v1

摘要： 在拓扑材料中引入超导性可以带来创新的电子相和器件功能。在这里，我们提出了一种通过直接、片上和完全封装的二维晶体生长对莫尔材料中的超导结进行量子工程的新策略。我们在钯金属化扭曲双层二碲化钼 (MoTe2) 中实现了稳健且可设计的超导性，并在约 20 个莫尔单元的高质量结中观察到异常超导效应。令人惊讶的是，该结的超导行为增强而不是减弱，与相邻的 Pd7MoTe2 超导体相比，表现出更高的临界磁场波动。此外，临界电流在零磁场下还表现出惊人的 V 形最小值。这些特征在传统的约瑟夫森结中是意想不到的，并且在使用相同方法创建的天然双层 MoTe2 的结中确实不存在。我们讨论了这些观察结果的含义，包括在莫尔结处可能形成混合奇偶校验超导性。我们的结果还展示了设计和研究分数陈绝缘体超导性的途径。

交变磁 MnTe 薄膜中反常霍尔效应的意外调节

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sara Bey, Shelby S. Fields, Nicholas G. Combs, Bence G. Márkus, Dávid Beke, Jiashu Wang, Anton V. Ievlev, Maksym Zhukovskyi, Tatyana Orlova, László Forró, Steven P. Bennett, Xinyu Liu, Badih A. Assaf

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04567v1

摘要： 如果发现了具有可调谐且强 AHE 的材料，那么对反铁磁体磁态敏感的反常霍尔效应 (AHE) 的发现可能会引发自旋电子学的新时代。交替磁体是一类新型材料，在某些条件下可以表现出很强的 AHE，而不具有净磁化强度。但控制他们的AHE的能力仍然缺乏。在这项研究中，我们证明了在 GaAs(111) 衬底上生长的交变磁性 {\alpha}-MnTe 中的 AHE 可以通过在面内磁场下冷却材料来“按需写入”。磁场控制 AHE 的强度和矫顽力。值得注意的是，这种控制是在 GaAs 上生长的 {α}-MnTe 所独有的，而在 SrF2 上生长的 {α}-MnTe 中则不存在。我们揭示的可调谐性挑战了我们目前对这种材料中允许对称的 AHE 的理解，并为互磁自旋电子器件的设计开辟了新的可能性。

Floquet-Weyl 半金属中的非微扰非线性输运

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Matthew W. Day, Kateryna Kusyak, Felix Sturm, Juan I. Aranzadi, Hope M. Bretscher, Michael Fechner, Toru Matsuyama, Marios H. Michael, Benedikt F. Schulte, Xinyu Li, Jesse Hagelstein, Dorothee Herrmann, Gunda Kipp, Alex M. Potts, Jonathan M. DeStefano, Chaowei Hu, Yunfei Huang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Guido Meier, Dongbin Shin, Angel Rubio, Jiun-Haw Chu, Dante M. Kennes, Michael A. Sentef, James W. McIver

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04531v1

摘要： 周期性激光驱动，称为 Floquet 工程，是操纵量子材料特性的强大工具。使用圆偏振光，可以在形成的光子修饰的 Floquet-Bloch 态中创建称为贝里曲率的人工磁场。当这种机制应用于 3D Dirac 和 Weyl 系统时，预计将导致 Weyl 节点的光子运动，这应该可以在运输领域中检测到。然而，这种拓扑光物质混合体的传输响应在实验上仍然未知。在这里，我们报告了圆偏振光飞秒脉冲照射下的 II 型外尔半金属 T$\mathrm{d}$-MoTe$\mathrm{2}$ 的输运特性。使用超快光电器件架构，我们观察到注入电流和螺旋性相关的反常霍尔效应，其随激光场的缩放强烈偏离非线性光学的微扰定律。我们使用 Floquet 理论表明，这一发现对应于磁性 Floquet-Weyl 半金属态的形成。从头开始的数值模拟支持了这种解释，表明外尔节点的光诱导运动对测量的传输信号有很大贡献。这项工作展示了用光产生大有效磁场（$>$30T）的能力，可用于操纵一系列量子材料的磁性和拓扑特性。

拓扑量子位的空腔控制：聚变规则、任意子编织和马约拉纳-薛定谔猫态

分类： 量子物理学, 材料科学, 统计力学

作者： Luis Quiroga, Fernando J. Gómez-Ruiz, Ivan A. Bocanegra-Garay, Ferney J. Rodríguez, Carlos Tejedor

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04515v1

摘要： 我们研究了在拓扑链中心引入局部空腔的影响，揭示了对系统量子态的深远影响。值得注意的是，空腔会产生类似剪刀的效应，将链一分为二，从而在主体内释放马约拉纳零模式（MZM）。我们的结果表明，这种装置能够观察到非平凡的融合规则和编织——非阿贝尔任意子的关键特征——通过腔光子场的空间选择性超强耦合来促进。这些 MZM 特性可以分别通过费米子奇偶校验读数和光子 Berry 相位直接探测。此外，通过利用两位腔内费米子模式的对称性，我们提出了一种生成 MZM 极化子薛定格猫态的新方法。我们的发现在拓扑量子系统的控制方面取得了重大进展，为拓扑量子系统的控制提供了新的方法。基础研究和潜在量子计算应用的途径。

多晶石墨烯的晶格热导率和声子特性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Kunwar Abhikeern, Amit Singh

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04503v1

摘要： 使用光谱能量密度方法，我们预测了室温下具有多晶性的多晶石墨烯（PC-G）的声子散射平均寿命，该多晶石墨烯仅沿 $\rm{x}$ 轴具有七个不同的取向（倾斜）角。与 PC-G 样品的其他研究相反，我们的结果表明热导率 (TC) 对倾斜角有很强的依赖性。我们还表明，沿 $\rm{x}$ 和 $\rm{y}$ 轴的群速度分量的平方与声子寿命不相关，并且对于具有不同倾斜的所有样本，声子态密度几乎相同角度。此外，发现群速度分量沿 $\rm{x}$ 或 $\rm{y}$ 轴的分布作为法向频率的函数呈指数衰减，而声子寿命的分布则表现出分段常数函数行为频率。我们提供这些分布函数的参数，并建议基于这些分布的 TC 的另一种度量。最后，我们对两个倾斜角 $21.78^\circ$ 和 $32.20^\circ$ 进行了尺寸相关分析，发现与原始的块状 TC 值相比，块状 TC 分量减少了约 34% 至 62%石墨烯。我们的分析揭示了石墨烯中晶粒取向、声子散射和热导率之间相互作用的有趣见解。

晶体晶格热导率的可解释公式

分类： 材料科学

作者： Xiaoying Wang, Guoyu Shu, Guimei Zhu, Jiansheng Wang, Jun Sun, Xiangdong Ding, Baowen Li, Zhibin Gao

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04489v1

摘要： 晶格热导率 (kL) 是晶体的重要物理特性，可应用于热管理，例如散热、绝缘和热电能量转换。然而，准确、快速地确定 kL 提出了相当大的挑战。在这项研究中，我们引入了一个公式，该公式可以实现高精度（平均相对误差 = 8.97%），并且可以在不到一分钟的时间内快速预测各种无机二元和三元材料的 kL。我们的可解释、尺寸一致且基于物理的公式可预测材料项目数据库中 4,601 种二元材料和 6,995 种三元材料的 kL 值。值得注意的是，我们预测室温下 AlBN2 的未发现的高 kL 值 (kL=101 W/ m/ K) 和未检测到的低 kL Cs2Se (kL=0.98 W/ m/ K)。这种确定 kL 的方法简化了与复杂声子物理相关的传统耗时过程。它提供了对微观热传输的见解，并通过声子工程的应用促进具有目标和极端 kL 值的材料的设计和筛选。我们的研究结果为通过设计材料的体积模量、剪切模量和格鲁内森参数来控制和优化材料的宏观传输特性提供了机会。

氧化锌纳米颗粒治疗糖尿病的现状和未来前景

分类： 医学物理, 材料科学, 68T05, 68Q32 68T05, 68Q32, I.2.6; I.2.8

作者： Iqra Yousaf

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04486v1

摘要： 本综述探讨了氧化锌纳米颗粒 (ZnO NP) 在糖尿病治疗中的合成、表征和治疗应用。该研究深入研究了化学和绿色合成方法，比较了它们对纳米颗粒特性的影响。 XRD、FTIR、UV-Vis 光谱和 SEM 等关键表征技术证实了纳米颗粒的晶体结构、光学性质和形态。 ZnO NPs 表现出显着的生物活性，包括抗菌、抗炎和抗糖尿病作用。这些纳米粒子有望改善葡萄糖调节、增强胰岛素敏感性和促进细胞对葡萄糖的摄取。尽管有这些好处，氧化锌纳米粒子的潜在毒性和长期影响值得进一步研究。未来的研究应侧重于优化合成方法并进行全面研究，以充分发挥 ZnO NPs 在糖尿病管理和其他生物医学应用中的潜力。

使用神经进化势通过 GPUMD 进行高效路径积分分子动力学模拟：材料热性能的案例研究

分类： 材料科学, 统计力学

作者： Penghua Ying, Wenjiang Zhou, Lucas Svensson, Erik Fransson, Fredrik Eriksson, Ke Xu, Ting Liang, Bai Song, Shunda Chen, Paul Erhart, Zheyong Fan

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04430v1

摘要： 路径积分分子动力学 (PIMD) 模拟对于准确捕获材料中的核量子效应至关重要。然而，它们的计算强度和对多个软件包的依赖往往限制了它们的大规模适用性。在这里，我们提出了将 PIMD 方法（包括恒温环聚合物分子动力学 (TRPMD)）集成到开源 GPUMD 包中，并结合高精度和高效的机器学习神经进化电位 (NEP) 模型。这种方法几乎实现了第一性原理计算的精度和经验势的计算效率，从而实现了包含核量子效应的大规模原子模拟。我们通过检查不同材料的各种热性能，包括氢化锂 (LiH)、三种多孔金属有机框架 (MOF) 和元素铝，证明了 NEP-PIMD 组合方法的功效。对于 LiH，我们的 NEP-PIMD 模拟成功捕获了同位素效应，再现了实验观察到的晶格参数对约化质量的依赖性。对于 MOF，我们的结果表明，要与实验数据取得良好的一致性，需要同时考虑核量子效应和色散相互作用。对于铝，TRPMD 方法有效地捕获了热膨胀和声子特性，与量子力学预测非常吻合。这种高效的 NEP-PIMD 方法为探索受核量子效应影响的复杂材料特性开辟了新途径，具有广泛材料的潜在应用。

绘制具有最大磁各向异性的钴化学空间的新区域：一项计算高通量研究

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Lorenzo A. Mariano, Vu Ha Anh Nguyen, Valerio Briganti, Alessandro Lunghi

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04418v1

摘要： 磁各向异性减缓磁弛豫，在永磁体的设计中发挥着重要作用。 Co(II)的配位化合物在低配位环境下尤其表现出大的磁各向异性，并已被用作单分子磁体原型。然而，仅对钴的巨大化学空间进行了有限的采样，这可能掩盖了实现大磁各向异性的替代化学途径。在这里，我们对 Co(II) 的化学空间进行计算高通量探索，以寻找新的单分子磁体。我们自动组装了一组约 15000 个新颖的 Co(II) 配合物，并通过多参考从头算方法对它们进行了充分表征。超过 100 种化合物表现出与领先的已知化合物相当或更大的磁各向异性。对这些结果的分析表明，具有破纪录的磁各向异性的化合物也可以通过四配位或更高配位来实现，超越了二配位线性配合物的既定范例。

生物组织中屈服应力和机械塑性的起源

分类： 生物物理学, 无序系统和神经网络, 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Anh Q. Nguyen, Junxiang Huang, Dapeng Bi

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04383v1

摘要： 在发育过程中和正常生理条件下，生物组织不断承受巨大的机械应力。为了应对大变形，组织中的细胞必须进行多细胞重排，以保持完整性和稳健性。然而，这些事件在时间和空间上如何联系仍然未知。在这里，我们利用计算和理论模型研究了大变形下上皮单层的机械塑性。我们的结果表明，组织中的干扰-解除干扰（固体-流体）转变可以根据变形程度而显着变化，这意味着组织是高度非常规的材料。使用分析模型，我们阐明了这种行为的起源。我们还演示了组织如何通过一系列集体重排来适应大变形，其行为类似于非生命材料中的雪崩。我们发现这些组织雪崩是由应力重新分布和脆弱点的空间分布控制的。最后，我们提出了一个简单且可通过实验访问的框架来预测雪崩并根据静态图像推断组织机械应力。

高磁致伸缩 FeGa 薄膜中的磁声波

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Marc Rovirola, M. Waqas Khaliq, Blai Casals, Adrian Begué, Neven Biskup, Noelia Coton, Joan Manel Hernàndez, Miguel Angel Niño, Michael Foerster, Alberto Hernández-Mínguez, Rocío Ranchal, Marius V. Costache, Antoni García-Santiago, Ferran Macià

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04370v1

摘要： 表面声波和磁化之间的相互作用为电控制磁态提供了有效的途径。在这里，我们演示了加酚中磁声波的激发，加酚是一种由铁 (72%) 和镓 (28%) 制成的高磁致伸缩合金。我们使用 X 射线光电子显微镜中的磁成像来量化感应磁化振荡的振幅，并通过微磁模拟来估计动态磁弹性常数。我们的研究结果证明了加苯酚在磁波应用中的潜力，并表明，尽管存在强磁弹性耦合，但磁相互作用和自旋波色散关系显着影响磁声波的整体振幅。

kagome 金属 FeGe 中压力引起的准长程 $\sqrt{3} \times \sqrt{3}$ 电荷密度波和竞争级

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： A. Korshunov, A. Kar, C. -Y. Lim, D. Subires, J. Deng, Y. Jiang, H. Hu, D. Călugăru, C. Yi, S. Roychowdhury, C. Shekhar, G. Garbarino, P. Törmä, C. Felser, B. Andrei Bernevig, S. Blanco-Canosa

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04325v1

摘要： 电子订购在相关系统中很普遍，这些系统通常表现出竞争性交互。在这里，我们使用 X 射线衍射表明 FeGe 的电荷密度波转变温度随着压力的增加而增加，并向 $\sqrt{3}\times\sqrt{3}$ 周期性晶格调制演化，$\mathbf{q} $$^$=$\left(\frac{1}{3}\ \frac{1}{3}\ \frac{1}{2}\right)$。在 4$<$$p$$<$12 GPa 之间的压力区间，两种秩序共存，并且高压下 $\sqrt{3}\times\sqrt{3}$ 秩序的空间范围变得接近长程，$ \sim$30 晶胞，而 2$\times$2 相位的相关长度仍然较短。 $\sqrt{3}\times\sqrt{3}$ 相是高于 15 GPa 的基态，与预测二聚诱导的 $\sqrt{3}\times\sqrt{3}$ 阶次的谐波 DFT 计算一致，无需声子软化。 $\mathbf{q}$$_\mathrm{CDW}=\left(\frac{1}{2}\ 0\ \frac{1}{2}\right)$ 的积分强度与压力的关系$\mathbf{q}$$^$ 表示 2$\times$2 和 $\sqrt{3}\times\sqrt{3}$ 之间的竞争，并表明 FeGe 的基态具有丰富的景观特征亚稳态/脆性相。我们讨论基于有序-无序变换和弗里德尔振荡的形成的可能场景。

莫尔超晶格中的电磁场辅助激子扩散

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： A. M. Shentsev, M. M. Glazov

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04284v1

摘要： 我们研究了激子能谱及其在过渡金属二硫族化物异质双层中形成的莫尔超晶格中的传播。在这种结构中，由于层间相互作用较弱，会产生作用于激子的有效莫尔电势。通常，激子被认为是局域于这样的电势中。在这里，我们证明即使局域位点之间的量子力学隧道效应被抑制，光学活性激子与感应电磁场的耦合也会在波矢量能量色散中产生线性。该效应可以描述为激子在局域化位点处的虚拟生成-复合过程的结果，导致转移矩阵元素$r^{-3}$依赖于位点间距离$r$。基于计算出的能谱，我们研究了莫尔超晶格中的激子传播，并考虑了光-激子相互作用。我们考虑激子的半经典扩散，并考虑激子-声子和激子-静态缺陷散射。对于这些机制，扩散系数随着温度的升高而降低。我们还分析了跳跃传播机制，并证明激子扩散系数的温度依赖性是通过幂律而不是温度的指数函数来描述的。

通过大规模从头计算模拟 $α$-FAPbI$_3$ 的纳米尺寸性质

分类： 材料科学

作者： Virginia Carnevali, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikoalos Lempesis, Andrea Vezzosi, Ursula Rothlisberger

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04219v1

摘要： 碘化甲脒铅 (FAPbI$_3$) 已成为钙钛矿太阳能电池中高太阳能转换效率的最先进技术。在室温下，FAPbI$_3$具有特殊的四方对称晶体结构，其中PbI$_6$骨架从完美的立方结构扭曲，而FA分子随机旋转。这在实验上是众所周知的，但该理论在用适当的模型描述 FAPbI$_3$ 方面仍然存在缺陷，其中充分考虑了系统的规模。利用 300 K 下的从头算分子动力学和第一原理计算，我们证明，为了获得对系统的正确描述，必须同时满足三个因素：带隙、结构畸变最小化和归零的偶极矩。我们表明，随着系统尺寸的增加，由于 PbI6 八面体畸变而不是 FA 旋转，净偶极矩为零。我们还表明，温度带隙振荡与八面体倾斜相关。模拟和实验特性之间的最佳结果表明，FAPbI$_3$ 可以通过接近纳米级的系统尺寸正确描述。

高次谐波光谱揭示了 TiSe$_2$ 中莫特到电荷密度波相变的各向异性

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Igor Tyulnev, Lin Zhang, Lenard Vamos, Julita Poborska, Utso Bhattacharya, Ravindra W. Chhajlany, Tobias Grass, Samuel Mañas-Valero, Eugenio Coronado, Maciej Lewenstein, Jens Biegert

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04216v1

摘要： 这项工作探索使用偏振分辨高次谐波发生 (HHG) 光谱来研究 TiSe$_2$ 相关电荷密度波 (CDW) 相中的量子相和跃迁。与之前关注晶体学变化的研究不同，该研究研究了当材料从室温冷却至 14 K 时 CDW 相内发生的重新排序。通过将超快场驱动动力学与材料的潜在景观联系起来，该研究展示了 HHG 是如何发生的。对量子相变敏感。这些发现揭示了 CDW 转变温度以下的各向异性成分，为该相的性质提供了新的见解。该研究强调了线性和非线性光学响应之间的相互作用以及它们与简单微扰动力学的背离，为凝聚态系统中相关量子相提供了新的视角。

Kagome 晶格拓扑量子材料

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Qi Wang, Hechang Lei, Yanpeng Qi, Claudia Felser

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04211v1

摘要： 在本文中，我们将概述我们在戈薇晶格拓扑量子材料的新型量子特性方面的研究进展。这里，戈薇材料主要有两类：磁性戈薇材料和非磁性戈薇材料。一方面，磁性戈薇材料主要集中在基于3d过渡金属的戈薇体系，包括Fe$_3$Sn$_2$、Co$_3$Sn$_2$S$_2$、YMn6Sn6、FeSn和CoSn。磁能带和拓扑能带之间的相互作用对电子响应具有重要影响。例如，费米能级附近大量狄拉克或韦尔费米子的存在显着增强了动量空间中贝里曲率的大小，导致了巨大的内在反常霍尔效应。此外，戈薇材料独特的受挫结构使它们能够拥有受拓扑保护的斯格明子晶格或非共面自旋纹理，从而产生由实空间贝里相产生的拓扑霍尔效应。另一方面，缺乏长程磁序的非磁性戈薇材料包括超导性、电荷密度波态和能带拓扑共存的CsV3Sb5和范德华半导体Pd$_3$P$_2$S$_8$。对于这两种 Kagome 材料，高压或载流子掺杂方面电响应的可调性有助于揭示电子相关效应和能带拓扑之间的相互作用，并发现 Kagome 材料中新颖的量子现象。

小角度扭曲双层中的长波长域间声子和位错的不稳定性

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： V. V. Enaldiev

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04166v1

摘要： 我们开发了一种长波长声子理论，该理论源自二维材料小角度扭曲同质双层中的位错分离域，例如石墨烯和 MX$_2$ 过渡金属二硫属化物（M=Mo,W；X=S,Se）。我们发现，由于扭曲双层中晶格弛豫而形成的部分位错和完美位错分别具有构成层晶胞的平行和反平行排列，从而支持{\it域间}声子的多个一维子带。我们表明，最低无间隙子带的频谱以虚频为特征，波数低于临界值，取决于位错方向，这表明足够长的直部分和完美位错的不稳定性。其他子带是有间隙的，子带底部位于域中层间剪切模式的频率以下，这有助于借助光学和磁传输技术对其进行检测。

旋转冷冻在掺杂的洪德金属中引起巨大的交换偏压

分类： 强关联电子, 材料科学, 超导

作者： S. J. Li, D. Zhao, J. Li, B. L. Kang, M. Shan, Y. B. Zhou, X. Y. Li, T. Wu, X. H. Chen

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04149v1

摘要： 交换偏差（EB）是广泛传播的信息技术中的一个基本现象。然而，全面了解其微观起源仍然是一个巨大的挑战。争论中的一个关键问题是 EB 机制中的挫败和无序的作用，这激发了对自旋玻璃 (SG) 系统中 EB 效应的探索。在这里，在掺铬洪德金属CsFe2As2的SG态中，我们发现了巨大的EB效应，最大偏置场约为2特斯拉，几乎比传统合金SG大两个数量级。我们的结果表明，巨大的 EB 效应应该源于 Cr 掺杂剂周围可调谐类铁磁 (FM) 区域与 SG 基质之间自然边界处的交换相互作用，通过这种交换相互作用，FM 自旋被SG 矩阵。此外，具有受挫 FM/SG 边界的 SG 模型可以很好地解释温度依赖性和冷却场依赖性的 EB 行为，这提供了对玻璃态参数对 EB 效应影响的直观和明确的理解。所有这些结果表明相关金属是探索 SG 态 EB 效应的有希望的方向。

解析 La3Ni2O7-δ 薄膜的电子基态

分类： 超导, 材料科学, 强关联电子

作者： Xiaolin Ren, Ronny Sutarto, Xianxin Wu, Jianfeng Zhang, Hai Huang, Tao Xiang, Jiangping Hu, Riccardo Comin, X. J. Zhou, Zhihai Zhu

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04121v1

摘要： 最近发现La3Ni2O7-{\delta}在14 GPa压力下具有超导特征，超导转变温度约为80 K，引起了人们的广泛关注。研究电子结构的一个重要方面是辨别 La3Ni2O7-{\delta} 的电子基态与铜酸盐超导体（一种具有长程反铁磁性的电荷转移绝缘体）母态的相似程度。通过 X 射线吸收光谱，我们发现了氧配体对 Ni 离子电子基态的关键影响，显示出类似于铜酸盐的电荷转移性质，但具有不同的轨道构型。识别出与 Ni d_(x^2-y^2 ) 和 d_(z^2) 轨道相关的面内和面外的Zhang-Rice单线态，以及通过内部顶氧的强层间耦合。此外，在 La3Ni2O7-{\delta} 薄膜中，我们使用共振 X 射线散射测量在 Ni L 吸收边检测到超晶格反射 (1/4, 1/4, L)。对共振分布的进一步检查表明反射源自 Ni d 轨道。通过评估反射的方位角依赖性，我们证实了共线反铁磁自旋排序和具有相同周期性排序的类电荷各向异性的存在。值得注意的是，我们的研究结果揭示了这两个组件之间在反射散射强度的温度依赖性方面的微观关系。这项研究丰富了我们对高压下La3Ni2O7-{\delta}高温超导性的理解。

AgSnSe$_2$ 的超导性、拓扑晶体绝缘体以及不存在价跳现象

分类： 超导, 材料科学

作者： Shubham Patel, A Taraphder

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04096v1

摘要： Kataria、\textit{等人最近提出了价跳跃现象驱动 $Ag$ 掺杂 SnSe 中双能隙超导性的建议。 Rev. B 107, 174517 (2023)]，再次将一个长期存在的问题凸显出来。然而，使用第一原理密度泛函理论计算的 AgSnSe$2$ 的电子特性证实了晶体学上不等价 Sn 的存在，但这似乎并没有为该系统中的价态跳跃提供强有力的支持。有趣的是，避免带交叉的签名（包含 SOC）和非零 \textit{mirror} 陈数 ($n{\mathcal{M}}$) 证实了一个不平凡的拓扑。沿镜面存在镜面对称保护的表面态表明 AgSnSe$_2$ 可能是拓扑晶体绝缘体 (TCI) 的潜在候选者。此外，我们利用 Migdal-Eliashberg 理论计算了 AgSnSe$_2$ 的电子声子耦合和各向异性超导特性，给出了临界温度 $T_c \approx 7$K 的单能隙超导性，与实验值 $5$ 一致K.这种三维材料中拓扑和超导的相互作用显得非常有趣，它可能为超导和拓扑的探索提供新的见解。

晶体中的添加剂塑造的表面图案

分类： 材料科学

作者： M. A. Chabowska, M. A. Załuska-Kotur

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04084v1

摘要： 一种制造具有所需新特性的半导体晶体的技术涉及用添加剂（不同类型的原子）取代晶格中的一些原子。这种取代不仅改变了晶体的整体特性，而且还影响了其表面形成的图案。如果某些原子被添加剂取代，则在相同的生长条件下，均匀晶体中光滑且规则的表面可能会变得成束或蜿蜒。邻位元胞自动机 (VicCA) 模型用于研究这种行为，分析当添加剂引入系统时图案形成的机制。还表明，通过在顶部连续施加均匀组合物层足够长的时间，可以使由于添加剂的存在而形成的新形成的结构变得平滑。添加剂还可以用作均匀晶体中形成的束状或曲折表面图案的平滑剂。然而，这种方法对于纳米线等空间延伸的图案不太有效。在大多数情况下，将均匀晶体层应用于空间结构后获得的表面结构并不是完全平滑的，而是呈现不同的形状。演示了这种行为，并分析了其基本机制。

来自$f$-电子共线反铁磁结构的大反常霍尔电导率

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Hisashi Kotegawa, Hiroto Tanaka, Yuta Takeuchi, Hideki Tou, Hitoshi Sugawara, Junichi Hayashi, Keiki Takeda

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04071v1

摘要： 即使在反铁磁 (AFM) 材料中，适当的对称性破缺也会产生反常霍尔 (AH) 效应。具有 $d$ 电子的流动磁体是表现出显着响应的典型例子。相比之下，$f$-电子 AFM 结构产生响应的过程仍不清楚。在本研究中，我们表明 AFM 材料 Ce$_2$CuGe$_6$ 产生高达 $550$ $\Omega^{-1}$cm$^{-1}$ 的 AH 电导率 (AHC)，其中超过了先前报道的 $d$-电子 AFM 材料的值。观察到的特征，包括与电导率的比例关系，表明这种 AH 传输是由 AFM 结构衍生的内在和外在机制共同诱导的。

滑移主导的结构转变

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 模式形成和孤子, 计算物理

作者： Kanka Ghosh, Oguz Umut Salman, Sylvain Queyreau, Lev Truskinovsky

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04066v1

摘要： 我们利用分子动力学证明塑性滑移是方形到三角形结构转变机制的关键组成部分。后者是许多其他重构相变的程式化模拟。为了证明我们的结论的合理性，我们在分子动力学模拟中使用了一种新颖的原子信息介观表示形式来表示晶格畸变场。我们的方法揭示了看似均匀的产物相背后隐藏的交替滑移分布，这表明晶格不变剪切在此类相变中发挥着核心作用。虽然反平行位移的基本模式也可以解释为微观改组，但其精确的晶体学性质强烈暗示了以塑性为中心的解释。

反铁磁材料 TaMnP 中具有灵活域控制的大自发霍尔效应

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Hisashi Kotegawa, Akira Nakamura, Vu Thi Ngoc Huyen, Yuki Arai, Hideki Tou, Hitoshi Sugawara, Junichi Hayashi, Keiki Takeda, Chihiro Tabata, Koji Kaneko, Katsuaki Kodama, Michi-To Suzuki

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04064v1

摘要： 没有宇称时间（$\mathcal{PT}$）对称性的反铁磁体为功能磁性材料领域提供了新颖的视角。其中，具有类铁磁响应的那些是未来应用的有希望的候选者，例如反铁磁（AF）存储器；然而，显示出巨大影响的例子极其有限。在这项研究中，我们表明，尽管净磁化强度较小，但斜方晶系 TaMnP 仍表现出较大的反常霍尔电导率 (AHC) $\sim360-370$ $\Omega^{-1}$cm$^{-1}$ $\sim10^{-2}$ $\mu_B$/Mn。我们的中子散射实验和 AH 效应的观察表明，TaMnP 的磁结构由 $B_{3g}$ 代表的 AF 分量主导，传播矢量 $q=0$。此外，我们证实所获得的 AHC 是在零场下 AF 材料中观察到的最大 AHC 之一。此外，我们的第一性原理计算表明，源自非磁性 Ta-$5d$ 电子的自旋轨道相互作用显着有助于增强动量空间中的贝里曲率。我们发现沿所有晶轴的磁场触发了AF域切换，表明利用对称不同的小净磁化强度来控制AF域的可能性。

过渡金属氧化物 SrRuO$_3$ 中的相关配体电子

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Yuichi Seki, Yuki K. Wakabayashi, Takahito Takeda, Kohdai Inagaki, Shin-ichi Fujimori, Yukiharu Takeda, Atsushi Fujimori, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto, Yoshiharu Krockenberger, Masaaki Tanaka, Masaki Kobayashi

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04062v1

摘要： 在过渡金属化合物中，过渡金属d电子对其物理性质起着重要作用；然而，配体p电子之间的电子相关性的影响尚不清楚。在这封信中，通过共振光电子能谱研究了涉及Weyl费米子的过渡金属氧化物SrRuO$_3$中的Ru 4d 和O 2p 部分态密度（PDOS）。观察结果表明，O 2p PDOS 与 Ru 4d PDOS 相比，与第一性原理计算预测的结果存在偏差。结果表明，配体轨道中的电子相关性对于理解强相关电子系统中 p-d 杂化态的电子结构非常重要，即使是拓扑态也是如此。

MP$_2$X$_6$ 中的多种类型的旋转纹理和强大的谷物理

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Li Liang, Zhichao Zhou, Jie Zhang, Xiao Li

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.04000v1

摘要： 自旋纹理和动量空间中的多谷因其在自旋电子学和谷电子学中的广泛应用而引起了极大的关注。非常希望在单一材料中实现多种类型的自旋纹理，并进一步将自旋纹理耦合到谷自由度。在这里，我们通过第一性原理计算研究了 SnP${2}$Se${6}$ 单层的电子性质。单层在不同的谷处表现出罕见的Weyl型和Ising型自旋织构，可以分别通过电子和空穴掺杂方便地表达。除了谷对比自旋纹理之外，贝里曲率驱动的反常霍尔电流和光学选择性也被发现与谷相关。这些与谷相关的属性也可以推广到 SnP${2}$Se${6}$ 几层和其他 MP${2}$X${6}$。我们的研究结果为探索自旋纹理和多个谷之间有吸引力的相互作用以及设计基于自旋和谷自由度的先进设备范例开辟了新的途径。

碳化硅中具有 $C_{3v}$ 位点对称性的自旋 3/2 Si 空位的自旋声共振理论

分类： 强关联电子, 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Mikito Koga, Masashige Matsumoto

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03988v1

摘要： 受最近应用于碳化硅中硅空位中心的声驱动自旋共振研究的启发，我们从理论上研究了以与应变​​场耦合的缺陷自旋-$3/2$四极分量为特征的自旋-应变相互作用。考虑到空位位点的$C_{3v}$对称性超出球形近似，我们阐明了偏离球形对称性对自旋共振跃迁率的影响，可以通过旋转静磁场来改变自旋共振跃迁率。自旋-应变耦合参数的比率可以使用驻波或行波表面声波根据转变速率的各向异性场方向依赖性来评估。我们还讨论了从反映 $C_{3v}$ 对称性的晶体镜面倾斜的声波传播方向的影响。这里提出的结果揭示了自旋 3/2 态固有的四极特性，并将促进声驱动自旋应变控制的实现。

自旋三重态系统场角分辨磁声共振理论在金刚石氮空位中心的应用

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Mikito Koga, Masashige Matsumoto

发布时间： 2024-09-06

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03971v1

摘要： 受最近应用于金刚石氮空位（NV）中心的声驱动电子自旋共振研究的启发，我们研究了电子自旋三重态与周期性时间依赖性振荡应变场的相互作用。在最低层两能级系统的基础上，我们展示了使用 Floquet 理论通过旋转外加磁场来控制双声子跃迁概率的重要性。特别是，我们演示了如何评估考虑 NV 自旋态的 $C_{3v}$ 点群的自旋-应变相互作用中的耦合强度参数。自旋态的能级分裂可以通过改变相对于NV轴的场方向来调整，以获得适合实际应用的较低声子共振频率。着眼于纵向声子介导跃迁消失的场旋转角，我们表明这里提出的磁声共振提供了有用的信息，作为 NV 缺陷所具有的未量化自旋应变耦合的新探针。

元素碲的手性途径

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yuxing Zhou, Stephen R. Elliott, Daniel F. Thomas du Toit, Wei Zhang, Volker L. Deringer

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03860v1

摘要： 手性晶体，就像手性分子一样，不能叠加到它们的镜像上——这是一个与有趣的物理行为相关的基本特性，并在功能设备中得到利用。在具有晶体手性的最简单的无机体系中，元素碲采用右旋或左旋链结构。然而，由于Te的快速结晶，即使是最先进的实验也达到了空间和时间分辨率的极限，理解这些结构的形成机制一直很困难。在这里，我们报告了超大规模、量子力学精确的模拟，揭示了固体碲的结晶机制和晶体手性的起源。我们确定了一种特征性的、无序的立方体结构基序——一种只有纳秒寿命的瞬态键合环境——它能够实现 Te 的快速结晶并介导手性传递。基于由此产生的微观理解，我们能够解释碲基电子器件的开关机制。

从第一原理影响极性半导体中氦量子蒸发的因素

分类： 高能物理-现象学, 介观和纳米物理, 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Lakshay Dheer, Liang Z. Tan, S. A. Lyon, Thomas Schenkel, Sinéad M. Griffin

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03857v1

摘要： 虽然有很多间接证据表明暗物质（DM）的存在，但迄今为止它还没有被发现。目前的工作重点是超过 $\sim$GeV 的 DM 质量——为了将 DM 搜索的灵敏度提高到更低的质量，需要新的 DM 目标和检测方案。在这项工作中，我们重点关注后者——最近提出的一种新颖的检测方案，用于检测极性目标材料中的~10-100 meV 声子。先前的工作表明，动机良好的 DM 模型可以与极性半导体相互作用，产生非热声子群体。这种新的传感方案提出，这些声子随后促进 $^3$He 从沉积在目标材料上的范德华薄膜中的量子蒸发。然而，对基本过程的基本理解仍不清楚，与蒸发的精确速率及其控制方式相关的一些不确定性。在这项工作中，我们使用 \textit{ab initio} 密度泛函理论 (DFT) 计算来比较氦原子在极性目标材料碘化钠 (NaI) 上的吸附能，以了解潜在的蒸发物理原理。我们探讨了表面终止、单层覆盖和元素种类对 He 从靶材料蒸发速率的影响。利用这一点，我们讨论了氦蒸发实验的最佳目标特征及其通过化学和物理修改（例如施加场和表面终止）的可调范围。

解开锰混合铁氧体纳米粒子中的各向异性贡献

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Marianna Gerina, Marco Sanna Angotzi, Valentina Mameli, Michal Mazur, Nicoletta Rusta, Elena Balica, Pavol Hrubovčák, Carla Cannas, Dirk Honecker, Dominika Zákutná

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03736v1

摘要： 设计明确的磁性纳米材料对于各种应用至关重要，并且需要在微观水平上全面了解其磁性。在这项研究中，我们研究了锰钴混合尖晶石纳米颗粒总各向异性的贡献。通过采用对亚 A 分辨率的空间分辨表面各向异性敏感的中子测量，我们揭示了可由形状各向异性和颗粒间相互作用解释的过量各向异性之间的差异。我们的研究结果揭示了化学成分、微观结构、形态和表面效应之间复杂的相互作用，并为先进磁性纳米材料的设计提供了宝贵的见解。

SR-CLD：空间分辨弦长分布，用于非均匀微观结构的统计描述、可视化和对齐

分类： 材料科学

作者： Sheila E. Whitman, Marat I. Latypov

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03729v1

摘要： 本研究介绍了空间分辨弦长分布（SR-CLD）的计算，作为量化和可视化异质材料中不均匀微观结构的有效方法。 SR-CLD 能够详细分析不同方向上微观结构成分尺寸的空间变化，而传统描述可能会忽略这些变化。我们使用高效的扫描线算法来计算 SR-CLD，该算法沿着微结构图像的像素行或列对成分中的像素进行计数，以获得详细的高分辨率 SR-CLD 图。我们在两个案例研究中展示了 SR-CLD 的应用：一个是关于具有已知且有意创建的均匀和梯度晶粒尺寸空间分布的合成多晶微观结构；另一个是关于合成多晶微观结构。一张是增材制造的钛合金的两相微观结构的实验图像，其中一相的板条空间分布明显不均匀。此外，我们还介绍了 SR-CLD 如何实现大型图像集的自动化、计算效率高且稳健的对齐，以便合并为大型微观结构区域的精确合成图像。

周期性 EOM-CCSD 中电离能和电子亲和力的有限尺寸效应：收敛率和热力学极限外推

分类： 材料科学

作者： Evgeny Moerman, Alejandro Gallo, Andreas Irmler, Tobias Schäfer, Felix Hummel, Andreas Grüneis, Matthias Scheffler

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03721v1

摘要： 我们使用与倒易空间中日益密集的积分网格相对应的越来越大的模拟单元来研究周期系统的准粒子能量向热力学极限的收敛。准粒子能量是在电离 (IP-EOM-CC) 和电子附着过程 (EA-EOM-CC) 运动方程耦合团簇理论水平上计算的。通过引入电子关联结构因子，正式推导了不同维数系统的预期渐近收敛速率。我们通过使用 IP/EA-EOM-CCSD 和 G0W0@HF 近似对反式聚乙炔进行数值模拟来严格测试这些推导，这证实了预测的收敛行为。我们的研究结果为纠正 IP/EA-EOM-CCSD 计算中有限大小错误的有效方案奠定了坚实的基础。

量子材料多维太赫兹探针

分类： 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Albert Liu

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03719v1

摘要： 多维光谱起源于核磁共振，有着悠久的历史，现在在红外和光学频率上也得到了广泛的应用。然而，传统多维探针的能量尺度不适合研究量子材料。最近的技术进步现已使这些多维技术扩展到太赫兹频率范围，在该范围内通常会发现量子材料的集体激发。本视角介绍了二维太赫兹光谱 (2DTS) 技术和 2DTS 光谱揭示的量子材料的独特物理特性，并精选了一些快速扩展的实验和理论文献。虽然 2DTS 迄今为止主要应用于平衡态的量子材料，但我们为其应用提供了展望，以了解其动态非平衡态及其他状态。

Kagome材料CsTi$_3$Bi$_5$的红外光谱研究

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Liye Cao, Xiangqi Liu, Jiayi Cheng, Bixia Gao, Xiaoting Zhang, Yanfeng Guo, Fengjie Ma, Rongyan Chen

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03688v1

摘要： kagome 材料 CsTi$_3$Bi$_5$ 与广泛研究的电荷密度波 (CDW) 化合物 CsV$_3$Sb$_5$ 具有同构结构，在钛原子的二维 kagome 晶格内表现出有趣的电子特征。在这里，我们对单晶CsTi$_3$Bi$_5$进行光学光谱测量和第一性原理计算，以全面研究其电子特性。发现整体光谱与CsV$_3$Sb$_5$非常相似，但CsTi$_3$Bi$_5$排除了CDW不稳定性的存在。通过仔细比较 CsV$_3$Sb$_5$ 的光学响应，我们将这种差异归因于 CsTi$_3$Bi$_5$ 的巡回载流子密度显着降低，这与范霍夫奇点的缺失有关接近费米能级 $M$ 点。该结果支持 CsV$_3$Sb$_5$ 中的 CDW 是由 van Hove 奇点的嵌套驱动的情况。此外，我们还揭示了一些奇特的低位吸收特征，这些特征为 CsTi$_3$Bi$_5$ 中的平带提供了明确的证据。我们的研究结果有助于更深入地了解 CsTi$_3$Bi$_5$ 中的奇异现象，并为范霍夫奇点在 CsV$_3$Sb$_5$ 中的作用提供有价值的见解。

对六方氮化硼晶体和薄膜集成到石墨烯基范德华异质结构中进行基准测试

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Taoufiq Ouaj, Christophe Arnold, Jon Azpeitia, Sunaja Baltic, Julien Barjon, Jose Cascales, Huanyao Cun, David Esteban, Mar Garcia-Hernandez, Vincent Garnier, Subodh K. Gautam, Thomas Greber, Said Said Hassani, Adrian Hemmi, Ignacio Jimenéz, Catherine Journet, Paul Kögerler, Annick Loiseau, Camille Maestre, Marvin Metzelaars, Philipp Schmidt, Christoph Stampfer, Ingrid Stenger, Philippe Steyer, Takashi Taniguchi, Bérangère Toury, Kenji Watanabe, Bernd Beschoten

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03652v1

摘要： 我们提出了一个基准测试协议，它将氮化硼（BN）晶体和薄膜的表征与这些基板上石墨烯的电子特性的评估相结合。我们的研究包括在不同条件下生长的六方氮化硼晶体以及通过化学或物理气相沉积（CVD 或 PVD）沉积的可扩展氮化硼薄膜。我们探索了从氮化硼生长、通过时间分辨阴极发光 (TRCL) 进行光学表征，到封装和霍尔棒处理后通过拉曼光谱对石墨烯进行光学和电子表征的完整过程。在我们的基准测试协议中，我们通过快速且可重复的处理例程在每个霍尔棒器件中实现了均匀的电子性能。我们发现，通过 TRCL 在生长的六方氮化硼晶体上测量的 1 ns 自由激子寿命足以在载流子密度 |n| 下实现 80,000 cm$^2$/(Vs) 的高石墨烯室温载流子迁移率。 = 10$^{12}$ cm$^{-2}$，而各自的激子寿命约为 100 ps，迁移率高达 30,000 cm$^2$/(Vs)。对于可扩展的 PVD ​​生长的 BN 薄膜，我们测量的载流子迁移率超过 10,000 cm$^2$/(Vs)，这与 22 cm$^{-1}$ 的石墨烯拉曼 2D 峰值线宽相关。我们的工作强调了石墨烯拉曼二维线宽作为有效评估 BN 基板界面质量（即表面粗糙度）的关键指标的重要性，这直接影响石墨烯的载流子迁移率。石墨烯二维线宽分析适用于所有 BN 基板，并且当 TRCL 或 BN 拉曼光谱无法应用于特定 BN 材料（例如非晶或薄膜）时特别有利。这凸显了空间分辨光谱在评估用于高迁移率石墨烯器件的 BN 晶体和薄膜方面的优越作用。

使用飞秒 X 射线 FEL 脉冲在 LiF 晶体中形成高深宽比纳米腔

分类： 等离子体物理, 材料科学

作者： Sergey S. Makarov, Sergey A. Grigoryev, Vasily V. Zhakhovsky, Petr Chuprov, Tatiana A. Pikuz, Nail A. Inogamov, Victor V. Khokhlov, Yuri V. Petrov, Eugene Perov, Vadim Shepelev, Takehisa Shobu, Aki Tominaga, Ludovic Rapp, Andrei V. Rode, Saulius Juodkazis, Mikako Makita, Motoaki Nakatsutsumi, Thomas R. Preston, Karen Appel, Zuzana Konopkova, Valerio Cerantola, Erik Brambrink, Jan-Patrick Schwinkendorf, István Mohacsi, Vojtech Vozda, Vera Hajkova, Tomas Burian, Jaromir Chalupsky, Libor Juha, Norimasa Ozaki, Ryosuke Kodama, Ulf Zastrau, Sergey A. Pikuz

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03625v1

摘要： 金属的亚皮秒光学激光加工被积极用于加热表面层的改性。但为了对不同材料进行更深入的改性，需要使用硬 X 射线范围内的激光。在这里，我们证明来自自由电子激光器的单个 9 keV X 射线脉冲可以在 LiF 中形成直径为 um 的圆柱形腔，长度约为 1 mm，周围环绕着冲击变形材料。具有 TPa 级压力的等离子体产生的冲击波会导致任何材料的损坏、熔化和多晶型转变，包括对传统光学激光器透明和不透明的材料。此外，圆柱冲击可用于获得大量奇异的高压多晶型物。通过连续介质和原子模拟分析了 LiF 中的压力波传播、径向材料流动、裂纹和空隙的形成，揭示了导致具有长空腔的最终结构的一系列过程。半导体和陶瓷也可以产生类似的结果，这为硬 X 射线脉冲激光材料加工的发展开辟了新途径。

Fe$_3$GeTe$_2$ 晶体的表面磁性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： T. A. Tyson, S. Amarasinghe, AM M. Abeykoon, R. Lalancette, S. K. Du, X. Fang, S. -W. Cheong, A. Al-Mahboob, J. T. Sadowski

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03565v1

摘要： Fe$_3$GeTe$_2$ 的表面磁化强度通过低能电子显微镜 (LEEM) 使用非垂直入射电子束进行检查。我们发现 180$^o$ 畴壁是 Bloch 型。温度相关的 LEEM 测量产生表面磁化强度，其表面临界指数 $\beta$1 = 0.79 +/- 0.02。该结果与 3D 半无限 Heisenberg ($\beta$1 = 0.84 +/- 0.01) 或 Ising ($\beta$1 = 0.78 +/- 0.02) 模型中的表面磁性一致，这与体指数明显不同（$\beta$ = 0.34 +/- 0.07）。测量揭示了 LEEM 具有倾斜光束确定量子材料磁畴结构的能力。单晶衍射测量揭示了反演对称性破缺的弱峰和屈服空间群 P-6m2。这种由 Fe 位点缺陷引起的反演对称性损失使得在 Fe$_3$GeTe$_2$ 晶体中形成斯格明子。

任意形貌基底上小固体颗粒的动力学

分类： 材料科学

作者： Quan Zhao, Wei Jiang, Yan Wang, David J. Srolovitz, Tiezheng Qian, Weizhu Bao

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03468v1

摘要： 我们研究由毛细作用驱动的弯曲基板上的薄膜去湿而产生的小固体颗粒的动力学，其中质量传输由表面扩散控制。我们考虑当沉积颗粒的尺寸远小于基底表面的局部曲率半径时的情况。 Onsager 变分原理的应用产生了任意弯曲基底上粒子动态行为的降阶模型。我们证明粒子以确定的速度向平均曲率较低的基底表面区域移动。特别是，速度与基底曲率梯度成正比，与颗粒尺寸成反比，其系数取决于材料特性，包括表面能、表面扩散率、密度和杨氏（润湿）角。通过与二维和三维的完整锐界面模型的数值结果进行比较，验证了简化模型。

微调大型语言模型以适应领域：探索训练策略、扩展、模型合并和协同能力

分类： 计算和语言, 材料科学, 人工智能

作者： Wei Lu, Rachel K. Luu, Markus J. Buehler

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03444v1

摘要： 材料科学和工程等领域应用的大型语言模型 (LLM) 的进步取决于微调策略的开发，使模型适应专业的技术能力。在这项工作中，我们探讨了持续预训练（CPT）、监督微调（SFT）和各种基于偏好的优化方法（包括直接偏好优化（DPO）和比值比偏好优化（ORPO））对微调的影响。调整了LLM表现。我们的分析显示了这些策略如何影响模型结果，并揭示了多个微调模型的合并可以导致超越父模型的单独贡献的能力的出现。我们发现模型合并带来了父模型无法单独实现的新功能，从而提高了特定领域评估的性能。介绍了不同模型架构的实验，包括 Llama 3.1 8B 和 Mistral 7B 模型，其中观察到了类似的行为。为了探索结果是否也适用于更小的模型，我们使用了一个具有 17 亿个参数的小型 LLM，并表明非常小的 LLM 不一定具有模型合并下的新兴功能，这表明模型扩展可能是一个关键组成部分。在人类和人工智能模型之间开放式但一致的聊天对话中，我们的评估揭示了对不同模型变体如何执行的详细见解，并表明最小的模型在推理深度、创造力、清晰度和定量等关键标准上获得了高智力分数精确。其他实验包括基于不同的生物材料设计概念开发图像生成提示，以基于生物材料启发的建筑原理创建新的微观结构、建筑概念和城市设计。

位错几何理论中的毕奥-萨伐尔定律

分类： 材料科学

作者： Shunsuke Kobayashi, Ryuichi Tarumi

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03443v1

摘要： 看似无关的物理现象背后可能存在通用的机械原理，为这些现象提供了新颖的见解。这项研究通过与电磁学的类比揭示了位错的几何理论。在该理论中，求解嘉当第一结构方程对于将位错密度与位错的塑性变形场联系起来至关重要。从亥姆霍兹分解导出的无散度条件的附加约束形成了反映电磁学中的安培定律和高斯定律的控制方程。这允许使用毕奥-萨伐尔定律对方程进行分析积分。通过该过程获得的螺旋位错和刃位错的塑性变形场在垂直于位错线的截面上形成涡旋和正交坐标系。这种正交性植根于满足柯西-黎曼方程的相应复函数的共形性质，从而导致塑性变形的复势。我们通过与经典位错理论的比较来验证结果。不相容张量对于机械场的生成至关重要。这些发现通过潜在的数学相似性揭示了位错理论、电磁学和复杂函数的深刻统一。

利用柯尔莫哥洛夫-阿诺德网络有效预测势能表面和物理特性

分类： 计算物理, 材料科学

作者： Rui Wang, Hongyu Yu, Yang Zhong, Hongjun Xiang

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03430v1

摘要： 机器学习方法在材料科学中预测性能的应用引起了人们的广泛关注。在最近的进展中，柯尔莫哥洛夫-阿诺德网络 (KAN) 已成为传统多层感知器 (MLP) 的有前途的替代品。本研究评估了在三个已建立的机器学习框架中用 KAN 替代 MLP 的影响：Allegro、神经等变原子间势 (NequIP) 和基于边缘的张量预测图神经网络 (ETGNN)。我们的结果表明，KAN 的集成通常会提高预测精度。具体来说，在输出块中用 KAN 替换 MLP 可以显着提高准确性，并且在某些情况下还可以减少训练时间。此外，相对于在整个模型中使用 KAN，仅在输出块中使用 KAN 可以促进更快的推理并提高计算效率。我们发现 KAN 的最佳基函数的选择取决于当前的特定问题。我们的结果证明了 KAN 在增强机器学习潜力和材料特性预测方面的强大潜力。

磁隧道结中交变磁势垒的各向异性自旋过滤

分类： 材料科学

作者： Boyuan Chi, Leina Jiang, Yu Zhu, Guoqiang Yu, Caihua Wan, Xiufeng Han

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03415v1

摘要： 自旋过滤效应（磁势垒中相反自旋极化电子经历的不同衰减长度）通常发生在铁磁 (FM) 绝缘体或半导体中。随着与铁磁体表现出类似的自旋极化电子能力的交变磁 (ALM) 材料的兴起，ALM 绝缘体或半导体是否也可以充当自旋分裂效应的独特势垒，这是一个自然问题。在这里，通过第一性原理计算，我们研究了ALM绝缘体FeF$_2$的复杂能带结构，发现其具有各向异性自旋滤波效应：沿着FeF$_2$的[001]方向，电流保持自旋-中性，但在动量空间中具有局部非零自旋极化；此外，沿着FeF$_2$的[110]方向，电流将被相反自旋极化电子的不同衰减长度全局自旋极化。利用这种各向异性自旋过滤效应，我们设计了两种带有ALM势垒的MTJ：ALM电极/ALM绝缘体势垒/非磁性（NM）电极和FM电极/ALM绝缘体势垒/NM电极，使用RuO$_2$(001 )/FeF$_2$/IrO$_2$ 和 CrO$_2$(110)/FeF$_2$/IrO$_2$ 分别作为相应的原型。我们发现，通过匹配电极的传导通道和动量空间中势垒的自旋分辨最低衰减率，这两种提出的 MTJ 表现出 216% 和 3956% 的隧道磁阻 (TMR) 比率。我们的工作加深和概括了对新兴 ALM 绝缘体和半导体的自旋过滤效应的理解，并拓宽了 AFM 自旋电子学的应用。

采用掺硼金刚石电极的金刚石砧池合成的 Th$_3$P$4$ 型 In${3-x}$S$_4$ 在 20 K 时出现超导

分类： 超导, 材料科学

作者： Ryo Matsumoto, Kazuki Yamane, Terumasa Tadano, Kensei Terashima, Toru Shinmei, Tetsuo Irifune, Yoshihiko Takano

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03409v1

摘要： 通过高压技术操纵晶体结构来探索亚稳态超导体，引起了材料科学界对实现高临界温度 ($T_c$) 的浓厚兴趣。在这项研究中，我们报告了在 Th$_3$P$4$ 型立方 In${3-x}$S$4$ 的亚稳态相中出现了新型超导性，在 20 K 下具有非常高的 $T_c$ 45 GPa，采用原创设计的金刚石砧池，配备硼掺杂金刚石电极，可以同时进行高压合成和原位电输运测量。原位结构分析表明，在没有加热的情况下，In${3-x}$S$_4$部分出现在40 GPa以上。高压退火处理诱导完全转变为Th$_3$P$4$型结构，并且In${3-x}$S$4$中x的缺陷浓度随着退火温度的升高而降低。 In${3-x}$S$4$ 中的 $T_c$ 在 x = 0 处达到最大值并接近 20 K。电子能带计算表明，由硫和铟带组成的高态密度位于导通处费米能量附近的能带底部。超导硫化物中 In${3-x}$S$_4$ 的 $T_c$ 创纪录新高，利用灵活性加速了对 Th$_3$P$_4$ 型立方族内高 $T_c$ 材料的进一步探索在晶体结构中。

两相三元流体中液滴生长和沉降的大势相场模拟

分类： 材料科学, 流体动力学

作者： Werner Verdier, Alain Cartalade, Mathis Plapp

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03401v1

摘要： 建立了一种方法来建模和模拟具有任意相图的两相三元液体的域粗化动力学。通过使用相场法进行界面捕获、所有模型方程的格子玻尔兹曼方法数值方案以及在多个 GPU 上运行的便携式并行仿真代码，获得了高数值性能。该模型以三元扩散偶的解析解为基准。它还在没有流体流动的情况下再现了奥斯特瓦尔德成熟期间液滴粗化的众所周知的幂律。大规模流动模拟说明了动量传输和浮力以及液滴聚结和沉降的影响。

在 Ni(111) 上掺杂自旋极化石墨烯微锥

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Cesare Tresca, Gianni Profeta, Federico Bisti

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03390v1

摘要： 在尝试在石墨烯中诱导自旋极化态时，Gr/Co(0001) 上的稀土沉积已被证明是一种成功的策略：石墨烯与钴基底的耦合提供了自旋极化圆锥形态（微型）。 -锥体）和稀土沉积使这些状态达到费米能级。在这篇手稿中，我们从理论上探讨了模拟方法应用于稀土离子掺杂的 Gr/Ni(111) 的可行性。即使在讲座中没有充分提及，该系统也拥有一个迷你锥体，类似于钴箱。通过测试不同的稀土离子，我们不仅建议哪种稀土离子可以提供所需的掺杂，而且还解释了这种适当的电荷转移背后的影响。

通过少层过渡金属二硫化物中暗激子的共振激子-激子湮灭实现高效光上转换

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yi-Hsun Chen, Ping-Yuan Lo, Kyle W. Boschen, Guan-Hao Peng, Chun-Jui Huang, Luke N. Holtzman, Chih-En Hsu, Yung-Ning Hsu, Madisen Holbrook, Wei-Hua Wang, Katayun Barmak, James Hone, Pawel Hawrylak, Hung-Chung Hsueh, Jeffrey A. Davis, Shun-Jen Cheng, Michael S. Fuhrer, Shao-Yu Chen

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03387v1

摘要： 在这项工作中，我们报告了几层过渡金属二硫属化物中明显的光上转换。我们的理论与实验联合研究将上转换光致发光归因于一对动量相反的暗激子的共振激子-激子湮灭，随后自发发射上转换的亮激子，具有较高的上转换效率。此外，上转换光致发光在 MoS2、MoSe2、WS2 和 WSe2 中很常见，显示出从绿光到紫外光的高度可调性。

SiO$_2$ 上单层 MoS$_2$ 中局部 STM 隧道电导随栅极电压的不均匀滞后

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Santu Prasad Jana, Suraina Gupta, Anjan Kumar Gupta

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03304v1

摘要： MoS$2$/SiO$2$ 界面上随机分布的陷阱会导致非理想的传输行为，包括 MoS$2$/SiO$2$ 场效应晶体管 (FET) 中的磁滞现象。因此，陷阱主要对 FET 性能有害，但它们也提供了一些应用潜力。我们对 SiO$2$ 上原子分辨的几层和单层 MoS$2$ 进行的 STM/S 测量显示出 n 掺杂行为，预期带隙分别接近 2.0 和 1.4 eV。具有栅极电压 $V{\rm g}$ 扫描的局部隧道电导在阈值 $V{\rm g}$ 处呈现开启/关闭状态，此时尖端的费米能量几乎与局部导带最小值一致。发现该阈值取决于 $V{\rm g}$ 扫描方向，相当于局部滞后。正如预期，滞后现象取决于 $V{\rm g}$ 扫描的范围和速率。此外，局部 $V{\rm g}$ 阈值的空间变化和隧道电导 Vs $V{\rm g}$ 行为的细节表明陷阱密度及其能量分布的不均匀性。后者甚至导致某些区域的局部费米能量被钉扎。此外，一些罕见的位置表现出 p 掺杂，局部电导具有 p 型和 n 型 $V_{\rm g}$ 阈值以及不寻常的滞后现象。

叉指金刚石场效应晶体管的电流超过 50 mA

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03293v1

摘要： 这封信介绍了目前报告的最高电流值的块状金刚石场效应晶体管 (FET)。目标是通过叉指式架构和均匀生长特性增加总栅极宽度，从而大幅增加此类器件的电流。我们报告了通过制造和表征叉指结 FET (JFET) 获得的结果。该器件的栅极总宽度为 14.7 mm，具有 24 个平行指，在 VDS = -15 V、VGS = 0 V、450 K 和光照条件下电流高于 50 mA，这是块状钻石报告的最高值场效应管。其具体导通电阻和阈值电压分别为 608 m$\Omega$.cm${}^2$, 50 V。从传输长度法 (TLM) 测量中，我们提取了 3.6 m$\Omega$.cm 的电阻率在 450 K 下，重硼掺杂 (p++) 金刚石层和 1.52 $\Omega$.cm 为 2.1017 cm-3 p 掺杂金刚石层。我们测量了高温下的漏极电流与栅极电压特性，结果表明不再是传导沟道电阻，而是占主导地位的器件接入电阻。这项研究表明，通过使用叉指结构，同时使用 CVD 生长的同质大尺寸金刚石层，可以极大地改善 FET 的导通状态。

理解和操纵 Eu$M_2X_2$ 磁性和电子特性的最新进展（$M$ = Zn、Cd；$X$ = P、As）

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Xiyu Chen, Shuai Dong, Zhi-Cheng Wang

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03289v1

摘要： 过去五年来，在理解CaAl$_2$Si$_2$型Eu$M_2X_2$（$M$ = Zn、Cd；$X$ = P、As）的磁性和电子性质方面取得了重大进展化合物。先前的理论工作和实验研究表明，EuCd$_2$As$_2$ 有可能拥有丰富的拓扑相，特别是当自旋沿 c 轴极化时，具有理想的磁性韦尔半金属态。然而，这一观点受到最近利用具有超低载流子密度的样品进行的实验以及采用各种方法的细致计算的挑战。尽管如此，Eu$M_2X_2$族仍然表现出许多有待令人满意地解释的新颖特性，例如巨大的非线性反常霍尔效应和巨大的磁阻效应。此外，通过引入少量载流子或施加外部压力，Eu$M_2X_2$化合物可以从半导体反铁磁体转变为金属铁磁体，并且可以通过减小晶胞体积来实现铁磁转变温度的进一步提高。这些特性使 Eu$M_2X_2$ 系列成为研究磁性和电荷传输之间相互作用的丰富平台，并且是自旋电子学应用的绝佳候选者。本文全面回顾了具有不同载流子密度的 Eu$M_2X_2$ 化合物的磁性和输运行为，以及当前对这些特性的见解。还提供了对未来研究机会的展望。

具有硫酸锂阻挡层的纳米结构 S@VACNT 阴极可在锂硫电池中实现异常稳定的循环

分类： 材料科学

作者： Mariam Ezzedine, Fatme Jardali, Ileana Florea, Costel-Sorin Cojocaru

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03286v1

摘要： 由于硫具有较高的比容量、成本效益和环境友好性，锂硫技术引起了人们的广泛关注。然而，硫的绝缘性和较差的循环寿命阻碍了实际应用。为了解决这个问题，对传统的硫电极配置进行了简单的修改，旨在实现高容量、长循环寿命和快速充电速率。无粘合剂硫正极材料是使用装饰有硫和硫酸锂阻挡层的垂直排列碳纳米管（CNT）开发的。对齐的碳纳米管框架为电子传输和短的锂离子路径提供了高导电性。同时，硫酸盐阻挡层显着抑制多硫化物的穿梭。具有Li 2 SO 4 涂层的S@VACNT在1 C下循环1600次后表现出极其稳定的可逆面积容量为0.9 mAh cm --2 ，1200次循环后容量保持率为80%，是磷酸铁锂正极的三倍以上以相同的速率循环。考虑到与锂枝晶形成相关的安全问题，组装了全电池 Si-Li-S，在长达 100 次循环中表现出良好的电化学性能。使用一维导电支架的先进电极结构与高比容量活性材料的结合以及抑制多硫化物的新策略的实施极大地提高了锂硫电池的稳定性和性能。

SpinMultiNet：将旋转自由度与多任务学习相结合的神经网络潜力

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Koki Ueno, Satoru Ohuchi, Kazuhide Ichikawa, Kei Amii, Kensuke Wakasugi

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03253v1

摘要： 神经网络势（NNP）作为一种加速密度泛函理论（DFT）计算的方法引起了人们的广泛关注。然而，传统的 NNP 模型通常不包含自旋自由度，这限制了它们对自旋态严重影响材料性能的系统（例如过渡金属氧化物）的适用性。本研究引入了 SpinMultiNet，这是一种新颖的 NNP 模型，通过多任务学习集成自旋自由度。 SpinMultiNet 无需依赖 DFT 计算获得的正确自旋值即可实现准确的预测。相反，它利用初始自旋估计作为输入，并利用多任务学习来优化自旋潜在表示，同时保持 $E(3)$ 和时间反转等方差。对过渡金属氧化物数据集的验证证明了 SpinMultiNet 的高预测准确性。该模型成功地再现了源自超交换相互作用的稳定自旋构型的能量排序，并准确地捕获了岩盐结构的菱面体畸变。这些结果为考虑自旋自由度的材料模拟的新可能性铺平了道路，有望在包括磁性材料在内的各种材料系统的大规模模拟中得到未来的应用。

宽带隙 TlAgI2 中的键合层次和配位相互作用导致高热电性

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Xiaoying Wang, Mengyang Li, Minxuan Feng, Xuejie Li, Yuzhou Hao, Wen Shi, Jiangang He, Xiangdong Ding, Zhibin Gao

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03229v1

摘要： 高热电性能与声子玻璃电子晶体范例相关。传统观点认为，实现最大功率因数的半导体最佳带隙应在 6 至 10 kbT 之间。为了解决与双极效应和温度限制相关的挑战，我们提出了 Zintl 型 TlAgI2 的研究结果，该材料在 300 K 时具有 0.3 W m-1 K-1 的极低晶格热导率。所实现的品质因数 (ZT) TlAgI2 的带隙为 1.55 eV，p 型半导体的值达到 2.20。这种显着的 ZT 归因于价带中扩展反键态 Ag-I 的存在。此外，影响声子非和谐性的键合层次和促进配体和中心金属离子之间电子转移的配位键，对电子传输有显着贡献。这一发现为开发高温下宽带隙高 ZT 材料提供了一条有前途的途径。

二维 Kagome 材料：理论见解、实验实现和电子结构

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhongqin Zhang, Jiaqi Dai, Cong Wang, Hua Zhu, Fei Pang, Zhihai Cheng, Wei Ji

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03214v1

摘要： 近年来，戈薇材料因其几何、拓扑、自旋和相关性的量子相互作用而产生的丰富的涌现现象而引起了极大的关注。然而，在寻找kagome材料的过程中，发现具有与kagome晶格相关的电子特性的块体化合物相对稀缺，这主要是由于kagome层与相邻层的杂化所致。因此，研究人员对构建二维（2D）kagome材料表现出了越来越大的兴趣，旨在在单层或几层系统中实现费米能级附近的干净的kagome带。该领域已经取得了实质性进展。在这篇综述中，我们总结了二维 kagome 格子的构建和开发的当前进展。我们首先介绍戈薇晶格及其变体的几何和电子结构。接下来讨论了二维 kagome 材料的实验实现和电子结构表征。最后，我们对二维戈薇格的未来发展进行了展望。

聚合物的导热性：简单的事情，复杂的事情

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Debashish Mukherji

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03173v1

摘要： 导热系数$\kappa$衡量材料传导热流的能力。特别是，$\kappa$ 是一个重要的属性，通常决定材料在各种环境条件下的有用性。例如，虽然热电应用需要较低的 $\kappa$，但当材料在高温条件下使用时，需要较大的 $\kappa$。这些材料的范围从普通晶体到商品无定形聚合物。后者特别重要，因为它们可用于设计轻质高性能功能材料。然而，在这种情况下，无定形聚合物的主要限制之一是其低 $\kappa$，达到约 0.4 W/Km 的最大值，比标准晶体小 2--3 个数量级。此外，当能量主要通过粘合连接传输时，$\kappa \ge 100$ W/Km。最近，人们致力于通过大分子工程实现 $\kappa$ 的可调谐性。在这项工作中，概述了聚合物和聚合物固体中 $\kappa$ 行为的最新结果。特别是，在补充实验的背景下讨论了计算和理论结果。还强调了未来的方向。

洛伦兹力引起的几何非线性霍尔效应

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Junjie Yao, Yizhou Liu, Wenhui Duan

发布时间： 2024-09-05

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03144v1

摘要： 最近发现的非线性霍尔 (NLH) 效应可以在没有外部磁场（I 型）或面内磁场（II 型）的情况下产生。在这项工作中，我们提出了一种新型几何非线性霍尔效应，其具有由洛伦兹力和反常电子速度相结合引起的面外磁场（III 型）。 III型NLH效应与布洛赫波函数的更精细结构（即贝里曲率平方偶极矩）成正比，因此在能带交叉或反交叉附近变得突出。我们有效的模型分析和第一性原理计算表明，单轴应变下的栅极调谐 MnBi$_2$Te$_4$ 薄膜是观察这种效应的理想平台。特别是，这种材料可以产生巨大的单向磁阻，基于此可以构建高效的电晶体管器件原型。最后，对称性分析表明，III型NLH效应具有源自贝里曲率方形偶极子的独特对称性，这与之前报道的其他NLH效应不同，并且可以存在于更广泛的磁性晶体中。我们的研究为非线性电子学提供了新的范例。

具有质量项的 $α-T_3$ 双层中偶极激子的超流性

分类： 材料科学

作者： Oleg L. Berman, Godfrey Gumbs, Gabriel P. Martins, Paula Fekete

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03125v1

摘要： 我们预测了偶极激子的玻色-爱因斯坦凝聚和超流性，这些激子是由空间分离的带隙六边形 $\alpha-T_{3}$ (GHAT3) 层中​​的电子空穴对形成的。在 $\alpha-T_{3}$ 模型中，AB 蜂窝晶格结构由位于晶格六边形中心的 C 原子补充。我们考虑了存在质量项的 $\alpha-T_{3}$ 模型，该质量项在能量色散谱中打开了一个缺口。由弱磁场引起的开隙质量项在该pseudospin-1系统中起到低磁场下的塞曼分裂的作用。 GHAT3 单层的能带结构导致 GHAT3 双层中形成两种不同类型的激子。我们考虑双层 GHAT3 中的两种偶极激子：(a)“A 激子”，它们是导带 (CB) 中的电子和中带 (IB) 中的空穴的束缚态，(b) ` “B 激子”，是 CB 中电子和价带 (VB) 中空穴的束缚态。计算 A 和 B 偶极激子的结合能。对于 GHAT3 双层中偶极激子的双组分弱相互作用玻色气体，我们获得了集体激发的能量色散、声速、超流体密度和超流的平均场临界温度 $T_{c}$ 。

亚铁磁 GdCo 中磁化补偿激光诱导皮秒自旋电流的起源

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理

作者： Guillermo Nava Antonio, Quentin Remy, Jun-Xiao Lin, Yann Le Guen, Dominik Hamara, Jude Compton-Stewart, Joseph Barker, Thomas Hauet, Michel Hehn, Stéphane Mangin, Chiara Ciccarelli

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03088v1

摘要： 稀土过渡金属亚铁磁体实现的磁性光学操纵有望实现超快、节能的自旋电子技术。这项工作通过太赫兹发射光谱研究亚铁磁性 GdCo 产生的激光诱导皮秒自旋电流。当在磁场存在下改变温度或合金成分时，在磁化补偿时观察到太赫兹发射和自旋电流的抑制。结果表明，这是由于 GdCo 平衡磁构型中磁域的形成所致。如果没有施加磁场，皮秒自旋电流将持续存在于补偿点。实验结果支持基于热自旋极化电子传输的太赫兹自旋电流产生模型，该模型在室温下由Co亚晶格主导。仅在低温下才检测到 Gd 的类似贡献，但动态较慢。最后，光谱分析揭示了太赫兹发射的蓝移与接近磁化补偿的磁域的形成有关。

CO2 引起的水悬浮液中介电表面的剧烈放电

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Peter Vogel, David Beyer, Christian Holm, Thomas Palberg

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.03049v1

摘要： 我们研究了空气中的二氧化碳对悬浮在水性电解质中的羧酸盐稳定的聚合物乳胶颗粒的电荷状态的影响。我们将根据 Hessinger 电导率模型解释的电导实验与带电荷调节边界条件的泊松-玻尔兹曼盒 (PBC) 模型计算相结合。如果没有 CO2，少数弱酸性表面基团会解离，只有反离子总数的一小部分实际上有助于电导率。剩余的反离子与添加的其他离子（如 Na+、K+ 或 Cs+）自由交换。从 PBC 计算中，我们推断出相应的 pKa 为 4.26，并且重整化电荷与自由移动的反离子数量相当一致。无盐和无二氧化碳悬浮液与环境空气的平衡会导致剧烈的去电荷，这远远超出了溶解二氧化碳及其解离产物的预期效果。此外，没有观察到反离子交换。为了重现实验结果，我们必须假设有效 pKa 为 6.48。 CO2 对表面基团解离状态的这种直接影响解释了我们最近发现的 CO2 诱导的 {\zeta} 电位降低的现象，并支持了由分子 CO2 引起的额外电荷调节的建议。鉴于带电表面与水性电解质接触的重要性，我们预计我们的观察将面临巨大的理论挑战，并对从海水淡化到生物膜等应用产生重要影响。

紧束缚模型中对称性增强的前景

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： A. K. Dagnino, A. Corticelli, M. Gohlke, A. Mook, R. Moessner, P. A. McClarty

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02999v1

摘要： 能带结构在凝聚态物理中无处不在，它们的对称性限制了各种不同系统中可能的简并、拓扑和响应函数。在这里，我们解决这个问题：给定一个母晶体，在给定壳数下该晶格上的跳跃模型的对称性是多少？我们发现，一般来说，父结构并不能决定紧束缚模型的对称性。相反，对称性取决于跳变范围。晶格上对称性破坏的关键是存在不同的{\it键等价类}，其数量与广泛类别的情况下的群-子群指数有关。我们发现 $s$ 波在不同空间群和威科夫位置上跳跃到第 20 个邻居的所有键等价类以及相关紧束缚模型的对称性。这些观察结果自然导致了{\it 键复合体} $-$ 可能的键网络类别的定义，其对称性可以从给定的母体结构得到增强。

一维相关金属 Ti4MnBi2 中的受挫 S = 1/2 链

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： X. Y. Li, A. Nocera, K. Foyetsova, G. A. Sawatzky, M. Oudah, N. Murai, M. Kofu, M. Matsuura, H. Tamatsukuri, M. C. Aronson

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02880v1

摘要： 电子相关性导致三维金属中产生重准粒子，它们的塌缩会破坏磁矩的稳定性。一维（1D）系统中是否存在类似的不稳定性是一个悬而未决的问题，由于缺乏金属自旋链而没有答案。我们报告了中子散射测量和密度矩阵重整化群计算，在相关金属 Ti4MnBi2 中建立了自旋子，确认它是一维的。 Ti4MnBi2 本质上是受挫的，在分隔 J1-J2 XXZ 模型的两个 T = 0 相的量子临界点附近形成。 0.3 K 以上磁序的缺乏是由这些量子临界涨落造成的，而且近藤矩补偿可能会加剧这种情况。 Ti4MnBi2 提供了第一个实验证据，证明一维磁性（以前是绝缘体的专属领域）在具有中等相关性的金属系统中持续存在。

探索 Janus MXenes W2COX 中的非线性 Rashba 效应和自旋霍尔电导率（X = S、Se、Te）

分类： 材料科学

作者： Arjyama Bordoloi, Sobhit Singh

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02835v2

摘要： Rashba 自旋轨道耦合 (RSOC) 可以在不依赖外部磁场的情况下促进自旋操纵，为先进的自旋电子器件开辟了令人兴奋的可能性。在这项工作中，我们研究了晶体动量 ($k$) 非线性和各向异性对传统 Rashba 效应的影响，特别关注它们对新预测的 2D Janus 材料系列中的自旋霍尔电导率 (SHC) 的影响， W$_2$COX (X = S、Se、Te)。利用第一性原理密度泛函理论计算，我们确认了所研究的二维材料的动力学和机械稳定性。引人注目的是，该材料族在费米能级附近的布里渊区 $\Gamma$ 点处表现出明显的非线性 Rashba 自旋分裂，而线性 $k$ Rashba 模型无法充分描述这一点。因此，三阶动量贡献 ({$k^3$}) 必须纳入 Rashba 哈密顿量中。我们的分析表明，在所研究的系统中，W$_2$COS 表现出最高的 {$k^3$} 贡献，为 $-45.9$,eV,{\AA$^3$}，尽管其线性 Rashba 最低持续的。对电子结构的详细分析揭示了这些二维材料中的拓扑非平凡行为，产生了主要由非线性 Rashba 效应控制的相当大的 SHC。值得注意的是，这些材料还表现出较大的自旋霍尔角（0.018 - 2.5），可与 Bi$_2$Se$_3$ 和 Bi$_2$Te$_3$ 等块状拓扑绝缘体相媲美，并超过窄带隙体半导体 GeTe 和 SnTe，以及 Pt 等重金属。源于晶体场分裂的大SHC、大自旋霍尔角以及通过电场调节SHC而不改变拓扑特性的能力，强调了这些材料在自旋电子学应用中的潜力。

bcc FeCr 合金的微观结构特征和氢扩散：基于开尔文探针和纳米硬度的方法之间的比较

分类： 材料科学

作者： Jing Rao, Binhan Sun, Arulkumar Ganapathi, Xizhen Dong, Anton Hohenwarter, Chun-Hung Wu, Michael Rohwerder, Gerhard Dehm, Maria Jazmin Duarte

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02787v1

摘要： 氢脆会导致金属材料突然失效，这对于工业相关合金（例如钢）尤其有害。更全面地了解氢与微观结构特征的相互作用对于防止氢引起的损伤和促进基于氢的环境友好型经济至关重要。我们使用基于开尔文探针的电位氢电极方法和热脱附光谱研究了不同铬含量、位错密度和晶粒尺寸的铁素体 FeCr 合金中氢与不同氢陷阱的相互作用。此外，我们通过进行原位纳米压痕测试证实了一种新型的基于纳米硬度的扩散系数方法的有效性。在连续供氢期间，可以同时获取 FeCr 合金对氢的动态时间分辨机械响应以及这些合金中的氢扩散率。位错、晶界和Cr原子在这些铁素体合金中诱导可逆的氢俘获位点，导致氢扩散系数降低和吸收的氢增加。

MoS2 电极上掺杂诱导的析氢增强

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 化学物理, 计算物理

作者： Sander Ø. Hanslin, Hannes Jónsson, Jaakko Akola

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02749v1

摘要： MoS2 与 Co、Ni 和 Pt 杂质的析氢反应 (HER) 的速率理论和 DFT 计算显示了两个氢原子与表面相互作用的二氢 (H2*) 络合物的重要性。这种复合物的稳定会影响竞争性的 Volmer-Heyrovsky（直接 H2 释放）和 Volmer-Tafel（H2* 中间体）途径。在 25% 边缘取代时，所有掺杂剂的过电势都非常小（$\eta$ = 0.1 至 0.2 V），由此产生的演变继续进行，与未掺杂边缘已经很低的 $\eta$ = 0.27 V 相比​​显着降低。在完全边缘取代时，Co-MoS2 保持高度活性 ($\eta$ = 0.18 V)，而 Ni-和 Pt-MoS2 由于与 H2* 的不利相互作用而失活 ($\eta$ = 0.4 至 0.5 V)。发现基面中的固有活性位点不是单个 S 空位，而是三重 S 空位构型中的欠配位中心 Mo 原子，从而能够通过 H2* 中间体以 $\eta$ = 0.52 V 析氢。杂质原子与基面上固有的硫空位有利地相互作用，稳定但同时使三空位构型失活。计算出的过电势变化与报告的测量结果一致，并且对掺杂水平的依赖性可以解释实验观察结果的变化。

分子自旋探针传感 Co 纳米磁体中 H 介导的变化

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： A. Fétida, O. Bengone, C. Goyhenex, F. Scheurer, R. Robles, N. Lorente, L. Limot

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02726v1

摘要： 氢对磁化强度的影响对于自旋电子学具有重要意义。在原子尺度上理解和控制这种现象，特别是在纳米尺度系统中，至关重要。在这项研究中，我们利用扫描隧道显微镜 (STM) 与二茂镍分子相结合来感测生长在 Cu(111) 上的载氢纳米级 Co 岛的自旋。从分子尖端获得的磁交换图揭示了氢超结构的存在以及与原始岛相比磁化强度的 90$^{\circ}$ 旋转。 \textit{Ab initio} 计算证实了这些观察结果，表明与岛表面 Co​​ 原子的氢杂化驱动了岛的自旋重新定向。氢渗透到位于 Co/Cu 界面的岛中，进一步强化了这种重新取向。然而，磁交换图的地下敏感性表明这种效应是有限的。我们的研究为纳米尺度磁性的化学控制提供了有价值的微观见解。

插层范德华反铁磁体中拓扑 3Q 状态的电控制

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 强关联电子, 应用物理, 量子物理学

作者： Junghyun Kim, Kaixuan Zhang, Pyeongjae Park, Woonghee Cho, Hyuncheol Kim, Je-Geun Park

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02710v1

摘要： 范德华 (vdW) 磁体开辟了一条涵盖各种有趣相的新机遇的新途径。 Co1/3TaS2 是一种插层金属 vdW 反铁磁体，由于其独特的三 Q (3Q) 基态具有拓扑特性，因此成为不断增长的材料列表中最新的重要补充之一。仔细的整体表征表明，当 x 小于 1/3 时，CoxTaS2 的基态是一种罕见的 3Q 四面体结构。这种基态的独特性源于标量自旋手性导致的密集实空间贝里曲率，从而产生明显的反常霍尔效应。在这项工作中，我们证明我们可以通过门控来控制这种拓扑相位。使用三种具有不同 Co 成分的 CoxTaS2 器件，我们已经确定可以用离子门控覆盖整个 3Q 拓扑相。这项工作报告了层状反铁磁金属的电门控制的罕见演示。更重要的是，我们的工作构成了使用反铁磁金属对标量自旋手性进行电控制的第一个例子。

软可压缩固体的切削力学：力半径缩放与体积模量

分类： 软凝聚态物质, 材料科学, 数学物理, 数学物理

作者： Bharath Antarvedi Goda, Mattia Bacca

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02665v1

摘要： 由于软延展性材料在经历裂纹成核和扩展时的复杂行为，软固体中的切削力学提出了复杂的机械挑战。最近的研究探索了连续切割软材料所需的切割力与线材（刀片）半径之间的关系。一个典型的简化假设是材料不可压缩性，尽管自然界中没有材料是真正不可压缩的。在本研究中，我们放宽了这一假设，并研究了材料的压缩性（压缩性）如何影响切削力与材料特性（如韧性和模量）之间的相关性。比率 {\mu}/\k{appa}，其中 {\mu} 和 \k{appa} 是剪切模量和体积模量，表示材料的可压缩程度，其中不可压缩材料具有 {\mu}/\k{ appa}=0，较大的 {\mu}/\k{appa} 提供更高的体积压缩率。根据之前的观察，我们获得了两种切削方式：（i）高韧性或小线半径，以及（ii）低韧性或大线半径。状态 (i) 以摩擦耗散为主，而状态 (ii) 以粘合剂脱粘和/或材料的耐磨性为主。这些状态由线半径与材料的弹性内聚长度之间的比率控制：单轴拉伸下快速断裂时的临界裂纹张开位移。在大半径区域（ii）中，我们的理论研究结果表明不可压缩材料需要更大的力。然而，值得注意的是，对于可压缩材料来说，定义状态（i）和（ii）之间的过渡线半径的材料的弹性内聚长度较大，因此更可能在状态（i）中被切割，从而需要较大的切削力。

为多相合金设计创建具有丰富材料信息的微观结构潜在空间

分类： 材料科学, 计算机视觉和模式识别

作者： Xudong Ma, Yuqi Zhang, Chenchong Wang, Ming Wang, Mingxin Huang, Wei Xu

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02648v1

摘要： 复杂的微观结构是多相合金成分/加工结构性能（CPSP）连接的基石。传统的合金设计方法常常忽视微观结构细节，从而降低了结果的可靠性和有效性。本研究引入了一种改进的合金设计算法，该算法集成了真实的微观结构信息以建立精确的 CPSP 关系。该方法利用基于变分自动编码器的深度学习框架将真实的微观结构数据映射到潜在空间，从而能够从潜在空间向量预测成分、加工步骤和材料特性。通过将这种深度学习模型与潜在空间中的特定采样策略相结合，开发了一种新颖的、以微观结构为中心的多相合金设计算法。该算法通过统一双相钢的设计进行论证，并在三个性能水平上评估结果。此外，对模型潜在向量空间的探索凸显了其无缝插值能力和丰富的物质信息内容。值得注意的是，潜在空间的当前配置对于合金设计特别有利，提供了多相合金所必需的微观结构、成分、加工和性能变化的详尽表示。

预测二元化合物的混溶性：机器学习和遗传算法研究

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Chiwen Feng, Yanwei Liang, Jiaying Sun, Renhai Wang, Huaijun Sun, Huafeng Dong

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02633v1

摘要： 数据科学与材料信息学的结合极大地推动了多组分化合物合成研究的进步。这项研究利用原子级数据通过机器学习来预测二元化合物的混溶性，证明了这种预测的可行性。我们整合了来自材料项目 (MP) 数据库和无机晶体结构数据库 (ICSD) 的实验数据，涵盖 2,346 个二元系统。我们应用随机森林分类模型来训练构建的数据集，并分析影响二元系统可混性的关键因素及其重要性，同时预测具有高综合潜力的二元系统。通过在 Co-Eu 系统上采用先进的遗传算法，我们发现了三种新型热力学稳定相：CoEu8、Co3Eu2 和 CoEu。这项研究提供了宝贵的理论见解，可以指导二元和复杂材料系统的实验合成工作。

U 型六方铁氧体 Sr4CoZnFe36O60 陶瓷中共线到圆锥形亚铁磁相变附近的弱场 FMR 和磁化强度

分类： 材料科学

作者： Martin Kempa, Viktor Bovtun, Dalibor Repček, Josef Buršík, Stanislav Kamba

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02625v1

摘要： 铁磁共振 (FMR) 的温度演变及其与其他微波 (MW) 磁振子在 Tc2 = 305 K 时共线到圆锥形亚铁磁相变附近的干扰被发现与弱场磁化强度的演变相关：来自锥形相与共线相中的一个组分的关系。 Tc2 以上的 FMR 分裂与两个磁化分量的矫顽场的分裂相关。 FMR 对 Tc2 附近的弱磁偏置的高灵敏度被证明是由圆锥自旋磁矩逐渐转变为纵向磁矩引起的。应用弱磁偏置可以调整MW吸收，并且在FMR频率（5.7 - 7.2 GHz）附近达到30 dB以上的水平，这使得可以将Sr4CoZnFe36O60六方铁氧体陶瓷视为可能的MW吸收材料。

三维全极化拓扑等静压超材料

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Zheng Tang, Fangyuan Ma, Feng Li, Yugui Yao, Di Zhou

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02607v2

摘要： 拓扑表面态是拓扑材料所特有的，并且不受干扰。在等静压晶格中，机械拓扑软盘模式表现出柔软性，具体取决于相对于终止表面的极化。然而，在三维空间中，拓扑软盘模式的极化被无处不在的机械韦尔线所破坏。在这里，我们从理论上和实验上证明了没有韦尔线的全极化拓扑机械相。软盘模式仅出现在三维均衡结构的特定表面上，导致相对边界之间的强烈不对称刚度。此外，均匀的软应变可以将晶格构型可逆地转变为外尔相，从而将刚度对比降低到可比较的水平。我们的工作展示了三个维度的全极化拓扑机械相，并为工程软和自适应超材料铺平了道路。

MnSe2单层和双层层间耦合可旋转磁易轴

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhongqin Zhang, Cong Wang, PengJie Guo, Linwei Zhou, Yuhao Pan, Zhixin Hu, Wei Ji

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02577v1

摘要： 层间耦合在调节二维材料的电子结构和磁性基态方面起着至关重要的作用，受层数、层间距离和堆叠顺序的影响。然而，它对易磁轴方向的影响仍未得到充分研究。在这项研究中，我们证明层间耦合可以显着改变磁易轴方向，如单层 1T-MnSe2 的磁易轴与 z 轴倾斜 33{\deg} 所示，同时与 z 轴对齐。双层中的轴。这种变化是由于费米能级附近轨道占据的变化造成的，特别是涉及非金属硒原子。与传统上对磁性金属原子的关注相反，我们的研究结果表明，Se 轨道在影响易轴取向和拓扑陈数方面发挥着关键作用。此外，我们还发现 Se p 轨道的占据以及由此产生的磁各向异性可以通过堆叠顺序、电荷掺杂和外部应变等因素进行调节。我们的结果强调了层间耦合在调节层状材料磁性能方面的关键作用，对自旋电子学应用具有重要意义。

镓-汞液态金属界面的热电

分类： 流体动力学, 材料科学, 应用物理

作者： Marlone Vernet, Stephan Fauve, Christophe Gissinger

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02507v1

摘要： 我们提出了两种液态金属之间界面处热电效应的实验证据。在室温下运行的圆柱形容器中使用汞和镓的叠加层，我们可以直接测量由于沿液-液界面存在热梯度而产生的电流。在两种液体之间的界面处，热对流引起的温度梯度导致电流的复杂几何形状，最终在边界附近产生明显高于传统固态热电中观察到的电流密度。当实验中施加磁场时，会产生方位剪切流，在每层中表现出相反的循环。根据磁场的值，确定了两种不同的流态，与基于热电流空间分布的模型非常一致，该模型在固体系统中没有等效的模型。最后，我们讨论了这种新效应的各种应用，例如液态金属电池的效率。

多径信号选择性超表面：改变同频信号空间阻抗的被动时变联锁机制

分类： 应用物理, 材料科学

作者： Kaito Tachi, Kota Suzuki, Kairi Takimoto, Shunsuke Saruwatari, Kiichi Niitsu, Peter Njogu, Hiroki Wakatsuchi

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02484v1

摘要： 由于两个物理限制——初始信号和干扰信号的共享频率及其可变的入射角，电磁（EM）多径干扰很难用无源方法解决。因此，为了解决多径干扰，必须根据具有相同频率的多个信号的入射角度来调整空间阻抗，这对于经典的线性时不变（LTI）系统来说是不可能的。我们提出了一种基于超表面的空间滤波器的设计概念，以克服 LTI 行为并使用时变联锁机制抑制多径干扰信号，而无需任何有源偏置系统。所提出的装置与第一个入射波耦合，以调整空间阻抗并抑制时域中的延迟波，这已通过数值和实验验证。这项研究为被动但随时间变化的选择性电磁元系统开辟了一条新途径，即使在相同频率下也能够调整空间复杂的电磁波和场。

高激发硅中的饱和吸收及其表面抑制

分类： 材料科学

作者： Shunsuke Yamada, Tomohito Otobe

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02440v1

摘要： 通过基于瞬态密度泛函理论的第一性原理计算，对有限电子温度下激光照射硅中的非线性电子激发进行了数值研究。在近红外激光照射下的有限温度下的体硅中，我们发现即使使用几个周期的脉冲，当使用一定的激光强度时吸收的能量也会饱和。尽管在这样的激光强度下传导到传导和价到价跃迁的单光子过程占主导地位，但泡利阻挡抑制了进一步的单光子跃迁。随着强度的增加，带隙上的多光子激发压倒了单光子激发，饱和吸收消失。在有限温度硅的表面，泡利阻塞被对称性破缺所抑制，并且吸收的能量相对于块体区域中的可饱和吸收的能量相对增强。

用于直接探测光暗物质的压力可调目标：固体氦的情况

分类： 高能物理-现象学, 介观和纳米物理, 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Omar A. Ashour, Sinéad M. Griffin

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02439v1

摘要： 我们提出静水压力——一种用于调节凝聚态物质特性的成熟工具——作为优化光暗物质直接检测目标的新途径，特别是通过声子。压力通过提高声速和声子频率来显着影响可压缩固体。聚焦于氦——最可压缩的固体——我们的从头计算说明了高压如何将氦从缺乏单声子到达能力提升到可与领先候选者竞争的地位。我们的工作将压力建立为一个未经探索的调谐旋钮，用于访问较低的暗物质质量状态。

二维 Janus VSBrI 单层膜中的多铁性、磁电性和压电性

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Qiuyue Ma, Busheng Wang, Guochun Yang, Yong Liu

发布时间： 2024-09-04

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02407v1

摘要： 结合了本征铁磁性和铁电性的二维（2D）多铁性材料在高度集成的磁电和多功能自旋电子器件中表现出巨大的应用潜力。通过第一性原理计算，我们确定 Janus VSBrI 单层是一种有前途的多铁性半导体材料，具有铁磁性和铁电性。具体来说，VSBrI 单层显示出 460 $\mu$eV/V 的大面内磁各向异性能量 (MAE)，显着的本征面内自发铁电极化为 1.20 $\times$ $10^{-10}$ C /m，以及两个铁电态之间 168 eV 的高能垒。我们的研究结果表明，不同磁态之间的能量差异与极化显着相关，这暗示了 VSBrI 内可能存在相当大的磁电耦合。有趣的是，我们发现通过施加双轴拉伸应变可以增强铁电相的稳定性。计算得出的面内压电系数 d${11}$ 达到 29.01 pm/V，面外压电系数 d${32}$ 达到 1.60 pm/V，两者均明显大于大多数已知的压电系数二维材料，这对于压电器件的实际应用来说是非常理想的。这些有趣的特性使 Janus VSBrI 单层成为二维多功能自旋电子器件的有前途的候选者，具有推进下一代技术并为相关电子器件的设计提供信息的巨大潜力。

结合能量耗散的物理信息神经网络用于铁电微结构演化的相场模型

分类： 材料科学

作者： Lan Shang, Sizheng Zheng, Jin Wang, Jie Wang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02959v1

摘要： 物理信息神经网络 (PINN) 是一种求解偏微分方程 (PDE) 的新兴技术。在这项工作中，我们提出了一种简单但有效的 PINN 方法，用于铁电微结构演化的相场模型。该模型是一个瞬态、非线性、高阶多物理场 PDE 系统，很难使用基线 PINN 来解决。考虑到稳定微结构的获取是铁电微结构演化模拟的主要焦点之一，我们将瞬态偏微分方程系统简化为静态问题。然而，这个静态问题是不适定的。为了克服这个问题，源自能量耗散定律的一项被嵌入到损失函数中作为 PINN 的额外约束。通过这种修改，PINN 成功预测了稳定的铁电微观结构，而无需跟踪演化过程。此外，虽然所提出的PINN方法不能以直接的方式解决动态问题，但它通过提供标记数据有利于PINN对进化过程的预测。这些数据至关重要，因为它们可以帮助 PINN 避免传播故障，这是 PINN 在预测动态行为时常见的故障模式。所提出的 PINN 方法的上述优点通过大量示例得到了证明。

缺陷景观工程调整 FeGe 中的斯格明子-反斯格明子系统

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Jiangteng Liu, Ryan Schoell, Xiyue S. Zhang, Hongbin Yang, M. B. Venuti, Hanjong Paik, David A. Muller, Tzu-Ming Lu, Khalid Hattar, Serena Eley

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02325v1

摘要： 下一代低能量自旋电子器件的一种有前途的架构使用斯格明子（磁矩纳米级漩涡）作为信息载体。值得注意的是，已经提出了跑道存储器方案，其中斯格明子和反斯格明子（它们的反粒子）充当逻辑位1和0。然而，设计基于斯格明子-反斯格明子的计算存在重大挑战。一种材料中两种粒子的存在通常是相互排斥的，因此很少有系统被识别出它们共存，并且在这些系统中，它们的出现是随机的而不是确定性的。在这里，我们通过离子辐照和退火在 FeGe 薄膜中创建了一个可调的斯格明子-反斯格明子系统，并详细介绍了薄膜在这些不同条件下的结构特性。具体来说，我们用 2.8 MeV Au$^{4+}$ 离子照射外延 B20 相 FeGe 薄膜，证明非晶化区域优先容纳反斯格明子，其密度由辐照注量控制。在这项工作中，我们重点关注随后的系统电子衍射研究和原位退火，证明了在大约 150$^{\circ}$ C 到 250$^{\ 温度范围内使材料的可控部分再结晶的能力。 circ}$ C，实现斯格明子/反斯格明子种群的进一步可调。我们使用 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov 模型描述结晶动力学，发现晶粒的生长与扩散控制的一维到二维生长一致，且成核率降低。这里开发的程序可用于创建斯格明子-反斯格明子系统，用于节能、高密度数据存储、斯格明子-反斯格明子对湮灭产生的自旋波发射，以及更普遍的用于研究斯格明子-反斯格明子液体和晶体的测试台。

吸收基底上楔形薄膜的透射率和反射率的回顾和新公式

分类： 材料科学, 计算物理, 光学

作者： Manuel Ballester, Emilio Marquez, John Bass, Christoph Wuersch, Florian Willomitzer, Aggelos K. Katsaggelos

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02323v1

摘要： 从历史上看，光谱技术对于研究固体薄膜的光学特性至关重要。然而，法向透射光谱和反射光谱的现有公式通常依赖于简化的理论假设，这可能无法准确地符合现实条件。例如，通常假设（1）薄固体层沉积在完全透明的厚基板上，以及（2）薄膜表面形成具有相对较小楔角的镜面。虽然最近的研究分别解决了这些假设，但这项工作提出了一个同时消除这两个假设的综合框架。此外，当前的工作对文献中的各种公式进行了深入回顾，每个公式都有相应的复杂程度。我们的综述分析强调了计算复杂性和表达准确性之间的关键权衡，其中新开发的公式以增加计算时间为代价提供了更高的准确性。我们的用户友好代码包括文献中的几个经典透射率和反射率公式以及我们新提出的表达式，可通过此链接在 Python 和 Matlab 中公开获取。

Fe 纳米团簇尺寸依赖性熔化类型：分子动力学研究

分类： 原子和分子簇, 介观和纳米物理, 材料科学

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

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02293v1

摘要： 金属纳米团簇因其尺寸依赖性的催化活性而在许多领域引起人们的兴趣。这种活性在一定程度上会受到它们的熔化特性的影响。在这项工作中，使用经典的多体分子动力学模拟研究了具有 $n \leq 100$ 原子的 $Fe_{n}$ 纳米团簇的熔化相变。将单个原子添加到许多簇尺寸中会引起熔点 ($T_{melt}$)、熔化潜热 ($\Delta H_{melt}$) 和异构化起始温度 ($T_{iso}$) 的强烈变化）。具有尺寸依赖性熔化行为的团簇被分为 3 种不同的团簇类型：闭壳团簇、近闭壳团簇和远闭壳团簇。仅对于具有特别对称的封闭壳层和接近封闭壳层（最多有一些缺失或额外原子）的簇尺寸，观察到类一级相变。近闭壳簇的 $T_{iso}$ 相对于其 $T_{melt}$ 而言非常低。远离闭壳的团簇表现出二级相变。相邻簇尺寸的熔化和异构化行为的变化可能对催化系统（例如单壁碳纳米管的生长）产生影响。

嵌入理论对热致密物质平均原子模型的贡献

分类： 材料科学, 计算物理, 等离子体物理

作者： Sameen Yunus, David A. Strubbe

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02105v1

摘要： 在温暖致密物质状态下进行精确建模是一个持续的挑战，因为最详细的模型（例如量子分子动力学和路径积分蒙特卡罗）的计算成本非常高。基于密度泛函理论 (DFT) 的平均原子模型 (AAM) 显着加快了计算速度，同时在评估状态方程、平均电离等方面仍保持相当的准确性。尽管取得了成功，AAM 仍难以精确解释电子相互作用，特别是它们没有考虑相邻原子密度重叠对动能的影响。我们的目标是通过 DFT 嵌入理论中的非加性动势 $v^{\rm nadd}$ 包含此类相互作用来增强这些模型。 $v^{\rm nadd}$ 可以使用 Thomas-Fermi、von Weizs"acker 或更复杂的动能泛函来计算。所提出的模型引入了 $v^{\rm nadd}$ 作为现有模型中的新颖相互作用项。离子相关模型，其中包括中心原子之外的相互作用，我们将此模型应用于 5 eV 和密度范围 0.008 至 0.8 g/cm$^3$ 的氢，并研究了 $v^{\rm nadd} 的影响。 $ 电子密度、Kohn-Sham 能级变化、平均电离和总能量。

钆基金属间化合物结构、磁性和磁热效应的相互作用

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Ravinder Kumar, Arrab Ali Maz, Satyendra Kumar Mishra, Sachin Gupta

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02083v1

摘要： 我们研究了 GdRhIn 化合物的结构、磁性和磁热性质。室温X射线衍射测量显示出六方晶体结构。磁化强度的温度和磁场依赖性表明在 16 K 时有两个磁转变：反铁磁到铁磁，以及 34 K 时铁磁到顺磁。热容量测量证实了 GdRhIn 中的两个磁转变。利用磁化数据计算 GdRhIn 中的等温磁熵变和制冷剂容量，发现磁场变化 70 kOe 时为 10.3 J/Kg-K，磁场变化 50 kOe 时为 282 J/Kg。 GdRhIn 中的大磁热效应表明该材料可用于低温磁制冷。

通过表面敏感自旋电子太赫兹光谱揭示量子顺电体中的亚赫兹原子振动

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Zhaodong Chu, Junyi Yang, Yan Li, Kyle Hwangbo, Jianguo Wen, Ashley R. Bielinski, Qi Zhang, Alex B. F. Martinson, Stephan Hruszkewycz, Dillon D. Fong, Xiaodong Xu, Michael R. Norman, Anand Bhattacharya, Haidan Wen

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02073v1

摘要： 了解量子材料的表面集体动力学对于推进量子技术至关重要。例如，量子顺电体中的表面声子模式被认为在促进界面超导性方面发挥着重要作用。然而，由于采样量有限且需要高光谱分辨率，检测这些模式（尤其是低于 1 太赫兹 (THz) 的模式）具有挑战性。在这里，我们通过开发表面敏感的自旋电子太赫兹光谱来报告 KTaO3 和 SrTiO3 中的表面软横向光学 (TO1) 声子动力学，该光谱可以感测距离表面仅几纳米深的集体模式。在 KTaO3 中，TO1 模式随着温度的降低而软化和锐化，在 0.7 THz 处趋于稳定。相比之下，SrTiO3 中的这种模式在量子顺电交叉以下显着变宽，并且与与反铁畸变跃迁相关的亚兆伏声子模式的硬化一致。这些偏离其体积特性的观察结果可能对界面超导性和铁电性产生影响。所开发的技术为传感低能表面激发提供了机会。

通过傅里叶空间二次谐波成像探测非中心对称二维材料

分类： 光学, 材料科学

作者： Lucas Lafeta, Sean Hartmann, Bárbara Rosa, Stephan Reitzenstein, Leandro M. Malard, Achim Hartschuh

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02071v1

摘要： 扭曲二维结构的受控组装需要精确确定其组件层的晶体取向。在既定的程序中，在旋转入射激光场和检测到的二次谐波产生（SHG）的偏振的同时记录非中心对称层的二次谐波产生（SHG）强度，这可能是耗时且乏味的。在这里，我们证明过渡金属二硫属化物和六方氮化硼的晶体取向可以通过记录傅立叶空间中紧密聚焦的激光束产生的倍频图像来直接确定。使用方位偏振激光束，SHG 图像清晰地反映了晶格的六方结构，快速准确地揭示了其取向。这项技术可能会对扭转电子学领域产生重大影响，该领域研究堆叠二维结构各层之间相对角度的影响，并推进二维材料的纳米制造。

通过自动微分进行逆磁导设计

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 量子物理学

作者： Yuta Hirasaki, Koji Inui, Eiji Saitoh

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02009v1

摘要： 由于传导电子的量子干涉，细线中的磁导通常表现出复杂的图案。这些图案反映了电线中的微观结构，例如缺陷或电位分布。在这项研究中，我们提出了一种逆向设计方法来自动生成表现出所需磁导模式的微观结构。我们通过数值证明我们的方法可以准确地生成导线中的缺陷位置，并且可以有效地应用于各种复杂的图案。我们还讨论了设计有助于实验研究的结构的技术。

使用可解释的数据驱动方法提高目标阴极负载的电解质性能

分类： 机器学习, 无序系统和神经网络, 材料科学

作者： Vidushi Sharma, Andy Tek, Khanh Nguyen, Max Giammona, Murtaza Zohair, Linda Sundberg, Young-Hye La

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01989v1

摘要： 电池中需要更高的活性电极材料负载量，特别是那些基于转化反应的电池，以提高能量密度和成本效率。然而，增加电极中的活性材料负载量会因内阻、穿梭和寄生副反应而导致性能显着下降，这可以通过电解质的兼容设计在一定程度上缓解。在这项工作中，利用数据驱动的方法为根据目标阴极负载定制的新型卤间电池找到高性能电解质配方。针对基于多电子氧化还原反应的新型卤间电池，实验设计了由 4 种溶剂和 4 种盐组成的电解质设计。具有可变电解质成分和活性阴极负载的实验数据集用于训练基于图形的深度学习模型，将电池材料设计中的变化变量映射到其比容量。训练后的模型用于进一步优化电解质配方成分，通过两种方法增强目标阴极负载下的电池容量：大规模筛选和解释不同阴极负载的电解质设计原理。事实证明，数据驱动方法可使电池比容量比实验优化获得的容量额外增加 20%。

创建用于天体生物学模拟的 Fe$_3$P Schreibersite 密度功能紧结合模型

分类： 材料科学, 地球和行星天体物理学, 计算物理

作者： Riccardo Dettori, Nir Goldman

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01884v1

摘要： 矿物石莱石，例如 Fe$_3$P，常见于富铁陨石中，可以作为生命起源化学的非生物磷源。然而，其降解化学的原子计算通常需要量子模拟方法，这在计算上可能过于繁琐，无法研究该过程的足够时间和长度尺度。在这方面，我们采用现有的半自动化工作流程，通过切比雪夫多项式的线性组合表示多体相互作用，为含铁和磷材料创建了计算高效的半经验量子密度函数紧结合（DFTB）模型。我们利用相对较小的训练集来优化 DFTB 模型，该模型对于施莱贝石的物理和化学特性（包括其体积特性、表面能和吸水率）是准确的。然后我们表明，我们的模型对几种磷化铁固体以及铁金属的多种同素异形体表现出很强的可转移性。我们由此产生的 DFTB 参数化将使我们能够以比标准量子方法更长的时间和长度尺度来研究石水蛭石水分解，从而研究其在早期地球生命起源化学中的作用。

晶体电子能谱中的准狄拉克点

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Grigorii P. Mikitik

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01870v1

摘要： 狄拉克半金属与普通材料的区别在于其特定的性质，例如表面费米弧、量子振荡的特征以及对磁场的各种响应。这些特性由狄拉克点决定，在狄拉​​克点处，两个电子能带发生接触，并且在狄拉克点附近，这些能带在准动量中线性分散。这项工作表明，几乎相同的性质是更广泛的材料所固有的，其中狄拉克谱可以与费米能量相比具有明显的差距。换句话说，该点能带的简并性及其线性色散对于这些性质的存在来说并不是必需的。唯一的充分条件如下：在这样的准狄拉克点附近，两个接近的能带可以通过考虑强自旋轨道相互作用的双能带模型很好地描述。为了说明结果，考虑了 ZrTe$_5$ 的光谱。该光谱包含一个特殊的准狄拉克点，类似于铋中的准狄拉克点。

通过兆帕压力热压实现塑料晶体的超高导热各向异性

分类： 材料科学, 原子物理学

作者： Zhipeng Wu, Mingzhi Fan, Yangjun Qin, Guangzu Zhang, Nuo Yang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01846v1

摘要： 塑料晶体由于其优异的性能，逐渐在固态制冷和铁电领域得到应用。然而，它们固有的低导热性限制了它们在电子设备中的应用。这项研究表明，施加兆帕压力的热压可以增强塑料晶体薄膜的导热性。最重要的是，它会引起显着的导热率各向异性。这种导热率的各向异性有利于专门的热管理应用，例如引导电子设备中的热流路径。本研究采用热压法制备了[(CH3)4N][FeCl4]PCs薄膜。在16 MPa的压力下，薄膜的面内热导率与面外热导率之比达到了显着的5.5。这归因于单轴压力引起的沿（002）晶面的择优取向，导致形成层状结构并形成平坦致密的薄膜。此外，根据分子动力学模拟，沿[100]和[010]方向（平行于（002）晶面）的热导率高于其他方向。因此，通过施加单轴热压压力，可以在[(CH3)4N][FeCl4]薄膜中实现热导率各向异性的显着调节。这种现象有可能大大拓宽塑料晶体在柔性电子器件领域的应用。

复杂功能材料中电荷-轨道-自旋的准确描述

分类： 材料科学, 强关联电子

作者： Da Ke, Jianwei Sun, Yubo Zhang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01839v1

摘要： 以几何或电子复杂性为特征的复杂材料催化了各种有趣功能的出现。在原子水平上，这些材料通常具有与 d 轨道相关的复杂且竞争的键序，为评估密度泛函理论 (DFT) 的能力提供了丰富的测试平台。强约束和适当规范 (SCAN) 泛函已被证明在模拟各种化学键方面优于传统密度泛函，这标志着 DFT 的重大进步。在这里，我们研究了 SCAN 在模拟位移铁电体、磁电多铁体和铜酸盐高温超导体的电子特性方面的有效性，这些特性涵盖了广泛的键合特性。我们展示了 SCAN 如何解决具有挑战性的模拟，包括（1）具有几何对称性破缺的各向异性键合，（2）局部开放 d 壳层的键合杂化，以及（3）局域绝缘体到流动金属过渡边界上的可变电子态。我们还展示了高级功能如何通过分析复杂的电子密度来捕获复杂的键，从而提供对 SCAN 操作原理的直观理解。我们的见解对计算材料科学界具有实际意义，有可能指导 SCAN 在复杂功能材料建模中的更广泛采用。

利用时变色散界面的自然共振

分类： 光学, 材料科学

作者： Carlo Rizza, Maria Antonietta Vincenti, Giuseppe Castaldi, Alessandra Contestabile, Vincenzo Galdi, Michael Scalora

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01831v1

摘要： 电磁参数的时空调制为先进的场操纵提供了新颖的令人兴奋的可能性。在这项研究中，我们探索了来自时变界面的波散射，该界面的特征是洛伦兹型色散，其参数呈阶梯状时间变化。我们的研究结果揭示了一个新过程：在系统自然共振下产生非常规频率。值得注意的是，这种现象使得传播波与倏逝波耦合，从而允许表面波模式的直接远场激发，而无需空间光栅或棱镜的中介。这些结果提出了一种设计紧凑和超快光子器件的新策略，消除了亚波长空间结构或延长时间调制的必要性。

具有自洽哈伯德参数的原始缺氧 HfO$_2$ 的 DFT+$U$+$V$ 研究

分类： 材料科学

作者： Yudi Yang, Wooil Yang, Young-Woo Son, Shi Liu

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01795v1

摘要： 基于 HfO$_2$ 的铁电体已成为先进纳米电子学领域有前途的材料，其强大的极化和硅兼容性使其成为高密度、非易失性存储器应用的理想选择。氧空位，特别是在带正电的状态下，被认为会深刻影响二氧化铪的多晶型动力学和相稳定性，从而影响其铁电行为。原始和缺氧二氧化铪多晶型物的电子结构已使用密度泛函理论进行了广泛研究，主要采用（半）局域交换相关泛函。然而，这些方法常常低估带隙，并且可能无法准确捕获$d$电子的局域性质。在这项工作中，我们使用 DFT + $U$ + $V$ 研究不同阶段的二氧化铪，并通过伪混合哈伯德密度泛函 ACBN0 及其扩展版本自洽计算现场 $U$ 和位点间 $V$ 哈伯德参数eACBN0。我们发现，自洽 DFT + $U$ 方法在预测相对热力学稳定性、带隙和态密度方面提供了与计算成本更高的 Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) 混合密度泛函相当的精度。此外，它是估计氧空位形成能的一种经济有效的方法。此外，我们证明了环境相关的哈伯德参数可以作为分析真实空间中的键强度和电子结构的有用指标。

淬火异质性对无序材料蠕变寿命的影响

分类： 统计力学, 材料科学

作者： Juan Carlos Verano Espitia, Jérôme Weiss, David Amitrano, Tero Mäkinen, Mikko Alava

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01766v1

摘要： 我们通过考虑更现实（和复杂）的非平均场弹性再分布内核，重新审视通过有效温度描述异质材料蠕变的问题。我们首先从理论上考虑，如果忽略弹性应力重新分布和记忆效应，平均蠕变失效时间遵循阿伦尼乌斯表达式，有效温度随着淬火异质性的增加而显着增加。使用压缩破坏的热激活渐进损伤模型，我们表明，在考虑弹性相互作用和记忆效应时，这是正确的，但是有效温度 $T_{eff}$ 也取决于（非民主的）的性质) 弹性交互核。我们观察到，对于给定的负载和温度外部条件，蠕变寿命的变化大致与平均寿命成正比，因此也取决于 $T$、淬火异质性和弹性核。最后，我们讨论了这种有效温度效应对解释宏观蠕变测试以估计微观尺度激活体积的影响。

使用 4D 扫描进动电子衍射和原子探针断层扫描关联 3 维晶界特征和成分

分类： 材料科学, 仪器仪表和探测器

作者： Saurabh M. Das, Patrick Harrison, Srikakulapu Kiranbabu, Xuyang Zhou, Wolfgang Ludwig, Edgar F. Rauch, Michael Herbig, Christian H. Liebscher

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01753v1

摘要： 晶界是形成复杂 3 维 (3D) 网络的纳米晶体材料中的主要缺陷。溶质偏析到晶界与晶界特征密切相关，晶界特征决定纳米结构材料的稳定性和宏观性能。在这里，我们开发了一个 3 维透射电子显微镜和原子探针断层扫描关联框架，通过关联四维扫描进动电子衍射断层扫描 (4D-SPED) 和原子，以最高空间分辨率和化学灵敏度检索晶界特征和成分。对同一样本进行探针断层扫描 (APT)。我们获得了 3D 晶界习性平面网络，并探索了纳米晶 Ni-W 合金中 Cu 和 Si 的择优偏析。结构和成分信息的相关性表明，Cu 主要沿着大角度晶界和非共格孪晶界偏析，而观察到 Si 偏析到小角度和不相称晶界。这项工作中采用的新颖的全 3D 关联方法为探索纳米材料的 3D 晶体学和成分性质开辟了新的可能性。这为在亚纳米尺度上探索真正的 3D 结构化学以及定制先进纳米材料的宏观特性奠定了基础。

单层 Re(Ag$X_3$)$_2$ 中的连续平陈能带和相关态

分类： 介观和纳米物理, 材料科学, 强关联电子

作者： Kejie Bao, Rui Shi, Huan Wang, Jiaxuan Guo, Jing Wang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01741v1

摘要： 我们理论上提出，范德华单层 Re(Ag$X_3$)$2$ ($X=$ Cl, Br, I) 在 120$^\circ$ 螺旋反铁磁基态中具有四个连续的平坦陈能带。这些 Chern 能带的非平凡拓扑源自 Re $t{2g}$ 能带折叠与非共线自旋构型和自旋轨道耦合之间的协同作用。通过直接根据第一性原理计算构建最大局域 Wannier 函数，开发了紧束缚模型来描述连续的陈能带。精确的对角化表明，这些陈能带的 $1/3$ 填充具有相关状态，例如分数陈绝缘体和电荷密度波状态。有趣的是，陈能带的自旋构型和能带拓扑结构可以通过外部磁场调节。这里 $d$ 轨道的一般物理学适用于一大类材料，例如 Re(Cu$X_3$)$_2$ 和 Re(Au$X_3$)$_2$。这些有趣的预测如果通过实验实现，将极大地促进高温拓扑量子物理的研究和应用。

最佳掺杂 \textit{RE}\textsubscript{5/8}Ca\textsubscript{3/8}MnO\textsubscript{3} 钙钛矿中电荷无序态接近轨道有序

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Ben R. M. Tragheim, Clemens Ritter, Mark S. Senn

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01718v1

摘要： 最佳掺杂 \textit{RE}\textsubscript{5/8}Ca\textsubscript{3/8}MnO\textsubscript{3} 中电荷和轨道有序现象的演变 (RECMO, \textit{RE} $=$rare -地球）亚锰矿钙钛矿已通过平均结构同步加速器X射线和中子粉末衍射技术进行了研究。我们展示了该系列中的 \textit{B}O\textsubscript{6} 八面体旋转幅度和晶格应变畸变之间的复杂关系，以及它们如何调整描述有序行为的宏观特征。通过仔细的对称驱动晶体学分析，我们表明，对于以巨磁阻 (CMR) 响应中的最大值而闻名的 RECMO 组合物范围，它们的晶格应变状态非常接近与新轨道顺序相关的状态：电荷无序状态我们最近推出了四重亚锰矿钙钛矿 Na\textsubscript{1-\textit{x}}Ca\textsubscript{\textit{x}}Mn\textsubscript{7}O\textsubscript{12}。我们确定这种顺序是与铁磁金属态竞争的主要状态，最终导致相共存和 CMR 的出现。我们的结果有助于进一步了解特定的化学复杂性如何控制电荷和轨道有序现象，以及亚锰矿钙钛矿和其他相关系统通过应变效应的一般性质。

层状超导体 FeSe 中的无场超导二极管效应

分类： 材料科学, 超导

作者： Utane Nagata, Motomi Aoki, Akito Daido, Shigeru Kasahara, Yuichi Kasahara, Ryo Ohshima, Yuichiro Ando, Youichi Yanase, Yuji Matsuda, Masashi Shiraishi

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01715v1

摘要： 超导二极管效应（SDE），即在电流注入过程中不可逆地出现零电阻状态，在基础物理学和应用物理学中都引起了极大的兴趣，因为 SDE 是对称性破缺的一种新颖表现形式，并且能够在没有能量损失的情况下创建新型二极管。特别是，无磁场 SDE 因其作为超导电路技术构建模块的潜力而受到广泛研究。在这封信中，我们报告了层状超导体 FeSe 中的无场 SDE。通过系统的受控实验，其基本物理现象被阐明为 FeSe 中大的热电响应和几何不对称性的相互作用。我们的研究结果可以为利用 SDE 构建新型材料和设备平台铺平一条新途径。

莫比乌斯碳纳米带的简单休克尔分子轨道理论

分类： 化学物理, 材料科学

作者： Yang Wang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01689v1

摘要： 最近合成的 M"obius 碳纳米带（CNBs）因其独特的 $\pi$ 共轭拓扑结构而受到关注，这种拓扑结构产生了独特的电子特性，具有基础和实际意义。原子轨道（AO）基础对于单环系统来说已经很成熟，但将这种理解扩展到双链 M"obius CNB 仍然不确定。本研究彻底检验了简单的 H"uckel 分子轨道（SHMO）理论，用于描述$\pi$ M"obius CNB 的电子结构。我们证明了任何 M"obius CNB 的邻接矩阵在不同的符号反转位置下都是同构不变的，确保无论 AO 相反转位置如何，SHMO 结果都相同。 M"obius CNB 的代表性例子，包括实验合成的 CNB，表明 H"uckel 分子轨道 (MO) 与 DFT 计算的 $\pi$ MO 惊人地相似，这是使用本文提出的技术获得的，该技术基于DFT 规范 MO 的本地化和重新离域化。有趣的是，较低层的 $\pi$ MOs 表现出奇数个节面，并且是 M"obius 大环中相反转的结果，与大环 H"uckel 系统相反，是双准边生成的。从 SHMO 理论导出的库尔森键级与测试的 M"obius CNB 中所有 C-C 键的 DFT 计算的 Wiberg 键指数密切相关。此外，从 SHMO 和 GFN2-xTB 计算获得的 HOMO-LUMO 间隙之间观察到显着的相关性大量 M"obius CNB 的拓扑异构体。因此，SHMO模型不仅捕捉了M"obius CNBs$\pi$电子结构的本质，而且还提供了与DFT结果相当的可靠的定量预测。

深带交叉增强非线性光学效应

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Nianlong Zou, He Li, Meng Ye, Haowei Chen, Minghui Sun, Ruiping Guo, Yizhou Liu, Bing-Lin Gu, Wenhui Duan, Yong Xu, Chong Wang

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01682v1

摘要： 由于带交叉周围的发散带几何量，具有带交叉的材料中的非线性光学（NLO）效应引起了人们的广泛研究兴趣。目前大多数研究都集中在价带和导带之间的带交叉。然而，绝缘体中不存在这种交叉，这与非线性光学应用更相关。在这项工作中，我们证明了 NLO 效应可以通过价带或导带内的带交叉得到显着增强，我们将其称为“深带交叉”（DBC）。作为一个例子，在二维中，我们表明，由于镜面保护的“深狄拉克节点”，位移电导率可以大大增强甚至发散。在三维空间中，我们提出 GeTe 作为一种理想材料，其位移电导率通过“深狄拉克节点线”得到增强。高通量计算进一步证实了这种增强的普遍性。还讨论了其他类型的 DBC 和 NLO 效应。通过操纵任意频带之间的频带交叉，我们的工作提供了一种简单、实用且通用的方法来极大地增强 NLO 效果。

硼同位素对块状 BN、BP 和 BA 拉曼散射的影响：密度泛函理论研究

分类： 材料科学, 计算物理

作者： Nima Ghafari Cherati, I. Abdolhosseini Sarsari, Arsalan Hashemi, Tapio Ala-Nissila

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01671v1

摘要： 对于许多材料，拉曼光谱结构复杂，提供有关成分化学计量和晶体质量的宝贵信息。在这里，我们使用密度泛函理论计算、质量近似和拉曼强度加权 $\Gamma$ 点状态密度方法来分析闪锌矿、纤锌矿和六方 BX（X = N、P 和作为）结构。研究了晶体结构和硼同位素无序对拉曼线形状的影响。我们的结果表明，长程库仑相互作用显着影响立方氮化硼和纤锌矿氮化硼化合物拉曼光谱的演变。随着成分率从 $^{11}$B 到 $^{10}$B 的演变，预计会在 1:1 左右向更高频率转变，以及拉曼峰的最大展宽和不对称性比率。计算结果与现有实验数据非常吻合。这项研究可作为了解晶体对称性和同位素无序如何影响 BX 化合物中声子的指南，这与量子单光子发射器、热管理和晶体质量评估相关。

可极化连续体模型和格林函数 $\bf{GW}$ 形式主义：溶剂电子动力学

分类： 材料科学

作者： Ivan Duchemin, David Amblard, Xavier Blase

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01669v1

摘要： 用于计算电离势或电子亲和力的多体 $GW$ 形式依赖于根据电子自由度构建的频率相关介电函数。考虑到水作为可极化连续介质模型中处理的溶剂的情况，我们探讨了将溶剂电子介电响应的完全频率依赖性限制为与频率无关的 $(\epsilon_\infty)$ 光学介电常数的影响。对于呈现从小到大的最高占据到最低未占据分子轨道能隙的溶质，我们表明这种限制在从气体到溶剂化相的能级转移上引起的误差不大于几个百分点。我们进一步引入了一种非常精确的单极模型，用于模拟可见光-紫外线范围内水介电函数的全频率依赖性的影响。这允许完全动态的嵌入式$GW$计算，并且仅了解针对$\epsilon_\infty$光学介电常数计算的腔反应场。

二维范德华异质结构中的自发曲率

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Yuxiang Gao, Fenglin Deng, Ri He, Zhicheng Zhong

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01665v1

摘要： 二维（2D）范德华（vdW）异质结构由具有不同特性的不同二维晶体组成，构成了新一代二维电子器件的基石。然而，异质结构中的界面不可避免地会破坏体对称性和结构连续性，从而导致微妙的原子重排和新颖的电子结构。在本文中，我们预测二维界面会经历自发曲率，这意味着当两个平坦的二维层彼此接近时，它们不可避免地会经历面外曲率。基于深度学习辅助的大规模分子动力学模拟，我们观察到曲率引起的石墨烯/BN双层中高达3.8埃的显着面外位移，产生稳定的六边形莫尔图案，这与实验观察结果非常吻合。此外，二维晶体的面外柔性使得曲率能够在整个系统中传播，从而影响异质结构的机械性能。这些发现为二维 vdW 异质结构中的原子结构提供了基本的见解，并为其在设备中的应用铺平了道路。

Na催化的加速镧系元素嵌入石墨

分类： 材料科学, 超导

作者： Akira Iyo, Hiroshi Fujihisa, Yoshito Gotoh, Shigeyuki Ishida, Hiroshi Eisaki, Hiraku Ogino, Kenji Kawashima

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01624v1

摘要： 众所周知，镧系元素（$Ln$）很难嵌入石墨中。我们研究了使用 Na 催化 $Ln$ 插层石墨形成的可能性，并成功地以高产率快速合成了 $Ln$C$_6$（$Ln$ = Sm、Eu 和 Yb）。合成过程涉及通过Na和C混合形成反应中间体NaC$_x$，随后加热时与$Ln$反应形成$Ln$C$_6$。采用两步法制造了烧结良好的 $Ln$C$_6$ 颗粒，残留 Na 浓度较低（$Ln$:Na = 98:2）。这些颗粒能够通过粉末 X 射线衍射和电阻率测量来评估 $Ln$C$_6$。这项研究强调了Na催化方法的多功能性，为$Ln$C$_6$的快速大规模生产奠定了基础，在超导和可充电电池材料中具有潜在的应用前景。

NiCo$_2$O$_4$ 薄膜中的全光螺旋性开关

分类： 材料科学

作者： Ryunosuke Takahashi, Yann Le Guen, Suguru Nakata, Junta Igarashi, Julius Hohlfeld, Grégory Malinowski, Xie Lingling, Kan Daisuke, Yuichi Shimakawa, Stéphane Mangin, Hiroki Wadati

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01615v1

摘要： 全光开关（AOS）涉及仅使用脉冲激光来操纵磁化，为下一代磁记录设备提供了一种有前景的方法。 NiCo2O4 (NCO) 薄膜是一种不含稀土的亚铁磁氧化物，具有高居里温度和强垂直磁各向异性。这项研究证明了在室温下使用长持续时间激光脉冲和高重复率在 NCO 薄膜中进行 AOS。与之前的发现不同，我们在这里报告的 AOS 现象是螺旋性相关的，并且可以用超短脉冲激光观察到。因此，根据激光脉冲和温度的特性，可以在单个 NCO 薄膜中观察到两种不同类型的 AOS。

用于振动重正化电子能带结构的机器学习方法

分类： 材料科学, 机器学习

作者： Niraj Aryal, Sheng Zhang, Weiguo Yin, Gia-Wei Chern

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01523v1

摘要： 我们提出了一种机器学习（ML）方法，用于根据第一原理有效计算物理特性的振动热期望值。我们的方法基于非微扰冻结声子公式，其中基于第一原理声子模型，采用随机蒙特卡罗算法在有限温度下对超晶胞中的原子核构型进行采样。深度学习神经网络经过训练，可以准确预测与采样的声子配置相关的物理特性，从而绕过耗时的{\em ab initio}计算。为了将电子系统的点群对称性纳入机器学习模型中，使用群论方法来开发超晶胞中声子构型的对称不变描述符。我们应用机器学习方法基于密度泛函理论 (DFT) 来计算硅的温度相关电子能隙。我们表明，用不到一百次 DFT 计算来训练神经网络模型，就可以实现大数量级的采样来计算振动热期望值。我们的工作凸显了机器学习技术在有限温度第一原理电子结构方法中的巨大潜力。

通过厄米-非厄米对应的高阶趋肤效应及其在声学 Kagome 格子中的观察

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Jia-Xin Zhong, Pedro Fittipaldi de Castro, Tianhong Lu, Jeewoo Kim, Mourad Oudich, Jun Ji, Li Shi, Kai Chen, Jing Lu, Yun Jing, Wladimir A. Benalcaza

发布时间： 2024-09-03

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01516v1

摘要： 非厄米集肤效应（NHSE）是在非厄米系统中观察到的一种独特的拓扑现象。最近，人们对探索二维和三维的高阶 NHSE 现象产生了很大的兴趣。在这样的系统中，拓扑边缘态塌陷到角落，而体态保持离域。通过厄米-非厄米特对应关系，本研究预测并实验观察了具有不可逆跳跃的声学 Kagome 晶格中的高阶 NHSE。通过旋转频谱并采用复频激励技术，我们观察到声能在拓扑非平凡相中朝向晶格角落的局域化，即使声源远离该角落。相反，当以包含体态的频率激发时，声能会扩散。这些观察结果是高阶 NHSE 的明确证据。

深度学习驱动的离子掺杂 NASICON 材料评估和预测，以增强固态电池性能

分类： 材料科学, J.2; I.2.8

作者： Zirui Zhao, Xiaoke Wang, Si Wu, Pengfei Zhou, Qian Zhao, Guanping Xu, Kaitong Sun, Hai-Feng Li

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.02952v1

摘要： 我们开发了一种卷积神经网络 (CNN) 模型，能够利用先前实验研究的大量数据集来预测各种离子掺杂 NASICON 化合物的性能。该模型在预测离子电导率和电化学性能方面表现出高精度和高效率。主要发现包括成功合成和验证了模型预测的三种 NASICON 材料，实验结果与模型预测非常吻合。这项研究不仅增强了对 NASICON 材料中离子掺杂效应的理解，而且为材料设计和实际应用建立了稳健的框架。它弥合了理论预测和实验验证之间的差距。

模拟半结晶聚合物的介电弛豫——了解非晶域和结晶域之间界面的作用

分类： 软凝聚态物质, 材料科学

作者： Valeriy V. Ginzburg

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01471v1

摘要： 半结晶聚合物 (SCP) 是一类重要的材料，可用于包装、运输、电子和制药等许多应用。了解 SCP 中晶体和非晶部分的结构和动力学对于实验学家和理论家来说都是一个重要的挑战。最近，程等人。 （S. Cheng 等人，J. Chem. Phys. 160, 114904 (2024)）利用宽带介电谱 (BDS) 探索半结晶聚（L-乳酸）非晶区域内的弛豫时间分布（PLLA）具有结晶/非晶相的有序交替堆叠。在这里，我们在这些初步结果的基础上，结合杜立特自由体积理论 (FVT) 和可压缩自洽场理论 (cSCFT) 对弛豫时间分布进行建模。我们表明，新的建模框架成功地捕获了非晶区玻璃化转变温度以上半晶 PLLA 局部弛豫时间的温度和位置依赖性。最后，我们推导了 SCP 无定形区域弛豫时间分布的新经验方程。

揭示有机阳离子钝化对二维钙钛矿薄膜结构和光电性能的影响

分类： 材料科学

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

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01450v1

摘要： 几种有机阳离子已被用来钝化钙钛矿薄膜；然而，选择最佳阳离子仍然具有挑战性。在这项工作中，我们进行了密度泛函理论计算，以了解 17 种不同有机阳离子对二维 P2MAn-1PbnI3n+1 钙钛矿薄膜钝化（P-阳离子）的影响，其中 n = 1 和 2。发现不同类型的 P-阳离子和无机板之间的相互作用会影响无机骨架（PbI6-八面体）内键的长度和角度。一般来说，结合机制包括有机阳离子与无机骨架的相互作用，这导致卤化物内电子密度的积累，表明布朗斯台德-洛瑞酸碱相互作用。含氧基团通过-OH和-COOH基团促进额外的氢键形成，促进层间电子密度的局域化并提高系统的能量稳定性。根据结果​​和分析，我们发现三种P-阳离子可能具有更高的实际应用潜力，即4-氟苯乙基铵（FPEA）、苯乙基铵（PEA）和丁基铵（BtA）。

通过大规模分子动力学模拟计算复杂离散位错结构的虚拟暗场 X 射线显微镜图像

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 计算物理, 仪器仪表和探测器

作者： Yifan Wang, Nicolas Bertin, Dayeeta Pal, Sara J. Irvine, Kento Katagiri, Robert E. Ruddc, Leora E. Dresselhaus-Marais

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01439v1

摘要： 暗场 X 射线显微镜 (DFXM) 是一种新颖的基于衍射的成像技术，可非破坏性地绘制块状材料中晶体缺陷的局部变形图。虽然研究表明 DFXM 可以在空间上绘制 3D 缺陷几何形状，但解释与宏观晶体塑性相关的高位错密度系统的 DFXM 图像仍然具有挑战性。这项工作开发了一个可扩展的正向模型来计算从原子模拟获得的复杂离散位错 (DD) 结构的虚拟 DFXM 图像。我们的新 DD-DFXM 模型集成了用于根据 DD 结构计算局部应变的非奇异公式和用于根据应变计算 DFXM 图像的高效几何光学算法。我们将该模型应用于通过单晶硅压缩载荷的大规模分子动力学 (MD) 模拟获得的复杂 DD 结构。模拟的 DFXM 图像表现出多个滑移系统之间位错的显着特征对比，展示了 DFXM 解决位错倍增特征的潜力。集成的 DD-DFXM 模型为块状晶体塑性背景下的 DFXM 实验设计和图像解释提供了一个工具箱，可实现冲击塑性和更广泛的材料科学领域的广泛测量。

半赫斯勒化合物中的重入拓扑相

分类： 材料科学

作者： Augusto L. Araújo, Felipe Crasto de Lima, Adalberto Fazzio

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01385v1

摘要： Half-Heusler 化合物以其各种组成和多功能特性（包括拓扑相）而闻名。在本研究中，我们根据绝热膨胀过程中 $\Gamma_6$、$\Gamma_8$ 状态以及之前被忽视的 $\Gamma_6^*$ 状态的排序来研究此类材料的拓扑分类。使用基于密度泛函理论的第一性原理计算，我们观察到非平凡拓扑由三能带机制控制。我们提供了一个从 $k\cdot p$ 哈密顿量导出的简单模型，该模型解释了 half-Heusler 系统中的拓扑相。此外，我们还探讨了张力下拓扑相的鲁棒性，以及半赫斯勒化合物拓扑性质的新视角。

磁性戈薇金属中的条纹磁化平台和手性可逆反常霍尔效应

分类： 强关联电子, 材料科学

作者： Erjian Cheng, Ning Mao, Xiaotian Yang, Boqing Song, Rui Lou, Tianping Ying, Simin Nie, Alexander Fedorov, François Bertran, Pengfei Ding, Oleksandr Suvorov, Shu Zhang, Susmita Changdar, Walter Schnelle, Ralf Koban, Changjiang Yi, Ulrich Burkhardt, Bernd Büchner, Shancai Wang, Yang Zhang, Wenbo Wang, Claudia Felser

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01365v1

摘要： 在二维网络中具有磁性挫败的 Kagome 材料以其奇特的特性而闻名，例如具有非共线自旋纹理的反常霍尔效应 (AHE)。然而，人们对这些网络中一维 (1D) 自旋链的影响知之甚少。在这里，我们报告了双层扭曲 kagome 材料 GdTi$_3$Bi$_4$ 中独特的 AHE，具有一维 Gd 锯齿形自旋链、三分之一磁化平台和两个连续的变磁转变。在这些变磁转变处，霍尔电阻率显示出与条纹畴壁的形成相关的突然跳跃，而在平台内，可检测到的畴壁的缺失表明可能存在斯格明子相。将样本尺寸减小到几微米会发现额外的霍尔电阻率尖峰，表明畴壁偏斜散射的贡献。磁原子自旋动力学模拟表明，这些跃迁处的磁性纹理具有反手性，解释了 AHE 和磁畴壁与场的演化。这些结果强调了磁性和晶体对称性相互作用以及磁场设计的自旋手性在控制磁畴壁和调整横向特性方面的潜力，从而推进自旋电子学应用。

通过量子虚时间演化生成强相关量子多体系统的近似基态

分类： 量子物理学, 材料科学, 强关联电子, 超导

作者： Michael P. Kaicher, Florian Dommert, Christopher Wever, Maximilian Amsler, Michael Kühn

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01320v1

摘要： 大多数设计用于生成或探测量子多体系统基态特性的量子算法都需要与所需基态有很大重叠的初始态作为输入。准备这种基态的一种方法是虚时间演化（ITE）。 [Motta, M.、Sun, C.、Tan, A.T.K. 的最新工作。等人。 （2020）]引入了一种算法——我们将其称为量子虚时间演化（QITE）——它展示了如何通过一系列酉算子来近似 ITE，使得 QITE 有可能在早期的容错量子计算机上实现。在这项工作中，我们对 QITE 算法在近似晶格和分子电子结构哈密顿量的 ITE 方面的能力进行了启发式研究。当为一大类系统提供良好的经典初始状态时，我们对 QITE 算法的性能进行数值研究，其中一些系统对工业应用感兴趣，并检查 QITE 是否能够定性地复制 ITE 行为并改进经典平均场解。我们在这项工作中考虑的系统范围从显示短程和长程相互作用的各种晶格几何形状的一维和二维晶格系统，到分子电子结构哈密顿量的活动空间。除了 QITE 和 ITE 的比较之外，我们还明确展示了虚数时间演化的费米子高斯态如何作为初始态，可以在经典计算机上有效计算并在量子计算机上有效实现任意晶格几何形状和维度的通用自旋哈密顿量，这可能具有独立的利益。

银纳米线网络不同渗流状态下的二结模型

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： J. I. Diaz Schneider, C. P. Quinteros, P. E. Levy, E. D. Martínez

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01318v1

摘要： 随机网络为实现复杂性和关键性提供了肥沃的土壤，这对于受生物大脑特征启发的非常规计算范式至关重要。在这项工作中，我们重点关注银纳米线（AgNW）自组装体的不同电传输机制的表征和建模。由于渗透在这种情况下起着至关重要的作用，我们探索了广泛的面密度覆盖范围。接近渗透的实现（通常用于演示神经形态计算能力）具有很大的原始电阻，并且需要电激活。到目前为止，尽管生物系统表现出极高程度的互连，但高导电性过渗透系统（通常用于电极制造技术）尚未被充分考虑用于基于硬件的神经形态应用。在这里，我们表明，过渗低电阻 AgNW 网络中的高电流密度会引发熔丝型过程，从而允许切换操作。这种电熔合可以区分弱的和坚固的西北线到西北线的链接，并增强丝状连接的作用。它们的可逆电阻开关使不同的导电路径表现出线性 I-V 特性。我们通过实验研究了两种渗流机制，并提出了一个包含两种类型连接点的模型，可以通过数值模拟描述整体行为和观察到的现象。这些发现揭示了神经形态系统和透明电极功能之间潜在的相互作用。

如何操纵具有空位的纳米颗粒形态

分类： 材料科学, 原子和分子簇

作者： Ilia Smirnov, Zbigniew Kaszkur, Riccardo Ferrando

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01254v1

摘要： 贵金属纳米颗粒中的堆叠缺陷显着影响其光学、催化和电学性能。虽然人们已经研究了它们形成背后的一些机制，但有意操纵纳米颗粒整体形态的能力仍然很大程度上尚未被探索。在这项工作中，我们引入了一种开创性的机制——空位驱动孪晶——能够将面心立方（fcc）金转变为局部六方密排（hcp）结构。通过计算模拟证明的这种创新方法有助于创建真实的、随机多孪生纳米颗粒模型。通过采用最近开发的多域 X 射线衍射方法 (MDXRD)，我们定量评估了孪生程度。这是理论研究转化为实际应用的关键一步。我们的工作旨在开发用于修改和控制 fcc 纳米颗粒体结构的工具

通过氢后处理增强纳米结构 MoS2 薄片的室温铁磁性：结合实验和基于第一原理的研究

分类： 材料科学, 介观和纳米物理

作者： Sharmistha Dey, Ankita Phutela, Saswata Bhattacharya, Fouran Singh, Pankaj Srivastava, Santanu Ghosh

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01187v1

摘要： 我们仔细研究了氢辐照和退火对通过化学气相沉积 (CVD) 生长的纳米结构 MoS2 薄膜的电子结构和磁性能的影响。彻底研究了边缘终止结构和点缺陷诱导室温铁磁性 (RTFM) 的作用。纳米结构的原始 MoS2 薄膜显示出纯 2-H MoS2 相的形成，经 X 射线衍射 (XRD) 和拉曼光谱证实。原始 MoS2 薄膜在还原氢环境中独立退火，并用低能氢离子辐照，以研究硫空位等点缺陷的重要性。在原始薄膜中观察到具有饱和磁化强度值（Ms：1.66 emu/g）的RTFM。辐照和退火过程后磁化强度增加。然而，在200oC温度下的氢气退火在室温下表现出2.7 emu/g的最大Ms值。铁磁性的增加归因于硫空位的增加、硫对氢的吸附以及边缘的修饰，这通过电子探针显微分析仪（EPMA）、X射线光电子能谱（XPS）和场分析证实。发射扫描电子显微镜 (FESEM) 测量。密度泛函理论（DFT）计算表明，MoS2 的边缘取向结构表现出 3.2 {\mu}B 的磁化强度。此外，在与硫平行的位置引入S空位和H吸附进一步将磁化值分别提高到3.85 {μ}B和3.43 {μ}B。这些发现与我们的实验结果大致一致。

高效晶体硅太阳能电池的表征与优化

分类： 材料科学, 其他凝聚态物质

作者： V. P. Kostylyov, A. V. Sachenko, M. Evstigneev, I. O. Sokolovskyi, A. I. Shkrebtii

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01101v1

摘要： 由于实验室条件下硅基太阳能电池（SC）的光转换效率接近理论基本极限，其性能的进一步提高需要理论建模和/或数值模拟来优化SC参数和设计。描述了基于单晶硅（c-Si）（光伏发电的主要材料）的高效太阳能电池关键参数的建模和优化的现有数值方法。结果表明，除了通常考虑的四种复合过程，即Shockley-Read-Hall、表面、辐射和带间俄歇复合机制外，非辐射激子俄歇复合和空间电荷复合区域（SCR）必须包括在内。为了发展分析 SC 表征形式，我们提出了一个简单的表达式来模拟吸收边附近光电流的波长相关外部量子效率 (EQE)。基于此参数化，所开发的理论允许计算和优化与基底厚度相关的短路电流、开路电压和 SC 光电转换效率。我们证明了优化太阳能电池参数的方法，特别是其厚度和基本掺杂水平，是准确的，并在文献中报道的两种硅太阳能电池中得到了证明，一种的效率为 26.7%，另一种则具有创纪录的效率26.81%。结果表明，所开发的形式可以进一步优化太阳能电池的厚度和掺杂水平，从而将 SC 效率提高到更高的值。

模拟阿秒瞬态吸收光谱探测固体中的强场电子空穴动力学

分类： 光学, 材料科学, 原子物理学

作者： Stefano M. Cavaletto, Lars Bojer Madsen

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.01033v1

摘要： 我们研究了宽带隙材料模型的超快电子动力学，该材料具有由强几飞秒泵激发的内带、价带和导带，并由延迟阿秒极紫外探针脉冲监测。基于半导体布洛赫方程 (SBE) 和瞬态密度泛函理论 (TDDFT)，利用并比较了互补计算方法。 TDDFT 用于研究有限尺寸系统，而 SBE 用于研究施加周期性边界条件的相应固体，并在并行传输结构规范中计算晶体动量相关的能带和带间耦合。由此产生的强场电子动力学用于预测实验上可访问的阿秒瞬态吸收光谱（ATAS）信号作为探针脉冲频率和泵浦探针脉冲间延迟的函数。两种仿真协议同样捕获 ATAS 信号中与时间延迟相关的频谱特征。我们的 TDDFT 和基于 SBE 的结果之间非常一致，使我们能够根据 SBE 的带间耦合来解释从头开始的 TDDFT 模拟，验证我们基于 SBE 的模型并证实其结论。

通过第一原理分子动力学模拟计算的熔化温度的高估

分类： 材料科学

作者： Koun Shirai, Hiroyoshi Momida, Kazunori Sato, Sangil Hyun

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00987v1

摘要： 虽然固体的熔化温度 $T_{m}$ 可以根据第一原理分子动力学 (FP-MD) 模拟进行计算，但尚未报道对所得值的准确性进行系统评估。 FP-MD 模拟需要大量的计算资源，因此检查单元大小对收敛的影响很困难。此外，由于能量耗散效应，液体能量的计算也不是一个简单的问题。目前的工作试图解决这些问题，从而可以评估典型半导体、金属和氧化物从 FP-MD 模拟获得的 $T_{m}$ 值的准确性。除了 Si 之外，$T_{m}$ 值在所有情况下都被高估了。这种高估可以通过增加像元大小来减少，尽管除非势非常浅，否则收敛速度很慢。对于氧化物，这种高估可能无法通过增加单元尺寸来消除。过度结合的 LDA/GGA 误差会影响熔化焓，从而影响 $T_{m}$。为了充分捕捉液体的能量耗散性质，需要进行绝热MD模拟，并且本研究中已经进行了此类模拟。

高保真图深度学习原子间势的数据高效构建

分类： 计算物理, 材料科学, 化学物理

作者： Tsz Wai Ko, Shyue Ping Ong

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00957v1

摘要： 机器学习势 (MLP) 已成为大规模原子模拟中不可或缺的工具，因为它们能够以极低的计算成本非常准确地再现从头算势能面 (PES)。为了提高计算效率，当今大多数 MLP 的训练数据都是使用相对便宜的密度泛函理论 (DFT) 方法计算的，例如 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 广义梯度近似 (GGA) 泛函。 Meta-GGA，例如最近开发的强约束和适当规范（SCAN）泛函，已被证明可以显着改进对不同键合系统的原子相互作用的描述，但其较高的计算成本仍然是其在 MLP 开发中使用的障碍。在这项工作中，我们概述了一种数据高效的多保真度方法来构建材料三体图网络（M3GNet）原子间势，该方法将不同层次的理论集成在单个模型中。以硅和水为例，我们表明，在低保真 GGA 计算与 10% 高保真 SCAN 计算的组合数据集上训练的多保真 M3GNet 模型可以达到与在数据集包含 8 倍于 SCAN 计算的数量。这项工作通过利用现有的低保真数据集，以经济有效的方式开发高保真 MLP 铺平了道路。

全面分析原子级精密制造的未来

分类： 新兴技术, 材料科学, 应用物理, 物理与社会

作者： Vadym Shvydun, Justin Sato, Gabriel Bristot

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00955v1

摘要： 原子精密制造（APM）是指以原子精度组装材料，代表着一种具有巨大潜力的高度先进技术。然而，APM的发展仍处于早期阶段，应用主要局限于专业领域，缺乏统一学科的凝聚力。目前有关 APM 的文献通常以较旧的推测性论文为主，这些论文讨论了其巨大的潜在风险和收益，但没有充分考虑最新进展或当今存在的实际限制。本文旨在通过对当前 APM 和近 APM 技术进行全面评估，并利用进一步进展的障碍来预测未来的发展，从而弥合这一差距。通过这种分析，我们试图更清楚地了解该技术的现状，然后利用这些见解来预测 APM 的未来轨迹。通过这样做，我们的目标是就 APM 及其潜在风险和收益进行更扎实的讨论，同时指导未来对该新兴领域的必要法规和安全考虑因素的研究。

在磁性三层中本质上驱动非共线层间交换耦合

分类： 材料科学, 介观和纳米物理, 量子物理学

作者： Guan-Wei Peng, Hung-Chin Wang, Yu-Jie Zhong, Chao-Cheng Kaun, Ching-Hao Chang

发布时间： 2024-09-02

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00911v1

摘要： 作为金属三层夹着非磁性间隔物的铁磁侧层已成为实现自旋电子器件的关键平台。最近的实验表明，操纵导电间隔物的宽度或性质会引起侧层之间的非共线磁对准。我们的理论分析表明，改变间隔物的宽度会显着影响层间交换耦合（IEC），从而导致非共线对准。通过解析法和第一性原理方法，我们对Fe/Ag/Fe三层膜的研究表明，在特定的Ag间隔层宽度下，侧层的磁矩趋于垂直。这种排列是由银量子阱态介导的，在三层上表现出自旋螺旋。我们的结果表明，非共线 IEC 为控制磁性器件和引导自旋电子技术提供了一定程度的自由度，并提高了传输能力。

单层氮化铝中的声子辅助光致发光和激子复合

分类： 介观和纳米物理, 材料科学

作者： Pushpendra Yadav, Amit Agarwal, Sitangshu Bhattacharya

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00850v1

摘要： 在紫外 (UV) 波长范围内具有更长工作寿命的高效固态光子发射器对于光电器件至关重要。然而，寻找合适的候选材料一直是一个重大挑战。在这里，我们证明六方氮化铝 (AlN) 单层在 3.94 - 4.05 eV 的紫外线范围内表现出强光致发光发射。我们表明，间接带隙 AlN 中的这些发射是由具有有限晶格动量的声子模式促进的。这些声子模式促进电子和空穴从布里渊区的 $\Gamma$ 到 K 点的有效复合。我们的研究结果为开发基于六方氮化铝单层的先进光电器件和高效紫外光源奠定了基础。

使用晶体硅天线从近地表 NV 中心提取宽带光

分类： 光学, 介观和纳米物理, 材料科学, 应用物理, 量子物理学

作者： Minjeong Kim, Maryam Zahedian, Wenxin Wu, Chengyu Fang, Zhaoning Yu, Raymond A. Wambold, Shenwei Yin, David A. Czaplewski, Jennifer T. Choy, Mikhail A. Kats

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00803v1

摘要： 我们使用晶体硅 (Si) 天线有效地将宽带单光子荧光从钻石中的浅氮空位 (NV) 中心提取到自由空间中。我们的设计在金刚石表面上采用相对容易图案化的高折射率硅谐振器，通过克服金刚石-空气界面处的全内反射和菲涅耳反射来促进光子提取，并提供适度的珀塞尔增强，而不会蚀刻或以其他方式损坏金刚石表面。在模拟中，与没有天线的情况相比，从单个 NV 中心收集到的单光子数量增加了约 20 倍；在实验中，我们观察到约 4 倍的增强，受限于 NV 和天线之间的空间对准。我们的方法可以很容易地应用于钻石的其他色心，更广泛地应用于从宽带隙材料中的量子发射器提取光。

用于细菌调节气体传感和碳捕获的活性多孔陶瓷

分类： 材料科学, 生物物理学, 定量方法

作者： Alessandro Dutto, Anton Kan, Zoubeir Saraw, Aline Maillard, Daniel Zindel, André R. Studart

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00789v1

摘要： 非生物结构中的微生物已经产生了工程化的生命材料，这些材料可以模仿生物系统的方式生长、感知和适应。尽管多孔结构有利于微生物的定植，但它们尚未被用作开发生命材料的非生物支架。在这里，我们报告了多孔陶瓷，这些陶瓷被细菌定植，形成一种工程活性材料，具有自我调节和基因可编程的碳捕获和气体传感功能。碳捕获能力是利用野生型光合蓝细菌实现的，而气体传感功能是利用基因工程大肠杆菌产生的。使用分级多孔粘土作为陶瓷支架，并从细菌生长、吸水性和机械性能方面进行评估。使用最先进的化学分析技术，我们证明了活性多孔陶瓷能够直接从空气中捕获二氧化碳，并通过代谢将微量的有毒气体转化为人类可检测到的良性气味。

半连续几何中的渗流

分类： 统计力学, 无序系统和神经网络, 材料科学, 软凝聚态物质

作者： Jasna C. K, V. Krishnadev, V. Sasidevan

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00699v1

摘要： 我们研究重叠对象的渗透问题，其中基础几何结构在 D 维度中，方向的子集具有晶格结构，而其余方向具有连续体结构。由此产生的半连续问题描述了平行层或通道中重叠形状的渗透，并具有沿离散方向放置对象的位置约束。像超长方体一样分析几种半连续渗流系统，特别关注 2D 和 3D 案例、圆盘和平行四边形。将排除体积参数适应半连续设置，我们表明，对于超长方体的半连续问题，对于沿保持晶格结构的方向的超长方体的固定边长，渗流阈值始终与边长无关沿着连续体方向。即使当边长沿连续体方向分布时，结果仍然成立。当我们沿着连续体方向改变形状的线性测量时，阈值变化的趋势是针对其他半连续体模型（如二维圆盘和平行四边形）获得的。结果与相应的连续介质和晶格模型的结果进行了比较。对于所考虑的 2D 和 3D 模型，我们使用蒙特卡洛模拟验证了排除的体积预测的趋势和渗透阈值的数值。预测数值和模拟结果之间非常吻合。半连续介质设置还允许我们在二维连续介质和三角晶格中重叠形状的渗流问题之间建立联系。我们还验证了各向异性形状阈值的各向同性和标准渗流普适性类别在半连续介质设置中保持不变。

了解铼(I)化合物单分子中的电荷传输：一种计算方法

分类： 材料科学

作者： Rajwinder Kaur, Savas Kaya, Konstantin P. Katin, Prakash Chandra Mondal

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00686v1

摘要： 了解单分子连接处的电特性和相应的传输模型至关重要。关于基于有机化合物的单分子连接已有许多报道。然而，基于有机金属化合物的单分子连接尚未被探索。 Re(I) 有机金属化合物在光催化和发光二极管方面表现出有趣的光物理性质，但尚未在分子电子学中得到探索。在这项工作中，我们精心选择了一个理论模型研究带有Re-P和Re-N-N键的两种Re(I)-羰基配合物的I-V特性。 Au/Re(I)复合物/Au单分子连接中的隧道和跳跃传输分别由兰道尔形式主义和马库斯理论控制。有趣的是，分子结构的变化最终导致结功能和电荷传导机制的显着变化。影响器件特性的物理参数，如偶极矩、分子-电极耦合强度、分压系数和温度，已得到广泛研究，为特性和器件设计提供了调节。发现带有联吡啶键的 Re 复合物中的主要跳跃电流是观察到的不对称电学 (I-V) 行为的原因。我们的工作为构建各种基于有机金属化合物的分子连接以了解电子功能和潜在的传输机制铺平了道路。

通过引入紫外光照射，在 XPS 测量中实现体绝缘体表面电荷中和的新颖有效技术

分类： 仪器仪表和探测器, 材料科学

作者： Lei Zhu, Yunguo Yang, Jianhua Cai, Xuefeng Xu, Liran Ma, Jianbin Luo

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00663v1

摘要： 当对绝缘体表面进行 XPS 分析时，由于表面充电，通常会发生光谱峰的移动和变形。为了实现可靠的XPS测量，中和技术已被广泛采用，但其有效性仍然有限，因此迫切需要新的中和技术。这里，通过引入紫外光照射获得了稳定的XPS谱，其中所有峰都经历了减少且几乎恒定的位移，没有明显的变形和展宽，这意味着紫外光的引入不仅可以大大削弱强度，而且可以显着提高强度。 XPS 测量期间表面充电的时间稳定性和空间均匀性。这种现象在本文中称为紫外线辅助中和，被发现与最常用的双束电荷中和一样有效。进一步的观察表明，充电问题的抑制来自于UV激发光电子在X射线照射区域的吸附。这种中和方法与结合能参考相结合，有望成为解决 XPS 测量中充电问题的一种有前途的替代技术。

通过非易失性铁电存储器和神经形态硬件的疲劳恢复设计高耐用性 Hf0.5Zr0.5O2 电容器

分类： 材料科学, 应用物理

作者： Xinye Li, Padma Srivari, Sayani Majumdar

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00635v1

摘要： 人工智能 (AI) 的大量计算需求促使研究界探索可用于高性能内存和神经形态计算硬件的功能材料的设计空间。具有特殊设计特性的新型设备技术正在接受深入研究，以利用受大脑启发的计算原语彻底改变信息处理，从而以超节能的方式实现人工智能和机器学习任务。具有超低功耗和快速操作、非易失性数据保留和可靠切换到多个极化状态的铁电存储器为神经形态硬件中的非易失性存储器和突触权重元件提供了一种这样的选择。为了快速适应行业，新材料需要互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容性，这给先进材料设计带来了一系列全新的挑战和机遇。在这项工作中，我们报告了后端兼容铁电 Hf0.5Zr0.5O2 电容器的设计，该电容器能够多次从疲劳中恢复，每次恢复时达到 2Pr > 40 microC cm-2。我们的结果表明，通过专门设计的材料堆栈和退火协议，可以在室温下达到超过 10^9 个周期的耐用性，从而产生与在线训练或推理任务兼容的超低功耗铁电非易失性存储器组件或突触权重元件用于神经形态计算。

BaZrS3单晶高性能光电器件电接触

分类： 材料科学

作者： Huandong Chen, Shantanu Singh, Mythili Surendran, Boyang Zhao, Yan-Ting Wang, Jayakanth Ravichandran

发布时间： 2024-09-01

链接： http://arxiv.org/abs/2409.00595v1

摘要： BaZrS3 等硫族化物钙钛矿是光电探测器和太阳能电池等下一代光电器件的有希望的候选者。与广泛研究的多晶薄膜相比，BaZrS3 单晶具有最小的延伸缺陷和点缺陷，是研究材料本征传输特性和制造第一代光电器件的理想平台。然而，由于硫酸化或氧化而在BaZrS3单晶上形成的表面电介质给实现高质量电接触、从而实现高性能光电器件带来了重大挑战。在这里，我们报告了 BaZrS3 单晶电接触制造工艺的发展，其中采用了各种工艺来解决表面介电问题。此外，通过干法刻蚀制造优化的电接触，高性能BaZrS3光电导器件在10 V偏压下具有0.1 nA的低暗电流，并且具有上升和衰减时间<0.2 s的快速瞬态光响应。我们的研究强调了无损伤制造工艺在制造高质量 BaZrS3 单晶光电器件中的重要性，并为探索其固有的传输特性提供了线索。