All posts tagged: construction

Nature子刊:中国科大研究组预言高密度铁电新冰相

近日,中国科学技术大学客座教授曾晓成研究组与杨金龙/袁岚峰教授研究组以及大连理工大学赵纪军教授研究组合作,理论预测了一个新的高密度铁电冰相,研究成果发表在4月26日的《自然-通讯》上。文章标题为“Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram”(《室温电致水结冰:相图中“遗漏”的一个高密度冰相》)。该论文的第一作者是中科大化学物理系博士后朱卫多。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09950-z

因为水分子之间存在氢键,而氢键的强度和位形可以在很大范围内变动,所以水呈现出极其丰富的相图。目前,实验室中已经发现的不同温度和压强条件下的冰相多达18种。由于水分子具有偶极矩,多个水分子聚集时偶极矩可以叠加或抵消,因此有可能存在铁电性的冰。人们已经证实冰XI相是具有较大偶极矩的铁电相,而且认为它存在于天王星和海王星表面。然而,如果掺杂催化剂,普通结构的冰转变成铁电冰大约需要一万年,因此铁电冰相在自然界中是极为罕见的。

这项研究通过分子动力学和第一性原理的计算模拟发现:室温时,在高压和高电场强度的条件下,液态水可以自发形成一种高密度(1.27 g/cm3)的新型铁电冰晶体—“冰χ相”(图1)。自由能计算表明,在水相图上的一个高压低温区,冰χ相是最稳定的结构。它位于冰II相和冰VI相之间,与冰V相接邻(图2)。在这个意义上,冰χ是一个“被遗漏”的冰相。对此的一个可能的解释是:冰χ相的成核/生长需要非常高强度的电场。

 

    我们可以回顾一下人类在实验室中发现十六种冰相的百年简史:冰II和冰III相是1900年在德国发现的;冰IV-VII相是1912-1937年间在美国发现的;冰VIII相是1966-1968年间在加拿大发现的;冰X相是1984年在德国发现的;冰XI相是1984年在日本发现的;冰IX相是1993年在英国发现的;冰XII-XV相是1998-2009年间在英国发现的;冰XVI相是2014年在德国发现的;最近的冰XVII相是2016年在意大利发现的。到目前为止,尚没有中国发现的冰相。

铁电冰χ相的预言不仅丰富了水在高压区域的相图,而且为寻找稀有的铁电冰结构提供了理论指导。如果未来在实验室中确实观察到这种铁电性冰χ相,不仅将增加人们对水科学的浓厚兴趣,而且冰χ相将有可能成为冰相XVIII,从而填补中国发现冰相历史中的空白。该项工作得到中国科学院、国家自然科学基金委和国家重点研究开发计划项目的资助。

文章来源:中国科学技术大学、微信公众号mse_material(材料科学与工程)

SPCNature子刊:中国科大研究组预言高密度铁电新冰相
read more

中国科学家开拓的新领域:铁基超导+拓扑物理→自赋性拓扑超导体 | NSR综述

铁基高温超导和拓扑物理是当前凝聚态物理的两个重要前沿研究领域。在过去长期的研究中,这两个领域各自独立发展,互相之间很少有研究交集。最近几年,经过多个研究组的共同努力,结合理论和实验发现:某些铁基高温超导体可以是由内禀超导近邻效应产生的自赋性拓扑超导体(Connate Topological Superconductors)。这一发现不仅开启了铁基超导研究的新领域,也确立了铁基超导应用于未来拓扑量子计算的物理基础,使在相对高温下实现马约拉纳费米子成为可能。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心胡江平研究员与中国科学院强磁场科学中心郝宁研究员共同撰写综述文章“铁基超导中的拓扑量子态:从理论设想到材料实现”(Topological quantum states of matter in iron-based superconductors: From concepts to material realization),系统回顾和总结了铁基超导体中存在的拓扑物理。
  作者系统阐述了铁基超导中自赋性拓扑超导这一概念的物理内涵(如图所示):铁基超导的拓扑物理来自其费米面附近多轨道特性,某些具有非平庸拓扑的能带在内禀超导近邻效应下成为拓扑超导。这个概念不同于过去构造超导和拓扑绝缘体异质节实现拓扑超导的传统框架,为实现拓扑超导物理提供了新方向。作者进一步提出了一系列的理论设计方案与材料候选建议,回顾和展望了几种具体铁基超导体系中关于自赋性拓扑超导态最新实验进展以及存在的问题,同时讨论了铁基拓扑研究反过来对解决铁基超导本身存在的重大悬而未决的基本问题可能产生的新思路。

 

  非常值得一提的是,这一研究方向完全由来自国内的中科院物理研究所、复旦大学、北京大学、中国科技大学和清华大学等研究组发起并推进探索,其研究成果已经受到国际同行的高度评价和关注,目前来自国外同行的相关研究也已跟进中。

SPC中国科学家开拓的新领域:铁基超导+拓扑物理→自赋性拓扑超导体 | NSR综述
read more