今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过合成应变诱导赝磁场观察光子晶体中的朗道能级和手性边缘态，FeSe/SrTiO3界面局域声子的原子尺度观测，通过拓扑电子转变改善p型Mg3Sb2−xBix固溶体的热电性能,敬请期待！
索引：
1、通过合成应变诱导赝磁场观察光子晶体中的朗道能级和手性边缘态
2、FeSe/SrTiO3界面局域声子的原子尺度观测
3、通过拓扑电子转变改善p型Mg3Sb2−xBix固溶体的热电性能
1、通过合成应变诱导赝磁场观察光子晶体中的朗道能级和手性边缘态
凝聚态物理学中，磁场为控制材料中电子行为提供了一种通用机制。例如，二维电子气在外磁场的作用下会形成具有离散能量的平带，即量子化朗道能级，这可以视为电子在磁场中回旋运动的量子化。此外，在系统边界会产生磁场诱导的与量子霍尔效应相关的手性边缘态。在光子学中，以类似方式控制光一直是一个诱人的想法。然而，光频率的磁光效应较弱，导致无法利用磁光材料在外磁场的作用下实现光子系统的磁场调控。幸运的是，由晶格形变产生的赝磁场可以在不依赖外磁场的情况下实现对介电光子系统中的有效磁控制。在石墨烯中，与打破时间反转对称性的真实磁场相反，应变引起的赝磁场对于 K 和 K' 谷处的两个非等效狄拉克锥具有相反的符号。尽管如此，它们仍然引发有趣的现象，包括量子化朗道级和手性边缘态。同样地，适当的晶格变形可以充当玻色子系统中的磁规范势。这些效应已在耦合波导晶格、微波谐振器阵列、双层微波超材料中的莫尔超晶格、微腔激子极化子和声学平台进行了研究。最近，有研究预测蜂窝光子晶体中的不均匀变形可以在系统中引入赝磁场，并实现平坦的光子朗道能级。
近日，荷兰原子分子物理研究所的Ewold Verhagen教授团队在通信波段的硅光子晶体中通过晶格应变工程实现了赝磁场和光子朗道能级。使用远场傅立叶光谱偏振法，研究了朗道能级随应变的特征能量标度、离域和损失机制。发现即使朗道能级存在于辐射连续体中，也具有非常高的品质因子。最终证明了通过空间调整应变场来创建非均匀赝磁场。并且在具有相反赝磁场的边界处实现手性边缘态，这不同于光子晶体中基于晶体对称性的拓扑边缘态。研究结果表明合成应变工程在纳米尺度上控制光及其与物质相互作用的适用性。
相关内容发表于《Nature photonics》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01412-3
2、FeSe/SrTiO3界面局域声子的原子尺度观测
在SrTiO3基底上生长的单晶胞FeSe比块体FeSe的超导转变温度高出约一个数量级，其超高的超导转变温度引起了人们广泛的研究兴趣。异常大的超导能隙仅在FeSe的第一个晶胞中出现，这说明界面的存在使材料的超导特性得到了显著增强。在角分辨光电子能谱（ARPES）实验中，人们首次观察到了由于电子-声子耦合导致的复制能带（replica bands）大约90至100毫电子伏特的能量偏移。最近的高分辨率电子能量损失谱（HREELS）实验表明，主要参与电子-声子耦合的声子可能是SrTiO3中的Fuchs-Kliewer（F-K）声子，因为F-K声子的能量与复制能带的能量偏移量接近。然而，想要精确探测FeSe/SrTiO3界面上高度局域化的声子，对于表面分析技术如ARPES和HREELS来说十分困难，因为它们的探针尺寸较大且具有特定的配置。另一方面，材料的电子结构、声子模式和电子-声子耦合等物理性质强烈依赖于原子结构，但界面处复杂的原子结构对于从头计算和实验表征来说都是一项巨大的挑战。因此，对FeSe/SrTiO3界面处的局域声子性质的研究仍不清晰，其原子排列与超导性质的相关性更没有确切的解释。
近日，北京大学高鹏教授团队在电子显微镜下通过原子分辨成像和电子能量损失谱直接表征了FeSe/SrTiO3界面的原子结构和声子模式。基于从头计算，在独特的双层Ti-O界面上发现了几个高度局域化（~1.3 nm）的声子模式，其中一个声子模式（~83 meV）与FeSe中的电子进行了强相互作用。这说明，除了具有远程相互作用的F-K声子外，具有短程相互作用的局域界面声子也对电子-声子耦合做出了重要贡献，从而可以与F-K声子互补，协同增强界面处的电子-声子耦合。该工作为理解FeSe/SrTiO3界面超导性增强的起源提供了新的见解。
相关内容发表于《Nature Communications》上。（侯玥盈）
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47688-5
3、通过拓扑电子转变改善p型Mg3Sb2−xBix固溶体的热电性能
热电（TE）材料由于具有直接将热能转换为电能的性质，使其在工业领域的废热回收、自供电便携式设备以及5G网络中光学模块的高精度热管理等领域展现出广泛的应用前景。TE材料的性能可以通过无量纲值
来量化，为了实现高效的TE应用，需要优异的功率因子（
）以及高ZT值。除了由于强声子散射或非谐软晶格导致的低热导率外，目前得到广泛应用的TE材料的高PF和ZT主要源于高能带简并度
，（由于
，其中
分别是态密度有效质量、单谷有效质量和载流子迁移率）。Bi2Te3基固溶体被公认为近50年来最先进的室温TE材料，但由于碲元素的稀缺以及较差的机械强度，使其应用受到了限制。为了解决这一应用难题，研究者们设计并开发了更便宜且机械强度更高的Mg3Sb2−xBix。但相比于n型Mg3Sb2−xBix，p型Mg3Sb2−xBix由于价带极大值处的低
使得其PF值比前者小几倍。目前，在p型Mg3Sb2−xBix中，已有研究通过轨道工程（操纵应变或通过在阳离子位点掺杂Ba和Zn元素）来实现
和PF的提升。
近日，武汉理工大学的唐新峰教授团队提出了一种通过拓扑电子转变提升p型Mg3Sb2−xBix材料TE性能的方法。该工作表明，Bi元素的强自旋-轨道耦合（SOC）在Mg3Sb2−xBix的拓扑带特性和价带结构中起着至关重要的作用，影响了包括带隙反演过程、拓扑态以及
的多谷价带结构。Bi含量的增加在Mg3Sb2−xBix中可以导致Eg消失，并且同时增强SOC，能够在组分变化范围内满足触发拓扑电子转变的要求。该工作指出在最佳组分配比Mg3Sb0.5Bi1.5的情况下获得了
的高简并度和
，同时在Ag元素掺杂下获得了室温PF的显著提高（
），并优于其他组分配比的值。这一结论对于设计和开发新型高效热电材料具有重要的理论和技术意义。
相关内容发表于《Advanced Materials》上。（侯玥盈）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202400845
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