关联电子材料与散射谱学
关联电子材料是凝聚态物理的基础前沿领域, 深刻体现了凝聚态物质中“多者异也 (more is different)”的特征. 由于材料内部自旋、轨道、电荷等多种自由度的相互耦合, 关联电子材料中蕴含了极其丰富的相互作用机制, 进而层展出一系列关联物态, 例如高温超导电性、重费米子、庞磁阻、量子自旋液体、量子相变、奇异金属、磁性关联拓扑等, 具有重大的材料学应用价值. 但是, 强关联特性意味着电子-电子间的相互作用已不可忽略, 传统的基于密度泛函的计算难以准确理解其机制或预言其关联物态特性, 因此关联电子材料的机理研究往往是由实验技术发展和实验观测结果所驱动的. 理解关联电子物态的关键在于明确材料中各个自由度的能量尺度、耦合方式和竞争关系. 散射谱学是关联电子材料非常重要的定量研究技术, 包括基于光子、电子、中子、缪子等为探测媒介的各类非弹性散射实验技术及方法学.
近年来, 我国学者在关联电子材料探索与谱学基础研究领域作出了重要的前沿性工作, 一批具有国际影响力的中青年科学家得以迅速成长. 一方面, 随着镍氧化物超导体、准二维铁基超导体、笼目结构材料、磁性拓扑材料、量子自旋液体材料、磁卡制冷材料等多个关联电子新材料家族不断涌现, 关联电子材料的物性和机理的谱学研究结果极大丰富了我们对其微观机理的认识. 另一方面,我国在中子源、同步辐射光源、自由电子激光、缪子源等大科学装置平台上的散射谱仪建设也发展迅速.
为此, 受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了十余位国内外优秀的青年科学家, 组织了 “关联电子材料与散射谱学”专题. 专题涵盖了多种新型关联电子材料的散射谱学最新研究结果, 亦涉及热电材料、压卡材料、磁卡材料等多种实用化的材料谱学研究. 同时, 还介绍了我国多个大科学装置上散射谱仪平台建设进展及其应用领域, 并以铁基超导体为例展示了单轴应变调控在不同散射谱学中的具体应用. 专题文章形式包括综述、观点评述等, 希望通过介绍关联电子材料与散射谱学领域的最新发展动态与学术思考, 推动关联电子物态相关研究的协同创新及多平台、多技术、多学科的交叉合作, 在物质科学基础前沿领域抢占国际制高点.
2024, 73 (19): 190703.
doi: 10.7498/aps.73.20240943
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合肥先进光源是一个第四代衍射极限储存环光源, 计划于2028年投入运行, 凭借其高亮度和高相干性X射线, 将突破当前X射线技术研究关联电子系统所面临的时空分辨率瓶颈, 为理解这些材料中新奇物性的本质和微观起源提供关键信息. 本文介绍了合肥先进光源的主要科学目标和技术优势, 重点阐述了角分辨光电子能谱、磁圆二色、相干X射线散射和相干X射线成像等核心技术在量子材料和关联电子系统研究中的应用前景. 这些技术将能精细解析电子/自旋/轨道态的分布和动力学过程, 揭示各种新奇量子现象, 以及关联电子体系中各种序参量的涨落. 合肥先进光源的建成将为解码复杂量子态和非平衡演化行为提供先进的技术支持, 最终推动量子材料和关联电子系统在能源、信息等前沿领域的应用.
2024, 73 (19): 197104.
doi: 10.7498/aps.73.20240898
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镍基超导体目前分为一价镍氧化物超导体和高压镍基超导体两个家族, 其中电荷序的研究受到了广泛关注. 这是因为电荷序是强关联电子体系尤其是铜氧化物超导体的研究重点之一, 其不仅对于理解电子关联性有着重要意义, 与非常规超导电性也有着潜在的联系, 而镍基超导体的发现为电荷序与超导电性的研究提供了新的契机. 本文总结了镍基超导体电荷序的实验研究进展, 讨论了镍基超导体中电荷序的存在与否、具体构型以及微观性质等, 以期为进一步深入研究该主题提供新的思路.
2024, 73 (19): 197103.
doi: 10.7498/aps.73.20241080
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在超导和强关联电子材料的研究中, 通过引入压力和应变改变晶格参数和对称性, 是调控体系电子性质的有效实验手段. 在静水压和外延薄膜面内应变的调控中, 晶格参数的变化可以引起电子结构的显著改变, 进而诱导出新奇的物理现象. 相比这两种方法, 近年来开始被广泛采用的单轴应变调控方法, 除了可以改变晶格参数, 还可以直接破缺和调控体系的对称性, 影响体系的电子有序态乃至集体激发. 弹性单轴应变作为对称性破缺场, 可以作为电子向列相及其涨落的探针; 应变对超导和电子向列相的调控, 也可以为理解体系中电子态的微观机制提供实验依据. 本文将介绍单轴应变调控的基本概念、实验方法的发展, 以及采用这些方法调控铁基超导体中的超导和电子向列相等方面的一些研究进展, 并简单介绍单轴应变在其他量子材料中的应用.
2024, 73 (19): 197601.
doi: 10.7498/aps.73.20240940
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缪子自旋弛豫/旋转技术 (muon spin relaxation/rotation, μSR) 是一种高度灵敏的原子尺度磁性探测手段. 随着μSR技术的不断发展, 其在凝聚态物理研究中愈加重要. 本文简要介绍μSR技术的优越性和独特性, 概述近期μSR技术在凝聚态领域的几项重要进展和挑战, 包括镍基超导体La3Ni2O7和 (R, Sr)NiO2的磁性基态研究、笼目晶格超导体 AV3Sb5 (A = K, Rb)的电荷密度波研究、NaYbSe2量子自旋液体“海洋”中沉浸的自旋“磁滴”和Cr2O3磁电表面附近磁单极子的研究, 并简单阐述了国际上缪子源的建设情况和升级进展.
2024, 73 (19): 197301.
doi: 10.7498/aps.73.20241009
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共振非弹性X射线散射(resonant inelastic X-ray scattering, RIXS)是一种先进的基于同步辐射和自由电子激光光源的光进光出的谱学探测手段. 在过去的十几年, RIXS的能量分辨不断被提高, 其对凝聚态物质的研究也从最初的晶体场分裂和电荷转移激发, 发展到产生于包括电荷、自旋、轨道、晶格4个量子自由度的集体激发行为及相关的序参量. 本文总结了近几年高分辨软X射线RIXS在量子材料领域, 如铜基和镍基高温超导材料等离子激发及磁激发的研究, 量子材料中的集体轨道激发、激子激发和高阶磁激发, 以及对磁性金属和拓扑磁性材料中磁激发的探测.
2024, 73 (19): 197602.
doi: 10.7498/aps.73.20240926
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中国散裂中子源二期升级工程包含建设缪子实验终端和一条表面缪子束线, 并规划未来建设负缪子束线和衰变缪子束线. 表面缪子束线预计2029年建成出束, 有望成为我国首个人造缪子源实验平台. 缪子自旋弛豫/旋转/共振谱学和负缪子X射线分析谱学是缪子源平台最重要的应用技术, 分别在材料磁性分析和元素成分无损测量方面具有独特优势, 在磁性、超导、新能源、科技考古等多学科领域取得了大量瞩目成果. 本文围绕中国散裂中子源缪子实验终端及其谱仪建设, 分别介绍了缪子自旋弛豫/旋转/共振谱学和负缪子X射线分析谱学的基本原理、特色优势, 以及基于缪子实验终端的谱仪物理设计和应用展望; 最后展望了该缪子实验终端未来的缪子束线规划和更多样化的应用场景.
2024, 73 (19): 197401.
doi: 10.7498/aps.73.20240983
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铜氧超导材料问世以来, 其高温超导的理论机制仍有待解决. 近年来, 铜氧超导领域的实验进展主要集中在利用新型表征手段探索微观机理, 其中同步辐射的建设推进了先进谱学技术的发展. 基于同步辐射的共振非弹性X射线散射技术, 因具有体测量、能量动量分辨及直接探测不同元激发色散关系的能力, 在铜氧超导材料研究中得到了广泛应用. 无论是Bardeen-Cooper-Schrieffer理论框架下粘合库珀对的声子, 还是强关联体系中Hubbard模型预测的磁涨落和竞争序, 都可以用共振非弹性X射线散射实验测量, 并研究它们之间的关联. 本文介绍了利用共振非弹性X射线散射测量铜氧超导材料电荷密度波及相关低能激发, 包括声子异常现象的研究进展, 还介绍了磁激发和超导最高转变温度的关系, 最后对未来的研究方向和面临的挑战进行展望.
2024, 73 (19): 194101.
doi: 10.7498/aps.73.20240930
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自由电子激光(free electron laser, FEL)凭借高相干性、高亮度、覆盖远红外至X射线波段的连续可调性, 在基础科学研究、新材料、新能源、生物医学、环境监测等众多领域有着广泛的应用前景. 特别是X射线自由电子激光(X-ray free-electron laser, XFEL)以其独特的超高亮度、超短脉冲、极好相干性, 强力地推动了超快X射线散射和超快光谱学领域的发展. 基于XFEL的超快散射技术不仅实现了对晶格动力学、电荷和自旋序的超快时间和动量分辨研究, 还能够测量大动量转移范围的声子色散. 将基于XFEL的超快散射与光谱学手段相结合, 有望同时测量元激发能态变化及其相关的原子或序结构变化. 基于XFEL的光谱学正尝试充分利用自放大自发辐射模式(self amplified spontaneous emission, SASE)的全带宽, 以减少脉冲延展, 最终实现时间和能量分辨接近傅里叶变换极限的光谱测量. 基于XFEL的非线性光学技术为探测元激发开辟了新途径, 正在发展的新方法有望为探索表面和界面过程、手性、纳米尺度传输提供独特的机会, 并实现多维度芯能级光谱学.
2025, 74 (1): 012501.
doi: 10.7498/aps.74.20241412
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非弹性中子散射谱是材料科学和物理学研究中的关键工具, 其通过观测中子与物质相互作用后的能量和动量变化, 揭示材料的微观动力学特性. 该技术为定量描述材料的声子色散和磁性激发提供了重要信息. 非弹性中子散射谱仪根据单色中子的选择方法, 可分为三轴谱仪和飞行时间谱仪. 三轴谱仪具有高信噪比、高灵活性, 并且对特定测量点能进行精确追踪; 而飞行时间谱仪则通过多种手段显著提升实验效率. 非弹性中子散射谱仪的应用范围相当广泛, 在磁性、超导、热电、催化等诸多材料的机理研究方面, 均体现出在推动前沿科学发展中的不可或缺性. 中国散裂中子源的高能非弹性谱仪是国内首台飞行时间中子非弹性谱仪, 凭借其创新的费米斩波器设计, 成功实现了高分辨率与多能量的共存, 同时实验可用的单束中子支数达到了国际领先水平.
2025, 74 (1): 017401.
doi: 10.7498/aps.74.20241534
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铁基超导体的多结构体系和丰富的磁性物理为理解非常规超导微观机理提供了广阔的平台, 其中自旋涨落被认为是超导配对的最可能媒介. 本文以铁砷化物超导体为例, 系统总结了铁基超导体自旋激发谱的非弹性中子散射研究结果, 并探讨了相关的普适规律; 重点介绍了铁砷化物超导体中低能自旋激发与超导电性的直接联系, 即中子自旋共振模的行为, 以及高能自旋激发谱的色散关系、强度分布、总体磁矩等特征, 并充分比较了与铜氧化物高温超导体的异同.
2025, 74 (1): 012801.
doi: 10.7498/aps.74.20241178
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晶格动力学是众多前沿能源材料的重要物理基础. 许多优秀的能源材料具有亚晶格嵌套结构, 其晶格动力学非常复杂, 这给理解材料的物理机制带来了巨大挑战. 中子散射技术兼具高的能量和动量分辨率, 可以同时表征物质结构和复杂晶格动力学, 近年来在研究能源材料物理机制方面发挥了重要作用. 本文首先详细介绍了能源材料研究中常用的几种中子散射技术, 包括中子衍射、中子全散射、准弹性中子散射以及非弹性中子散射等. 然后, 综述了近年来以中子散射为主要表征方法在能源材料领域所取得的一些重要研究进展, 包括超离子热电材料中的超低晶格热导率、固态电解质中的离子扩散机制、压卡材料中的塑晶态相变与构型熵、光伏材料中的晶格非谐性与载流子输运以及磁卡制冷材料中的一级磁-结构相变等. 在这些能源转换与存储材料中, 晶格动力学并不是独立起作用的, 它们在宏观物理性质中的作用总是通过不同自由度如亚晶格、电荷、自旋等的复杂关联作用或相互耦合来实现的. 通过这些典型实例, 希望为能源材料与晶格动力学的进一步深入研究提供参考.
2025, 74 (1): 017301.
doi: 10.7498/aps.74.20241163
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Zintl相化合物因为其独特的晶体结构和优异的输运性能, 在能源存储及转换领域尤其是热电材料应用中受到广泛关注. 为了理解Zintl相化合物优异热电性能起源, 科研工作者们利用中子散射技术结合分子动力学模拟, 对晶格热导和电声耦合效应展开研究, 取得了一系列成果. 本文系统总结了中子散射对一些Zintl相化合物的结构及其晶格动力学的相关研究工作, 按照零维A14MPn11型化合物、一维链状化合物、二维层状AB2X2型化合物和其结构变体AB4X3型化合物, 层状ZrBeSi结构Zintl相化合物的顺序依次梳理了其低晶格热导率的物理起源. 通过中子衍射技术探讨了晶体结构、原子位移参数等信息; 围绕中子非弹性散射实验, 探讨了声子态密度的测量方法及其对Zintl相化合物动力学性质的研究. 在深入认识Zintl相化合物的同时, 揭示了其微观结构和优化材料性能, 以期对设计新型热电功能材料具有一些启发.
2025, 74 (8): 087402.
doi: 10.7498/aps.74.20241402
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非常规超导电性通常与一系列复杂的物质态相互竞争或共存. 在铜氧化物超导材料中, 存在自旋序、电荷序、赝能隙态和奇异金属相等多种物质态. 理解它们之间的关系是解决高温超导机理问题的基础. 最近的研究结果表明, 电荷序关联在铜氧化物体系中普遍存在, 并且覆盖了相图的广泛区域, 成为高温超导研究的重点. 本文总结了共振X 射线散射对铜氧化物中电荷序的研究进展, 聚焦于具有能量分辨的非弹性散射实验, 着重介绍了关于高温动态电荷序关联的研究, 以及结合单轴应力对电荷序进行调控的工作. 基于这些结果, 讨论了铜氧化物电荷序的微观机制、结构和对称性, 以及电荷序对超导和正常态的可能影响, 并对未来的研究方向进行了展望.
