中科幻彩设计作品Science正刊发表:数值策略定量描述电子材料的更复杂状态--科技论文配图-医学动画-动画宣传片-三维机械动画制作-北京中科幻彩日前,加州理工学院Garnet Kin-Lic Chan教授课题组展示了一种数值策略,在有效低能模型的解决方案之外,在完全从头计算水平上模拟关联材料,并将其应用于在母态未掺杂状态的铜酸盐超导材料家族中获得详细的微观理解。该工作提供了一条在从头计算多体水平上对关联材料的更复杂状态进行定量和可靠理解的途径。该工作以题为“Systematic electronic structure in the cuprate parent state from quantum many-body simulations”发表在Science上,第一作者为博士生崔智昊。中科幻彩为其成果设计制作了论文插图。 文中插图制作:中科幻彩 量子多体模拟揭示铜酸盐母态的系统电子结构 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2295 本文证明通过结合量子嵌入、从头算量子求解器和周期性量子化学的数值策略,可以在多体水平上确定铜酸盐母态中材料特定的关联电子结构。这揭示了费米分布和准粒子中多轨道键合和 关联效应的趋势,并给出了低能磁激发的定量描述 铜酸盐与母态及计算技术 铜酸盐的主要结构特征是二维(2D)CuO2(形式为[CuO2]2-)方晶格平面(图1A)。在不同的铜酸盐中,铜-氧平面在垂直方向上被不同的原子和缓冲层所包围。除了层堆叠的理想CuO2平面,作者考虑了三种特定的化合物。第一个是无限层CaCuO2(CCO)(图1D),其中钙反离子以无限重复的结构插入在CuO2平面之间。CCO本身不具有超导性。然而,在相关的汞-钡铜酸盐(Hg-Ba-Ca-Cu-O家族)中观察到高温(T c)超导。CuO2平面由顶端氧修饰,顶端氧连接到汞和钡离子的缓冲层。与CCO不同的是,缓冲层在铜-氧层之间形成了较大的间隔层。不同缓冲层之间有不同数量的CuO2平面,可以合成不同的汞-钡铜酸盐,导致单层铜酸盐,双层铜酸盐等等。作者考虑了这个家族中的两个成员:HgBa2CuO 4(Hg-1201;单层,T c = 97 K)和HgBa 2CaCu 2O 6(Hg-1212;双层,T c = 127 K)。Hg-1201表现出扭曲的八面体Cu-O配位(每个Cu包含两个顶端氧)(图1B),而Hg-1212每层都包含锥体Cu-O配位(每个Cu包含一个顶端氧)(图1C)。Hg-1201、Hg-1212和CCO通过用Ca层取代Hg-Ba-顶端O层而组成相关。作者在母态的磁性特征与材料的原子级结构和电子特征之间建立了因果关系与定量关系。 图1. 结构和计算策略 同时,新加坡国立大学的Wei Sun Leong教授对北航杨树斌教授的工作以前对铜酸盐电子结构的数值研究[除了少数例外]分为两类:(i)从头计算等位电子模拟与适度处理电子关联,它们常被用来推导出低能量的有效模型;(ii)精确的多体方法应用于低能量有效模型,以获得相图和更奇异的阶。作者的策略是使用与(ii)的模型研究相关的一系列方法,但在技术上提升到 (i) 的完全从头算哈密顿量。作者从Hg-1201、Hg-1212、CCO和[CuO 2] 2-系列的一般电子趋势开始,作为在后面部分理解物理趋势的基线。作者首先从2×2计算超级单体中提取阶参数:电荷、局部矩、键序和自旋相关函数(图2A至E)。进行了评述,并发表在Nature上。评述中指出:这种方法可以直接将非范德华固体材料转变为单层TMCs,极具普适性,且操作简便,成本低廉,非常适合工业生产,将二维材料的应用极大地推向了市场商业化。从科学本身角度而言,杨树斌教授团队的最新研究工作表表明,少量(<1%)杂原子的掺杂可以稳定单层过渡金属硫族化物,用于解决二维材料在环境中的不稳定性,这为材料研究人员提供了新的思路:应当开始探索使用化学元素来稳定二维材料,而不用再使用包覆等复杂策略。 图2. 电荷、自旋和键序 关于作者 崔智昊,从初中开始就着迷于化学实验。高中就读于太原五中,高二时,他拿到了全国化学竞赛初赛的一等奖;高三入选省队参加第26届全国高中生化学竞赛获得金牌;随后入选国家队,代表我国中学生参加第45届国际化学奥林匹克竞赛,斩获国际化学奥赛金牌,同年被保送到北京大学化学学院。一路开挂,在北大就读期间,获2015-2016学年国家奖学金,以第一作者身份,Phys. Chem. Phys. Chem., 2016, 18, 29914-29922; J. Phys. Chem. C 2017, 121, 6, 3241–3251;J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 9, 2338–2345发表论文3篇。以参与作者在Nature Materials, J. Mater. Chem. A等顶尖期刊发表论文。2017年从北大毕业后,前往加州理工学院求学,从事强相关的材料和相关的电子结构方法研究,如今问鼎Science! 中稿插图·一周精选 01 Titel Interfacial engineering to achieve an energy density of over 200 Wh kg−1 in sodium batteries DOI https://www.nature.com/articles/s41560-022-01033-6 Abstract (上下滑动查看) 02 Titel Comprehensive 3D epigenomic maps defifine limbal stem/progenitor cell function and identity DOI https://www.nature.com/articles/s41467-022-28966-6 Abstract (上下滑动查看) 03 Titel Bio-Inspired Self-Hydrophobized Sericin Adhesive with Tough Underwater Adhesion Enables Wound Healing and Fluid Leakage Sealing DOI https://doi.org/10.1002/adfm.202201108 Abstract (上下滑动查看) 04 itel Biodegradation of polystyrene and low-density polyethylene by Zophobas atratus larvae: Fragmentation into microplastics, gut microbiota shift, and microbial functional enzymes DOI https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132987 Abstract (上下滑动查看) 05 Titel The Yin and Yang of the protein corona on the delivery journey of nanoparticles DOI https://doi.org/10.1007/s12274-022-4849-6 Abstract (上下滑动查看) 06 Titel Ultraviolet Photodetectors Based on Polymer Microwire Arrays toward Wearable Medical Devices DOI https://doi.org/10.1021/acsami.2c04169 Abstract (上下滑动查看) 07 Titel Selection of growth monomers on the 4H-SiC (0001) atomic step surfaces: From the first-principles calculations to homo-epitaxy verification DOI https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154949 Abstract (上下滑动查看) 08 Titel Detection of biosignatures in Terrestrial analogs of Martian regions: Strategical and technical assessments DOI https://doi.org/ 10.26464/epp2022042 Abstract (上下滑动查看)
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