最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料設(shè)計與計算研究部的研究人員及合作者發(fā)現(xiàn)了金屬鈹表面的巨大電聲耦合的反常增強(qiáng)是其塊體材料中拓?fù)涞依斯?jié)線量子態(tài)誘發(fā)的。因為該節(jié)線態(tài)會導(dǎo)致鼓膜類拓?fù)浔砻鎽B(tài)，它們在表面費米能級附近局域，增高了態(tài)密度，尤其是通過與低頻區(qū)表面聲子的耦合誘發(fā)了巨大的電聲耦合效應(yīng)。研究團(tuán)隊也在其它拓?fù)洳牧现薪沂玖祟愃频男?yīng)。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 123, 136802 (2019)）并入選(PRL Editor’s suggestion)，作為亮點文章(highlighted article)在PRL網(wǎng)站推薦。

　　電聲相互作用在材料和凝聚態(tài)物理中是普遍存在的，也是固體物理量子機(jī)制理論中研究最為普遍的內(nèi)容之一。它通常反映的是固體材料中原子在平衡位置振動對電子結(jié)構(gòu)的影響，因此電聲相互作用對材料的許多性質(zhì)有重要影響。比如，它不但影響材料隨溫度變化的電子能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光電子能譜、拉曼和中子實驗中經(jīng)常觀察到的典型扭結(jié)或者Kohn異常現(xiàn)象，而且它還會加強(qiáng)金屬隨溫度變化的電阻，增加半導(dǎo)體材料的載流子遷移速率，更會對傳統(tǒng)BCS超導(dǎo)的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用等。因電聲相互作用耦合了晶格和自旋自由度或者可調(diào)節(jié)色心自旋的壽命，在自旋電子學(xué)和量子信息領(lǐng)域內(nèi)也有重要應(yīng)用。

　　金屬的電聲耦合效應(yīng)通常不會很大，比如塊體金屬鈹?shù)碾娐曬詈闲?yīng)只有0.24。但鈹(0001)表面的電聲耦合效應(yīng)竟然出現(xiàn)反常增強(qiáng)，是其塊體的5倍以上。這種反常增強(qiáng)現(xiàn)象自上世紀(jì)90年代起就被多種不同實驗觀測到，迄今為止這一現(xiàn)象的機(jī)理未明，并引起了廣泛爭議。

　　對于金屬鈹表面電聲耦合機(jī)理的研究，最大的困難之一是電聲耦合基本參數(shù)——伊利艾伯格函數(shù)的精確求算。盡管以前的研究在頻率區(qū)間內(nèi)積分伊利艾伯格函數(shù)得出的電聲耦合強(qiáng)度數(shù)值與實驗相近，但計算結(jié)果并不可靠。主要因為以前理論獲得的相應(yīng)頻率區(qū)間的計算結(jié)果與實驗結(jié)果存在嚴(yán)重偏差，同時也無法給出與微觀機(jī)理相關(guān)的數(shù)據(jù)。為了解決這一問題，金屬所研究團(tuán)隊首先發(fā)展了高精度的第一性原理計算算法，通過巧妙的數(shù)學(xué)處理拆解伊利艾伯格函數(shù)，將其在頻率區(qū)間的分布與積分變換到電子及聲子的動量空間，從而率先觀測到了每個電子及聲子動量對電聲耦合的影響。為了驗證算法，他們構(gòu)建了金屬鈹表面的薄膜模型，計算不但獲得了與實驗結(jié)果相符的伊利艾伯格函數(shù)分布，嚴(yán)格修正了以往與實驗嚴(yán)重偏離的結(jié)果，而且還為量化每個電子及聲子動量對電聲耦合的貢獻(xiàn)提供了分析工具。

　　使用研究團(tuán)隊改進(jìn)后的精確算法和工具，計算量化了電子動量空間下的伊利艾伯格函數(shù)，發(fā)現(xiàn)金屬鈹?shù)依斯?jié)線量子態(tài)引發(fā)的鼓膜類拓?fù)浞瞧接贡砻鎽B(tài)對其電聲耦合的貢獻(xiàn)占比超過了80%，這一發(fā)現(xiàn)澄清了長期以來廣受爭議的金屬鈹表面電聲耦合反常增強(qiáng)的機(jī)理，同時也揭示了其它拓?fù)洳牧现写嬖谙嗨频男?yīng)。審稿專家評價該工作的意義認(rèn)為：“這些研究者正在刷新尋找改進(jìn)量子計算和模擬并具有量子相干性的材料的科學(xué)（包括物理）。”另一位審稿人認(rèn)為：“我認(rèn)為這些新結(jié)果難以置信的引人入勝，作者提供了清晰的證據(jù)表明表面電聲耦合效應(yīng)的反常增強(qiáng)來源于其體拓?fù)涓础！?/p>

　　該工作由金屬所研究員陳星秋、特別研究助理李榮漢（共同一作）和博士生李江旭（共同一作）等共同完成，得到國家杰出青年科學(xué)基金和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等支持。這個工作也是研究團(tuán)隊繼兩年前率先報道在鈹、鎂、鈣和鍶金屬中拓?fù)涞依斯?jié)線量子態(tài)后的又一重要進(jìn)展。

　　論文鏈接 

　　圖1 改進(jìn)后的算法提高了伊利艾伯格函數(shù)的求算精度。比如沿著Be(0001)表面的G-M路徑積分的伊利艾伯格函數(shù)在頻率區(qū)間內(nèi)的峰與實驗配備良好。

　　圖2 計算精確闡述了金屬鈹?shù)?0001)表面電聲耦合的各向異性，與實驗測試結(jié)果一致。

　　圖3 計算揭示了金屬鈹?shù)模?001）表面來自狄拉克節(jié)線誘導(dǎo)的鼓膜拓?fù)鋺B(tài)電子與低頻區(qū)表面聲子耦合導(dǎo)致電聲耦合的反常增強(qiáng)。圖示非平庸表面態(tài)電子與低頻區(qū)K點表面聲子的耦合顯著貢獻(xiàn)了反常增強(qiáng)現(xiàn)象。

　　圖4 對應(yīng)于非平庸鼓膜類拓?fù)浔砻婢钟螂娮討B(tài)引發(fā)的各向異性電聲耦合反常增強(qiáng)局域峰。