北科大携手清华、中科院！再发两篇重磅文章！

近日

我校数理学院理论物理梯队

程艳婷老师与清华大学翟荟教授

在《Nature Reviews Physics》上

发表综述文章

冶金与生态工程学院储能科学与工程系

毛慧灿老师与中国科学院合作者的研究成果

发表在《Nature Energy》上

祝贺老师们！

程艳婷老师研究成果介绍

在里德堡原子阵列中，最重要的物理效应来源于里德堡原子之间强相互作用导致的里德堡阻塞效应，以及由于这一阻塞效应带来的丰富的量子多体物理现象。这是该体系用于量子模拟的基础。在这篇综述论文中，作者重点强调了如何利用规范理论提供了一个理论框架，对原子阵列中由于里德堡阻塞效应导致的很多物理现象给出了一个统一的描述。

里德堡阻塞效应，蓝球代表基态原子，紫球代表里德堡原子。里德堡阻塞效应导致两个相邻的原子不能同时被激发到里德堡态

程艳婷及合作者从2020年开始研究里德堡原子阵列中的物理效应，针对该体系中的新奇物态如量子自旋液体、紧闭-非禁闭相变等物理现象做了一系列理论研究，并得到了实验的验证。其中提出探测紧闭-非禁闭相变方案的理论发表于PRX Quantum。这篇综述论文就是在这些研究的基础上，结合国际同行相关研究进展，重点提炼出里德堡原子阵列和规范理论之间的深刻联系，对于理解原子阵列体系的量子多体物理和基于该体系开展量子模拟的研究都具有重要意义。

该综述论文的另一个特色，就是其对规范理论的探究并不局限于里德堡原子阵列体系。该论文强调了衍生出规范理论是众多强关联模型的共通之处。特别地，该论文将里德堡原子阵列和高温超导研究的Fermi-Hubbard模型做了对比。虽然这两个体系的微观模型非常不同。特别是其中强相互作用的来源各不相同，一个来源于里德堡相互作用，另一个来源于库伦相互作用。两个系统中推导出衍生规范结构所用的数学方式也不同。但这两个系统中都是由于强相互作用导致的约束条件，使系统中衍生出规范结构，而且这一规范结构对理解系统的低能物理具有关键的作用。这一类比对未来此类系统的研究具有启发性。

该综述论文指出了里德堡原子阵列和Fermi Hubbard模型中衍生出规范理论的相通之处

程艳婷老师介绍

程艳婷，数理学院讲师，2020年博士毕业于清华大学高等研究院。长期致力于冷原子物理理论方面的研究，研究兴趣为里德堡原子体系中的量子模拟、冷原子体系对格点规范理论的量子模拟等。在Nature Reviews Physics、Physical Review Letters、PRX Quantum等期刊发表SCI论文15篇。主持国家自然科学基金青年项目一项、中央高校基本科研业务费一项，作为骨干参与国家自然科学基金面上项目一项。

USTB

北京科技大学理论物理梯队现有包括顾强教授和王鹿霞教授在内的10位中青年教师组成，主要从事冷原子物理、凝聚态物理和原子分子物理的理论研究。团队一直保持活跃的研究氛围，持续在包括Nature及其子刊，Phys.Rev.系列等物理学领域公认的顶级期刊上发表研究论文。近期，青年教师连续在Phys. Rev. Lett. 等期刊上发表多篇论文。同时，团队注重与国内外知名研究小组开展合作研究，成效显著。

毛慧灿老师研究成果介绍

随着全球能源需求的日益增长，可再生能源的存储和转换成为了科学研究的热点。钠离子电池（NIBs）因其低成本和丰富的资源储备被视为未来大规模储能系统的理想选择。然而，NIBs的商业化进程一直受到正极材料性能的限制。传统层状过渡金属氧化物正极材料在循环过程中面临着结构退化和可逆容量低的问题，严重阻碍了NIBs的广泛应用。为解决这一难题，研究者们一直在探索新的材料设计策略。在众多候选方案中，高熵氧化物因其独特的高配置熵和混合金属离子的协同效应，展现出了优异的电化学性能和热稳定性。这些特性使得高熵氧化物成为提高NIBs性能的有力候选材料。然而，如何合理设计高熵氧化物的组成，以优化其性能，仍是一个亟待解决的问题。

在这项研究中，研究团队通过将Ti⁴⁺替换为Sn⁴⁺离子，合成了两种O3型高熵层状氧化物正极材料：NaNi_0.3Cu_0.1Fe_0.2Mn_0.3Ti_0.1O₂(NCFMT)和NaNi_0.3Cu_0.1Fe_0.2Mn_0.3Sn_0.1O₂(NCFMS)

研究发现，NCFMT展现出了优异的可逆比容量和卓越的循环稳定性，而NCFMS则因结构的不稳定表现出较差的性能。通过深入分析，研究团队发现层状正极材料的结构完整性受过渡金属层（TMO₂）中元素兼容性的影响。NCFMS中的金属离子位移会引起平面应变，导致循环过程中元素分离和裂纹形成。与此相反，NCFMT由于其组成元素之间较高的化学兼容性，使得材料结构框架稳定，有利于钠离子的可逆存储。

这一发现为高熵氧化物正极在钠离子电池中的应用提供了新的解决方案，也为未来高性能储能材料的设计提供了指导。通过进一步优化材料组成和结构，高熵氧化物正极材料有望在未来的能源存储领域发挥更大的作用。

NCFMS单晶颗粒内部的Sn偏聚

①（a,b）通过密度泛函理论计算了含/不含元素偏聚的O3/P3-Na_27−xNi₁₂Fe₃Mn₆Sn₆O₅₄和O3/P3-Na_27−xNi₁₂Fe₃Mn₆Ti₆O₅₄总能量；

②（c）P3-NCFMS中Sn迁移和Sn-Sn二聚体形成的示意图；

③（d）含有Ni、Mn、Fe、Sn/Ti元素的多种结构构型激活能，以及连接Sn和Ti离子的迁移路径。

毛慧灿老师介绍

毛慧灿, 冶金与生态工程学院讲师，2018年博士毕业于中国科学院物理研究所，2023年加入北京科技大学冶金与生态工程学院储能科学与工程系工作。主要从事化学储能材料的理论计算与中子衍射研究。近五年在Nature Energy、Energy & Environmental Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊发表学术论文20余篇。

USTB | 北京科技大学

出品：新媒体中心

来源：数理学院、冶金学院

编辑：付晓振

校审：薛浪

责编：杨美偲

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