壬寅正月量子材料之花
0. 编按
最近，南京大学鼓楼校区校园好几处都有梅花盛开。梅花清寒冰魄，不为妖娆而自妖娆，洁莹贵重，香味清淡却四溢周遭。在意向上，不知道梅花之品与量子材料研究有否相似性。无论如何，在这壬寅年正月，整理了 2022 年初几项发表在《npj Quantum Materials》上的研究工作，以呈此意！
1. 量子自旋激发
Fractional and composite excitations of antiferromagnetic quantum spin trimer chains
Jun-Qing Cheng, Jun Li, Zijian Xiong, Han-Qing Wu, Anders W. Sandvik & Dao-Xin Yao
npj Quantum Materials 7, 3 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00416-4
中山大学的姚道新老师主攻量子凝聚态理论，特别是那些量子自旋体系中的激发物理，显得很高大上。低维自旋链的低能激发一向是自旋激发谱理论的主流，因为那些物理最容易发生和被观测到。中能区和高能区激发物理应该较少有人关注，或者说还来不及去关注。很显然，这就是前沿。事实上，这样的能谱区域在一些非弹性中子衍射中能够找到很漂亮的印记，比如 spinon 物理，包括那些携带分数化激发的 doublons 和 quartons 物理。道新教授最近在我们刊物发表了针对 antiferromagnetic quantum spin trimer chains 的分数化激发的理论构建。
作为一个外行，我读道新教授的物理可能连皮毛都不够格去了解，但道新的文章却展示了一种深厚和追求极致的味道。也许这些物理不可能是很高被引，但应该是物理世界的一维坐标。这也是我们量子材料人的脚印和脚步声。
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00416-4
2. 超导电子配对
Gate-tunable pairing channels in superconducting non-centrosymmetric oxides nanowires
Gyanendra Singh, Claudio Guarcello, Edouard Lesne, Dag Winkler, Tord Claeson, Thilo Bauch, Floriana Lombardi, Andrea D. Caviglia, Roberta Citro, Mario Cuoco & Alexei Kalaboukhov
npj Quantum Materials 7, 2 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00406-6
超导物理中电子库珀对的配对机制被认为是理解和利用超导电性的核心。曾几何时，这一核心，成为超导人魂牵梦绕的领袖或牵挂。量子凝聚态物理中，高温超导物理或非常规超导物理是绝对的重头戏，即便是二维材料和拓扑材料大行其道的今天，依然如此。Ising 出言不逊，以为原因很简单：因为搞不定，所以更上心！也因此多年来雄踞高原上的高峰。特别是，与非常规超导相伴的时间反演或空间反转对称破缺的配对机制最近风生水起，更是如川剧的变脸，一忽儿一个样子。
众所周知，在高品质的 SrTiO3 / LaAlO3 (STO / LAO) 界面处，也能出现超导电性输运，多称之为 2D 超导。因为 2D 界面两侧的不对称性，这种超导电性归属于空间反演对称破缺一类。不过，因为界面的极性特征，电子配对有各种可能性，一直以来令人难以捉摸。澄清到底是哪一个机制占主导的研究工作不断发表，但似乎并没有完全弄清楚，甚至好像是越整越糊涂：(1) 自旋单态的常规 s 波超导？答案是 No。(2) d 波配对的自旋单态？答案也是 No。(3) 反铁磁自旋涨落导致的电子配对？答案还是 No。如此等等，眼花缭乱。问题一直未有定论，也因此引得量子材料人茶饭不思、伊人憔悴。所谓的时间反演对称破缺的非常规配对也是其中一种可能。
最近，来自瑞典 Chalmers University of Technology 微纳技术系的 Alexei Kalaboukhov 教授团队，与来自意大利的 Università di Salerno 之 Roberta Citro 团队和荷兰的 Delft University of Technology 的名家 Andrea D. Caviglia 教授团队一起合作，通过精巧的微加工制备手段，构建了一个具有弱连接的 STO / LAO 2D 界面层纳米线，并实现了对超导电性输运行为的深入测量，以求解决这一长期困扰超导人的问题。他们用较为充分的测量数据揭示出：可以排除时间反演对称破缺机制的可能性，而空间反转对称破缺和多轨道物理导致的反常电子配对是其中的最大公约数。
这样的物理探索，当然未必能形成不可置疑的定论。但排除了众多机制之后，剩下的机制及其组合就是我们可以信赖的前沿物理！当然，Ising 对超导是个外行，我理解错了责任在我，先行道歉！阿门！
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00406-6
3. 魔角石墨烯超导
Unconventional superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene
Ammon Fischer, Zachary A. H. Goodwin, Arash A. Mostofi, Johannes Lischner, Dante M. Kennes & Lennart Klebl
npj Quantum Materials 7, 5 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00410-w
将组成双层石墨烯的两个单层相对可控转动，形成所谓魔角石墨烯结构，应该是“手撕”2D 材料这一杰作的后续魔幻研究，似乎有那么点中国武学神话中“四两拨千斤”的韵味。虽然十多年前，双层魔角石墨烯引入平带效应的理论工作就有不少，但实验实现的确是近几年的事情，是低维凝聚态物理的重要一步。在对称性破缺物理之下，魔角旋转导致的面内 Moire 超晶格结构为调控量子材料提供了一个新维度。由此，对那些能剥离的二维材料或者层状材料，都可通过魔角旋转来进行新的维度操控。君不见，给凝聚态物理创造多一个维度，那可是了不得的事情。
对笔者这样保守的物理人而言，魔角二维材料能引入平带并不那么出人意料：通过显著增大晶格周期性，压制载流子动能项，效果上就等于拔高了势能项的地位和作用。原来那些电子关联很弱的 2D 材料体系，如石墨烯，其中的电子在位库伦作用原本很弱。但如果魔角一下，就根本不同了：那原本微弱的势能项一下子就成为“山中无老虎、猴子称霸王”的猴子，从而等效于引入了很强的在位电子关联。由此，关联电子学数十年研究积累的那些新效应、新物理和新功能，都多多少少能拓展到魔角二维材料上来。凝聚态物理人对此驾轻就熟，一下子又有很多事情可做了！
可做的一件新事是：既然两层石墨烯可以相对魔角转动，依此类推，三层、两个两层、两个三两层、。。。之间就都可以实施魔角旋转，看看能产生什么新物理。其中，最有代表性的一类就是三层石墨烯：上下两层石墨烯相对中间一层石墨烯交替旋转，即上表面一层如果做顺时针转动一个角度，则下面一层做逆时针转动同样的角度。此乃所谓的 magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG).
果不其然，这种典型的 MATTG 物理异常丰富。来自德国 Aachen University 统计物理研究所的 Lennart Klebl 团队，与英国帝国理工和德国马普所的相关团队合作，理论阐明了这种 MATTG 可以实现非常规超导电性，且其中自旋涨落对超导产生有重要作用，导致相图中 nematic superconducting 与铁磁相区为邻。这样的物理之前可是很少见的，因此颇受同行青睐。
不过，Ising 胡扯一句：这种通过压制载流子动能的魔角物理，能量尺度也就那么大，能够将超导温度干到室温上去么？！这应该很难！阿门！anyhow，各位物理前浪后浪们不妨点击这个链接，浪进去看看有意思在哪里、难在哪里。
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00410-w
4. 向列超导态的THz激发
Terahertz pulse-driven collective mode in the nematic superconducting state of Ba1-xKxFe2As2
Romain Grasset, Kota Katsumi, Pierre Massat, Hai-Hu Wen, Xian-Hui Chen, Yann Gallais & Ryo Shimano
npj Quantum Materials 7, 4 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00411-9
在凝聚态物理和材料科学中，大概很难找到比铜基和铁基高温超导相图更为复杂的相图了。在这些相图中，围绕超导相边缘和深入到超导相内部，存在各种量子物态或者量子序，与超导相或近邻、或交叉、或重叠亦或竞争，其中的物理已经到了令人高度 frustrated 的程度。这种状态，很好地诠释了那个“若要人疯狂、赠与超导作食粮”的调侃，大概是高温超导人有些无可奈何的原因。
即便如此，总还是有很多物理人投身其中、乐此不疲，其中一个乐园便是各种量子相的探测和潜在可用功能。事实上，Ising 以为，高温超导相图从最开始的寥寥数笔、到后来的万花炫耀，大概跟我们的认识局限有关，也跟是否存在具有特定选择性的探测技术有关。例如，最近对各种高温超导体系开展的深入研究揭示出电子向列性 (electron nematicy) 与超导电性的关联、共存和竞争就具有普适性，在Cu 基、Fe 基到二维魔角超导体系等都广泛存在。特别是，Cu 基和 Fe 基超导中，超导相大多出现在电子向列相之中。这种向列序打破了一定的旋转对称性，例如会从从 C4-对称性向 C2-对称性转变。
很显然，探测 C2 向列相的基本性质和激发物理对研究超导电性就具有了重要意义。这种探测需要针对超导电性的集体激发模 (collective modes)。对不同机制的超导电性，包括 Nambu-Goldstone 激发、Higgs 激发，对应的激发物理很不相同。这方面，最近兴起的 THz 波探测有更强大的功能和效用，开始引起超导人的关注。
来自日本东京大学的 Ryo Shimano 团队，与来自法国高等理工 (Romain Grasset) 和巴黎大学 (Yann Gallais) 的团队、来自国内的闻海虎和陈仙辉老师等团队密切合作，利用 THz 光激发的克尔效应去探测向列超导相中的集体激发物理，得出有点意思的结果：THz 磁光克尔效应对向列序非常敏感。一旦出现向列相，THz 克尔信号即有显著响应，甚至是来自向列相的响应占据主导，不管体系是纯的向列相还是其与其它相共存的情况。这些探测结果将能够展示超导电性的一些基本物理和能带结构，给人印象深刻。当然，反过来，这种物理联系应该也有 THz 波段的应用价值，只是目前了解不多。
诚然，Ising 翻来覆去看了这篇大作很久，但毕竟是外行，说错了应该能得到行家的谅解。谢谢！原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41535-021-00411-9
归田乐·北国雪吟
昨夜摧枯朽。北国寒，盛妆素雪，满目平原绣。
日昼月更昼。木昼水昼，不见凡尘一丝授。
春风欲唤柳。启开燕关梅花酒。别枝而落，飘入清香后。
未有便是有。地有天有，耀采山川万千茂。
备注：
(1) 编者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。
(2) 文底和封面图片为车成卫教授所拍摄，感谢车老师。小词只是表达对那些开拓创新者的敬意！
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