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极化理论：一种现代方法-Rutgers物理
摘要。在本章中，我们回顾了极化的现代理论的物理基础，强调如何根据晶体的累积的绝热流量来定义极化。我们解释了极化如何与Bloch波形的浆果相密切相关，因为波形跨越了布里鲁因区域，或等同于由Bloch波形构建的Wannier功能的电荷中心。该公式的最终特征是极化仅定义了一个“极化量子”，换句话说，极化可以被视为多价值数量。我们讨论了该理论的序列，以了解铁电材料的物理理解，包括极化反转，压电效应以及在表面和界面上极性电荷的出现。这样做，我们给出了几个实例，这些示例是钙钛矿铁电中与极化相关量的现实计算，这说明了当前方法如何为介电和铁电材料的现代计算研究提供了强大而有力的基础。
![arXiv:2005.03656v2 [quant-ph] 2020 年 12 月 31 日](/simg/3\302170f079f3661f5306ee8d7e034eff213e23db.webp)
arXiv:2005.03656v2 [quant-ph] 2020 年 12 月 31 日
手性诱导自旋选择性 (CISS) 描述了手性分子的有效自旋过滤。自近二十年前发现以来，这种现象已导致纳米级量子自旋操纵，有望应用于自旋电子学和量子计算。然而，其潜在机制仍然是个谜，因为所需的自旋轨道相互作用 (SOI) 强度出乎意料地大。在这里，我们报告了一种 CISS 的多轨道理论，其中有效 SOI 是由多体关联引起的电子空穴配对的自发形成产生的。该机制产生了达到室温能量尺度的强 SOI，这可以支持在 CISS 中观察到的大自旋极化。我们理论的一个核心要素是价带和导带的 Wannier 函数分别对应于分子伸长方向空间旋转对称性的一维和二维表示。发现当带隙增加时，诱导的 SOI 强度会降低。我们的理论可能为寻找具有 CISS 效应的其他分子提供重要指导。
魔术扭曲的双层石墨烯中的声子冷却
了解电子 - 波相互作用在根本上很重要，并且对设备应用具有至关重要的影响。但是，在魔法角度附近的扭曲的双层石墨烯中，目前缺乏这种理解。在这里，我们使用时间和频率分辨的光电压测量方法研究电子音波耦合，作为声子介导的热电子冷却的直接和互补探针。我们发现在魔术角靠近扭曲的双层石墨烯的冷却时，我们发现了一个显着的加速：冷却时间是从室温下降到5 kelvin的几次picseconds，而在原始的双层石墨烯中，在较低温度下，冷却到声子变为较慢。我们的实验和理论分析表明，这种超快冷却是超晶格形成的组合作用，具有低功能的Moiré声子，空间压缩的电子Wannier轨道以及降低的超晶格Brillouin区域。这可以实现有效的电子 - phonon umklapp散射，从而克服了电子 - phonon动量不匹配。这些结果将扭转角建立为控制能量放松和电子热流的有效方法。
补充材料
正文中显示的计算是使用 Quantum Espresso (QE) 第一性原理程序包 [ S1 , S2 ] 执行的。我们使用密度泛函理论 (DFT) 计算电子结构。使用专为处理表面科学问题而设计的 BEEF-vdW 交换关联函数 [ S3 ]。我们使用 A. dal Corso 的超软伪势 [ S4 , S5 ]，动能截止为 1360 eV，电子态占有率的高斯涂抹为 0.27 eV。通过以 Γ 为中心的 12 × 12 × 1 Monkhorst-Pack (MP) 网格 [ S6 ] 对布里渊区进行采样来评估电子态和电荷密度。动力学矩阵和声子微扰势使用 QE 包的 PHonon 代码中实现的密度泛函微扰理论 (DFPT) 进行评估。具体而言，动力学矩阵和微扰势是在 Γ 中心的 6 × 6 × 1 q 网格中进行评估的。我们使用电子声子 Wannier (EPW) 代码来评估电子声子 (e-ph) 矩阵元素 [S7、S8]，定义为
Janus 铬二硫族化合物中的无场自旋轨道扭矩切换
摘要：我们预测磁性铬基过渡金属二硫属化物 (TMD) 单层在其 Janus 形式 CrXTe（其中 X = S、Se）中具有非常大的自旋轨道扭矩 (SOT) 能力。Janus 结构固有的结构反演对称性破坏导致巨型 Rashba 分裂产生较大的 SOT 响应，相当于在非 Janus CrTe 2 中施加 ∼ 100 V nm −1 的横向电场所获得的响应，这完全超出了实验范围。通过对精心推导的 Wannier 紧束缚模型进行传输模拟，发现 Janus 系统表现出与最有效的二维材料相当的 SOT 性能，同时由于其平面内对称性降低，还允许无场垂直磁化切换。总之，我们的研究结果表明，磁性 Janus TMD 是超紧凑自感应 SOT 方案中终极 SOT-MRAM 设备的合适候选者。关键词：自旋轨道扭矩、过渡金属二硫属化物、二维材料、范德华铁磁体
二维轨道磁化无序性的数值研究
摘要：现代轨道磁化 (OM) 理论是利用 Wannier 函数方法发展起来的，其形式与 Berry 相相似。在本文中，我们利用该方法对二维 Haldane 模型进行了无序下 OM 的命运的数值研究，该模型可以在半填充的正常绝缘体或陈绝缘体之间进行调整。模拟了两种情况下无序增加对 OM 的影响。在弱无序区域和拓扑平凡情况下观察到能量重正化偏移，这是通过自洽 T 矩阵近似预测的。除此之外，还可以看到另外两种现象。一是能带轨道磁化的局部化趋势。二是来自非零陈数或大积分 Berry 曲率值的拓扑手性态的显著贡献。如果费米能量固定在清洁系统的间隙中心，则 | M | 会增强对于正常绝缘体和陈绝缘体的情况，都处于中等无序状态，这可以归因于局域化之前无序引起的拓扑金属态。
三维kane- ...
最近，预计第一个非常差异的kane-mele量子旋转厅绝缘子被预测为单层jacutingaite（PT 2 HGSE 3），这是一种自然存在的矿物质矿物质，于2008年在巴西发现。将量子自旋霍尔单层堆叠到vander-waals分层晶体中通常导致A（0; 001）弱拓扑相，该相不能保护（001）表面上的表面状态。出乎意料的是，最近通过角度分辨的光发射光谱实验揭示了表面状态在jacutingaite单晶体的001-曲面布里鲁因区域的大面积上分散。001-表面状态已被证明是受镜面Chern数字C M = -2的拓扑保护，与旋转轨道互动相关的淋巴结线相关。在这里，我们将二维Kane-Mele模型扩展到散装jacutingaite，并揭示了裂开的淋巴结线和新兴的晶体拓扑顺序的显微镜起源。通过使用最大位置化的渗透函数，我们确定了一个大型的非平凡的第二层跳跃术语，打破了弱拓扑绝缘子的标准范式。在此术语中，凯恩 - 梅尔模型的预测与最近的实验和第一个原理模拟非常一致，这提供了一个吸引人的概念框架，这也与其他由堆叠的蜂窝质格制成的分层材料相关。
2D有机半导体中的激子动力学
抽象的二维（2D）半导体材料已被广泛研究其有趣的激子和光电特性，这些特性是由强烈的多体相互作用和在2D极限下的量子限制引起的。这些材料中的大多数都是无机的，例如过渡金属二北元化，磷烯等。有机半导体材料的出色电导率和低介电系数，用于在薄膜或大量材料相中的类似应用。在薄膜和散装相中缺乏结晶度，导致了激子和电子/光节间隙特性的歧义。最近的2D有机材料的出现已经打开了一个高结晶度和受控形态的新领域，从而可以研究低洼的激子状态和光电特性。与无机2D材料中的Wannier -Mott激子相比，它们已被证明具有不同的激子特性。在这里，我们介绍了我们最近对2D有机半导体材料的实验观察结果和分析。我们讨论了单晶材料的高晶和形态控制的生长及其光电特性的作用。该报告解释了有机材料中的Frenkel（FR）和电荷转移（CT）激子以及随后的光发射和吸收特性。实验研究并讨论了源于CT和FR激子之间的相互作用，这是由CT和FR激子之间的相互作用产生的，以揭示电子带的结构。然后，我们讨论我们在J型聚集的有机材料中观察到的纯FR行为，从而导致连贯的超级激体排放。在有机材料中，激发子的超级转移，由其纯粹的fr性质促进，以及在大量分子上的激子的离域化。最后，我们讨论了这些有机2D材料的应用和视力，在快速有机发光二极管，高速激发电路，量子计算设备和其他光电设备中。
Chern，偶极子和四极杆拓扑阶段，具有方形晶格和非常规单位单元格
用于研究光子学中的拓扑阶段，而量子 - 大实型型前一阶手性边缘状态通常在磁光光子晶体中实现，而高阶拓扑状态大多在全dielectric光子晶体中探索。在这项工作中，我们研究了磁光子光子晶体中的一阶和二阶拓扑光子状态。在特定的情况下，我们在一个平方晶格中重新访问一个简单的磁光子光子晶体，每个单元中有一个旋风磁缸。However, rather than investigating the conventional unit cell where the cylinder is at the center of the square unit cell as previous works have done, we consider a configuration where the cylinders are located at the four corners of the square unit cell and show that this configuration hosts rich topological phases, such as dual-band Chern, dipole, and quadrupole topological phases.我们对这些拓扑状态的详细特征基于Wannier带和它们通过Wilson Loop和Nested Wilson Loop方法的极化。我们详细研究了不同拓扑阶段的边缘和角状态，并表明它们具有“频谱鲁棒性”的特殊特征。例如，尽管生活在带隙中的偶极相的边缘和角状态可以通过调谐边界条件将其推入散装带，但它们可以通过散装带并在不同的带隙内重新出现。对于双波段四极阶段，我们可以找到一个政权，两个乐队差距同时容纳了一组角状态，并且有趣的是，一组角状状态的填充异常可以使它们的签名在另一组拐角处的异常状态中，尽管它们被广泛的国家数量占据了一个拐角处。在简单的磁光子光子晶体中揭示的丰富拓扑物理学不仅为时间反转对称性折叠光子系统提供了对高阶拓扑阶段的新见解，结果还可以通过利用边缘和角状态的电势来找到有希望的应用。
用数值原子轨道的周期系统的Laplace实施MP2
二阶Møller-Plesset扰动理论（MP2）是一种后期的后期方法，用于考虑电子相关性效应。尽管形式非常简单，但它可以捕获约90％的相关能量（Bartlett和Stanton，2007年）；因此，MP2方法仍然对量子化学感兴趣（Schütz等，1999; Kobayashi和Nakai，2006; Bartlett and Stanton，2007）和固态物理界（Suhai，1983，1983，1992; Sun and Bartlett; Sun and Bartlett，1996; Pisani et; Pisani et。但是，原始（典型）MP2方法的O（n 5）计算缩放限制了MP2方法在大系统中的应用。A series of algorithms have been proposed to speed up the calculations, such as local MP2 method ( Saebø and Pulay, 1993; Pisani et al., 2005, 2008; Maschio, 2011 ), Lapace-transformed MP2 method ( Häser and Almlöf, 1992; Häser, 1993; Ayala and Scuseria, 1999; Ayala et al., 2001;The local MP2 method proposed by Pulay ( 1983 ) and Saebø and Pulay ( 1993 ) has been efficiently implemented ( Schütz et al., 1999 ) in the MOLPRO code for molecules, then the periodic version of the local MP2 method has been implemented ( Pisani et al., 2005, 2008; Maschio, 2011 ) in the CRYSCOR code and in the CP2K code ( Usvyat等人，2018年）用于扩展系统。由于采用了空间局部的轨道或Wannier功能，因此局部MP2方法的计算缩放为O（n）。已经采用了局部原子轨道，计算缩放也为O（n）。最初由Häser和Almlöf（1992）和Häser（1993）提出了Laplace转化的MP2方法，并已针对分子（Ayala and Scuseria，1999）和扩展系统（Ayala等，2001，2001）实施了程序。拉普拉斯转换的MP2方法已与身份（RI）技术的分辨率相结合，以进一步改善