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北京大學應用物理與技術研究中心陳默涵研究員與合作者在《Science Advances》發表原子尺度的無序超均態理論預測新結果

2020-04-22

北京大學應用物理與技術研究中心陳默涵研究員及其合作者最近利用計算機模擬方法首次預測了原子尺度的無序超均態材料,《Science Advances》雜志于2020年4月17日在線發表了他們題為《Disordered Hyperuniformity in Two-Dimensional Amorphous Silica》的研究論文。

無序超均態(Disordered hyperuniform)是近年來被發現介于完美晶格和完全無序之間的一種全新的物質狀態,也是近年來的研究熱點之一。擁有無序超均態的物質會表現出長程范圍內無密度漲落的特點,實驗上則表征為物質的結構因子在無限長波極限下趨于零。無序超均態已經在一系列經典和量子多體系統里被證實,并在材料科學、生物以及數論等科學領域都有廣泛應用,但還未曾在原子尺度上被發現。

研究團隊首先通過對二維無序SiO2的高分辨率透射電鏡掃描結果建立原子模型,再采用經典分子動力學和基于量子力學的密度泛函理論預測了二維無序SiO2中存在的無序超均態,并且計算了其電子結構。研究發現,與傳統具有絕緣體性質的二維SiO2材料擁有較大能隙不同,具有無序超均態的二維無序SiO2因為引入了拓撲缺陷而具有弱導電性。這與通常人們認為的無序引起電子輸運的局域化現象相反,從而進一步提升了人們對無序超均態的認識,開創了一個二維材料研究的新方向。


圖A是具有無序超均態結構的二維材料SiO2的譜密度。圖B為具有無序超均態的二維材料SiO2費米面附近的電子密度。其中Si原子為藍色,O原子為紅色。

傳統基于平面波基矢量的密度泛函理論軟件具有計算量大且算法時間復雜度高的特點,因此只能模擬較小的體系。該工作里采用了陳默涵研究員與合作者從零開發的一款具有國內自主知識產權的密度泛函理論軟件ABACUS。與目前廣泛流行的采用平面波基矢量的密度泛函理論軟件(例如VASP)相比,ABACUS采用的是基于數值原子軌道的基矢量,因此可以利用較小的基矢量來精確描述尺寸較大的原子系統。本工作中涉及的二維無序SiO2包含對1800個原子的全量子力學模擬,ABACUS對該體系的計算效率被證實遠大于VASP,也說明了ABACUS是一款具有國際競爭力的密度泛函理論軟件。

北京大學應用物理與技術中心的陳默涵研究員,亞利桑那州立大學的Houlong Zhuang助理教授和Yang Jiao(焦陽)副教授(北京大學力學系01級本科畢業生),以及河海大學許文祥教授為論文的共同通訊作者。研究團隊還包括了來自中國科學技術大學,賓西法尼亞大學,卡內基梅隆大學等研究單位的成員。

論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaba0826#aff-2

 
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