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北京大学应用物理与技术研究中心陈默涵研究员与合编辑在《Science Advances》发表原子尺度的无序超均态理论预测新结果

2020-04-22

北京大学应用物理与技术研究中心陈默涵研究员及其合编辑最近利用计算机模拟方法首次预测了原子尺度的无序超均态材料,《Science Advances》杂志于2020年4月17日在线发表了他们题为《Disordered Hyperuniformity in Two-Dimensional Amorphous Silica》的研究论文。

无序超均态(Disordered hyperuniform)是近年来被发现介于完美晶格和完全无序之间的一种全新的物质状态,也是近年来的研究热点之一。拥有无序超均态的物质会表现出长程范围内无密度涨落的特点,实验上则表征为物质的结构因子在无限长波极限下趋于零。无序超均态已经在一系列经典和量子多体系统里被证实,并在材料科学、生物以及数论等科学领域都有广泛应用,但还未曾在原子尺度上被发现。

研究团队首先通过对二维无序SiO2的高分辨率透射电镜扫描结果建立原子模型,再采用经典分子动力学和基于量子力学的密度泛函理论预测了二维无序SiO2中存在的无序超均态,并且计算了其电子结构。研究发现,与传统具有绝缘体性质的二维SiO2材料拥有较大能隙不同,具有无序超均态的二维无序SiO2因为引入了拓扑缺陷而具有弱导电性。这与通常人们认为的无序引起电子输运的局域化现象相反,从而进一步提升了人们对无序超均态的认识,开创了一个二维材料研究的新方向。


图A是具有无序超均态结构的二维材料SiO2的谱密度。图B为具有无序超均态的二维材料SiO2费米面附近的电子密度。其中Si原子为蓝色,O原子为红色。

传统基于平面波基矢量的密度泛函理论App具有计算量大且算法时间复杂度高的特点,因此只能模拟较小的体系。该工作里采用了陈默涵研究员与合编辑从零开发的一款具有国内自主常识产权的密度泛函理论AppABACUS。与目前广泛流行的采用平面波基矢量的密度泛函理论App(例如VASP)相比,ABACUS采用的是基于数值原子轨道的基矢量,因此可以利用较小的基矢量来精确描述尺寸较大的原子系统。本工作中涉及的二维无序SiO2包含对1800个原子的全量子力学模拟,ABACUS对该体系的计算效率被证实远大于VASP,也说明了ABACUS是一款具有国际竞争力的密度泛函理论App。

北京大学应用物理与技术中心的陈默涵研究员,亚利桑那州立大学的Houlong Zhuang助理教授和Yang Jiao(焦阳)副教授(北京大学力学系01级本科毕业生),以及河海大学许文祥教授为论文的共同通讯编辑。研究团队还包括了来自中国科学技术大学,宾西法尼亚大学,卡内基梅隆大学等研究单位的成员。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaba0826#aff-2

 

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