中山大学物理学院、本实验室阴帅教授团队与中国科学院物理研究所李自翔特聘研究员团队合作，近期在量子临界动力学研究中取得新进展。他们在这一工作中首次研究了狄拉克费米子系统的非平衡虚时弛豫量子临界动力学（如图1所示），将虚时非平衡普适标度理论成功推广至同时包含费米子型与玻色型临界涨落的系统，并发现了负的临界滑移指数。 量子相变是现代统计物理和凝聚态物理的核心课题之一。近年来，由相互作用驱动的狄拉克体系量子临界性（如石墨烯、拓扑材料中的相关现象）因其独特的物理机制受到了学界的广泛关注。 量子临界点的普适临界现象不仅出现在平衡态中，其附近的非平衡演化同样蕴含着丰富的标度行为。在各种非平衡实现中，虚时演化动力学格外引起关注。虚时演化不仅是数值模拟中常规的寻找基态的方法之一，也在利用新型量子器件探索物态性质中有重要的应用。阴帅、麦培智和钟凡教授等发现量子临界点附近虚时弛豫过程呈现丰富的动力学标度行为，并建立了虚时弛豫标度理论；中科院物理所张士欣特聘研究员和阴帅首先在量子计算机实验中验证了该理论。 但是，先前虚时弛豫量子临界动力学的研究主要集中在由单一的玻色型序参量的临界涨落主导的量子临界点。相比之下，狄拉克量子临界性有着本质的不同，它同时由玻色型序参量临界涨落和无能隙的狄拉克费米子临界涨落控制。费米子涨落会如何影响非平衡动力学？可否用一个统一的非平衡标度理论描述？图1 不同初态在狄拉克量子临界点的弛豫动力学示意图 针对这些问题，该团队以手征海森堡相变这类典型的狄拉克量子临界点为例，探究其虚时弛豫动力学。通过大规模量子蒙特卡洛模拟，他们揭示了从不同初始状态出发的丰富的非平衡临界现象，研究序参量和费米子关联的相应的动力学标度性质。特别地，他们发现一种以非常规的负临界指数 θ=–0.84(4) 为特征的非稳态初始滑移演化（如图2所示），揭示了费米子临界涨落的显著影响。图2 负的早期滑移指数 由此，该团队将虚时弛豫标度理论成功推广到包含费米子和玻色子的复合涨落的量子临界点。这一新发展不仅为狄拉克系统中的非平衡虚时间临界动力学提供了统一理解，而且为研究强关联系统中的临界特性提供了一种新途径。该团队后续还利用该方案发展了有效规避了费米子量子蒙特卡洛模拟中的核心难题--符号问题的数值方法，并首先确定了SU(3)狄拉克费米子Hubbard模型的相图及临界性 [见Sci. Adv. 12, eadz4856 (2026)]。 该成果以 “Nonequilibrium Dynamics of Dirac Quantum Criticality in Imaginary Time” 为题，于2026 年2月24日发表于物理学重要期刊PhysicalReviewLetters《物理评论快报》。中山大学物理学院2020级本科生余荫铠（现中国科学院物理研究所研究生）为论文第一作者；中山大学物理学院、本实验室阴帅教授与中国科学院物理研究所李自翔特聘研究员为共同通讯作者；中山大学物理学院2020级本科生曾植、广州大学舒玉蓉副教授参与了相关研究。研究得到国家自然科学基金、广东省磁电物性基础学科研究中心、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省和广州市科技计划项目、中国科学院物理研究所启动经费、北京市自然科学基金、新基石研究员项目、中山大学大学生创新创业训练计划校级项目的支持。期刊原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/7ltm-f68w

近日，中山大学物理学院、本实验室姚道新教授团队与合作者最近在在常压镍基超导薄膜理论研究上取得重要进展，研究了不同薄膜厚度的晶体结构、电子能带、费米面特征和磁学性质，构建了两轨道模型，提出了含氧p轨道的多轨道模型，从理论上给出了常压镍基超导薄膜La₃Ni₂O₇的基本特征和物理图像。 2023年，双层镍氧化物La₃Ni₂O₇块材在高压下被发现具有高温超导电性，其超导临界温度近80K，引起了国内外的广泛关注。但高压条件对更深入的实验研究形成了制约。2024年底，研究者在使用SLAO衬底生长的La₃Ni₂O₇及(La, Pr)₃Ni₂O₇薄膜中，于常压下观测到了转变温度超过40K的超导电性，为探索镍基高温超导机理提供了新的突破口。图1: (a) 常压La₃Ni₂O₇薄膜结构示意图；(b) 双层两轨道模型示意图 基于该重大实验突破，本研究室姚道新教授团队与暨南大学胡训武博士（青蓝学者）通过密度泛函理论，对La₃Ni₂O₇薄膜的晶体结构、电子能带、和磁关联进行了系统研究。首先研究了不同原胞（UC）厚度的晶体结构和电子能带，发现Ni的两个eg轨道（dx2-y2和dz2）对费米面附近的电子能带和超导特性起着重要作用，电子间的库伦相互作用同时也对晶体结构起着一定的调节作用。对于0.5UC厚度，薄膜包含一个镍氧双层基元；对于1UC厚度，薄膜包含两个镍氧双层基元，但存在空间上的位移和双层基元间的电子跃迁。基于Ni的dx2-y2和dz2轨道，他们构建了0.5UC厚度和1UC厚度的理论模型，并结合瓦尼尔轨道投影方法，给出了相应的电子跃迁和轨道在位能等参数。通过这两个模型，他们发现镍氧双层基元内部Ni-dz2轨道的层间电子跃迁参数有了比较明显的下降，对应层间的有效反铁磁相互作用下降，这也从理论上揭示了薄膜超导转变温度Tc降低的原因。 因为O的p轨道在费米面上也有贡献，他们还首次建立了包含O的p轨道和Ni的eg轨道的高能有效模型（dp模型），能够有效地给出常压La₃Ni₂O₇薄膜的电子能带和费米面（如图二所示）。由于该模型描述了O-p轨道和Ni-eg轨道之间的电子跃迁过程，其对于研究超交换相互作用、电荷转移、Zhang-Rice单态等效应有重要意义。 最后他们计算了0.5UC和1UC模型的RPA自旋极化率。结果表明，源于费米面的嵌套效应，薄膜系统有可能存在自旋密度波（SDW）和较强的磁响应，可以被实验所探测。 这些发现为理解常压镍基超导薄膜的基本特征提供了重要线索和物理图像。图2: (a)(c) 0.5UC-dp模型的电子能带和费米面；(c)(d) 1UC-dp模型的电子能带和费米面；(a)(c)灰色的电子能带部分是DFT计算结果。 研究成果以“Electronic structures and multi-orbital models of La₃Ni₂O₇ thin films at ambient pressure”为题发表于国际物理学重要期刊《Communications Physics》（Nature旗下JCR一区期刊）。中山大学物理学院、本实验室姚道新教授为论文的通讯作者。暨南大学胡训武博士（青蓝学者）和本实验室博士研究生邱文渊为论文的共同第一作者。本实验室的博士研究生陈翠群和博士后罗志辉参与了该研究工作。上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）、广东省量子科学战略专项等的支持。原文链接：https://doi.org/10.1038/s42005-025-02411-8

范德华层状铁电材料因其原子级平整的界面、强面内共价键与弱层间范德华作用，为在极限厚度下实现可控的自发极化及其拓扑构型提供了理想的物理平台。这类材料所展现出的铁电、压电、挠曲电等多重耦合效应，使其在下一代高密度非易失性存储器、低功耗逻辑器件、神经形态计算与拓扑电子学等领域展现出重要的应用潜力。实现对其极化状态（包括极化强度、方向及空间构型）的稳定、精确且可集成的调控，是构建功能性纳米电子器件的关键科学问题之一。 在众多范德华铁电体中，CuInP2S6（CIPS）因其独特的“多势阱”极化特性而受到广泛研究。该材料中的铜离子（Cu⁺）在层间存在两个能量相近的稳定位置：低极化（LP）态（极化强度约4 μC/cm²）与高极化（HP）态（极化强度约10 μC/cm²）。这两种极化态之间的微小能量差使其对外场敏感，可实现极化态转换、离子迁移和拓扑极性结构等丰富的行为，是构建模拟神经突触可塑性的铁电-离子器件的候选材料之一。然而，在室温常压下，CIPS稳定处于LP态，抑制了丰富的极化状态和拓扑结构的出现。如何在常规条件下稳定HP态并实现LP/HP态的共存，进而调控由此衍生的新奇物态（如拓扑极性织构），是深入探索其物性与器件潜力的重要课题。目前，常见的性能调控手段多依赖于外部物理场（如高压、异质结）等，在简易性与工艺兼容性方面面临挑战。因此，发展一种简易稳定的方法，实现对HP态的稳定，具有明确的科学意义和应用价值。 近日，中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室刘新智副教授课题组提出利用离子半径略小的锂离子（Li⁺）对CIPS中的铜位进行掺杂，旨在通过引入微小的晶格应变与化学修饰，从原子尺度调控Cu⁺的局域环境与层间耦合，实现稳定高极化态的目的。通过化学气相输运法，课题组成功制备了系列高质量Cu₁₋ₓLiₓInP₂S₆（x = 0, 0.05, 0.1）单晶样品。结构表征与物性测量系统揭示了Li掺杂带来的显著效应（见图1）。铁电居里温度（Tc）得到有效提升，从本征样品的315K升高至x=0.1掺杂样品的327 K。压电力显微镜（PFM）与扫描透射电子显微镜（STEM）的结果证实了LP态与HP态在掺杂样品中的稳定共存。DFT计算表明微观物理机制主要源于Li⁺取代引起的层间间距收缩，该收缩增强了跨范德华间隙的Cu-S键合作用，使HP态得以稳定。图1 Li掺杂CIPS的结构与铁电特性。(a) x=0.1掺杂样品的变温拉曼谱；(b-c) x=0, 0.1样品的变温-频率介电谱；(d)不同掺杂浓度样品在特定频率下介电温谱；(e) Li掺杂CIPS的组分-温度相图；(f) x=0, 0.1样品不同温度下的离子电导频谱；(g)阿伦尼乌斯拟合提取不同组分的离子电导迁移势垒。 LP与HP态在纳米尺度的相分离与共存，为拓扑极性织构的产生提供了条件。利用矢量分辨的PFM技术，课题组在Li掺杂的CIPS样品中，观测到了由化学掺杂诱导产生的极性泡与迷宫畴结构（见图2）。这些具有非平凡拓扑特征的织构与HP/LP相边界处存在的内建应变梯度与极化梯度密切相关。Li掺杂引入的组分涨落与纳米尺度不均匀性，为这些梯度的形成提供了基础。研究还表明，通过调节Li掺杂浓度，可以对这些拓扑织构的密度与尺寸进行调控，展现了化学组分对材料微观拓扑相的调制作用。图2 锂掺杂CIPS中极化织构的矢量压电力显微镜表征。(a-c)分别为掺杂浓度x=0.05的样品在不同探针-样品取向夹角下的面外及面内压电振幅和相位；(d-e)样品不同尺度下的TEM图像；(f)基于实验数据重构的面内与面外极化矢量分布。 在观察到极性拓扑结构的基础上，课题组进一步探讨力学加载等外场对拓扑结构的影响。为研究该体系中极化序与力学变形的耦合，课题组研究了具有微观表面褶皱的Li掺杂CIPS薄片，发现了一种增强型的挠曲电效应（见图3a）。在本征CIPS中，应变梯度主要诱导LP态的极化方向翻转。而在Li掺杂样品中，应变梯度可进一步驱动HP态向LP态的转变，并伴随明显的极化强度降低（从~10 μC/cm²降至~4 μC/cm²），这增强了材料的挠曲电响应。同时，在低弯曲区域，观测到迷宫畴向极性泡的转化，这表明利用纯机械手段应变梯度对产生拓扑极性织构的促进作用。然而，在高的应变梯度下，HP态和极性拓扑结构都被抑制，系统退化到稳定的LP态，这个研究揭示了力学手段在调控极化态的产生和控制方面的重要作用。图3 Li掺杂CIPS的挠曲电效应及PFM表征。(a) 挠曲电诱导的极化切换效应示意图；其中平坦部分对应高极化HP态，弯曲部分对应低极化LP态；(b-d) x=0.05样品S1的原子力显微镜形貌，PFM相位图，面外PFM振幅分布图；(e) (d)中黄色与粉色框所示区域的压电响应统计直方图；(f-j) x=0.05样品S2的形貌、面外PFM振幅、面外PFM相位、面内PFM振幅及面内PFM相位图。 本项研究工作表明，低浓度的选择性化学掺杂是一种可用于优化二维范德华铁电材料极性特征和形态的有效策略。Li掺杂的研究结果，揭示了通过调控层间耦合强度这一内禀参量，能够同步影响材料的铁电转变温度、极化构型、离子迁移势垒及拓扑极化织构。该研究有助于深化对二维铁电体中极化、应变与拓扑相互作用的理解，也为基于二维铁电材料的新型功能器件的开发提供了材料设计思路。 该成果以“Chemical Doping Engineering of Polarization and Topological Textures in van der Waals Ferroelectric CuInP₂S₆”为题发表于期刊《Advanced Science》。该工作由中山大学独立完成，物理学院、本实验室博士研究生高蕾为论文第一作者，刘新智副教授和郑跃教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）的支持。期刊原章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202523774