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近日，南京大學(xué)物理學(xué)院孫建教授團(tuán)隊(duì)預(yù)言了一種新型電子化合物K(NH3)2，并揭示其在一定壓強(qiáng)下存在由間隙電子誘導(dǎo)的準(zhǔn)二維自旋佩爾斯相變。

關(guān)聯(lián)電子與聲子的耦合行為是近年來(lái)凝聚態(tài)物理中的研究熱點(diǎn)。模型研究發(fā)現(xiàn)，在一維半填充的自旋-1/2反鐵磁體系中，局域庫(kù)侖作用可以增強(qiáng)由電聲子耦合引起的晶格二聚化，誘導(dǎo)出自旋佩爾斯(spin-Peierls)相變，但與其相對(duì)應(yīng)的真實(shí)材料一直未曾發(fā)現(xiàn)。因此，尋找具有關(guān)聯(lián)電子和聲子耦合現(xiàn)象的真實(shí)材料體系至關(guān)重要。另一方面，電子化合物中存在占據(jù)晶體空隙的非束縛電子(IAEs)，有關(guān)自旋極化的間隙電子及其與聲子耦合行為的研究非常稀少。據(jù)我們所知，大多數(shù)反鐵磁間隙電子存在于有機(jī)電子化合物中，而它們的晶胞通常有上百原子，極大限制了理論計(jì)算研究。

孫建教授等人通過(guò)其自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)與圖論輔助的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件MAGUS結(jié)合第一性原理計(jì)算方法，預(yù)測(cè)新型電子化合物K(NH₃)₂中的間隙電子分布在由六個(gè)氫原子包圍的空隙之中，形成準(zhǔn)二維的三角晶格陣列，其穿過(guò)費(fèi)米面的能帶主要由這些間隙電子貢獻(xiàn)。該材料在加壓后存在聲子軟化和佩爾斯失穩(wěn)行為。隨壓強(qiáng)增加,能帶范霍夫奇點(diǎn)逐漸向費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)，是晶格二聚化的主要驅(qū)動(dòng)力。范霍夫奇點(diǎn)還對(duì)應(yīng)著臺(tái)階型的態(tài)密度曲線，導(dǎo)致電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，誘導(dǎo)出磁性失穩(wěn)。與傳統(tǒng)磁性體系不同，K(NH₃)₂中的反鐵磁性主要來(lái)自于間隙電子，可以用二維海森堡模型來(lái)描述。更重要的是，該材料中磁性間隙電子和佩爾斯晶格失穩(wěn)不僅可以共存，而且還彼此助益，提供了一個(gè)準(zhǔn)二維自旋佩爾斯相變的特例。

該工作首次發(fā)現(xiàn)具有準(zhǔn)二維自旋-佩爾斯相變行為的體系，為研究關(guān)聯(lián)電子和聲子的耦合作用提供了真實(shí)材料平臺(tái)。特別是這個(gè)體系涉及間隙電子，為研究電子化合物體系中的磁性相互作用以及其誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)畸變、電荷密度波等行為，提供了寶貴案例。

相關(guān)工作以“Quasi-2D spin-Peierls transition through interstitial anionic electrons in K(NH₃)₂”為題發(fā)表于【Science Bulletin 69, 1027 (2024)】。孫建教授課題組博士后丁馳為論文第一作者，孫建教授為通訊作者，南大物理學(xué)院邢定鈺院士提供了重要指導(dǎo)，孫建教授課題組學(xué)生魯清、郭照芃（已畢業(yè)，現(xiàn)為杭州師范大學(xué)副教授）、黃天衡、王俊杰、韓瑜等參與了工作。該項(xiàng)研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)、南京大學(xué)卓越研究計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助，得到了南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。相關(guān)計(jì)算工作主要在南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心高性能計(jì)算中心、南京大學(xué)高性能計(jì)算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

文章鏈接：

Chi Ding, Qing Lu, Zhaopeng Guo, Tianheng Huang, Junjie Wang, Yu Han, Dingyu Xing, Jian Sun*, Quasi-2D spin-Peierls transition through interstitial anionic electrons in K(NH₃)₂, Science Bulletin 69, 1027 (2024). https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.02.016

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圖1 (a)鉀銨化合物的包絡(luò)線;(b)R-3m相的能帶投影以及(c)態(tài)密度投影;(d)電子局域化函數(shù)和(e)價(jià)電子的實(shí)空間分布，以及(f)它們的實(shí)空間切面;(g)和(h) R-3m相分別在8 GPa和10 GPa的費(fèi)米面形狀及鞍點(diǎn)位置。

圖2 (a)范霍夫奇點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的聲子波矢；(b)隨壓強(qiáng)變化的聲子譜和聲子軟化現(xiàn)象以及(c-e)對(duì)應(yīng)的二聚化P2₁/m結(jié)構(gòu)；(f)鋸齒形反鐵磁間隙電子及(g)極化投影態(tài)密度；(h) R-3m相和P2₁/m相的各種磁構(gòu)型能量隨壓強(qiáng)變化曲線。