电磁超材料：水波极化子 | 前沿快讯No.23

Original 中国物理学会中国物理学会 2022-10-21

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快讯

水波极化子

压力诱导非常规量子临界性

BCS-哈伯德模型相图

水波极化子

近几十年来，电磁超材料发展迅速，成为人们控制电磁、弹性、声波和水波的有利工具。超材料指的是由亚波长结构组成的人工材料，能实现惊奇的量子现象。人们发现了许多有趣的效应，并使用超材料实现了光学器件，如负折射器件、零指数器件、超级镜头、隐形斗篷等。此外，表面等离子体极化激子是存在于相同光频率上的高度局域的表面波。表面等离子体极化激子有很多应用，如场约束和亚波长分辨率成像，但由于制造困难和缺乏低损耗金属难以实现。仿真表面等离子体极化激子具有与天然表面等离子体极化激子相同的特征，例如色散关系。因此，它们可以作为表面等离子体极化激子的超材料，有广泛的应用前景，具有低损耗并且易于制造的优势。通过修改仿真结构的几何参数，可以改变仿真表面等离子体极化激子的电磁响应频率。此外，水波的波动方程与浅层条件下的电磁波具有相似的形式，通过调整水面的相对深度，可以获得不同的等效折射率。因此，利用超材料的概念来控制水波也是可能的。近年来，人们利用超材料实现了水波的零折射率和水波聚焦、水波负折射、水波能量集中器、水波凝结等。

本文作者厦门大学物理系和电磁声学研究所Linkang Han等发现一维凹槽阵列可以等价于负的水深，并激发水波单向表面极化子。通过理论分析、数值模拟和实验来解释了这一现象，表明水波的传播方向可以通过这种简单的结构来调控，在海上运输和环境保护中具有非常重要的意义。

相关研究成果以Water Wave Polaritons为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letter 128, 204501 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.204501

耦合自旋阶梯反铁磁体C9H18N2CuBr4中压力诱导的非常规量子临界性

朗道的对称性破缺理论是理解凝聚态物理中物相的基石，尽管它取得了显著的成功，但是很多新奇的现象，比如分数量子霍尔效应和拓扑量子物态，都暴露了这种范式的局限性。此外，连续的零温度量子相变，表现出自发的规范场和分数化的自由度，也超出了这个传统理论的框架。近年来，研究人员提出了表现出精细量子临界性的模型，并利用解析和数值的方法进行了研究。然而，据我们所知，到目前为止，还没有实验实现这种分数化的非常规量子相变，因此，寻找合适的实验平台很有意义。

本文作者美国橡树岭国家实验室中子散射中心Tao Hong等全面研究了静水压力对自旋1/2阶梯状化合物C9H18N2CuBr4的磁结构和自旋动力学的影响。单晶比热和中子衍射测量表明，反铁磁Neel有序相通过一个连续的量子相变，在临界压力1Gpa以上破坏。对临界指数的估计表明，这种转变可能超出了传统的朗道范式。在1.3GPa条件下的非弹性中子散射谱具有两种分离良好有能隙的模式，包括一个类连续体和另一个在不同的散射通道中分辨率限制的磁激发，进一步表明在临界压力以上存在一个奇异的量子无序相。

相关研究成果以Evidence for pressure induced unconventional quantum criticality in the coupled spin ladder antiferromagnet C9H18N2CuBr4为题，发表在《自然通讯》 Nature Communications 13, 3703 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30769-8

磁场中BCS-哈伯德模型相图

强关联体系，比如高温超导体、非费米液体和量子自旋液体，在近几十年引起了研究人员的广泛关注。在这些系统中，电子与电子的相互作用很强，以至于传统的平均场近似不再适用。在一维中，哈伯德、海森堡和其他凝聚态物理的基本模型的物理性质可以用玻色化、 Bethe Ansatz以及其他非微扰方法很好地进行解释，导致对许多有趣现象的可以全面理解，比如自旋电荷分离和莫特物理。然而，在更高的维度中，可以使用的分析工具并不多，只能在特定的情况下才能得到精确的解。最近，受到Kitaev蜂窝式模型的启发，成功引入了在任意维度的双粒子晶格上可精确解析的BCS-哈伯德模型。该模型在哈伯德模型中增加了一个p波配对项，它可以被简化为一个与冻结Z2规范场耦合的非相互作用费米子模型。

本文作者中国科学院物理研究所Dong-Hong Xu和Yi-Cong Yu等提出了一个扩展的BCS-哈伯德模型，研究了其在外磁场中的基态相图。通过将模型映射到与守恒Z2变量耦合的无自旋费米子模型，发现对于双粒子晶格上的任意位点的哈伯德相互作用，该模型沿对称线是完全可解析的。在零场极限中，基态表现出赝自旋的反铁磁序。在高场极限下，赝自旋是完全极化有序的。随着外磁场的增加，当库仑相互作用小于一个临界值时，这些相之间发生一阶相变。在这个临界场之上，一个新的中间相出现在完全极化相和反铁磁相之间。这个相中的基态与自旋冰类似，在宏观上是简并的，并且在零温度下，相应的熵与晶格尺寸呈线性关系。

相关研究成果以Phase Diagram of the BCS–Hubbard Model in a Magnetic Field为题，作为亮点文章Editors’ suggestion发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 067043 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/6/067403#1

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

编者按

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