近日，中国科学技术大学张汇博士等人在曾长淦教授的指导下，与韩国汉阳大学Jun-Hyung Cho教授等人合作，在原子链阵列的基态研究及其调控方面取得概念上的新突破，该研究成果以“Stabilization and Manipulation of Electronically Phase-Separated Ground States in Defective Indium Atom Wires on Silicon”为题发表在11月7日出版的国际权威物理学期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 113, 196802 (2014)]上，张汇是第一作者。
在强关联d电子体系中，不同电子态常常具有相近的热力学自由能，因此其基态可能表现为电子相分离，即多种电子相同时共存于结构均一的体系，并因此导致一些奇异物性（如庞磁电阻）。而对于sp简单电子体系，不同电子态自由能通常相差较大，导致其基态为某一均匀的电子相。一个重要的科学问题是：能否在sp电子体系中实现电子相分离呢？张汇等人以Si(111)表面的In原子链阵列作为模型体系，利用扫描隧道显微术对此问题进行了探索。In原子链阵列在高温下表现为4×1金属相，而在125 K温度以下表现为8×2绝缘基态。通过有意引入缺陷，这一均匀的绝缘基态转变为金属相和绝缘相共存的电子相分离基态。理论计算发现缺陷附近的晶格常数被压缩，导致金属相和绝缘相的自由能非常接近，从而稳定电子相分离基态。进一步的研究发现在电子相分离基态中，金属相和绝缘相可以通过施加电场或者电荷掺杂来可逆转变。这一工作把电子相分离基态的存在领域从强关联d电子体系拓展到sp简单电子体系。此外，对电子相分离的终极控制将获得预期的电子图案，从而在同一材料中实现器件功能，从而实现电子制造（electronic fabrication）。张汇等人在硅衬底上的工作不仅在概念上扩展了电子相分离的概念，同时也为基于硅的电子条纹控制来实现各种电子器件提供了新思路。
表面缺陷所稳定的In原子链阵列电子相分离的扫描隧道显微图及其相图
此前，张汇等人在曾长淦教授的指导下在原子链的拓扑激发研究方面已经取得了重要进展。除了基态行为，一维体系更有趣的是其元激发，包括相位子、振幅子和孤子。然而一直以来单个孤子的结构和行为并不清楚。张汇等人利用扫描隧道显微术对Si(111)表面In原子 链中的孤子进行了系统研究，成功确定了单个孤子的原子结构、生成能、扩散激活能以及有效质量，并利用电场对孤子的扩散行为进行了增强调控。这一工作也发表于《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 106, 026801 (2011)]。
上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
论文链接：
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.113.196802
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.106.026801