中国科大提出广义Neumann定理 为传统铁电与分数量子铁电建立统一理论框架

　　近日，中国科年夜郭光灿院士团队何力新研究组取患上冲破：提出了狭义Neumann定理，同一诠释了传统铁电与早先发明的分数目子铁电（FQFE），批改了恒久以来正在铁电资料研究中的经典实践。这一结果为懂得以及调控铁电性子供给了全新思绪。相干研究结果以“Generalized Neumann’s Principle as a Unified Framework for Fractional Quantum and Conventional Ferroelectricity”为题，9月9日颁发正在国际出名学术期刊《物理评论快报》上。

　　铁电作为一种基本的物理效应，不只是凝聚态物理的重要研究标的目的，更是鞭策新一代信息技能与智能器件成长的要害，正在非易掉性存储器、智能传感、红外探测，和将来量子信息技能等范畴揭示出广漠的使用远景，是以恒久以来备受学术界与工业界的高度存眷。

　　正在铁电研究中，Neumann定理被视为鉴定铁电性的基本原则而写入教科书。然而，最近几年来迷信家们正在一些晶体中发明了一类全新的铁电征象：分数目子铁电（Fractional Quantum Ferroelectricity, FQFE），表示正在某些高对称布局中，泛起可翻转的分数目子的电极化，与经典Neumann定理的论断相抵牾。以单层In₂Se₃为例，其C_3v对称性按理不该发生面内极化，但计较与试验均证实其存正在可翻转的面内极化，成为分数目子铁电性的典型案例。

　　图1：In₂Se₃资料具备C_3v对称性，凭据Neumann定理不该该泛起面内极化，但第一性道理计较发明其电极化p正在绕c轴扭转2π/3后与p仅相差一个整数目子，从而餍足狭义Neumann定理

　　正在本研究中，何力新传授与博士生庞鸿升提出了狭义Neumann定理，初次成立了一个可以或许同时涵盖传统铁电与分数目子铁电的同一实践框架。传统的Neumann定理断定晶体是否许可泛起铁电极化的数学情势为：Rp=p，此中R表现晶体的对称操作，p表现电极化。依照这一瓜葛，惟独当电极化正在晶体一切对称操作下坚持没有变时，铁电性才可能存正在。这必定理恒久以来被视为“铁电性的基来源根基则”。正在本研究中，研究职员提出了狭义Neumann定理：Rp=p+Q，此中Q是整数目子的电极化。当Q=0时，这必定理进化为传统情势；而正在更一般的景象下，它可以或许天然诠释分数目子铁电性的存正在。

　　基于这一推广定理，研究职员体系阐发了全数32个晶体点群，寻到了一切可能存正在的分数目子铁电情势，并经由过程高通量计较，发明有年夜量此前被以为不成能泛起铁电举动的资料，实在都许可铁电极化的存正在。更重要的是，此中很多资料的极化不只存正在，并且可以或许翻转，具备潜正在的现实使用价值。文章以HfZnN₂资料为例，研究了其面内分数目子极化可经由过程与面外极化耦合完成翻转的路径以及势垒。

　　图2：HfZnN₂资料的面内分数目子极化可以经由过程与面外极化耦合完成翻转。

　　狭义Neumann定理为传统铁电与分数目子铁电成立了同一的实践框架，不只为分数目子铁电的发源供给了简练清楚的物理图象，也奠基了松软的实践根蒂根基，被以为无望改写铁电研究的教科书。分数目子铁电性为铁电家族开启了新的篇章，由此发明了年夜量此前未被熟悉的铁电资料，进一步拓展了铁电效应的内在。因为今朝对这些资料的研究依然有限，它们极可能揭示出很多传统铁电资料所没有具有的奇特性子，是以具备广漠的摸索远景以及重要的使用后劲。

　　博士生庞鸿升为本文第一作者，何力新传授为通信作者。该研究遭到了中国迷信院，国度天然迷信基金委等的撑持。

　　论文毗连：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/trhd-kxm1