研究揭示了2D原子晶体中极化子形成的基本机制

极化子是由费米子粒子和玻色子场相互作用产生的局部准粒子。具体来说，当晶体中的单个电子扭曲其周围的原子晶格时，就会形成极化子，产生表现得更像大质量粒子而不是电子波的复合物体。

德克萨斯大学奥斯汀分校的两名研究人员Feliciano Giustino和Weng Hong Sio最近进行了一项研究，调查了2D材料中极化子形成的过程。他们的论文发表在《自然物理学》上，概述了与这些粒子形成相关的一些基本机制，这些机制在以前的工作中没有发现。

“早在2019年，我们就开发了一种新的理论和计算框架来研究极化子，”进行这项研究的研究人员之一Feliciano Giustino告诉 Phys.org。“引起我们注意的一件事是，许多实验论文讨论了3D块状材料中的极化子，但我们只能找到几篇论文报告了这些粒子在2D中的观察结果。所以，我们想知道这是否只是一个巧合，或者2D中的极化子比3D中的极化子更罕见或更难以捉摸，我们最近的论文解决了这个问题。

最初，Giustino和Sio开始在原子尺度上计算2D材料中局部极化子的形状(即波函数)和稳定性(即能量)。这是一项具有挑战性的工作，因为它需要描述参与极化子形成的所有原子和电子，这还不能用计算机有效地完成。

“例如，这项研究中考虑的极化子涉及多达30，000个原子，”Giustino解释说。“我们的策略是用密度函数扰动理论的语言重新表述这个问题，这种技术已经成功地用于研究晶格振动(即声子)多年。这种技术使我们能够捕获极化子的物理学，同时绕过直接计算数千个原子的需要。另一个重要因素是弄清楚如何在2D中描述电子和振动之间的相互作用。

在去年发表的一篇论文中，Giustino和Sio介绍了一种描述2D材料中电子和振动之间相互作用的新方法，这基本上需要弄清楚2D中点偶极子的静电。在他们最近的研究中，他们使用这种方法以及密度功能扰动理论来研究支撑2D晶体中极化子形成的机制。

“我们阐明了在2D材料中形成极化子的基本机制，因此这项工作将有助于更广泛地理解这些粒子，”Giustino说。“特别是，除了我们的重型量子力学计算之外，我们还开发了一个简单的模型，使我们能够绘制出在哪里找到这些粒子以及它们的性质的地图。

使用他们创建的模型，Giustino和Sio能够确定最近研究中报道的六方氮化硼中空穴极化子的真实空间结构。此外，他们还发现了支持极化子形成在2D晶体中的关键条件和规律。

“极化子正引起越来越多的关注，因为它们存在于用于OLED屏幕，光催化甚至未来神经形态计算机的材料中，因此我们希望这项研究将帮助研究人员更深入地了解这些粒子，甚至可能调整它们的性质以实现更有效的材料和设备，”Giustino补充道。“我们现在计划使用这些工具来研究更广泛的材料家族。我们还想了解这些粒子如何响应电场和磁场，以及如何利用它们的独特特性来实现新功能。