研究揭示了二维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，极化子是在晶体中的单个电子扭曲其周围的原子晶格时形成的，产生的复合物体的行为更像是大质量粒子而不是电子波。

德克萨斯大学奥斯汀分校的两名研究人员FelicianoGiustino和WengHongSio最近开展了一项研究，调查支持二维材料中极化子形成的过程。他们发表在《自然物理学》上的论文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，我们就开发了一个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费利西亚诺·朱斯蒂诺(FelicianoGiustino)告诉Phys.org。“引起我们注意的一件事是，许多实验论文都讨论了3D块状材料中的极化子，但我们只能找到几篇报告在2D中观察到这些粒子的论文。所以，我们想知道这是否只是巧合，或者2D中的极化子比3D中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着手在原子尺度上计算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，而这还不能用计算机有效地完成。

“例如，本研究中考虑的极化子涉及多达30,000个原子，”Giustino解释道。“我们的策略是用密度泛函微扰理论的语言重新表述问题，这种技术已成功用于研究晶格振动(即声子)多年。这种技术使我们能够在绕过极化子的同时捕获物理现象需要对数千个原子进行直接计算。另一个重要因素是弄清楚如何描述二维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介绍了一种描述二维材料中电子与振动之间相互作用的新方法，这基本上需要弄清楚二维点偶极子的静电。在他们最近的研究中，他们使用这种方法以及密度泛函微扰理论来研究支持二维晶体中极化子形成的机制。

“我们阐明了二维材料中极化子形成的基本机制，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，使我们能够绘制一张地图，说明在哪里可以找到这些粒子以及它们的特性。”

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实空间结构。此外，他们还发现了支持在二维晶体中形成极化子的关键条件和规律。

“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特性以实现更高效的材料和设备，”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。”