近日，国际权威学术期刊《PNAS》报道了公司威廉希尔潘明虎教授团队在拓扑量子材料领域取得重大突破。该成果于2022年10月正式刊发。公司为第一且共同通讯单位，威廉希尔凝聚态物理专业博士后邵志斌为第一作者，潘明虎教授和北京应用物理与计算数学研究所张平研究员、北京大学王健教授为共同通讯作者。
超重原子在强库仑相互作用下产生的超临界原子坍缩现象是相对论量子力学的一个重要预测。由于在自然界尚未发现满足超临界条件（Zα > 1， Z为原子序数，α ~ 1/137为精细结构常数）的超重原子，这一现象一直未能得到实验的直接证实。同时，对数周期量子振荡的发现也反映出狄拉克材料中的超临界准束缚态具有一种新奇的物理特性—离散标度不变性（discrete scale invariance）或者离散标度对称性（discrete scale symmetry）。离散标度对称性是连续标度对称性的破缺，伴随出现对数周期这一标志性特征。在物理学中，离散标度不变性可存在于经典体系中的自相似分形结构。而在量子体系中，离散标度不变性需要体系哈密顿量同时满足标度不变和量子化等苛刻的条件。从连续标度对称性破缺为离散标度对称性是量子相变的一个范例，在一些基本量子系统中起着重要作用，例如具有反平方（1/r2）势的薛定谔方程体系，(2+1)维量子电动力学体系和冷原子体系中的Efimov效应。因此，研究离散标度不变性对于理解自然界的深层物理规律具有重要意义。然而，离散标度不变性在多体系统譬如凝聚态体系中的实验探索极具挑战性，相应的实验证据十分有限。
潘明虎教授研究团队及合作者对拓扑材料HfTe5展开了系统的超高真空扫描隧道显微镜研究。在材料的解理表面上，观测到了多种类型的带电杂质缺陷。在满足超临界条件的带电杂质处，观测到了扫描隧道谱中的一系列态密度共振峰。扫描隧道谱中的共振峰数量多达四个，能量满足等比关系（也即对数周期），给出了带电杂质处存在准束缚态和离散标度不变性的明确证据。在得到原子尺度下准束缚态及其离散标度不变性的证据后，研究团队对准束缚态的空间分布进行了测量。准束缚态的空间分布半径表现出与特征能量一致的等比关系，进一步证实了准束缚态的离散标度不变性。此外，研究团队也观测了准束缚态对外加磁场的响应。随着外磁场的增加，较低能量的准束缚态对应的共振峰逐渐展宽并最终消失，同时准束缚态逐渐靠近费米面，这与理论预测的外加磁场导致的超临界到亚临界相变现象吻合。这一工作首次直接观测到了原子尺度下相对论型准束缚态（原子坍缩态）的离散标度不变性，为研究量子材料中的原子坍缩态、离散标度不变性和新奇量子态开辟了新的思路，有望激发更多关于固体物理体系中离散标度不变性的深入研究与讨论。
拓扑材料的原子缺陷处观测到具有离散标度不变性的准束缚态
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2204804119
《PNAS》: 美国科学院院报（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）于1914年创立，是与Nature、Science、Cell齐名的，世界上被引最多的综合性、跨学科连续出版物之一。PNAS主要刊载世界尖端的研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、观点展示、学术论文以及美国科学院员工动态报道等，所涵盖学科领域主要为生命科学、自然科学、社会科学。
团队简介：
团队负责人潘明虎教授，2001年南京大学凝聚态物理专业博士毕业。之后曾在2001-2003年于中科院物理所做博士后研究。2004年赴美国田纳西大学做博士后研究。2006年起在美国橡树岭国家实验室作助理研究员，而后晋升为研究员。2015.1起回国工作为华中科技大学教授。2019年1月起为williamhill官网教授。潘明虎教授长期从事低维量子体系设计、低维材料结构制备、低维量子体系电子态的量子关联现象研究，主要采用超高真空扫描隧道显微镜等一系列表面科学研究手段，结合密度泛函理论计算，针对低维量子材料的表面/界面电子结构、物性开展研究。尤其是在表面分子自组装结构、新型二维层状材料以及叠层的结构和物性研究、高品质拓扑和超导材料及其它关联电子材料体系的生长和复杂电子关联行为研究等方面，取得了一系列有影响力的成果。2016年当选湖北省特聘教授，并获聘为“楚天学者”特聘教授，2018年当选陕西省特聘教授。曾为美国物理协会(APS)，美国真空协会(AVS)，美国化学协会(ACS)，材料研究协会(MRS)和美国科学促进会 (AAAS)会员。在国际知名学术期刊Nat. Commun., Adv. Mater., Nat. Sci. Rev., Sci. Adv., Nano Lett., ACS Nano, PNAS, Phys. Rev. Lett.等发表SCI论文110余篇，引用3800 余次，单篇最高引用超过600次。获邀参加国际会议进行学术演讲和交流逾40次，曾参与多个美国能源部(DOE)资助的项目，并作为项目的负责人和主要负责人。回国后作为项目负责人主持多项国家自然科学基金项目。 先后在华中科技大学创建先进的高分辨扫描隧道显微镜技术平台。在威廉希尔创建“量子物质调控”团队和紧密的国际交流。
