最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的施均仁研究员与美国University of Texas at Austin的牛谦教授等人合作，提出了计算非周期系统电极化的普适贝里相位公式。文章发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters，PRL，102(2009)087602）上。

 

这一公式适用于计算那些具有大尺度空间结构（如多铁材料中的磁结构）的材料的电极化强度。研究还发现，这一公式确定的电极化强度具有一个以第二类陈示性数表征的拓扑不确定度。这一不确定度与一个由含时非空间周期势驱动的绝热电荷泵浦效应有密切的联系。

 

电极化强度是表征铁电体、压电材料以及最近引起广泛兴趣的多铁材料的重要物性。如何在理论上计算各类材料的电极化性质是一个重要的研究课题。在这一领域的最重要工作是Resta和Vanderbilt等人发展的电极化的贝里相位理论。这一理论将材料电极化的电子贡献与周期系统中电子布洛赫波函数的贝里相位相联系，从而为从头计算固体材料的电极化性质提供了一个普适的方法。然而，这一理论在最近对多铁材料的研究中却无法应用：多铁材料往往存在与材料本身晶体周期结构非公度的磁结构，而且这些结构有很长的周期。如果为了利用前述的贝里相位理论而使用超元胞方法，计算效率将十分低下，而且不准确。

 

这一公式的确立为计算多铁材料的铁电效应提供了一个新方法。同时该研究也提供了一个由第二类陈示性数表征的拓扑物理过程，即非空间周期势驱动的量子化绝热电荷泵浦效应。

 

相关研究得到了国家自然科学基金委的资助。