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科學(xué)家揭示了不同尋常的Kagome材料奇異特性背后的深層秘密

時(shí)間:2022-03-19 14:46:41 來(lái)源: cnBeta.COM


實(shí)驗(yàn)材料由銫(Cs)、釩(V)、銻(Sb)三種材料組成(圖自:Comin Laboratory / MIT)

來(lái)自麻省理工學(xué)院的 Riccardo Comin 及其同事們,對(duì) Kagome 材料的零能電子態(tài) / 又稱(chēng)“費(fèi)米表面”開(kāi)展了可視化工作。

擴(kuò)展數(shù)據(jù) - 1:費(fèi)米表面嵌套與 vHs 填充處 Kagome 晶格中的 2×2 電荷順序

在普通金屬中,電子的行為,很像是在房間里獨(dú)舞的人。而在 Kagome 超導(dǎo)體中,材料會(huì)在冷卻到 3 開(kāi)爾文(-270.15 ℃)時(shí)出現(xiàn)電子的成對(duì)移動(dòng) —— 就像跳舞的情侶一樣。

擴(kuò)展數(shù)據(jù) - 2:沿高對(duì)稱(chēng)方向的偏振相關(guān) ARPES 光譜

到 100 開(kāi)爾文(-173.15 ℃)的時(shí)候,Kagome 材料又會(huì)表現(xiàn)出另一種被稱(chēng)作“電荷密度波”(Charge Density Waves)的奇怪行為,此時(shí)電子以波紋的形式排列。

擴(kuò)展數(shù)據(jù) - 3:光子能量相關(guān)的 ARPES 光譜

由 MIT 物理學(xué)助理教授 Riccardo Comin 帶領(lǐng)的這支研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),Kagome 電子異常同步性背后的秘密,源于另一種被稱(chēng)作“電子奇點(diǎn)”(或范霍夫奇點(diǎn))的行為 —— 涉及電子之間的能量和速度關(guān)系。

擴(kuò)展數(shù)據(jù) - 4:vHS 的 Kz 依賴(lài)

當(dāng)材料中同時(shí)存在許多具有相同能量的電子時(shí),它們之間的相互作用會(huì)更加強(qiáng)烈。由于存在這些相互作用,電子可配對(duì)并成為超導(dǎo)、或形成電荷密度波。

研究配圖 - 1:Kagome 金屬中的理論電子結(jié)構(gòu)和電荷順序

Comin 指出,將能量與固體中的電子速度關(guān)聯(lián)起來(lái),顯然極具挑戰(zhàn)性。研究人員需要在兩個(gè)國(guó)際同步加速器研究設(shè)施中使用特殊儀器 —— 浦項(xiàng)光源的 Beamline 4A1、以及伯克利實(shí)驗(yàn)室的 ALS 先進(jìn)光源(Beamline  7.0.2 / MAESTRO)。

研究配圖 - 2:CsV?Sb? 材料的實(shí)驗(yàn)電子能帶結(jié)構(gòu)

作為一種粒子加速器,同步加速器可產(chǎn)生極亮的光束,且其光子能量范圍從紅外線到 X 射線。在 ALS 科學(xué)家 Chris Jozwiak 的幫助下,該團(tuán)隊(duì)使用了 ARPES 角分辨光電發(fā)射光譜法。

研究配圖 - 3:在 CsV?Sb? 中映射多個(gè) vHS

ARPES 利用非常明亮的單色 X 射線光,來(lái)聚焦成寬度僅 10 μm 的小光束,而 MIT 研究團(tuán)隊(duì)得以準(zhǔn)確地識(shí)別和測(cè)量對(duì)材料奇異特性至關(guān)重要的電子的速度。

研究配圖 - 4:K2' 帶中的費(fèi)米面嵌套和電荷序間隙

Jozwiak 補(bǔ)充道:“你需要像 ALS 這樣的大型光源設(shè)施,才能對(duì)新材料開(kāi)展此類(lèi)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。ALS 的 MAESTRO 光線束提供了一個(gè)非常精確和明亮的光資源,且可調(diào)諧至各種波長(zhǎng)或能量。若這個(gè)大門(mén)不向公眾開(kāi)放,那么像 Comin 團(tuán)隊(duì)這樣激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)工作,也就不可能完成了”。

研究配圖 - 5:K1 波段中的高階 vHS 與電荷間隙

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情,已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《Nature Physics》期刊上,原標(biāo)題為《Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV?Sb?》。


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