实验室在Kagome金属电子结构表征方面取得进展
2022年2月06日
近日，清华大学物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究团队与中国人民大学物理系雷和畅教授及北京航空航天大学材料科学与工程学院汤沛哲教授合作，利用原位低温(4K)扫描隧道显微镜技术结合第一性原理计算，系统地研究了Kagome金属RbV3Sb5单晶的本征和重构表面的原子及电子结构。该研究成果以《Evolution of Electronic Structure in Pristine and Rb-Reconstructed Surfaces of Kagome Metal RbV3Sb5》为题在线发表在2022年1月26日的《Nano Letters》上。
电子的关联性和拓扑性是当代凝聚态物理研究中的关键问题，Kagome体系提供了理想的平台来理解这些量子现象。Kagome体系由于独特的晶格结构和磁结构，其电子态不仅可能存在晶格阻挫的现象，也可以获得非平庸的拓扑性质。最近，一种新型Kagome金属AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)被发现，其因具有很多奇异的量子现象，如：电荷密度波、Z2拓扑电子结构、超导性、和对称性破缺的向列相等，被广泛关注。在之前的研究中，该材料的能带测量结果存在较大差异，李渭副教授考虑到该材料中碱金属原子的扩散性和脱附性较强，设计了在液氦温度下(4K)直接原位解理样品的实验，试图揭示该材料本征的解理表面及电子结构。
图1RbV3Sb5的Rb-1×1本征表面的准粒子干涉实验结果（左图），不同Rb原子重构表面的原子排列和电子能带结构的演化示意图（右图）。
利用低温扫描隧道显微镜技术，该研究团队发现RbV3Sb5单晶的原始解离面为Rb-1×1结构，并存在独特的单向√3a0电荷序。随着解理温度升高，由于Rb原子的脱附，表面会形成Rb-√3×1和Rb-√3×√3的重构（如晶格模型所示）。准粒子干涉测量发现，Rb原子脱附不仅会引起空穴掺杂，也会导致电子能带结构的重构，具体表现为Γ点处的能带的移动和电子有效质量的变化（如图上方所示）。
尽管不同解理面的电荷掺杂存在较大差异，扫描隧道谱测量在所有解理面上都观测到类似的能隙打开，该能隙对应于与M点能带相关的电荷有序态 (CDW)。这些发现说明该体系电荷掺杂在动量空间存在选择性，即会优先填充到Γ点附近，这就保证了M点附近电子结构的稳定，使CDW在不同解理面仍稳定存在。理论计算证实了RbV3Sb5能带重构的轨道选择性：Rb原子脱附产生的空穴掺杂会选择性的影响位于Γ点附近的锑pz轨道能带，对M点的钒d轨道能带却没有影响。
清华大学物理系博士生余家威（2018级）和北京航空航天大学材料科学与工程学院硕士生许子安为文章的共同第一作者。清华大学博士生肖克斌、袁永浩、胡志强和郭云锴也参与了实验。中国人民大学物理系的雷和畅研究组提供了实验样品，北京航空航天大学材料科学与工程学院的汤沛哲研究组提供了理论支持。该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心、北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。