中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N04組供稿
第43期
2022年05月31日
手性單晶中手性鎖定電荷密度波的發現

  CoSi與RhSi、RhSn、PdGa、AlPt以及MnSi等晶體同屬空間群P213,它們共同構成了手性晶體家族。由于晶體結構的相似性,這些材料在能帶結構上也顯示出很多類似的特征,這些能帶結構特征受到晶體對稱性保護。理論預言CoSi和RhSi手性晶體費米面處的低能準粒子激發為手性費米子(PRL 119, 206402 (2017)),這一預言在近期得到實驗證實(Nature 567, 496 (2019); Nature 567, 500 (2019); PRL 122, 076402 (2019))。關于這類手性費米子在晶體中引起的新奇量子效應的研究尚在起步階段。

  最近,中國科學院物理研究所//北京凝聚態物理研究中心高鴻鈞研究團隊李更副研究員等利用自主設計組裝的分子束外延-極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜聯合系統研究了手性晶體CoSi表面的非常規電荷密度波。他們實驗發現,CoSi單晶(001)晶面存在單軸電荷密度波,其波矢方向偏離晶體高對稱方向,且在相差半個晶格常數高度的晶面存在大小為π的相位差。dI/dV譜顯示該電荷密度波在費米能級處打開了V型帶隙,帶隙大小伴隨電荷密度波條紋存在周期性的空間調制。在跨越整數臺階時,dI/dV譜線沒有明顯變化;而在跨越半整數臺階時,dI/dV譜線上電荷密度波兩個相干峰的強度會發生非常規的反轉。變溫低能電子衍射實驗顯示這種非常規電荷密度波的相變溫度為~150 K。他們進一步與季威教授和汪自強教授等合作開展了第一性原理的理論計算,證實了CoSi中的電荷密度波波矢處有較高的準粒子散射強度,這個準粒子散射可能是由電子關聯所引起的,并且和晶體的手性鎖定。另外,他們在實驗上在不同異構體中也觀測到了呈鏡面對稱的電荷密度波。

  該項研究揭示了手性晶體CoSi中起源于電子關聯的新型拓撲量子態。值得一提的是,由于費米面處態密度較低的緣故,在外爾半金屬體系中很少能夠觀測到電荷密度波;而且已被實驗觀測到存在電荷密度波的外爾半金屬材料僅僅限于包含(TaSe4)2I在內的幾種一維體系。相關成果以“Chirality locking charge density waves in a chiral crystal”為題在2022年5月25日于Nature Communications發表。該工作與美國波士頓學院的汪自強教授和中國人民大學的季威教授、雷和暢教授等進行了合作。汪自強教授給予了理論上的考慮,雷和暢教授提供了高質量CoSi單晶,季威教授等開展了第一性原理計算。李更副研究員、楊海濤研究員、博士生江培杰和博士后王聰為論文共同第一作者;高鴻鈞、汪自強、季威和雷和暢為共同通訊作者。該工作得到科技部(2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2018YFE0202600)、國家自然科學基金(61888102, 51991340, 52072401, 61761166009 and 11974422)、中國科學院先導項目(XDB28000000, XDB07000000, XDB30000000)和中國科學院-財政部穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃(YSBR-003)的支持。

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圖一:CoSi (001)表面的周期性條紋圖案


圖二:CoSi (001)表面的電荷密度波在費米能級處產生能隙


圖三:跨越偶數和基數臺階時dI/dV譜線的不同變化行為


圖四:電子關聯誘導的晶體手性鎖定電荷密度波