麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家和伯克利實驗室的科學(xué)家們，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種被稱作“Kagome 金屬”的新型量子材料的奇異特性背后的秘密。據(jù)悉，在冷卻到室溫以下時，該材料會表現(xiàn)出集體行為（Collective Behavior）。由此產(chǎn)生的特性之一是優(yōu)異的導(dǎo)電性能（超導(dǎo)性），但這點長期讓科學(xué)家們感到困惑。

實驗材料由銫（Cs）、釩（V）、銻（Sb）三種材料組成（圖自：Comin Laboratory / MIT）

來自麻省理工學(xué)院的 Riccardo Comin 及其同事們，對 Kagome 材料的零能電子態(tài) / 又稱“費米表面”開展了可視化工作。

擴展數(shù)據(jù) - 1：費米表面嵌套與 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，很像是在房間里獨舞的人。而在 Kagome 超導(dǎo)體中，材料會在冷卻到 3 開爾文（-270.15 ℃）時出現(xiàn)電子的成對移動 —— 就像跳舞的情侶一樣。

擴展數(shù)據(jù) - 2：沿高對稱方向的偏振相關(guān) ARPES 光譜

到 100 開爾文（-173.15 ℃）的時候，Kagome 材料又會表現(xiàn)出另一種被稱作“電荷密度波”（Charge Density Waves）的奇怪行為，此時電子以波紋的形式排列。

擴展數(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)的這支研究團隊發(fā)現(xiàn)，Kagome 電子異常同步性背后的秘密，源于另一種被稱作“電子奇點”（或范霍夫奇點）的行為 —— 涉及電子之間的能量和速度關(guān)系。

擴展數(shù)據(jù) - 4：vHS 的 Kz 依賴

當(dāng)材料中同時存在許多具有相同能量的電子時，它們之間的相互作用會更加強烈。由于存在這些相互作用，電子可配對并成為超導(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，顯然極具挑戰(zhàn)性。研究人員需要在兩個國際同步加速器研究設(shè)施中使用特殊儀器 —— 浦項光源的 Beamline 4A1、以及伯克利實驗室的 ALS 先進光源（Beamline 7.0.2 / MAESTRO）。

研究配圖 - 2：CsV?Sb? 材料的實驗電子能帶結(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，該團隊使用了 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 vHS

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

研究配圖 - 4：K2' 帶中的費米面嵌套和電荷序間隙

Jozwiak 補充道：“你需要像 ALS 這樣的大型光源設(shè)施，才能對新材料開展此類復(fù)雜的實驗。ALS 的 MAESTRO 光線束提供了一個非常精確和明亮的光資源，且可調(diào)諧至各種波長或能量。若這個大門不向公眾開放，那么像 Comin 團隊這樣激動人心的發(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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