二維籠目（kagome）晶格體系材料由于獨(dú)特的晶體構(gòu)型和擁有平帶、范霍夫奇點(diǎn)和狄拉克錐等特殊的電子結(jié)構(gòu)，為研究超導(dǎo)、電子關(guān)聯(lián)以及拓?fù)浼捌湎嗷プ饔锰峁┝死硐肫脚_(tái)。其中，籠目超導(dǎo)體AV₃Sb₅?(A=K, Rb和Cs)因新穎的電荷密度波序、向列相序以及展現(xiàn)出的反常霍爾效應(yīng)和可能的非常規(guī)超導(dǎo)電性等，激發(fā)了人們?cè)诨\目體系中尋找新奇物性的興趣。探索具有類(lèi)似籠目結(jié)構(gòu)的新材料和對(duì)其特征電子結(jié)構(gòu)的表征，對(duì)探討籠目結(jié)構(gòu)材料中的新奇現(xiàn)象和物性具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC7組博士楊鑒剛、解于洋等在導(dǎo)師、研究員周興江與副研究員趙林的指導(dǎo)下，由中國(guó)科學(xué)院院士、納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員高鴻鈞、研究員楊海濤指導(dǎo)的博士趙振等提供高質(zhì)量的籠目結(jié)構(gòu)單晶樣品，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛指導(dǎo)的博士易鑫偉等進(jìn)行第一性原理的電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，利用高分辨深紫外激光角分辨光電子能譜技術(shù)，對(duì)新型籠目結(jié)構(gòu)化合物CsTi₃Bi₅的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，觀察到多重特征電子結(jié)構(gòu)的共存，為籠目結(jié)構(gòu)材料的研究提供了重要信息。

CsTi₃Bi₅與AV₃Sb₅擁有類(lèi)似的晶體結(jié)構(gòu)，體系具有較強(qiáng)的二維性。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的CsTi₃Bi₅費(fèi)米面與理論計(jì)算結(jié)果高度一致，說(shuō)明體系電子關(guān)聯(lián)性較弱（圖1）。CsTi₃Bi₅的能帶結(jié)構(gòu)與AV₃Sb₅相似，但相對(duì)于AV₃Sb₅，其整體能帶結(jié)構(gòu)上移了約0.9eV。研究表明，通過(guò)改變（V,Ti）位的原子，這類(lèi)“135”籠目材料的電子結(jié)構(gòu)可以在大能量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)控。這致使在CsTi₃Bi₅中由籠目晶格特殊的電子波函數(shù)相消干涉機(jī)制導(dǎo)致的特征平帶接近費(fèi)米能級(jí)（-0.24eV）（圖2c）。第一性原理計(jì)算表明平帶主要由Ti-3d_x2-y2軌道的電子構(gòu)成（圖2d、e）。 同時(shí)，研究在該能量附近發(fā)現(xiàn)多個(gè)狄拉克電子結(jié)構(gòu)（圖3）。由于特殊的能帶色散取向，這些狄拉克點(diǎn)屬于第二類(lèi)或第三類(lèi)狄拉克點(diǎn)。能帶計(jì)算表明，由于對(duì)稱(chēng)性保護(hù)狄拉克點(diǎn)在動(dòng)量空間形成了節(jié)線(xiàn)（圖3b）。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該材料存在表面態(tài)（圖4），與理論預(yù)期的能帶反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的拓?fù)浞瞧接贡砻鎽B(tài)相吻合。在同一個(gè)材料中發(fā)現(xiàn)多重非平庸能帶結(jié)構(gòu)共存及其可調(diào)性，為探索籠目材料的新奇現(xiàn)象和物性提供了新平臺(tái)。

近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中國(guó)科學(xué)院等的支持。

論文鏈接

圖1.?CsTi₃Bi₅晶體結(jié)構(gòu)（a、b），測(cè)量的費(fèi)米面（d、e）與能帶計(jì)算的費(fèi)米面（h、i）

圖2.?Kagome平帶的觀測(cè)

圖3.?費(fèi)米能級(jí)附近發(fā)現(xiàn)的狄拉克電子結(jié)構(gòu)

圖4.?觀測(cè)到的拓?fù)浞瞧接贡砻鎽B(tài)