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物理系及合作团队发现手性晶体中手性锁定的电荷密度波

2022-06-04

近日,中国人民大学物理学系王聪博士、雷和畅教授、季威教授等人与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理研究中心高鸿钧院士研究团队李更副研究员等、美国波斯顿学院的汪自强教授等多个团队通力合作,研究了一种具有外尔节点的手性晶体CoSi。理论预测结合实验测量共同发现了CoSi(001)表面存在一种非常规的单轴电荷密度波(CDW)序,并发现该关联CDW态被晶格手性锁定。相关研究成果以“Chirality locking charge density waves in a chiral crystal”(手性晶体中的手性锁定电荷密度波)为题发表在5月25日在线出版的《自然·通讯》(Nature Communications 13, 2914 (2022))上。

手性晶体为研究物质的手性拓扑量子态提供了一个理想平台。手性晶体中破缺了反演对称,导致存在两个手性对映体,其能带结构有两个对称的手性外尔节点。晶体手性和拓扑电子结构之间的相互作用可能导致有趣的物理现象,如长手性费米弧态、对称强制拓扑节点平面等。CoSi是手性晶体家族的一元,理论预测和实验发现其费米面处的低能准粒子激发为手性费米子,但对于这类手性费米子在晶体中引起的新奇量子效应的研究尚在起步阶段。电荷密度波是低维与界面体系中重要的有序态之一,但是由于费米面处态密度较低的缘故,在外尔半金属体系中很少能够观测到电荷密度波。本次,团队结合第一性原理计算、极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱等手段,在制备的高质量CoSi单晶中,系统研究了其(001)表面的非常规电荷密度波。


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图1:CoSi (001)表面的周期性条纹图案


实验发现,CoSi单晶(001)晶面存在单轴电荷密度波,其波矢方向偏离晶体高对称方向,且在相差半个晶格常数高度的晶面存在大小为π的相位差(图1)。dI/dV谱显示该电荷密度波在费米能级处打开了V型带隙,带隙大小伴随电荷密度波条纹存在周期性的空间调制。在跨越整数台阶时,dI/dV谱线没有明显变化;而在跨越半整数台阶时,dI/dV谱线上电荷密度波两个相干峰的强度会发生非常规的反转。变温低能电子衍射实验显示这种非常规电荷密度波的相变温度为~150 K。


                                                           

图2:晶体手性锁定电荷密度波的起源


第一性原理计算对CoSi的电子结构等进行计算发现,其费米面附近等能面出现对称破缺,这可能是观测到的单轴电子行为的来源。其对应的联合态密度(JDOS)证实,CoSi在电荷密度波波矢处有较高的准粒子散射强度,这个准粒子散射可能是由电子关联引起。并且和晶体的手性锁定(图2)。

该研究成果以“Chirality locking charge density waves in a chiral crystal”为题发表在5月25日在线出版的《自然·通讯》(Nature Communications 13, 2914 (2022))上。物理学系王聪博士(2019年吴玉章奖学金获得者)和中国科学院物理所李更研究员、杨海涛研究员、姜培杰为论文的共同第一作者。本工作为王聪博士近两年在人大于《自然》子刊发表的第4篇第一作者文章。物理学系季威教授、雷和畅教授和中国科学院物理所高鸿钧院士、美国波斯顿学院的汪自强教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部、中国科学院和中国人民大学的资助。

全文信息:

Geng Li, Haitao Yang, Peijie Jiang, Cong Wang, Qiuzhen Cheng, Shangjie Tian, Guangyuan Han, Chengmin Shen, Xiao Lin, Hechang Lei, Wei Ji, Ziqiang Wang & Hong-Jun Gao

Chirality locking charge density waves in a chiral crystal

Nature Communications 13, 2914 (2022)

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30612-0

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