物理所在新型籠目超導體中發現非平庸拓撲能帶和軌道選擇性電子向列相

籠目（kagome）結構材料因其獨特的kagome結構而具有平帶、范霍夫奇異點（VHS），以及具有線性色散關系的狄拉克點等特殊的電子能帶結構，展現出電子強關聯、拓撲以及多體效應，很快成為研究幾何阻挫、非平庸拓撲能帶以及多種電子序耦合與競爭的重要平臺，是凝聚態物理研究的熱點之一。2020年發現的籠目超導體AV₃Sb₅ (A=K, Rb和Cs)因其新穎的電荷密度波序、手性磁通相、反常霍爾效應、非常規超導電性以及展現出的電子向列相和配對密度波等，激發了研究者尋找新的籠目超導體并研究其新奇關聯電子物性。因此，探索制備新的籠目超導體及其新奇物理現象對非常規超導機制研究具有重要意義。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞研究團隊對籠目超導體進行了研究。該團隊研究人員制備出高質量CsV₃Sb₅單晶，利用STM/S在原子尺度揭示了CsV₃Sb₅非常規超導態的獨特性質，首次在銅基超導體外的超導體系中發現了非常規配對密度波。基于高質量的單晶，同時與國內外多個研究團隊開展了廣泛合作，他們對其超導態的各向異性、新的CDW態電荷調制機理、kagome層間有序性對費米面的影響、Ti摻雜籠目超導體CsV_3-xTi_xSb₅單晶的關聯電子態演化等進行了系統研究，取得了一系列研究成果。

近日，該團隊制備出一類新型Ti基籠目超導體ATi₃Bi₅ (A=Rb和Cs)。他們與瑞士保羅謝勒研究所、中國科學院理論物理研究所、物理所等研究人員合作，利用偏振依賴的角分辨光電子能譜（ARPES），對新型籠目超導體RbTi₃Bi₅的電子結構和軌道特征進行了系統研究。

RbTi₃Bi₅的晶體結構為Rb-Bi2-TiBi1-Bi2-Rb層狀堆疊，具有六度對稱性，中間TiBi1層是由Ti原子構成的籠目格子與Bi1原子構成的簡單六角格子相互嵌套形成。ARPES的初步結果顯示其費米面包含布里淵區中心的一個環狀和兩個六邊形的電子口袋，布里淵區邊界處的一個菱形空穴口袋，以及布里淵區頂角處的一個三角形電子口袋，與理論計算的結果高度一致。基于Ti的d電子具有多軌道特性，故利用偏振依賴的ARPES對能帶結構進行了深入測試。研究發現RbTi₃Bi₅中存在強的內稟軌道之間的耦合，籠目晶格中特殊的點對稱性（site symmetry）和軌道間耦合導致該體系呈現出與鐵基超導體類似的電子結構特征。研究人員清晰地觀察到接近費米能級（-0.25 eV）的非耗散特征平帶和II類的狄拉克結線。實驗還發現該材料存在表面態并起源于?₂塊體拓撲性，位于Г點附近的類Rashba能態不隨光子能量變化發生耗散，表明該表面態具有二維特性。第一性原理計算表明該體系中自旋軌道耦合作用促進了拓撲非平庸狄拉克表面態的存在。在同一個材料中發現與鈦基籠目晶格相關的多重非平庸能帶結構共存為探索和理解籠目材料的新奇物性提供了新平臺。

研究人員進一步在樣品表面沉積鉀元素，以對其電子態的進行直接調控；觀察到位于費米能級上的δ能帶被調制到費米能級以下，表明電子摻雜導致了由δ能帶驅動的費米面拓撲結構的變化（Lifshitz transition）。發現能帶的調制具有強烈的軌道選擇性，空穴型ζ1、ζ2、θ能帶分別下移了60 meV、90 meV、320 meV，而平帶沿Г-K方向僅下降了40 meV。由于kagome面位于兩個Bi原子層之間，其在電子摻雜時會受到Bi-p和Ti-d軌道耦合的調制，空穴型θ、δ能帶和電子型γ能帶具有最強的d-p耦合，導致了雙帶劈裂。一旦Bi-p_x/y軌道退簡并，經由p軌道能在d軌道間進行有效跳躍的電子將會向列化。特別是強的d-p雜化會使Ti-3d軌道更加擴展，加強了非局域化的庫倫作用，從而促進向列鍵序的形成。研究人員認為鈦基籠目晶格中強的d-p雜化和軌道間的耦合是RbTi₃Bi₅產生電子向列相的主要原因。值得注意的是，在六角晶格中向列性具有獨特的三態Pott特征，與四方晶格中的Ising特征不同。而且，不同于四方體系具有簡并軌道，籠目晶格格點上的軌道并不簡并。為了解釋實驗觀測到軌道依賴的向列相特征，研究人員認為籠目晶格中軌道內鍵序和軌道間鍵序等向列鍵序破壞了六重旋轉對稱性而產生二重旋轉對稱性。

該工作觀察到多重特征電子結構和軌道選擇性的價帶特征，提出了籠目體系中電子向列序的可能產生機理，不僅為理解籠目超導體的電子向列相提供了關鍵實驗證據和理論依據，也對理解籠目超導體和其他關聯系統的電子向列相具有借鑒意義，有助于人們理解交織的關聯電子態與超導的競爭關系。

相關研究成果以Non-trivial band topology and orbital-selective electronic nematicity in a titanium-based kagome superconductor為題發表于《自然-物理學》（Nature Physics） 。此外，該團隊還與物理所、中國科學院大學研究團隊等合作，在新型籠目結構化合物 CsTi₃Bi₅單晶中，利用高分辨深紫外激光角分辨光電子能譜觀察到多重特征電子結構的共存，該工作為籠目結構材料的研究提供了重要信息，相關成果發表其在《自然-通訊》（Nature Communications）上。上述工作得到國家自然科學基金委、科學技術部和中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接：1、2