物理学家们发现了新量子材料奇特性质背后的“秘制酱料”

诸平

 A visualization of the zero-energy electronic states – also known as a ‘Fermi surface’ – from the kagome material studied by MIT’s Riccardo Comin and colleagues. Credit: Comin Laboratory, MIT

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年1月13日提供的消息，MIT的物理学家和同事们发现了一种新型量子材料的一些奇特性质背后的“秘制酱料”（Physicists discover 'secret sauce' behind exotic properties of new quantum material），这种材料由于这些性质而使物理学家们目瞪口呆，其中包括超导性。虽然理论学家曾预测过这种被称为“可果美金属（kagome metal）”的材料的异常特性的原因，但这是首次在实验室中观察到这些特性背后的现象。

MIT 1947届物理学职业发展助理教授（Class of 1947 Career Development Assistant Professor of Physics at MIT）里卡尔多·科明（Riccardo Comin）说:“希望我们对可果美金属电子结构的新理解将帮助我们建立一个丰富的平台来发现其他量子材料。”里卡尔多·科明的团队领导了这项研究。这反过来又会导致一种新型超导体、量子计算的新方法以及其他量子技术的出现。相关研究结果于2022年1月13日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Mingu Kang, Shiang Fang, Jeong-Kyu Kim, Brenden R. Ortiz, Sae Hee Ryu, Jimin Kim, Jonggyu Yoo, Giorgio Sangiovanni, Domenico Di Sante, Byeong-Gyu Park, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Efthimios Kaxiras, Stephen D. Wilson, Jae-Hoon Park, Riccardo Comin Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV3Sb5. Nature Physics, Published: 13 January 2022. DOI: 10.1038/s41567-021-01451-5

经典物理学可以用来解释我们这个世界的任何现象，直到事物变得非常微小。像电子和夸克这样的亚原子粒子有着不同的行为方式，而这些方式至今仍未被完全理解。进入量子力学，这个领域试图解释它们的行为和由此产生的影响。

目前研究工作的核心是一种新的量子材料，或一种在宏观尺度上显示量子力学奇异特性的材料。2018年，里卡尔多·科明和麻省理工学院三井职业发展物理学副教授（MIT's Mitsui Career Development Associate Professor of Physics）约瑟夫·切克尔斯基(Joseph Checkelsky)领导了对可果美金属电子结构的首次研究，激发了人们对这一材料家族的兴趣。可果美金属家族的成员是由原子层排列成重复单位，类似于大卫之星（Star of David）或治安官的徽章。这种图案在日本文化中也很常见，尤其是作为编织物的主题(basketweaving motif)。

里卡尔多·科明说:“这种新的材料系列已经吸引了很多人的注意，因为它为量子物质提供了丰富的新场地，可以展示非常规超导性、向列性(nematicity)和电荷密度波等奇异特性。”

特殊性能（Unusual properties）

里卡尔多·科明和他的同事们研究的新的可果美金属家族中的超导和电荷密度波的提示，在美国加州大学圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的斯蒂芬·威尔逊教授（Professor Stephen Wilson）的实验室里被发现，单晶合成也在此完成的。而且斯蒂芬·威尔逊也是《自然物理学》论文的合作者之一。目前研究中所探索的这种特殊的可果美材料仅由三种元素(铯、钒和锑)组成，其化学式为CsV₃Sb₅。

研究人员集中研究了可果美金属在冷却到室温以下时所表现出的两种奇异特性。在这些温度下，材料中的电子开始表现出集体行为。“他们互相交谈，而不是独立行动，”里卡尔多·科明说。

由此产生的特性之一是超导性，这使得材料能够极其有效地导电。在普通金属中，电子的行为就像人们在一个房间里单独跳舞。在可果美超导体中，当材料冷却到3 K(~-454 F)时，电子开始成对移动，就像跳舞的情侣一样。里卡尔多·科明说:“所有这些组合都在步调一致地移动，就好像是量子编舞（quantum choreography）的一部分。”

在100 K的温度下，里卡尔多·科明和合作者研究的可果美材料表现出另一种奇怪的行为，即电荷密度波（charge density waves）。在这种情况下，电子以波纹的形状排列，很像沙丘中的波纹。“他们哪儿也不去;他们被困在原地，”里卡尔多·科明说。纹波中的一个峰代表一个富含电子的区域。谷是电子贫乏的区域。“电荷密度波与超导体非常不同，但它们仍然是一种物质状态，电子必须以一种集体的、高度组织化的方式进行排列。它们再次形成一种编舞（choreography），但它们不再跳舞了。现在它们形成了一个静态的图案。”

里卡尔多·科明指出，可果美金属之所以引起物理学家的极大兴趣，部分原因是它们既能表现出超导性，又能表现出电荷密度波。“这两种奇异现象经常相互竞争，因此一种材料同时承载这两种现象是不寻常的。”

是秘制酱料吗？（The secret sauce?）

但这两种性质的出现背后是什么呢?“是什么导致电子开始相互交谈，开始相互影响?这是关键问题，”第一作者康明根（Mingu Kang）说，他是麻省理工学院物理系（MIT Department of Physics）的研究生，也是马克斯·普朗克浦项工科大学韩国研究计划（Max Planck POSTECH Korea Research Initiative）成员。这是物理学家在《自然物理学》杂志上的报告。康明根说：“通过探索这种新材料的电子结构，我们发现电子表现出一种被称为电子奇点（electronic singularity）的有趣行为。”这个特殊的奇点以第一个发现它的比利时物理学家（Belgian physicist）莱昂·范霍夫（Léon van Hove）命名。

范霍夫奇点涉及到电子的能量和速度之间的关系。通常，运动中的质点的能量与其速度的平方成正比。里卡尔多·科明说：“这是经典物理学的一个基本支柱，[本质上]意味着速度越大，能量越大。”想象一个红袜队（Red Sox）的投手用一个快球打你。然后想象一个孩子也想这么做。投手的球会比孩子的球更伤人，因为孩子的球能量更少。

里卡尔多·科明团队发现，在可果美金属中，这一规则不再适用。相反，以不同速度运动的电子恰好具有相同的能量。结果是，投手的快速球与孩子的投球将有相同的物理效果。“这非常违反直觉（counterintuitive），”里卡尔多·科明说。他指出，将能量与固体中电子的速度联系起来是一项挑战，需要两个国际同步加速器研究设施的特殊仪器:浦项光源的Beamline 4A1（Beamline 4A1 of the Pohang Light Source）和劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Lab）的Beamline 7.0.2 (MAESTRO)。

没有参与这项研究工作的德国维尔茨堡大学(Universität Würzburg)的龙尼·托马勒（Ronny Thomale）教授评论:“理论物理学家(包括我的团队)已经预测了可果美晶格上的范霍夫奇点的奇特性质，可果美晶格是一种由角共享三角形构成的晶体结构。里卡尔多·科明(Riccardo Comin)现在首次对这些理论建议进行了实验验证。”

当一种材料中同时存在许多能量相同的电子时，它们之间的相互作用就会强烈得多。作为这些相互作用的结果，电子可以成对，成为超导，或以其他方式形成电荷密度波。康明根补充道：“范霍夫奇点存在于具有这两种特性的物质中，作为这些奇异现象的共同来源是完全合理的。因此，这个奇点的存在是实现可果美金属量子行为的‘秘制酱料’”。

里卡尔多·科明说，该团队对可果美材料中能量和速度之间关系的新理解“也很重要，因为它将使我们能够为新量子材料的开发建立新的设计原则”。此外，“我们现在知道如何在其他系统中找到这个奇点。”

直接反馈（Direct feedback）

当物理学家分析数据时，大多数时候，数据必须经过处理才能看到明显的趋势。然而，可果美系统“给了我们关于正在发生的事情的直接反馈，”里卡尔多·科明说，“这项研究最好的部分是能够在原始数据中看到奇点。”

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Abstract

The layered vanadium antimonides AV₃Sb₅ (A = K, Rb, Cs) are a recently discovered family of topological kagome metals that exhibit a range of strongly correlated electronic phases including charge order and superconductivity. However, it is not yet understood how the distinctive electronic structure of the kagome lattice is linked to the observed many-body phenomena. Here we combine angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory to reveal multiple kagome-derived van Hove singularities (vHS) coexisting near the Fermi level of CsV₃Sb₅ and analyse their contribution to electronic symmetry breaking. The vHS are characterized by two distinct sublattice flavours (p-type and m-type), which originate, respectively, from their pure and mixed sublattice characters. These twofold vHS flavours of the kagome lattice critically determine the pairing symmetry and unconventional ground states emerging in the AV₃Sb₅ series. We establish that, among the multiple vHS in CsV₃Sb₅, the m-type vHS of the d_xz/d_yz kagome band and the p-type vHS of the d_xy/d_x2–y2 kagome band are located very close to the Fermi level, setting the stage for electronic symmetry breaking. The former band is characterized by pronounced Fermi surface nesting, while the latter exhibits a higher-order vHS. Our work reveals the essential role of kagome-derived vHS for the collective phenomena realized in the AV₃Sb₅ family.