北理工團(tuán)隊(duì)在三維拓?fù)浼ぷ咏^緣體研究中取得最新進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-07-14 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院王秩偉教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)與普林斯頓大學(xué) M.Z.Hasan 團(tuán)隊(duì)合作，首次在三維晶體材料Ta?Pd?Te?中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到拓?fù)浼ぷ咏^緣體的存在，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其具有動(dòng)量序可調(diào)的激子凝聚態(tài)。這一成果為探索關(guān)聯(lián)電子體系中的拓?fù)淞孔討B(tài)提供了全新平臺(tái)。相關(guān)研究成果以“Topological excitonic insulator with tunable momentum order”為題發(fā)表在《Nature Physics》上。北京理工大學(xué)碩士生吳黃宇（現(xiàn)為北理工材料學(xué)院在讀博士生）為論文共同第一作者，北京理工大學(xué)王秩偉教授為論文共同通訊作者。
激子絕緣體作為一種奇特量子物態(tài)，自1964年理論預(yù)言以來長(zhǎng)期備受關(guān)注。其核心特征為電子-空穴對(duì)（激子）自發(fā)凝聚形成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，從而打開能隙，實(shí)現(xiàn)無耗散能量傳輸。然而，傳統(tǒng)激子絕緣體常伴隨顯著結(jié)構(gòu)相變，導(dǎo)致其物理機(jī)制難以明確區(qū)分。絕大多數(shù)候選體系均伴隨強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)相變，難以厘清“電子關(guān)聯(lián)”與“晶格作用”的貢獻(xiàn)。尋找結(jié)構(gòu)耦合較弱、拓?fù)湫再|(zhì)明確的新型激子絕緣體材料成為國(guó)際前沿難題。
在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先制備了高質(zhì)量的層狀材料Ta?Pd?Te?單晶，首次觀測(cè)到雙重激子凝聚相：在100 K時(shí)由半金屬態(tài)進(jìn)入零動(dòng)量激子凝聚態(tài)，4.2 K時(shí)進(jìn)一步發(fā)生有限動(dòng)量二次激子凝聚。團(tuán)隊(duì)通過極化角分辨光電子能譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低溫下電子能帶發(fā)生軌道雜化，鏡面對(duì)稱性破缺，證實(shí)激子凝聚驅(qū)動(dòng)了拓?fù)湎嘧儭Ｍ瑫r(shí)，掃描隧道譜觀測(cè)到體絕緣能隙，與理論模型預(yù)言的拓?fù)溥吘墤B(tài)高度吻合。更令人驚奇的是，在外加磁場(chǎng)調(diào)控下，體系展現(xiàn)出動(dòng)量序的可調(diào)性，為研究拓?fù)湎嘧兣R界行為與對(duì)稱性調(diào)控提供了實(shí)驗(yàn)窗口。
該研究首次在三維晶體中證實(shí)了拓?fù)浼ぷ咏^緣體的存在，揭示了電子關(guān)聯(lián)與拓?fù)湫虻膮f(xié)同效應(yīng)。其弱結(jié)構(gòu)耦合特性為解析激子凝聚的純粹物理機(jī)制提供了理想模型，有望推動(dòng)對(duì)量子臨界現(xiàn)象與拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)的深入理解。此外，拓?fù)溥吔鐟B(tài)的無耗散輸運(yùn)特性為未來量子器件設(shè)計(jì)開辟了新方向。
圖1. Ta?Pd?Te?的實(shí)空間表征，顯示了T=?100?K附近絕緣體帶隙的變化。
圖2. Ta?Pd?Te?低溫電子相中，帶間雜化和鏡像對(duì)稱破缺的特征。
圖3. 絕緣能隙的拓?fù)湫再|(zhì)。
圖4. 具有平移對(duì)稱破缺的非零波矢的次級(jí)激子不穩(wěn)定性。
本工作的其他合作單位還包括合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、瑞士蘇黎世大學(xué)、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、南方科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)。本項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委等相關(guān)項(xiàng)目的支持。
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