香港城市大學馬均章Nature Materials：在準一維金屬TaSe3中觀測到大動量激子

一、【導讀】

具有低密度載流子的低維電子系統表現出有趣的多體效應。帶負電的電子和帶正電的空穴之間的吸引力會導致被稱為激子的束縛態，并且這種趨勢在低維時得到增強。電荷中性及其預期的流動性質使激子成為潛在的信息傳遞者。然而，傳統的光學實驗仍然無法獲得激子遷移率，這些實驗只能產生和檢測動量可忽略不計的激子。其次科學家認為由于屏蔽效應激子無法在金屬中穩定存在。能否在金屬中實現穩定激子態甚至大動量的激子態是目前未曾被實驗所報道的。

二、【成果掠影】

為了解決上述問題，香港城市大學馬均章教授，瑞士保羅謝勒研究所Markus Müller、Ming Shi課題組合作，利用角分辨光電子能譜觀測到了準一維金屬三硒化物TaSe₃中的多模式激子態。TaSe₃中的低傳導電子態密度和低維度鏈狀結構加上導帶的極化子重整化，以及光至空穴與電子之間的相互作用導致了各種激子束縛態。激子空穴對應的光電子由于能量的變化則表現為次價帶，其色散幾乎平行于主價帶，但向低激發能方向偏移。次價帶和主價帶之間的能量間隔可以通過表面摻雜來控制，從而可以調節某些激子特性。相關論文以題為：“Multiple mobile excitons manifested as sidebands in quasi-one-dimensional metallic TaSe₃”發表在Nature Materials上。

三、【核心創新點】

? ?√ 首次在金屬中觀察到穩定激子態，大大拓展了激子態的應用范圍；

? ?√首次通過角分辨光電子能譜實驗激發出大動量激子態，為將來實現激子攜帶信息的高效傳輸提供了新的載體；

? ?√構建了一維金屬中穩定激子態的理論模型，并且和實驗的吻合度很高，為將來研究其他一維金屬中激子態提供了指引參考。

四、【數據概覽】

材料表征

三硒化物TaSe₃為由共價鍵結合的原子層組沿(101)方向由較弱的范德華力堆疊在一起。每一層由沿b軸(圖1a,b)取向的鏈組成，具有強烈的各向異性的電學和光學響應。在三硫化物家族中，TaSe₃是唯一一種在高溫下為金屬，在2?K以下成為超導而沒有形成電荷密度波(CDW)的成員。然而，正如以前有報道在Cu摻雜實驗中、以及本工作的表面電子摻雜結果上觀察到的類似CDW的特征所表明的那樣，這種材料已經接近電荷密度波轉變。本工作通過ARPES研究了TaSe3原位解理(101)表面上的的電子結構。如圖1中所示，電子結構呈現準一維特性。盡管如此，圖1k顯示了對入射光子能量的明確依賴性，說明這些能帶是體態信息。

圖1 TaSe₃在15 K下的晶體結構和電子結構 ?2022 Springer Nature

原始樣品中的SVB和極化子

本工作將注意力集中在次價帶（SVBs）上，它們在ARPES能譜中可以表現出顯著的特征。圖2a中本工作展示了密度泛函理論(DFT)預測的布里淵區中TaSe3沿XS方向的能帶結構。這些DFT能帶與圖2b中測量的5個能帶相匹配。本工作還指出了SVBs在接近導帶時可能的延續，見圖2c，d。后者具有極化子特性，對ARPES中所見的激子特征起重要作用。在TaSe₃中，傳導電子由于極化子作用產生兩個分支，如圖2e，f中EDCs的極大值所示。“裸”電子激發的分支為一個拋物型導帶，其壽命相當短，表現為能量函數的寬峰。更尖銳的極化子準粒子激發形成一個強重整化的，弱色散的極化子分支，靠近費米能級。此外，對于一個簡單的重極化子，最大譜重的色散并不像預期的那么平坦，而是遵循非單調的W形(圖2g)。這樣的色散可能是由于極化子帶與激子產生的次價帶的雜化而產生的。本工作在這里并不需要更詳細地探討這些特征，只是簡單地觀察到它們，意味著重極化子帶有效地分裂成兩個小島，集中在費米點±kF附近，這在ARPES實驗中對激子形成很重要。

圖2 原始樣品中的次價帶（SVB）和極化子態??2022 Springer Nature

表面摻雜的影響

圖3a，b顯示了在表面蒸發一分鐘鉀后的ARPES圖譜。蒸發的鉀原將電子摻雜到樣品表面，增加了導帶的電子填充。圖3a中的入射光子為圓偏振極化，而在圖3b中的入射光子為線偏振。從圖3d的曲率強度圖可以看出，與圖2c相比，兩條次價帶比未摻雜的情況下更加明顯。摻雜后，在費米能級附近仍然存在一個重的、非單調色散的極化子帶，但隨著k_F的增大，極化子帶中直徑為Δk的高強度島的尺寸增大，如圖3d所示。放大的色散曲線如圖3e所示。注意，非重整化導帶分支本質上是拋物型的，除了靠近費米能級的極化子效應和與某些SVB的能級交叉外。在原理X點動量較大位置我們可以識別出兩個與MVB大致平行的SVB。在靠近X的小區域，有兩個分散的激發分支。它們可能是較大動量處SVB的延續，如圖3f所示。圖3g顯示了摻雜后h_ν=37?eV處的ARPES強度。這里，第一個SVB清晰可見。

最后，摻雜發現，當t₁=1 min時，導帶和主價帶的能量移動大致相同，但它們的移動與低價態價帶的近剛性能量移動不同。這說明較低的價帶與費米能級的載流子幾乎不相關，而MVB和CB與新摻雜載流子的相關性更強。這可能是為什么本工作觀察到激子只與MVB有關，而與其他VB無關。

圖3 鉀摻雜對TaSe₃的電子結構的影響??2022 Springer Nature

大動量激子在角分辨光電子能譜中以次價帶的形式出現

如圖4所示，SVBs的位置、形狀和摻雜依賴關系為：在給定鏈價帶中具有非零群速度和大動量的空穴與同一或相鄰鏈導帶中的一個(或可能幾個) 電子(圖 4a, b)之間的運動束縛態。主價帶MVB產生于普通未形成激子態的激發 (圖4c(i))。靠近MVB的SVB可以有兩種不同的起源。一種可能是，CB中的電子-空穴激發是在相鄰鏈上產生的，導致鏈間激子圖4c(iii)，其結合能低于鏈內激子。或者，可以形成更復雜的連續體，最簡單的是由一個空穴伴隨相鄰鏈上兩個電子的束縛態如圖4c(iv)所示，這兩個電子都與空穴結合形成移動三粒子帶電激子。SVBs與MVB的錯位源于兩個來源，即激子結合能以及光電子與導帶電子之間的動量轉移。本工作在圖4b中展示了這兩種效應如何結合在MVB之上產生SVB。

圖4 移動激子在光電子能譜中以SVB的形式出現的示意圖??2022 Springer Nature

五、【成果啟示】

本工作的實驗表明，一維金屬中激子具有不同的內部結構，可能取決于所涉及的空穴和電子是同一條鏈還是相鄰的，或者空穴與一個或兩個傳導電子結合。由于粒子和空穴的空間分離，鏈間激子的壽命可能比鏈內激子長得多。本工作實驗探索了這些SVBs隨摻雜量增加的演化規律。對摻雜依賴關系的更系統的研究將使本工作能夠分析激子的性質，因為激子跨越了費米能級出現第二個導帶的Lifshitz轉變。最后，在其它三硫族化合物家族中至少在沒有形成CDW的較高溫度下是否也存在多激子講是有趣的研究。這也會告訴我們在多大程度上極化子帶及其特殊結構對ARPES中激子的形成至關重要。總之，該工作不僅首次提出金屬在特定結構下可以存在穩定的激子態，并且給出定量理論模型。該工作擴展了激子態的存在范圍，進一步促進了激子態將來在新型器件中的應用。

第一作者：馬均章

通訊作者：馬均章、Markus Müller、Ming Shi

通訊單位：香港城市大學，瑞士保羅謝勒研究所

論文doi：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01201-9

團隊介紹：

馬均章團隊長期從事量子材料的電子結構研究，主要通過角分辨光電子能譜手段研究拓撲材料、超導材料、低維材料、強關聯體系材料等的奇異量子現象以及新型量子態。馬均章博士一共發表科學論文40篇，scopus統計總引用率為1920，篇均引用48次;?Google scholar?引用2500余次。所發表論文中有一篇Nature，兩篇Nature Physics,?一篇Nature Materials,?三篇Science Advances,?兩篇Nature Communications，兩篇Physics Review X，六篇Physical Review Letters,?一篇Advanced Materials，兩篇Nano letters,?兩篇Science Bulletin，六篇Physical Review B，三篇Chinese Physics Letters以及其他雜志論文若干篇。這些工作中包含了一些具有突破性的科研成果，比如（1）在固體材料TaAs中發現外爾半金屬態Nature Physics 11, 724–727 (2015)，該項工作被國際媒體Physics world評為2015年世界物理十大突破之一。（2）首次在非點群拓撲絕緣體表面發現沙漏費米子Science Advances 3, e1602415 (2017)，被Nature Physics引為科研亮點Nature Physics, 13, 529(2017)。（3）三重簡并費米子以及表面費米弧的發現Nature 546, 627-631(2017)、Nature Physics 14, 349–354 (2018)，被Nature Physics引為科研亮點Nature Physics, 14, 329–330(2018)。（4）首次試驗發現磁漲落引起的磁性外爾半金屬Advanced Materials 32, 1907565 (2020); Science Advances 5, eaaw4718 (2019)，被多家國際媒體報道。（5）首次觀測到超越不行定理的非配對外爾點Nature Communications 12, 3994 (2021)。（6）提出一維金屬中的激子能帶理論模型并且試驗證實Nature Materials, published online (2022)?https://doi.org/10.1038/s41563-022-01201-9。

在以上成果中，其中作為主要貢獻者（即一作,共同一作或者通訊作者）的代表作主要有以下幾篇：

(1) J.-Z. Ma, et al. Physical Review Lettets 113, 266407 (2014).

(2) R. Wu, J.-Z. Ma, et al. Physical Review X 6, 021017 (2016).

(3) P. Zhang, J.-Z. Ma, et al. Physical Review Letters 118, 046802 (2017).

(4) J.-Z. Ma, et al. Science Advances 3, e1602415 (2017).

(5) J.-Z. Ma, et al. Nature Physics 14, 349–354 (2018).

(6) J.-Z. Ma, et al. Science Advances 5, eaaw4718 (2019).

(7) J.-Z. Ma, et al. Advanced Materials 32, 1907565 (2020).

(8) J.-Z. Ma, et al. Nature Communications 12, 3994 (2021).

(9) J.-Z. Ma, et al. Nature Materials, published online (2022).

本文由溫華供稿。