近日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室袁翔課題組利用自主搭建的強(qiáng)磁場紅外光譜系統(tǒng)在拓?fù)浯朋wEuCd2As2中發(fā)現(xiàn)了三維范霍夫奇點。研究成果以“The discovery of three-dimensional Van Hove singularity”為題，于2024年3月14日在線發(fā)表于Nature Communications。
圖1.《自然通訊》刊發(fā)華東師大袁翔課題組最新研究成果
固體系統(tǒng)中允許存在一些特殊的電子結(jié)構(gòu)，會在特定能量上產(chǎn)生發(fā)散的電子態(tài)密度，被稱為范霍夫奇點（Van Hove singularity, VHS），它被認(rèn)為能夠誘導(dǎo)凝聚態(tài)中的新奇物態(tài)比如非常規(guī)超導(dǎo)性、密度波相、關(guān)聯(lián)絕緣體相等。通常，范霍夫奇點被認(rèn)為僅存在于一維和二維系統(tǒng)中，在三維系統(tǒng)中十分罕見，少數(shù)的例子也往往是在準(zhǔn)二維的層狀三維晶體中。研究團(tuán)隊的這一工作發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)格的三維外爾半金屬系統(tǒng)中也允許存在范霍夫奇點。
研究團(tuán)隊通過外爾半金屬的最小模型預(yù)言并驗證了一種三維范霍夫奇點。如圖2所示，連續(xù)移動外爾能帶能夠有效改變費米速度，當(dāng)移動量達(dá)到臨界值時，會在面內(nèi)形成墨西哥帽型色散，并且在有限動量的極值點處，沿徑向的色散與面外方向相反。由此，可以構(gòu)建具有嚴(yán)格三維能帶結(jié)構(gòu)的范霍夫奇點（圖2中的綠點）。這有望為在三維系統(tǒng)中探索拓?fù)湮锢砼c電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供新的方案。
圖2.外爾半金屬最小模型預(yù)言的三維范霍夫奇點
在實驗上，可以用磁場來產(chǎn)生這一范霍夫奇點，通過在磁性外爾半金屬中施加強(qiáng)磁場，能夠有效調(diào)控能帶移動；另一方面，可以用紅外光譜來探測范霍夫奇點，其發(fā)散的態(tài)密度會在光譜上帶來顯著特征。研究團(tuán)隊通過外加磁場有效調(diào)控了拓?fù)浯朋wEuCd2As2中的交換作用，實現(xiàn)對其三維外爾能帶的連續(xù)移動，并利用強(qiáng)磁場紅外光譜技術(shù)追蹤到三維范霍夫奇點形成的關(guān)鍵證據(jù)：臨界磁場0.6 T時電子能帶間光學(xué)躍遷的突然出現(xiàn)（圖3）。光學(xué)躍遷的突然出現(xiàn)及其隨磁場的演化均可通過外爾半金屬最小模型進(jìn)行定量描述。同時，模型預(yù)言的多個較高能量的光學(xué)躍遷在近紅外磁光實驗中被成功觀測，進(jìn)一步驗證了理論模型的可靠性。該工作為在拓?fù)潴w系中構(gòu)造范霍夫奇點并進(jìn)一步誘導(dǎo)相應(yīng)的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了研究基礎(chǔ)。
圖3.拓?fù)浯朋wEuCd2As2的磁學(xué)性質(zhì)和中紅外磁光譜
該研究成果近期發(fā)表在NatureCommunications15, 2313 (2024)，華東師范大學(xué)為第一完成單位，博士研究生吳聞彬和施澤平為論文的共同第一作者，袁翔教授為論文通訊作者。研究工作獲國家重點研發(fā)計劃青年項目、國家自然科學(xué)基金等支持。
袁翔課題組主要從事拓?fù)湮飸B(tài)的強(qiáng)磁場物理特性研究和相關(guān)器件應(yīng)用研究，著力于發(fā)展穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下的紅外光譜實驗技術(shù)，探索拓?fù)淞孔討B(tài)在不同維度下的新穎物理效應(yīng)。（課題組網(wǎng)站https://yuanlab.ecnu.edu.cn/）
附：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46626-9
來源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室、科技處 編輯｜沈韻婷 編審｜郭文君
