Nature：量子材料新進(jìn)展！

電子平帶材料的主量子態(tài)具有動(dòng)能淬滅的特征。這些平帶往往有利于增強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和物質(zhì)的涌現(xiàn)量子相。經(jīng)過長(zhǎng)期的理論模型研究，這些體系在van der Waals異質(zhì)結(jié)和準(zhǔn)2D晶體材料中的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)后重新引起了人們的興趣。探究能否在3D網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)這種平帶，有可能實(shí)現(xiàn)新的材料平臺(tái)和現(xiàn)象。

有鑒于此，麻省理工學(xué)院JosephG.Checkelsky和RiccardoComin等人報(bào)告了對(duì)C15 Laves相 CaNi2的塊狀單晶的研究，它包含一個(gè)在模型網(wǎng)絡(luò)水平上預(yù)測(cè)的鎳燒綠石晶格，以容納由電子跳躍的三維破壞性干涉產(chǎn)生的雙簡(jiǎn)并拓?fù)淦綆?。使用角分?a target="_blank">光電子能譜，作者在整個(gè)3D布里淵區(qū)觀察到色散消失的譜帶，它與燒綠石平帶以及兩個(gè)額外的平帶一致，它們來自于Ni d電子的多軌道干涉。利用量子振蕩、密度泛函理論和緊束縛模型，作者全面繪制了能譜和費(fèi)米面圖，并在費(fèi)米能級(jí)（EF）以下發(fā)現(xiàn)了一組突出的平坦電子帶。此外，作者證明了平帶流形對(duì)費(fèi)米能級(jí)的化學(xué)調(diào)諧，這與增強(qiáng)的電子相關(guān)性和超導(dǎo)性的出現(xiàn)相一致。將本征能帶平坦性的概念從2D擴(kuò)展到3D，為從可調(diào)諧拓?fù)涞椒謹(jǐn)?shù)化相的高維平帶系統(tǒng)的相關(guān)行為預(yù)測(cè)提供了一條潛在的途徑。

CaNi2中的燒綠石平帶

作者總結(jié)了在CaNi2上的主要真空紫外(VUV)ARPES結(jié)果，探索了電子結(jié)構(gòu)。作者觀察到幾個(gè)穿過費(fèi)米能級(jí)的色散帶，具有明確的費(fèi)米表面，還確定了三個(gè)色散顯著降低的譜帶。觀察到的 FB1、FB2 和 FB3 的平坦度與燒綠石緊結(jié)合模型的預(yù)期相符。所有這些光譜特征都證明了CaNi2中燒綠石金屬的典型能帶結(jié)構(gòu)。作者比較了使用VUV和軟X射線ARPES獲得的動(dòng)量積分ARPES光譜以驗(yàn)證觀察到的平帶的整體起源。通過測(cè)量低溫和高磁場(chǎng)下的德哈斯-范阿爾芬振蕩進(jìn)一步研究了費(fèi)米表面。量子振蕩、DFT 和 ARPES 結(jié)果的一致性證實(shí)了觀測(cè)到的光譜是源自體相的。

圖1Kagome 和燒綠石平帶態(tài)

將平帶調(diào)整到費(fèi)米能級(jí)

將平帶推近 EF 以使平帶被部分填充的能力將開啟實(shí)現(xiàn)對(duì)稱破缺和奇異相不穩(wěn)定性的可能性。為了研究燒綠石平帶的可調(diào)性，作者合成了同構(gòu)C15 Laves相Ca(Rh1?xRux)2的單晶。CaNi2和CaRh2 DFT能帶結(jié)構(gòu)之間的直接比較表明該平坦能帶對(duì)應(yīng)于CaNi2中的FB2?？偟膩碚f，增強(qiáng)的自旋軌道間隙、空穴摻雜和更擴(kuò)展的4d電子增加的帶寬是這一演變的基礎(chǔ)，并為理想的平帶態(tài)提供了材料設(shè)計(jì)方法。此外，作者發(fā)現(xiàn)Ca(Rh1–xRux)2單晶是轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)TC=6.2?K的超導(dǎo)體。通過控制C15 Laves相材料中的電子填充、帶寬和自旋軌道耦合強(qiáng)度，可以將燒綠石平帶調(diào)整為EF。

圖2 CaNi2中的燒綠石平帶

圖3 將燒綠石平帶調(diào)整至費(fèi)米能級(jí)

電子結(jié)構(gòu)計(jì)算

作者展示了CaNi2的DFT電子結(jié)構(gòu)和軌道分辨DOS，還計(jì)算了CaNi2電子結(jié)構(gòu)內(nèi)dz2能帶的軌道投影，發(fā)現(xiàn)DFT再現(xiàn)了各向同性燒綠石模型的平坦和色散能帶特征。因此，作者認(rèn)為 FB2 源自各向同性緊束縛水平的燒綠石能帶結(jié)構(gòu)的受挫驅(qū)動(dòng)的CLS。作者通過探索最小CLS，闡明了平帶的物理起源。通過計(jì)算CaNi2能帶結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)這些新興的平帶態(tài)可能是在高對(duì)稱性3D網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建平帶的標(biāo)志。

圖4 CaNi2電子結(jié)構(gòu)和平帶