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中國科大物理系何俊峰課題組、喬振華課題組與美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校Stephen D. Wilson課題組合作，在新型籠目晶格材料研究中取得重要進展：利用具有實空間分辨能力的角分辨光電子能譜，首次實現(xiàn)對籠目晶格表面態(tài)電子結(jié)構(gòu)的探測；實驗排除了材料中其它非籠目晶格原子的影響，進而觀測到籠目晶格本征的特征電子結(jié)構(gòu)，并與理論計算結(jié)果一致。該研究成果于2021年12月21日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《物理評論快報》上[Physical Review Letters 127，266401 (2021)]。

隨著許多新奇的物理現(xiàn)象在二維籠目晶格金屬材料中被發(fā)現(xiàn)，籠目晶格逐漸成為凝聚態(tài)物理研究中一個新的前沿焦點。理論上，籠目晶格金屬應(yīng)該具有典型的特征電子結(jié)構(gòu)。然而，在現(xiàn)實材料中，籠目晶格結(jié)構(gòu)往往不會單獨存在，而是與材料中其它的非籠目晶格原子共存。因此，材料體系中常伴隨著面內(nèi)或者層間的相互作用。這種相互作用會對二維籠目晶格結(jié)構(gòu)的本征性質(zhì)產(chǎn)生影響或破壞，使得材料的體態(tài)電子結(jié)構(gòu)與理論預(yù)期的二維籠目晶格特征電子結(jié)構(gòu)并不完全一致。為此，人們花費很多精力，試圖減少材料中的面內(nèi)及層間的相互作用，從而盡量突出二維籠目晶格的特征。

研究人員提出，二維籠目晶格的表面態(tài)也許可以成為研究其本征電子結(jié)構(gòu)的新入手點。不同于材料的體態(tài)，籠目晶格表面態(tài)在面內(nèi)遵從二維籠目晶格的周期勢，但在垂直于表面方向受到的影響隨著距離迅速衰減，因此可以避免層間相互作用的影響。而如果材料表面層沒有其它的非籠目晶格原子，又可以避免面內(nèi)相互作用的影響，從而可能體現(xiàn)出二維籠目晶格本征電子結(jié)構(gòu)。然而，要想實現(xiàn)對二維籠目晶格表面態(tài)的探測仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。最主要有兩點：一個是對材料本身要求，在籠目晶格層中只存在組成其籠目晶格結(jié)構(gòu)的原子，而沒有其它多余的原子；另一個則是對探測手段的要求，需要角分辨光電子能譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)實空間分辨，只針對二維籠目晶格表面進行探測。

該工作中，研究人員使用小光斑的高分辨率角分辨光電子能譜，針對具有獨立二維籠目晶格層的新材料RV6Sn6 (R=Gd, Ho)進行了系統(tǒng)的研究。該實驗的實空間分辨能力成功區(qū)分了材料不同解理面的電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了二維籠目晶格面上表面態(tài)的成功探測，其特征電子結(jié)構(gòu)得到了理論計算的證實。這一發(fā)現(xiàn)為研究二維籠目晶格本征特性提供了一條新的路徑。

圖：二維籠目晶格表面態(tài)的探測和計算

在本工作中，博士生彭舒婷、博士后韓玉磊（現(xiàn)在福州大學(xué)任副教授）以及Ganesh Pokharel博士為該論文的并列第一作者。何俊峰、喬振華、Stephen D. Wilson為論文的共同通訊作者。該工作得到斯坦福同步輻射光源及合肥同步輻射光源的支持。

該工作得到了中國科大科研啟動經(jīng)費、國家自然科學(xué)基金、安徽省和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.266401

Shuting Peng#, Yulei Han#, Ganesh Pokharel#, Jianchang Shen, Zeyu Li, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Brenden R. Ortiz, Yang Luo, Houchen Li, Mingyao Guo, Bingqian Wang, Shengtao Cui, Zhe Sun, Zhenhua Qiao*, Stephen D. Wilson*, and Junfeng He*

“Realizing Kagome Band Structure in Two-Dimensional Kagome Surface States of RV6Sn6 (R =Gd, Ho)”

Physical Review Letters 127, 266401 (2021).

(物理學(xué)院、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室、國際量子功能材料設(shè)計中心、科研部）