【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學物理學院王秩偉教授、姚裕貴教授團隊與普林斯頓大學 M.Z.Hasan 團隊合作，首次在三維晶體材料Ta?Pd?Te?中實驗觀測到拓撲激子絕緣體的存在，并進一步發(fā)現(xiàn)其具有動量序可調(diào)的激子凝聚態(tài)。這一成果為探索關聯(lián)電子體系中的拓撲量子態(tài)提供了全新平臺。相關研究成果以“Topological excitonic insulator with tunable momentum order”為題發(fā)表在《Nature Physics》上。北京理工大學碩士生吳黃宇(現(xiàn)為北理工材料學院在讀博士生)為論文共同第一作者，北京理工大學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年理論預言以來長期備受關注。其核心特征為電子-空穴對(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，導致其物理機制難以明確區(qū)分。絕大多數(shù)候選體系均伴隨強烈結(jié)構(gòu)相變，難以厘清“電子關聯(lián)”與“晶格作用”的貢獻。尋找結(jié)構(gòu)耦合較弱、拓撲性質(zhì)明確的新型激子絕緣體材料成為國際前沿難題。
 

　　在本工作中，研究團隊首先制備了高質(zhì)量的層狀材料Ta?Pd?Te?單晶，首次觀測到雙重激子凝聚相：在100 K時由半金屬態(tài)進入零動量激子凝聚態(tài)，4.2 K時進一步發(fā)生有限動量二次激子凝聚。團隊通過極化角分辨光電子能譜測試發(fā)現(xiàn)，低溫下電子能帶發(fā)生軌道雜化，鏡面對稱性破缺，證實激子凝聚驅(qū)動了拓撲相變。同時，掃描隧道譜觀測到體絕緣能隙，與理論模型預言的拓撲邊緣態(tài)高度吻合。更令人驚奇的是，在外加磁場調(diào)控下，體系展現(xiàn)出動量序的可調(diào)性，為研究拓撲相變臨界行為與對稱性調(diào)控提供了實驗窗口。
 

　　該研究首次在三維晶體中證實了拓撲激子絕緣體的存在，揭示了電子關聯(lián)與拓撲序的協(xié)同效應。其弱結(jié)構(gòu)耦合特性為解析激子凝聚的純粹物理機制提供了理想模型，有望推動對量子臨界現(xiàn)象與拓撲激發(fā)態(tài)的深入理解。此外，拓撲邊界態(tài)的無耗散輸運特性為未來量子器件設計開辟了新方向。
 

　　圖1. Ta?Pd?Te?的實空間表征，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，帶間雜化和鏡像對稱破缺的特征。

 

圖3. 絕緣能隙的拓撲性質(zhì)。
 

圖4. 具有平移對稱破缺的非零波矢的次級激子不穩(wěn)定性。
 

　　本工作的其他合作單位還包括合肥國家實驗室、瑞士蘇黎世大學、北京凝聚態(tài)物理國家實驗室、中國科學院物理研究所、南方科技大學等機構(gòu)。本項目得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委等相關項目的支持。