物质学院陈宇林-柳仲楷课题组实现二维材料手性电子能带的测量、调控和光学响应

发布时间2023-01-17文章来源 物质科学与技术学院作者责任编辑刘玥

手性是自然界的基本特性。仰望星空,太阳带着众行星绕着银河系中心螺旋前进;俯瞰大地,生命体的双螺旋遗传物质代代传承;聚焦到微观粒子世界,弱相互作用下的运动规律也具有手性特征(宇称不守恒)。

在凝聚态物质世界中,手性也扮演着非常重要的角色一系列以手性为重要特征的新奇量子态被先后发现,如手性量子自旋液体、手性超导体、手性马约拉纳零能模等。有意思的是,电子集体运动所形成的能带结构,即晶体材料物理性质的“基因”,也可以是手性的。这些手性电子能带往往催生出有趣的光学和磁学响应,因而受到人们的持续关注。通常,具有手性晶体结构的材料能体现出手性电子能带结构,如手性拓扑外尔半金属,而非手性晶体材料往往不会出现手性电子能带。

近期,我校物质学院陈宇林-柳仲楷课题组联合南京大学奚啸翔课题组、以色列魏茨曼科学研究所颜丙海课题组在二维材料手性电子能带结构研究中取得重要进展:研究人员发现了非手性晶格材料1T相二硫化钽的手性电子能带,通过升温调制实现手性从有到无的转变,从而发现手性源于低温下的镜面对称性破缺;同时观测到具有手性选择效应的拉曼圆偏光响应。该成果学术期刊Physical Review LettersPRL物理评论快报上在线发表。

本项工作在非手性晶体材料1T相二硫化钽中发现一类新奇的手性电子能带结构角分辨光电子能谱测量发现其具有左旋和右旋的风车型费米面。而当升高温度至350开尔文以上时,体系的风车费米面变成高度对称的椭圆费米面,实现手性从有到无的转变。研究人员认为,350开尔文以下时,材料的电荷密度波态使原子发生六芒星结构重构,而重构后的格矢相对于晶格格矢旋转13.9度,从而破坏镜面对称性,产生了手性。研究进一步发现,由于中心对称性的存在,该体系不会出现常见的圆二色性,但会出现手性选择的圆偏光拉曼响应:左旋光照射左旋样品、测右旋光的谱线和右旋光照射左旋样品、测左旋光的谱线不一样,但和右旋光照射右旋样品、测左旋光的谱线是一致的。不同手性晶体结构的拉曼张量可解释这一现象。该研究为二维手性材料的极化光学、自旋电子学、纳米电子学、基于电荷密度波序的存储等应用探索提供了新思路,也为研究手性序与电荷密度波、超导、量子自旋液体等相互作用提供了新的研究平台。


T相二硫化钽的手性电子能带结构、手性转变和手性选择的拉曼响应。(a) 1T相二硫化钽的非手性结构示意图。(b) 六芒星结构示意图。(c) 1T相二硫化钽的手性电子能带结构。(d) 手性选择的拉曼圆偏光响应。(e) 手性到非手性的转变。


yl23455永利物质学院助理研究员杨海峰、南京大学物理学院硕士研究生何宽鱼、魏茨曼研究所Jahyun Koo博士为共同第一作者,yl23455永利物质学院常任副教授柳仲楷和特聘教授陈宇林、南京大学奚啸翔教授、魏茨曼研究所颜丙海教授为共同通讯作者。yl23455永利为第一完成单位。中国科学院合肥物质科学研究院孙玉平研究员和罗轩研究员提供了高质量单晶样品。

文章标题:Visualization of Chiral Electronic Structure and Anomalous Optical Response in a Material with Chiral Charge Density Waves

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.156401