上海微系統所在半金屬極化子研究中取得進展

發布時間：2021-03-18 17:13 原文鏈接：上海微系統所在半金屬極化子研究中取得進展

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　　上世紀60年代，有學者從理論上預測了固體材料中一種新的復合粒子，由空穴與等離激元的強耦合而產生的等離激元極化子，為凝聚態領域的復雜多體理論拓展了一個重要的研究分支。但是，普通金屬中等離激元能量普遍較高（~10 eV），較難直接觀測到其在電子結構中形成的獨特特征—衛星型能帶，導致上述理論預言無法得到實驗證實。

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室研究員沈大偉、助理研究員劉正太課題組和上海科技大學研究員李剛課題組合作，利用上海光源原位電子結構研究平臺，通過氧化物分子束外延（OMBE）-角分辨光電子能譜（ARPES）集成技術和第一性原理計算，首次在半金屬銥氧化物材料SrIrO₃電子結構中發現低能等離激元極化子的直接證據，并通過電荷摻雜實現了對該材料中極化子能量的有效調控。

　　科研人員使用MBE技術制備出高質量鈣鈦礦結構SrIrO₃薄膜，并通過精確控制生長時間和生長速率實現了一系列不同厚度的外延薄膜制備。利用原位ARPES技術和第一性原理計算，首次在氧化物半金屬中發現并證實了體等離激元極化子的存在，觀測到電子-等離激元耦合效應所產生的特殊能帶復制現象（圖1）。此外，該研究還通過人為引入可控的電荷摻雜有效改變其載流子濃度，實現了半金屬材料SrIrO₃中等離激元極化子頻率（能量）的有效調制。該發現將為操縱等離激元極化子及帶隙提供有效途徑，對固態材料中的光子學和等離子學有重要的潛在應用價值。

　　此外，沈大偉、劉正太團隊承擔了基于上海光源的原位電子結構研究平臺（BL03U線站）的建設和管理任務，并從2019年起依托該平臺對新奇量子材料開展系統性研究，取得了從電子結構角度理解其中新奇物理性質的系列進展：（1）首次實驗觀測到kagome晶格拓撲新材料CoSn中“教科書式”的極小帶寬平帶貫穿整個動量空間的奇異現象[Nat. Comm. 11, 4002 (2020)]；（2）實驗發現了拓撲半金屬SrAs₃中存在僅由一個節線環構成的當前已知最為“純凈”的狄拉克節線型電子結構 [Phys. Rev. Lett. 124, 056402 (2020)]；（3）首次發現拓撲半金屬PdSb₂中存在的六重簡并費米子 [Phys. Rev. B 101, 155114 (2020)，編輯推薦文章]；（4）發現非中心對稱拓撲材料IrBiSe中存在具有三維手性特征的巨大自旋劈裂，有望實現場控自旋流，進而實現自旋電子器件 [Rapid Res. Lett. 14, 1900684 (2020)，期刊封面文章]。

　　相關研究成果以Electron-plasmon interaction induced plasmonic-polaron band replication in epitaxial perovskite SrIrO₃ films為題，發表在Science Bulletin上。劉正太為論文第一作者，沈大偉、李剛為論文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委員會國家重大科研儀器設備研制專項等的支持。

　　論文鏈接

MBE方式精確控制薄膜生長及電子-等離激元耦合誘導的能帶復制