手性单晶中手性锁定电荷密度波的发现

       CoSi与RhSi、RhSn、PdGa、AlPt以及MnSi等晶体同属空间群P213，它们共同构成了手性晶体家族。由于晶体结构的相似性，这些材料在能带结构上也显示出很多类似的特征，这些能带结构特征受到晶体对称性保护。理论预言CoSi和RhSi手性晶体费米面处的低能准粒子激发为手性费米子（PRL 119, 206402 (2017)），这一预言在近期得到实验证实（Nature 567, 496 (2019); Nature 567, 500 (2019); PRL 122, 076402 (2019)）。关于这类手性费米子在晶体中引起的新奇量子效应的研究尚在起步阶段。

　　最近，中国科学院物理研究所//北京凝聚态物理研究中心高鸿钧研究团队李更副研究员等利用自主设计组装的分子束外延-极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱联合系统研究了手性晶体CoSi表面的非常规电荷密度波。他们实验发现，CoSi单晶（001）晶面存在单轴电荷密度波，其波矢方向偏离晶体高对称方向，且在相差半个晶格常数高度的晶面存在大小为π的相位差。dI/dV谱显示该电荷密度波在费米能级处打开了V型带隙，带隙大小伴随电荷密度波条纹存在周期性的空间调制。在跨越整数台阶时，dI/dV谱线没有明显变化；而在跨越半整数台阶时，dI/dV谱线上电荷密度波两个相干峰的强度会发生非常规的反转。变温低能电子衍射实验显示这种非常规电荷密度波的相变温度为~150 K。他们进一步与季威教授和汪自强教授等合作开展了第一性原理的理论计算，证实了CoSi中的电荷密度波波矢处有较高的准粒子散射强度，这个准粒子散射可能是由电子关联所引起的，并且和晶体的手性锁定。另外，他们在实验上在不同异构体中也观测到了呈镜面对称的电荷密度波。

　　该项研究揭示了手性晶体CoSi中起源于电子关联的新型拓扑量子态。值得一提的是，由于费米面处态密度较低的缘故，在外尔半金属体系中很少能够观测到电荷密度波；而且已被实验观测到存在电荷密度波的外尔半金属材料仅仅限于包含(TaSe4)2I在内的几种一维体系。相关成果以“Chirality locking charge density waves in a chiral crystal”为题在2022年5月25日于Nature Communications发表。该工作与美国波士顿学院的汪自强教授和中国人民大学的季威教授、雷和畅教授等进行了合作。汪自强教授给予了理论上的考虑，雷和畅教授提供了高质量CoSi单晶，季威教授等开展了第一性原理计算。李更副研究员、杨海涛研究员、博士生江培杰和博士后王聪为论文共同第一作者；高鸿钧、汪自强、季威和雷和畅为共同通讯作者。该工作得到科技部（2019YFA0308500, 2018YFA0305700, 2018YFE0202600）、国家自然科学基金（61888102, 51991340, 52072401, 61761166009 and 11974422）、中国科学院先导项目（XDB28000000, XDB07000000, XDB30000000）和中国科学院-财政部稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-003）的支持。

　　相关文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30612-0

图一：CoSi (001)表面的周期性条纹图案

图二：CoSi (001)表面的电荷密度波在费米能级处产生能隙

图三：跨越偶数和基数台阶时dI/dV谱线的不同变化行为

图四：电子关联诱导的晶体手性锁定电荷密度波

Chirality locking charge density waves in a chiral crystal.pdf