近日，北理工物理学院王秩伟特别研究员、姚裕贵教授团队，与中国科技大学何俊峰教授、西南大学匡泯泉副教授等团队合作在新型笼目晶格材料CsTi₃Bi₅中取得进展。他们发现新型准二维笼目材料CsTi₃Bi₅具有CsV₃Sb₅相同的结构，是研究电子相关效应、拓扑物态和非常规超导电性等量子现象的一个良好平台。
笼目结构量子材料一直是凝聚态物理领域的研究前沿和热点，然而合适的材料体系很少，探索和制备新型笼目结构材料是研究材料新奇物性、发现新物理效应的前提和保障。鉴于此，物理学院李永恺博士后在王秩伟研究员的指导下成功地合成了新型笼目结构材料CsTi₃Bi₅单晶，发现CsTi₃Bi₅是与最近被广泛研究的CsV₃Sb₅具有相同结构的Ti基笼目金属，不同的是这个材料不具有电荷密度波。为了更加深入理解CsTi₃Bi₅的电子结构，课题组与中国科学技术大学物理系何俊峰教授课题组展开合作，通过角分辨光电子能谱对母相和Cs表面掺杂的CsTi₃Bi₅样品的电子结构进行研究。研究发现CsTi₃Bi₅母相的范霍夫奇点远高于费米能级，不会引入电子的不稳定性。之后通过Cs原子对材料表面进行电子掺杂，使范霍夫奇点向费米面附近移动进而引入电子不稳定性，此时依然无法使CsTi₃Bi₅进入电荷密度波态，说明该系统的电子不稳定性不能导致电荷密度波的出现。此外，第一性原理计算表明，笼目材料CsTi₃Bi₅在母相和电子掺杂后的材料中都保持了晶格稳定性，表明该体系可以将电子不稳定性与晶格不稳定性区分开来，同时也说明晶格不稳定性对于笼目金属中电荷密度波相变的发生起着重要作用。相关工作发表在Physical Review Letters上 [PRL, 131, 026701 (2023)]，并被选为封面文章。

图1. CsTi₃Bi₅的晶体结构和电子能带结构

图2. CsTi₃Bi₅中范霍夫奇点随Cs表面掺杂的演化
李永恺博士后为文章的共同第一作者，王秩伟研究员为共同通讯作者。其他合作单位还包括北京大学、合肥国家同步辐射实验室、加州大学伯克利分校、斯坦福同步辐射光源、劳伦斯伯克利国家实验等高校和研究机构。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京理工大学青年教师学术启动计划等相关项目的支持。
相关文章链接如下：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.026701