近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部與強磁場(chǎng)科學(xué)中心等研究團隊合作，在拓撲聲子材料β-MoB2的光譜研究方面取得了新進(jìn)展，相關(guān)結果發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì )期刊Physical?Review?Research上。
具有B六元環(huán)結構的金屬二硼化物因其獨特的晶格結構誘導的非平庸拓撲態(tài)，以及在壓力和摻雜下的異常超導行為，引起了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。β-MoB2是一種拓撲聲子材料，其聲子表面態(tài)的存在已被實(shí)驗證實(shí)。β-MoB2在壓力下會(huì )依次出現結構相變和兩個(gè)超導區域。其中，超導區域Ⅰ晶格結構對應β-MoB2，超導區域Ⅱ對應于結構相變后的α-MoB2。該體系最高超導轉變溫度可達32K，為高壓下的α-MoB2。目前，理論研究工作已經(jīng)成功解釋了α-MoB2的超導起源，發(fā)現β-MoB2結構在壓力下不是超導的，但其在摻雜后會(huì )轉變?yōu)?em style="margin-top: 4px; margin-bottom: 4px; line-height: 2em;">α-MoB2并出現超導。研究人員認為這種超導轉變可能源于β-MoB2中的局域結構或是由于表面聲子增強的電聲耦合。因此，為了理解β-MoB2中豐富物理現象的起源，對其聲子性質(zhì)的進(jìn)一步研究是十分必要的。
鑒于此，研究團隊通過(guò)改進(jìn)晶體生長(cháng)工藝獲得高質(zhì)量的β-MoB2單晶材料，并結合系統的偏振Raman光譜測量和第一性原理計算對其聲子性質(zhì)作了深入研究。研究發(fā)現，在單晶的ac面除了晶體D3d點(diǎn)群所預言的五個(gè)Raman振動(dòng)模式外，還存在著(zhù)兩個(gè)新的反常模式。它們在能量上與晶體的兩個(gè)A1g模式接近，并在轉角偏振光譜上也展現出類(lèi)似的對稱(chēng)性。將單晶冷卻到4.2K的低溫下時(shí)，這兩個(gè)反常模式依然存在。此外，反常模式在整個(gè)溫區中皆展現出對稱(chēng)的洛倫茲線(xiàn)型，表明其在常壓下具有弱的電聲耦合強度。
研究團隊進(jìn)一步結合第一性原理計算來(lái)揭示兩個(gè)異常聲子模式的起源。計算結果表明，β-MoB2在ac面的兩支表面聲子色散并不是新模式的起源。對比反常模式與相鄰的A1g模式的峰強，發(fā)現B同位素劈裂以及高階Raman散射也不是新模式的起源。研究人員推測，兩個(gè)反常模式的出現是由于晶格結構中B原子層畸變引起的面外A1g聲子模式的劈裂。最新的理論研究表明，β-MoB2晶格結構中B原子層層間的堆垛無(wú)序可能是其壓力下誘導的超導電性起源，這與當前的實(shí)驗結果相符。該工作為理解拓撲聲子材料在摻雜和壓力下的豐富超導行為提供了重要信息。
上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金-大科學(xué)裝置聯(lián)合重點(diǎn)項目、國家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023093?
圖1. ?單晶在ac面呈現出七個(gè)振動(dòng)模式，其中有兩個(gè)Eg模式和五個(gè)A1g模式。
圖2. ?轉角偏振Raman光譜測量給出七個(gè)模式的角度依賴(lài)，并與理論進(jìn)行對比。
圖3. ?拓撲物性、超導電性以及晶格無(wú)序三者相互關(guān)聯(lián)的示意圖。
