清華新聞網(wǎng)12月2日電 在鉬基氧化物家族中，鉬與氧的配比十分多變，由此產(chǎn)生的豐富物相使得鉬氧化物在電池、冶金、催化、光電等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。鉬基氧化物一般以鉬氧八面體和四面體為結(jié)構(gòu)單元，形成鏈狀與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為研究低維體系中電子的奇異行為提供了豐富多變的材料平臺(tái)。
清華大學(xué)物理系楊樂(lè)仙副教授研究組此前對(duì)準(zhǔn)一維鉬基氧化物“藍(lán)銅”A0.3MoO3(A= K, Rb, Tl)開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究，包括用時(shí)間分辨的角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn)了由非相干聲子驅(qū)動(dòng)的超快相變過(guò)程，以及用高分辨率的激光角分辨光電子能譜揭示了藍(lán)銅正常態(tài)下的拉庭格（Luttinger）液體相和Holstein極化子行為。在之前研究的基礎(chǔ)上，楊樂(lè)仙課題組利用高分辨的光電子能譜結(jié)合第一性原理計(jì)算，對(duì)鉬基氧化物家族中的另一種材料——準(zhǔn)二維的η-Mo4O11進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
圖1. η-Mo4O11中的拉庭格（Luttinger）液體相。a. 準(zhǔn)一維體系結(jié)構(gòu)示意圖。b. 理論提出的交叉滑移拉庭格（Luttinger）液體模型。c. η-Mo4O11中軌道保護(hù)的準(zhǔn)二維拉庭格（Luttinger）液體；d. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)。e. 第一性原理計(jì)算得到的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)。f. 沿不同方向的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的譜重分布與拉庭格（Luttinger）液體模型的對(duì)比。
一般的理論模型認(rèn)為拉庭格（Luttinger）液體僅能在（準(zhǔn)）一維的系統(tǒng)中存在，并且在不同的準(zhǔn)一維體系中被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。但是也有理論提出，當(dāng)不同方向的一維鏈在空間相互交叉排列時(shí)，系統(tǒng)仍然可能表現(xiàn)出拉庭格（Luttinger）液體行為，從而實(shí)現(xiàn)拉庭格（Luttinger）液體向更高維度的拓展。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，η-Mo4O11的光電子能譜可以完美的由拉庭格（Luttinger）液體理論描述，且這一結(jié)論在很多實(shí)驗(yàn)條件下都穩(wěn)定成立。因此，η-Mo4O11的正常態(tài)是一個(gè)拉庭格（Luttinger）液體。晶體結(jié)構(gòu)的分析和第一性原理計(jì)算的結(jié)果則表明，看似準(zhǔn)二維的η-Mo4O11實(shí)際上是由三種沿不同方向延伸、具有不同軌道成分的準(zhǔn)一維原子鏈“編織”而形成的。
更有趣的是，該體系中觀(guān)測(cè)到的拉庭格（Luttinger）液體行為實(shí)現(xiàn)了交叉滑移拉庭格（Luttinger）液體理論模型的一種推廣：不同方向的鏈在實(shí)空間中相互交叉并共用鉬氧八面體，和理論模型中空間分離的一維鏈有所不同。進(jìn)一步軌道成分的分析表明，η-Mo4O11中沿不同方向的電子的軌道成分是相互正交的，這保證了不同方向的電子態(tài)之間的相互耦合非常弱，從而使得一維鏈中的Luttinger液體可以最小程度地受到干擾而穩(wěn)定存在。這一發(fā)現(xiàn)首次在高維晶體材料體系中發(fā)現(xiàn)了拉庭格（Luttinger）液體行為，并為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中的非費(fèi)米液體行為提供的新的角度。
12月1日，相關(guān)研究成果以“準(zhǔn)二維鉬氧化物中的交叉拉庭格液體”（Crossed Luttinger Liquid Hidden in a Quasi-two-dimensional Material）為題在線(xiàn)發(fā)表于知名期刊《自然·物理》（Nature Physics）上。
文章的第一作者是物理系2019級(jí)博士生杜憲，通訊作者是物理系楊樂(lè)仙副教授及上海科技大學(xué)特聘教授陳宇林。合作者還包括上?？萍即髮W(xué)柳仲楷副教授、王美曉副研究員及南京大學(xué)陳延彬教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃（篤實(shí)計(jì)劃）等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01829-z
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
