發(fā)布時間：2020年3月24日
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中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心與安徽大學(xué)量子材料與物理研究所等合作利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜儀（STM/STS）對一種典型的過渡金屬硫族元素化合物2H-NbSe2及其微量Ta摻雜單晶樣品進(jìn)行探測研究，研究人員通過對該體系的高分辨隧道譜測量和理論分析，證實了該體系存在非彈性電子隧穿過程，從而在原子尺度上指認(rèn)出系統(tǒng)的電聲子耦合譜函數(shù)。相關(guān)研究于3月13日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
過渡金屬硫族化合物（TMD）是二維材料的重要分支，具有可調(diào)的本征帶隙、谷自由度等特性，在電學(xué)、光學(xué)、自旋電子學(xué)等器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。2H-NbSe2是一種典型的TMD材料，作為電荷密度波（CDW）與超導(dǎo)共存體系的代表，它也是被STM研究最為廣泛的材料之一（圖1a）。近30年以來，該體系隧道譜上±35mV處拐點的起因一直困擾著該領(lǐng)域的研究者，也成為理解電荷密度波機制的障礙（圖1b）。
聲子是固體材料集體元激發(fā)最典型的代表，描述的是量子化的原子集體運動的簡諧振子。材料的熱學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)，甚至超導(dǎo)和電荷密度波都與聲子尤其是電子-聲子作用密切相關(guān)。當(dāng)材料中存在比較強的電子-聲子相互作用時，STM針尖與樣品之間有可能發(fā)生非彈性電子隧穿過程（圖2），即隨著隧道偏壓的增大，電子具有足夠的能量后可以通過激發(fā)材料中的聲子而降低能量，打開新的隧穿通道，導(dǎo)致隧穿幾率增大，表現(xiàn)為隧道結(jié)IV曲線上出現(xiàn)斜率的突然增大，相應(yīng)地，dI/dV曲線上出現(xiàn)一個臺階，二次微分d2I/dV2曲線上出現(xiàn)一個峰的特征（在負(fù)偏壓則為谷）。
聯(lián)合研究團隊在生長出優(yōu)質(zhì)2H-NbSe2及其微量Ta摻雜單晶樣品后，通過低溫強磁場STM/STS進(jìn)行了高分辨的隧道譜測量，發(fā)現(xiàn)其隧道譜在±35mV以內(nèi)存在復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)（圖1c）。
理論研究表明，二次微分曲線與電聲子耦合譜函數(shù)α2F(ω)近似成正比，因此，這種基于STM的非彈性電子隧穿譜（IETS）方法可以用于原子尺度上電聲子耦合的研究。但是，由于實驗上對高分辨率的要求和材料本身的特性限制，目前成功的案例局限于十分有限的固體材料，比如石墨或石墨烯、金屬銅等。
隨后，科研人員通過計算電聲子耦合譜函數(shù)提出一個簡明的理論模型（圖3）。模型計算和分析證實這些精細(xì)特征（包括令人困惑的±35mV拐點）來自于非彈性電子隧穿過程（圖2d-f，圖3b-c），排除了多年以來±35mV處拐點是CDW能隙的錯誤解釋。
圖1：（a）2H-NbSe2原子圖像；（b）隧道譜上±35mV拐點（箭頭所示）；（c）隧道譜上精細(xì)結(jié)構(gòu)（箭頭所示）；(d)─(f) 實驗得到的二次微分譜與計算得到的聲子態(tài)密度和電聲子耦合譜函數(shù)的比對
http://www.cas.cn/syky/202003/t20200323_4738421.shtml