一维和准一维电子系统表现出诸多特殊的物性,例如Luttinger 液体行为、Peierls 相变、新奇的拓扑相和独特准粒子行为。与二维或三维电子系统不同,一维电子系统中的低能粒子-空穴对只有在其波矢q ≈ 0 或2kF时才能被激发。散射相空间和电子屏蔽的减少能够产生丰富的新奇物性。同时,具有嵌套费米面的准一维金属在电子-声子耦合的作用下,极易产生电荷密度波。通过更强的电子-声子耦合,电子可以与局部晶格畸变形成新的复合准粒子—Holstein 极化子,可以强烈地使系统的电子结构被重整化。迄今为止,虽然极化子在二维或三维材料中已被广泛观测到,它们尚未在准一维材料中被发现。
蓝青铜A0.3MoO3 ( A = K, Rb, Tl)这是一种典型的准一维电荷密度波材料,它在正常态表现出典型的Luttinger液体行为。该材料为研究从Luttinger液体到电荷密度波转变的微观机制、准一维体系中的电子-声子耦合提供了一个难得的平台。
图:(a-c)Luttinger液体、电荷密度波、Holstein极化子能带示意图;(d) 蓝青铜的准一维结构;(e) K0.3MoO3的费米面;(f) K0.3MoO3高对称方向的能带色散。
清华大学杨乐仙、牛津大学陈宇林教授,以及上海科技大学柳仲楷和北京大学张焱教授等,利用角分辨光电子能谱系统地研究了蓝青铜的电子结构。在实验上观测到能带色散的强重整化,符合Holstein极化子的特征,表明该系统中存在较强的电子-声子耦合。该研究表明强电子-声子耦合在蓝色青铜器的电子特性和电荷-密度-波转变中起着重要作用,不仅调和了长期以来关于蓝色青铜器电子特性的激烈争论,而且为研究Luttinger 液体材料中有趣的电荷激发提供了重要的实验依据。
该研究成果以“Band-selective Holstein polaron in Luttinger liquid material A0.3MoO3(A=K, Rb)”为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。