近期，中國科學院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部與強磁場科學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展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在美國物理學會期刊Physical?Review?Research上。

具有B六元環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬二硼化物因其獨特的晶格結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的非平庸拓撲態(tài)，以及在壓力和摻雜下的異常超導(dǎo)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)的存在已被實驗證實。β-MoB₂在壓力下會依次出現(xiàn)結(jié)構(gòu)相變和兩個超導(dǎo)區(qū)域。其中，超導(dǎo)區(qū)域Ⅰ晶格結(jié)構(gòu)對應(yīng)β-MoB₂，超導(dǎo)區(qū)域Ⅱ?qū)?yīng)于結(jié)構(gòu)相變后的α-MoB₂。該體系最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(dǎo)起源，發(fā)現(xiàn)β-MoB₂結(jié)構(gòu)在壓力下不是超導(dǎo)的，但其在摻雜后會轉(zhuǎn)變?yōu)?em style="margin-top: 4px; margin-bottom: 4px; line-height: 2em;">α-MoB₂并出現(xiàn)超導(dǎo)。研究人員認為這種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變可能源于β-MoB₂中的局域結(jié)構(gòu)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(xiàn)象的起源，對其聲子性質(zhì)的進一步研究是十分必要的。

鑒于此，研究團隊通過改進晶體生長工藝獲得高質(zhì)量的β-MoB₂單晶材料，并結(jié)合系統(tǒng)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(xiàn)，在單晶的ac面除了晶體D_3d點群所預(yù)言的五個Raman振動模式外，還存在著兩個新的反常模式。它們在能量上與晶體的兩個A_1g模式接近，并在轉(zhuǎn)角偏振光譜上也展現(xiàn)出類似的對稱性。將單晶冷卻到4.2K的低溫下時，這兩個反常模式依然存在。此外，反常模式在整個溫區(qū)中皆展現(xiàn)出對稱的洛倫茲線型，表明其在常壓下具有弱的電聲耦合強度。

研究團隊進一步結(jié)合第一性原理計算來揭示兩個異常聲子模式的起源。計算結(jié)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A_1g模式的峰強，發(fā)現(xiàn)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，兩個反常模式的出現(xiàn)是由于晶格結(jié)構(gòu)中B原子層畸變引起的面外A_1g聲子模式的劈裂。最新的理論研究表明，β-MoB₂晶格結(jié)構(gòu)中B原子層層間的堆垛無序可能是其壓力下誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性起源，這與當前的實驗結(jié)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(dǎo)行為提供了重要信息。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金-大科學裝置聯(lián)合重點項目、國家自然科學基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023093?

圖1. ?單晶在ac面呈現(xiàn)出七個振動模式，其中有兩個E_g模式和五個A_1g模式。

圖2. ?轉(zhuǎn)角偏振Raman光譜測量給出七個模式的角度依賴，并與理論進行對比。

圖3. ?拓撲物性、超導(dǎo)電性以及晶格無序三者相互關(guān)聯(lián)的示意圖。