麻省理工學院的物理學家和伯克利實驗室的科學家們，已經發現了一種被稱作“Kagome 金屬”的新型量子材料的奇異特性背後的秘密。據悉，在冷卻到室溫以下時，該材料會表現出集體行為（Collective Behavior）。由此產生的特性之一是優異的導電性能（超導性），但這點長期讓科學家們感到困惑。

實驗材料由銫（Cs）、釩（V）、銻（Sb）三種材料組成（圖自：Comin Laboratory / MIT）

來自麻省理工學院的Riccardo Comin 及其同事們，對Kagome 材料的零能電子態/ 又稱“費米表面”開展了可視化工作。

擴展數據- 1：費米表面嵌套與vHs 填充處Kagome 晶格中的2×2 電荷順序

在普通金屬中，電子的行為，很像是在房間裡獨舞的人。而在Kagome 超導體中，材料會在冷卻到3 開爾文（-270.15 ℃）時出現電子的成對移動—— 就像跳舞的情侶一樣。

擴展數據- 2：沿高對稱方向的偏振相關ARPES 光譜

到100 開爾文（-173.15 ℃）的時候，Kagome 材料又會表現出另一種被稱作“電荷密度波”（Charge Density Waves）的奇怪行為，此時電子以波紋的形式排列。

擴展數據- 3：光子能量相關的ARPES 光譜

由MIT 物理學助理教授Riccardo Comin 帶領的這支研究團隊發現，Kagome 電子異常同步性背後的秘密，源於另一種被稱作“電子奇點”（或範霍夫奇點）的行為—— 涉及電子之間的能量和速度關係。

擴展數據- 4：vHS 的Kz 依賴

當材料中同時存在許多具有相同能量的電子時，它們之間的相互作用會更加強烈。由於存在這些相互作用，電子可配對並成為超導、或形成電荷密度波。

研究配圖- 1：Kagome 金屬中的理論電子結構和電荷順序

Comin 指出，將能量與固體中的電子速度關聯起來，顯然極具挑戰性。研究人員需要在兩個國際同步加速器研究設施中使用特殊儀器—— 浦項光源的Beamline 4A1、以及伯克利實驗室的ALS 先進光源（Beamline 7.0.2 / MAESTRO）。

研究配圖- 2：CsV _₃ Sb₅ 材料的實驗電子能帶結構

作為一種粒子加速器，同步加速器可產生極亮的光束，且其光子能量範圍從紅外線到X 射線。在ALS 科學家Chris Jozwiak 的幫助下，該團隊使用了ARPES 角分辨光電發射光譜法。

研究配圖- 3：在CsV _₃ Sb₅ 中映射多個vHS

ARPES 利用非常明亮的單色X 射線光，來聚焦成寬度僅10 μm 的小光束，而MIT 研究團隊得以準確地識別和測量對材料奇異特性至關重要的電子的速度。

研究配圖- 4：K2′ 帶中的費米麵嵌套和電荷序間隙

Jozwiak 補充道：“你需要像ALS 這樣的大型光源設施，才能對新材料開展此類複雜的實驗。ALS 的MAESTRO 光線束提供了一個非常精確和明亮的光資源，且可調諧至各種波長或能量。若這個大門不向公眾開放，那麼像Comin 團隊這樣激動人心的發現工作，也就不可能完成了”。

研究配圖- 5：K1 波段中的高階vHS 與電荷間隙

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《Nature Physics》期刊上，原標題為《Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV _₃ Sb₅》。