2019年

段文晖研究组在单层铁磁材料中预言新型的激子绝缘体态

2020-08-26    点击:

激子绝缘体是凝聚态材料的一种特殊量子态,该体系中存在的激子失稳会导致激子形成自发的玻色-爱因斯坦凝聚,并破坏传统能带理论下的单电子基态图像。作为一种高度相干性的多体基态,激子绝缘体被预言为电流、热流的理想绝缘体,因此具有丰富的器件应用前景。另一方面,如果可以在激子的电子-空穴配对过程中实现自旋翻转,激子绝缘体态则会对应于一个自旋S=1的相干玻色子体系,成为实现自旋超流体等新奇自旋相干态的理想平台。然而,目前对于激子绝缘体的研究局限于非磁体系,本征的自旋简并导致基态不具有净自旋,进而阻止了S=1基态的形成;而对于本征的磁性材料,目前还没有关于激子绝缘体态或激子凝聚行为的报道。

最近,物理系段文晖教授的研究组,与北京理工大学的李元昌副教授以及美国伦斯勒理工学院的张绳百教授密切合作,通过系统的第一性原理计算,利用轨道禁戒的暗激子,首次在单层铁磁材料1T-MX2M=Ni, Co;X=Cl, Br)中预测了一种全新的激子绝缘体态,称之为“半激子绝缘体”,并对其相变机制以及实验性质进行了理论分析。

图1. 通过激子激发能Et定义的三种不同绝缘体:(a)能带绝缘体(b)激子绝缘体(c)半激子绝缘体。

不同于能带绝缘体或传统的非磁激子绝缘体,该体系的两个自旋具有截然不同的电子结构,并仅有一个自旋通道中可以发生激子凝聚(图1),从而导致了自旋分辨的玻色性与费米性。进一步的分析指出,这种独特的电子结构是由两个自旋通道中的电子非对称填充导致的。这使得两个自旋的激子基态各自具有Wannier型以及Frenkel型的激发特征,使激子束缚能与电子能隙的竞争呈现出不同的结果。在实验层面,他们认为这种特殊的电子态可以通过ARPES谱、光吸收谱以及磁化率-温度曲线进行观测。

图2. (a)单层1T-NiCl2的介电函数虚部。其中黑色、红色和蓝色分别表示总介电函数以及少数、多数自旋能带的贡献。灰色实线是不考虑激子效应时的介电函数。(b)少数自旋低能激发的介电函数以及激子能谱,其中激子能谱以灰色竖线表示。少数自旋X1激子具有负激发能(-83meV),已满足激子失稳条件;而对多数自旋吸收谱的分析则表明,多数自旋激子态全部具有正激发能。

该工作首次将电子的本征铁磁性与激子凝聚行为相结合,表明强关联材料是实现激子绝缘体的理想体系,为激子相干态激发行为的研究提供了可能,也为新型磁性调控、自旋超流体的材料实现提供了新的机会。目前,相关成果以“Half-Excitonic Insulator: A Single-Spin Bose-Einstein Condensate”为题发表在6月14日的Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 122, 236402 (2019)]。物理系2014级博士生姜泽禹为文章的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.236402