近日，南京大学物理学院张鹏课题组利用激光以及同步辐射角分辨光电子能谱（ARPES）揭示了Ta2Pd3Te5单晶材料中存在随温度变化的自发能隙打开行为，电子衍射显示此能隙的打开同时伴随着微弱的晶格畸变，同时进一步的观测发现该能隙会被表面钾掺杂破坏以及能隙内存在一对杂质平带，这些表现与激子态的信号高度一致，表明该材料非常有可能是一种新的激子绝缘体单晶材料。
在一些低维材料中库仑屏蔽效应减弱，电子-电子关联作用增强，从而在长程库仑相互作用下会自发地形成电子-空穴对，其被称为激子 (Exciton）。与库珀对类似，激子的形成会导致费米能附近自发形成能隙，并且具有独特的配对激发行为。目前可能具有激子态的单晶候选材料包括1T-TiSe2以及Ta2NiSe5，但在1T-TiSe2中可能的激子序通常与电荷密度波（Charge Density Wave, CDW）共存，在Ta2NiSe5中激子态的相变伴随着正交-单斜结构相变，这些共存的相变使得其中激子态的分辨相当困难，实验证据一直存在争议，因此寻找干净的、不与其他转变相纠缠的激子绝缘体态的单晶材料，对相关领域的发展具有重要意义。
图1： 准一维Ta2Pd3Te5的晶体结构、电阻曲线，以及不同温度下的电子衍射数据
基于以上背景，张鹏课题组及合作者针对准一维材料Ta2Pd3Te5展开了详细的研究。对该材料的电阻测量结果表明在350K-360K其电阻存在半导体-金属行为的突变，同时电子衍射实验表明在330K附近具有微弱的晶格畸变，这表明Ta2Pd3Te5在该温度区间可能存在电子结构的变化（图1）。基于同步辐射光源的ARPES实验显示，Ta2Pd3Te5单晶材料在350K温度G点附近具有狄拉克型能带，其狄拉克点恰好位于费米能，是一种理想的狄拉克半金属态，这种半金属态非常有利于激子绝缘体态的形成。随着温度降低，在费米能级附近观测到能隙的打开，在20K下能隙约为100meV，在350K该能隙关闭，能隙的温度演化行为与激子相符（图2）。同时，在具有相同晶格结构的Ta2Ni3Te5半导体材料中并没有观察到类似的能隙演化行为，表明该能隙与Ta2Pd3Te5的狄拉克半金属能带结构密切相关。
图2: Ta2Pd3Te5能带结构以及G附近能隙的温度演化
为进一步厘清Ta2Pd3Te5中自发能隙打开的起源，作者通过低温下在样品表面沉积钾原子以掺入额外的载流子来观测能隙的演化行为。结果表明，随着载流子掺入，Ta2Pd3Te5中的导带发生了显著的移动。而通过对导带底部束缚能随掺杂时间的曲线进行外推，发现低掺杂（0 min）时外推得到的导带底部没有回到原来位置，而是几乎落在费米能附近。这与高温（350K）能隙关闭情况下狄拉克半金属态的导带底部位置相同，表明Ta2Pd3Te5中打开的能隙会被载流子掺杂破坏。另一方面，高分辨激光ARPES数据显示在该能隙内存在着一对无色散的平带，这一对平带与理论中在激子态能隙内的杂质散射态高度相似。
综合以上观测证据，作者认为Ta2Pd3Te5中自发能隙打开的行为可以用激子序的形成得到很好的解释，表明Ta2Pd3Te5非常有可能是一种新的激子绝缘体材料。在本工作中没有发现Ta2Pd3Te5中激子态与其他相变共存，这让Ta2Pd3Te5成为研究激子绝缘体的理想单晶材料，对未来激子绝缘体态的研究具有重大意义。
相关的研究成果以“Spontaneous Gap Opening and Potential Excitonic States in an Ideal Dirac Semimetal Ta2Pd3Te5”为题发表在《Physical Review X》上。南京大学物理学院张鹏教授为本文通讯作者兼第一作者，日本东京大学博士生董宇阳、中科院物理所博士生闫大禹以及江北为本文共同第一作者，日本东京大学物性研究所Kondo准教授为共同通讯作者。其中，理论部分与中科院王志俊课题组、南京大学王锐课题组进行了深入合作，中科院石友国课题组和浙江科技大学焦文鹤课题组提供了高质量的单晶样品，ARPES实验主要在东京大学Kondo课题组、斯坦福同步辐射实验站、中科院钱天课题组完成，衍射输运和磁性测量分别与中科院李俊副研究员、中科院沈洁课题组、南京大学闻海虎课题组、温锦生课题组、聂越峰课题组合作完成。该项研究得到了南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、微结构科学与技术协同创新中心的支持，以及国家自然科学基金等经费的资助。
文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011047
课题组主页：https://arpes.nju.edu.cn