仪器新前沿，凝聚态暗态如何重塑材料科学！

【科学背景】

暗态指的是无法与光子相互作用，因而无法通过光谱手段检测到的量子态。这一概念不仅在宇宙学中通过暗物质体现出来，在原子和分子层面也有着重要应用。然而，在凝聚态物质中，暗态的研究仍面临着许多挑战，特别是对于理解那些一直以来难以捉摸的量子现象而言。

暗态的机制在原子、分子和激子层面主要基于角动量守恒或量子干涉。而在凝聚态物质中，亚晶格的存在则提供了更多的量子干涉来源。自从石墨烯的实验发现以来，亚晶格在凝聚态物质中的重要性日益受到重视。石墨烯中通常由A和B索引的两对亚晶格可以看作是一个由赝自旋概念描述的两能级量子系统，其方向仅反映了两个对称亚晶格的相对相位。在凝聚态物质中的电子能带中，晶体对称性如赝自旋手性所决定的量子相位的美丽秩序可以导致各种不同寻常的量子现象。

在凝聚态物质中发现和理解暗态机制是解决这些问题的关键。研究表明，在一些具有两对亚晶格的材料中，这些亚晶格由多个滑动镜面对称性关联，使得它们的相对相位在整个布里渊区内完全极化为0或π。这些材料中的多个库仑波列被简化为仅四种类型（000, 0ππ, π0π 和 ππ0）。其中，000态可以通过p偏振光的角分辨光电子能谱（ARPES）进行检测，因为这种状态产生建设性干涉。然而，其他0ππ, π0π 和 ππ0态由于双重相消干涉，无法通过任何偏振的光进行ARPES检测，这是因为双重相消干涉，这些态即为凝聚态暗态。

为了进一步解决暗态在凝聚态物质中的研究难题，韩国延世大学（Yonsei University）Keun Su Kim教授进行了深入的实验和理论研究。例如，在钯二硒化物这一模型系统中，研究者们通过角分辨光电子能谱发现了在整个布里渊区内几乎不可观察的价带。

这些结果不仅验证了暗态的存在，还揭示了双重两能级量子系统中的相位极化现象。此外，这一研究还解释了在电荷密度波（CDW）和自旋密度波材料（如1T-TaS2和1T-TiSe2）中折叠能带的ARPES强度较低的现象。

【科学亮点】

（1）实验首次在钯二硒化物（PdSe2）中发现了凝聚态暗态，展示了通过角分辨光电子能谱（ARPES）无法观察到的价带。这些暗态在整个布里渊区内的任何光子能量、偏振和散射平面下都不可检测。

（2）实验通过分析钯二硒化物的亚晶格结构，建立了双重两能级量子系统的模型，揭示了两对亚晶格之间的滑动镜面对称关系。研究发现，相对相位ϕ_AB/CD, ϕ_AC/BD 和ϕ_AD/BC在布里渊区内完全极化为0（偶宇称+）或π（奇宇称-）。结合所有可能的相位组合，得出四种赝自旋态：000, 0ππ, π0π 和 ππ0，其中后三种态由于双重相消干涉而成为暗态。

（3）实验还解释了在电荷密度波（CDW）和自旋密度波材料中，ARPES强度较低的现象。模型显示，这些暗态是由于对称性破缺导致的相位极化不完全而产生的，这一机制同样适用于理解铜酸盐、铅卤钙钛矿和其他密度波系统中的光电特性。

（4）研究结果表明，亚晶格自由度在研究关联现象和光电特性中具有重要意义，应该加以考虑。通过ARPES数据，可以基于亚晶格干涉模型提取初态量子相位的完整图，有助于确定破缺对称性的真实强。

【科学图文】

图1： 凝聚态物质的暗态和候选材料PdSe2。

图2. 在PdSe2的能带结构中，发现暗态。

图3. 在PdSe2中，亚晶格之间相对相位的极化。

图4: 铜氧化物能带结构中的暗态。

图5: 斜方CsPbBr3能带结构中的暗态。

【科学结论】

本文的研究揭示了凝聚态物质中存在的“暗态”概念，并为理解暗态现象提供了新的视角。首先是对亚晶格自由度的重新审视。在传统的凝聚态物质研究中，亚晶格的作用往往被忽视，而本文表明，亚晶格的存在和它们之间的相对量子相位可以显著影响物质的光电性质和量子行为。这种影响不仅在实验中表现为暗态的出现，还与光谱强度的变化密切相关。

其次，本文展示了暗态如何通过对称性破缺和量子干涉机制自然地解释了在电荷密度波（CDW）和自旋密度波材料中观测到的折叠能带的弱ARPES强度。具体而言，亚晶格的相对量子相位决定了不同的赝自旋态，从而影响了ARPES信号的强度和检测难度。这种机制的发现为解释CDW和自旋密度波材料中的光谱现象提供了新的理论框架，并可以用于分析其他类似系统的光谱数据。

最后，本文的研究结果强调了在研究关联现象和光电特性时，亚晶格自由度的重要性。这一新颖的视角不仅丰富了我们对暗态和量子相位的理解，也为未来的研究提供了新的方向。具体而言，这些发现可能会在材料设计和光电应用领域产生深远的影响，使我们能够更好地控制和利用凝聚态物质中的量子态。

原文详情：Chung, Y., Kim, M., Kim, Y. et al. Dark states of electrons in a quantum system with two pairs of sublattices. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02586-x