研究背景
隨著材料科學領域對拓撲態、幾何阻撓及電子相關性相互作用新奇態的深入研究，六角格點晶體化合物成為理想的研究平臺。這類材料包括超導體AV3Sb5（其中A為K、Rb或Cs），它們不僅展示了超導性，還呈現出復雜的相關和拓撲態。特別是AV3Sb5化合物中的電荷密度波（CDW）相引發了廣泛關注，因為它不僅破壞了旋轉和鏡像對稱性，還可能破壞了時間反演對稱性，這種現象暗示著存在軌道磁性和錯動環流軌道電流。然而，關于AV3Sb5中CDW是否真正破壞時間反演對稱性的理論與實驗結果存在顯著分歧，這一問題激發了科學家們的極大興趣。先前的掃描隧道顯微鏡（STM）測量和光學測量指示了CDW可能破壞時間反演對稱性的證據，但近期的實驗結果卻出現了挑戰，如STM測量結果的矛盾性和負的Sagnac干涉儀測量結果。為了解決這些爭議，伊利諾伊大學的Vidya Madhavan團隊在“Nature”期刊上發表了題為“Optical manipulation of the chargedensitywave state in RbV3Sb5”的研究論文。本研究使用了激光耦合STM技術，詳細研究了六角格超導體RbV3Sb5中CDW相對電場和磁場的響應。RbV3Sb5相比常見的CsV3Sb5化合物，避免了不同類型鍵扭曲共存所帶來的復雜性。研究顯示，在施加特定方向的偏振光和朝向樣品表面的磁場時，CDW的峰值強度和晶格參數發生顯著變化。這些結果表明，系統通過非平凡的電致伸縮和壓電磁響應，在自由能景觀中從一個局部最小值切換到另一個，揭示了CDW相對電磁場的強約束對序參數對稱性的重要性。 最終，本研究提出了一種最簡單的CDW配置，即一致通量相位，這種配置不僅滿足了實驗觀察條件，還能解釋多個矛盾的實驗結果，包括自發克爾效應。這種發現不僅促進了對AV3Sb5類材料中復雜量子現象的理解，還為利用光學手段動態控制量子材料中應變和對稱性破缺打開了新的研究方向。
圖文解讀
（1）實驗首次應用激光耦合掃描隧道顯微鏡（STM）研究了RbV3Sb5的CDW相響應。
- 通過在高對稱方向施加線偏振光，首次觀察到CDW峰值相對強度的可逆性切換。
- 實驗中還利用磁場垂直于樣品表面，展示了CDW強度在不同波矢方向上的響應。
（2）實驗結果顯示了CDW對電磁場的非平凡響應，對序參數的對稱性提出了強約束。 （3）研究表明，最簡單滿足實驗條件的CDW配置是一致通量相位，這種配置不僅破壞時間反演對稱性，還能解釋多種實驗現象的一致性。
圖1：RbV3Sb5的Sb表面識別和CDW峰值強度。
圖2. 2a0 × 2a0 CDW中光誘導的強度順序切換。
結論展望
本文深入研究了六角格超導體RbV3Sb5的電荷密度波（CDW）相對電場和磁場的響應，揭示了其非平凡的電致伸縮和壓電磁響應特性。通過激光耦合的掃描隧道顯微鏡技術，作者展示了光的偏振如何在CDW序參數中引起可逆的強度切換，這表明了強烈的非線性電子聲子耦合作用。同時，作者觀察到磁場對CDW的影響，特別是朝向樣品表面施加的磁場如何調節布拉格矢量方向的晶格參數，進而影響CDW峰的強度。這些實驗結果為理解復雜量子材料中的對稱性破缺和量子相變提供了新的視角和實驗驗證。在理論上，作者提出了一種最簡單的CDW配置，即一致通量相位，它不僅滿足了CDW對稱性破缺的實驗約束，還能解釋先前矛盾的實驗結果，如自發克爾效應和非磁性空間群的結構優化。這一發現不僅深化了作者對CDW的理解，還為在量子材料中實現光學和電磁控制提供了新的思路和可能性。Xing, Y., Bae, S., Ritz, E. et al. Optical manipulation of the chargedensitywave state in RbV3Sb5. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586024075195
