对强关联电子体系中新型量子物质相——电子手性液晶相的同步辐射谱学研究

An important theme of condensed matter physics is to discover and understand the emergence of novel phases of quantum matter, for which electronic liquid crystals are a prominent example. There are two classes of electronic liquid crystals known to date, which have similar spatial symmetries with the nematics and smectics that are two major classes of classical liquid crystals, widely exist in correlated materials and are implicated with their many key properties. By generalizing the existing analogy between the classical and electronic liquid crystals and incorporating initial experimental evidence available, the applicant explicitly proposes the possible existence and universality of an electronic counterpart of the third major class of liquid crystals, the cholesterics. Experimental confirmation of this would establish a novel phase of quantum matter and probably open up a new frontier of condensed matter physics. In order to verify this possibility, this project will introduce and develop several experimental techniques that are effective for studying the chirality of classical liquid crystals, for study of the candidate materials for electron cholesteric liquid crystals, which include some cuprate high-temperature superconductors and a transition-metal dichalcogenide. These spectroscopy techniques based on synchrotron radiation can shed light on the chiral properties of materials from different angles through different physical processes; as an effective supplement to the experimental techniques already in use, their joint force on the same electron cholesteric liquid crystalline materials will make possible a complete understanding of the chirality of related correlated materials and its microscopic mechanisms, and pave the way for further explorations in this emerging frontier.

凝聚态物理的一个重要主题是去发现和理解新的量子物质相，电子液晶体就是其中一个突出的例子。目前已知的电子液晶体有两类，它们具有跟向列和距列这两类主要经典液晶体相似的空间对称性，在关联材料中广泛存在并与其许多重要性质相关。申请人通过推广经典和电子液晶体间的既有类比，结合已有初步实验证据，明确提出第三种主要液晶体——手性液晶体的电子对应物的可能存在及其普遍性。对此的实验证实将确立一种新的量子物质相，并可能开辟一个新的凝聚态前沿。为了验证这个可能性，本项目将引进和发展多种对研究经典液晶体手性特性卓有成效的实验技术去研究电子手性液晶体候选材料，包括一些铜基高温超导体和金属二硫化物。这些基于同步辐射的谱学技术能够通过不同物理过程从不同方面揭示体系的手性特征，作为对已使用实验技术的有效补充，它们的首次结合运用使全面理解相关关联电子体系的手性及其微观机制成为可能，并为将来对该潜在前沿领域的进一步探索铺路。

强关联电子体系中复杂的多体相互作用导致了一些新型量子物质相的出现。一个突出例子是电子液晶体，其在关联材料中广泛存在并与其许多重要性质相关。我们通过推广经典和电子液晶体间的既有类比，提出了一种新型电子（胆甾）液晶体的可能存在及其普遍性。另一个突出例子是拓扑超导体，其由拓扑材料和超导体这两类量子体系相结合产生，在基础研究领域有着重要的研究价值，在拓扑量子计算方面也有着潜在的重要应用，但目前尚缺乏对该量子物质相的公认实验证实。本项目利用同步辐射谱学技术主要研究以上两类新型量子物质相在材料中的潜在实现，即LBCO-1/8体系中的潜在电子胆甾液晶相以及Sn4X3 (X = P, As, Sb)体系中的潜在拓扑超导相。通过对LBCO-1/8的X射线自然圆二色实验，我们发现了与该电荷系统的潜在手性相关的圆二色信号，进一步实验需排除其它可能的信号起源和解释，从而最终获得对电子胆甾液晶相在LBCO-1/8中存在的光吸收圆二色证据，以支持这个新型电子液晶体的存在普遍性。通过对Sn4X3的角分辨光电子能谱实验，我们对该材料家族的电子结构进行了全面考察和系统比较，首次描绘了其电子结构演化的完整图景，这为理解这个新兴的拓扑超导体候选体系中的非平庸能带拓扑性与超导电性之间的关系铺平了道路。此外，本项目还研究了强关联电子体系的其他一些新型量子物质相，如复杂过渡金属氧化物中的三维负电子压缩率（项目负责人领导首次发现的新型量子物质相）、表面二维电子气（项目负责人参与首次发现的新型量子物质相）、金属-绝缘体相变、高温超导电性和奇异金属相等，同时也对部分量子物质相在光电发射性质与及其相关的光阴极应用方面进行了研究，获得了一些有价值的成果。