研究表明Ta₂NiSe₅不是激子绝缘体

激子绝缘体是物质的电子驱动相，可以存在于固体中。科学家们正在寻找在候选量子材料中检测和稳定这种奇异秩序的方法，因为它可以为没有净电荷的超流体能量传输铺平道路(这与超导性不同)。如果实现，这种现象可能会导致新一代设备，其中能量以高相干性和最小耗散在纳米尺度上传输。

然而，到目前为止，在实际固体中发现这一阶段已被证明是困难的。在过去的二十年中，人们一直提出准二维固体Ta2镍铌5可能支持高于室温的激子绝缘体相。

临界温度 T 以上C= 328 K，该材料以由平行的Ta和Ni链组成的层状结构结晶。在 TC，系统经历了半金属到半导体的转变，伴随着晶格的结构重组。科学界一直在就这种相变是由纯电子还是结构不稳定性引起的激烈辩论。

在最近发表的一项关于PNAS的研究中，美国，德国和日本的研究人员通过联合实验理论方法探索了支撑这种转变的基本过程。

在高度受控的条件下，使用称为时间和角度分辨光发射光谱的先进实验工具，他们暴露了Ta。2镍铌5到量身定制的激光脉冲，并记录激子基本成分(即电子和空穴)以及结构自由度的实时电影。为了解决这些微观现象，电影必须达到不到十亿分之一秒的百万分之一秒的超快时间分辨率。

在光激发后跟踪材料电子和晶体结构的动力学，揭示了仅与结构性质的显性有序参数兼容的光谱指纹。这意味着晶体结构的变化实际上阻碍了这种量子材料中电子超流体的发展。

“这项工作表明，Ta·2镍铌5不是激子绝缘体，无耗散能量传输受到晶体结构突出重排的阻碍，“麻省理工学院(MIT)物理学教授Nuh Gedik说。

“我们的实验提供了一种新方法来确定各种候选激子绝缘体中自发对称性破坏背后的驱动力，”主要作者Edoardo Baldini补充道，他是麻省理工学院前博士后研究员，现在是德克萨斯大学奥斯汀分校物理学助理教授。

这些发现得到了几个机构的最新计算的支持，这些机构结合了不同的理论技术来了解这些变化的微观起源。2镍铌5具有前所未有的准确性。

“确认驱动这种转变的微观机制本质上是结构性的，需要高要求和相互交织的电子和结构建模，这也提供了关于可能的激子贡献影响的相关信息，”德国汉堡马克斯普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)的理论主任Angel Rubio说。

哈佛大学的Eugene Demler，哥伦比亚大学的Andrew Millis和乔治梅森大学的Igor Mazin是理论合作的合作伙伴。实验研究在麻省理工学院进行，而2镍铌5用于这项研究的晶体是在德国斯图加特的马克斯普朗克固体物理研究所和日本东京大学合成的。