本网讯（物科院 施春霖）3月13日，物理学科国际权威学术期刊《Phyiscal Review Letters》报道了我校量子材料与物理研究所单磊教授团队与中科院合肥强磁场中心郝宁研究员理论团队、朱相德研究员等人合作，利用低温强磁场扫描隧道显微镜/谱仪（STM/STS）对一种典型的过渡金属硫族元素化合物（TMD）― 2H-NbSe2进行探测研究。通过对该体系的高分辨隧道谱测量和理论分析，证实了该体系存在非弹性电子隧穿过程，从而在原子尺度上指认出系统的电声子耦合谱函数。
图1：(a) 非弹性电子隧穿过程示意图；（b)─(d) 对应的I-V，dI/dV和d2I/dV2曲线示意
固体材料中的元激发是凝聚态物理的重要概念和研究对象，声子是集体激发中最具典型的代表。声子特性和电声子相互作用等在材料的热学性质、电学性质，甚至在超导和电荷密度波等量子有序态的形成过程中扮演了至关重要的角色。当材料中存在比较强的电声子相互作用时，STM针尖与样品之间有可能发生非弹性电子隧穿过程（图1），即随着隧道偏压的增大，电子具有足够的能量后可以通过激发材料中的声子而降低能量，打开新的隧穿通道，导致隧穿几率增大，表现为隧道结IV曲线上出现斜率的突然增大，相应地，dI/dV曲线上出现一个台阶，二次微分d2I/dV2曲线上出现一个峰的特征（在负偏压则为谷）。理论指出，二次微分曲线与电声子耦合谱函数α2F(ω)近似成正比，因此，这种基于STM的非弹性电子隧穿谱（IETS）方法可以用于原子尺度上电声子耦合的研究。但是，由于实验上对高分辨率的要求和材料本身的特性限制，目前成功的案例局限于十分有限的固体材料，比如石墨或石墨烯、金属铜等。
过渡金属硫族化合物（TMD）是二维材料的重要分支，具有可调的本征带隙、谷自由度等特性，在电学、光学、自旋电子学等器件领域具有巨大的应用前景。2H-NbSe2是一种典型的TMD材料，作为电荷密度波（CDW）与超导共存体系的代表，它也是被STM研究最为广泛的材料之一（图2a）。近30年以来，该体系隧道谱上±35mV处拐点的起因一直困扰着该领域的研究者，也成为理解CDW机制的障碍（图2b）。研究团队通过低温强磁场STM/STS进行了高分辨的隧道谱测量，发现其隧道谱上±35mV以内存在复杂的精细结构（图2c）。通过在材料中掺Ta得到2H-TaxNb1-xSe2以压制体系中的CDW，发现精细结构仍然存在，排除了此前CDW能隙的解释。随后，通过计算电声子耦合谱函数，并提出一个简明的理论模型，证实这些精细特征（包括令人困惑的±35mV拐点）来自于非弹性电子隧穿过程（图2 d-f）。这个物理图像成功解释了所有实验数据，包括谱形对温度和磁场的依赖，同时也使得研究者在实验上成功演示了原子台阶对电声子耦合和超导电性的不同效应。
图2：（a）2H-NbSe2原子图像；（b）隧道谱上±35mV拐点（箭头所示）；（c）隧道谱上精细结构（箭头所示）;
（d)─(f) 实验得到的二次微分谱与计算得到的声子态密度和电声子耦合谱函数的比对
该项工作把微观尺度电声子耦合的研究拓展到了倍受关注的TMD材料中，从而可以方便地剪裁和构筑各种结构（包括低维）和器件进行电声子耦合的深入研究，也为了解电声子耦合对TMD材料与器件性能的影响提供了途径，是我校“双一流”建设主学科方向“功能材料与器件”的重要进展，安徽大学物质科学与信息技术研究院为本文的第一通讯单位。