二维笼目（kagome）晶格体系材料由于独特的晶体构型和拥有平带、范霍夫奇点和狄拉克锥等特殊的电子结构，为研究超导、电子关联以及拓扑及其相互作用提供了理想平台。其中，笼目超导体AV3Sb5 (A=K, Rb和Cs)因新颖的电荷密度波序、向列相序以及展现出的反常霍尔效应和可能的非常规超导电性等，激发了人们在笼目体系中寻找新奇物性的兴趣。探索具有类似笼目结构的新材料和对其特征电子结构的表征，对探讨笼目结构材料中的新奇现象和物性具有重要意义。
中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC7组博士杨鉴刚、解于洋等在导师、研究员周兴江与副研究员赵林的指导下，由中国科学院院士、纳米物理与器件重点实验室研究员高鸿钧、研究员杨海涛指导的博士赵振等提供高质量的笼目结构单晶样品，中国科学院大学教授苏刚指导的博士易鑫伟等进行第一性原理的电子能带结构计算，利用高分辨深紫外激光角分辨光电子能谱技术，对新型笼目结构化合物CsTi3Bi5的电子结构进行系统研究，观察到多重特征电子结构的共存，为笼目结构材料的研究提供了重要信息。
CsTi3Bi5与AV3Sb5拥有类似的晶体结构，体系具有较强的二维性。实验观测到的CsTi3Bi5费米面与理论计算结果高度一致，说明体系电子关联性较弱（图1）。CsTi3Bi5的能带结构与AV3Sb5相似，但相对于AV3Sb5，其整体能带结构上移了约0.9eV。研究表明，通过改变（V,Ti）位的原子，这类“135”笼目材料的电子结构可以在大能量范围内实现调控。这致使在CsTi3Bi5中由笼目晶格特殊的电子波函数相消干涉机制导致的特征平带接近费米能级（-0.24eV）（图2c）。第一性原理计算表明平带主要由Ti-3dx2-y2轨道的电子构成（图2d、e）。 同时，研究在该能量附近发现多个狄拉克电子结构（图3）。由于特殊的能带色散取向，这些狄拉克点属于第二类或第三类狄拉克点。能带计算表明，由于对称性保护狄拉克点在动量空间形成了节线（图3b）。同时，实验发现该材料存在表面态（图4），与理论预期的能带反转导致的拓扑非平庸表面态相吻合。在同一个材料中发现多重非平庸能带结构共存及其可调性，为探索笼目材料的新奇现象和物性提供了新平台。
近期，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院等的支持。
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图1. CsTi3Bi5晶体结构（a、b），测量的费米面（d、e）与能带计算的费米面（h、i）
图2. Kagome平带的观测
图3. 费米能级附近发现的狄拉克电子结构
图4. 观测到的拓扑非平庸表面态
内容来源：中国科学院
来源：中国科学院
原文链接：http://www.cas.cn/syky/202307/t20230724_4941514.shtml
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