仪器情报，伊利诺伊大学Nature解锁STM仪器的最新应用发现！

【科学背景】

六方晶体化合物提供了研究拓扑、几何阻挠和电子相关性相互作用导致的新奇态的理想平台。这类材料包括磁性金属，如承载大质量狄拉克费米子、Weyl点和Chern磁性，以及非磁性超导体AV3Sb5（其中A为K、Rb或Cs），这些材料展示了相关和拓扑态。

AV3Sb5化合物不仅具有超导性，还寄宿着一种电荷密度波（CDW）相，该相不仅破坏了额外的旋转和镜像对称性，还可能破坏了时间反演对称性。时间反演对称性的破缺对于不由自旋驱动的轨道磁性具有重要意义，如似已被提出几十年的环流电流相。然而，关于AV3Sb5中CDW是否破坏时间反演对称性的观点，因实验数据的矛盾而备受争议。尽管通过扫描隧道显微镜、和光学测量等多种手段显示出时间反演对称性的破缺，但某些STM测量和负的Sagnac干涉仪测量结果提出了挑战。

为了深入理解这一复杂现象，伊利诺伊大学的Vidya Madhavan团队在“Nature”期刊上发表了题为“Optical manipulation of the charge-density-wave state in RbV3Sb5”的研究论文，引起了不小的关注！科学家们采用了光耦合扫描隧道显微镜研究了RbV3Sb5的CDW相对电场和磁场的响应。他们发现，光场、磁场的作用能显著影响CDW的强度和晶格畸变，表明系统在自由能景观中可以从一个局部极小值切换到另一个。

通过群论分析，他们提出了一种简单的CDW配置，即一致通量相位，该配置不仅能满足实验观察条件，还能解释文献中看似矛盾的实验结果，如自发克尔效应。最后，他们的研究为在相关量子材料中实现原位光学应变和对称性破缺控制开辟了新的可能性。

【科学亮点】

（1）实验首次使用光耦合扫描隧道显微镜（STM），研究了六方超导体RbV3Sb5的CDW相对电场和磁场的响应。研究表明，RbV3Sb5的CDW相对于这些外界场的响应具有显著的电致伸缩和压电磁响应特性。

（2）实验结果显示，施加特定方向的偏振光（E1）改变了CDW的自由能景观，偏向了L1 CDW序参数，导致Q1处的CDW强度增加，相应地改变了该方向的晶格常数。另一方面，施加朝向样品表面的磁场减小了沿QB3方向的晶格常数，使得Q3处的CDW强度增加。这些观察说明了系统能够在自由能景观中的不同局部最小值之间切换。

（3）基于这些实验结果，本文提出了一种最简单的CDW配置，即一致通量相位，它具有磁空间群Cmmm并破坏时间反演对称性。这种配置不仅能解释RbV3Sb5的多项实验观察，还与现有的结构优化理论一致。

【科学图文】

图1：RbV3Sb5的Sb表面识别和CDW峰值强度。

图2. 2a0 × 2a0 CDW中光诱导的强度顺序切换。

图3. 光诱导的相对CDW强度切换的表征。

图4. 磁场诱导的相对CDW强度切换。

图5：协同的CDW通量相位。

【科学结论】

本文通过研究六方超导体RbV3Sb5的CDW相对电场和磁场的响应，深入探讨了时间反演对称性破缺及其对材料性质的重要影响。作者发现，施加特定偏振光或磁场能显著改变CDW峰的强度分布，这反映了系统在复杂的自由能景观中切换局部最小值的能力。特别是，作者确定了一种简单的CDW配置，即一致通量相位，这不仅满足了实验观测的各项条件，还解释了多种看似矛盾的实验结果，如克尔效应和结构优化。

此外，作者的研究还揭示了光子和非线性电子-声子耦合在介导CDW的电致伸缩响应中的重要性，这为未来利用光学手段动态控制量子材料的性质提供了新的可能性。总体而言，本文不仅在理论上深化了对复杂量子现象的理解，还为探索相关材料中新型电子态的应用潜力打开了新的研究方向。

原文详情：Xing, Y., Bae, S., Ritz, E. et al. Optical manipulation of the charge-density-wave state in RbV3Sb5. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07519-5