说明四源干涉的图像，类似于凝聚态暗态的机制 图片来源：Chung et al

暗态是系统不与外部场（如光（即光子）或电磁场）相互作用的量子态。这些状态通常是由于系统与外部场相互作用的路径之间的干扰而发生的，使用光谱技术无法检测到。

韩国延世大学和其他研究所的研究人员最近在二硒化钯中发现了一些无法探测的凝聚态，二硒化钯是一种量子系统，其原始单元中具有两对亚晶格。

他们的观察结果发表在《自然物理学》（Nature Physics）上的一篇论文中进行了概述，可能对材料、量子态和相关现象的研究产生有趣的影响。

“角度分辨光电子能谱是物理学家了解电子在固体中的行为方式的一种强大的实验技术，”延世大学物理学教授、该论文的合著者 Keun Su Kim 告诉 Phys.org。

“根据经验，众所周知，并非所有电子都是通过角度分辨光电子能谱检测到的。换句话说，一些电子是可检测到的，但其他电子是不可检测到的。

长期以来，物理学家认为无法使用光谱技术检测某些电子与用于进行实验的方法有关，而不是与材料的内在特性有关。

然而，在之前对具有一对亚晶格的简单元素材料（如石墨烯和黑磷）的研究中，Kim 和他的同事表明，这种难以捉摸实际上与材料的内在特性密切相关。

图像说明了固体中的四种电子状态，具有两对索引为 A、B、C 和 D 的亚晶格。钯二硒、铜酸盐超导体和氢化铅钙钛矿具有独特的晶体对称性，称为多重滑镜对称性。这些对称性使所有电子简化为仅四种，在图中以蓝色、红色、黄色和绿色显示。蓝色只是亮态，红、黄、绿是暗态。通过比较模型和数据可以很容易地识别出，在角度分辨的光电子报光谱中只能观察到蓝色。图片来源：Chung 等人

“我们深入研究了这个问题，将其扩展到具有两对亚晶格的材料，发现有一些电子在任何实验条件下都无法检测到，”Kim 说。“简单地说，我们只能看到预期可检测的电子（亮态）的实验信号，而看不到预期不可检测的电子（暗态）的任何实验信号。”

为了进行实验，研究人员采用了一种称为角度分辨光电子能谱的技术。这种广泛使用的实验技术利用了阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 首次发现的光电效应来收集有关材料电子结构的信息。

从本质上讲，Kim 和他的同事用高能光子束照射他们的样品。这束能量从样品中射出一些电子，使它们能够收集有关它们在样品中时表现出的能量和动量的信息。

“在这项工作中，我们研究了三种材料，二硒钯 （PdSe2）、铜酸盐超导体 （Bi2锶2CaCu （钙铜）2O8+δ 或 Bi-2212）和卤化铅钙钛矿 （CsPbBr3），“Kim 解释道。“这三种材料的一个重要共同特性是它们具有一定的晶体对称性（多个滑镜对称性），这使得固体样品中的所有电子都可以被表征为四种类型之一。”

从本质上讲，研究人员发现，具有两对亚晶格的量子系统中的电子可以分为四个不同的类别。其中一种类型的电子可以使用角度分辨光电子光谱法检测到，而其他三种类型的电子则无法检测到，因为它们处于暗状态。

“目前只是一种可能性，但我们的结果提供了一种新方法来解释高温超导研究中长期存在的问题之一，称为'费米弧'，”Kim 说。“我们的本质太复杂了，无法将所有内容都包含在理论模型中，并且通常需要选择包括哪些内容和排除哪些内容以进行近似计算。严格来说，铜酸盐超导体的单元结构中存在亚晶格，但到目前为止，这些亚晶格一直被忽视。

小组成员在同步辐射下进行角度分辨光电子能谱实验 图片来源：美国 Advanced Light Source 和英国 Diamond Light Source。

该团队最近的工作证明了在各种量子系统中存在具有两对亚晶格的暗态，包括二硒化钯、铜酸盐超导体和卤化铅钙钛矿。未来，它可能对这些材料的研究产生重要影响，有可能拓宽对其基本物理学的理解。

“我们的研究结果提出了一个问题，即在解释从这些材料收集的角度分辨光电子发射光谱数据时，在铜酸盐超导体的单元结构中省略亚晶格是否真的可以，”Kim 补充道。“我们未来研究的计划是在相同的背景下更深入地研究铜酸盐超导体的费米弧问题。我们已经取得了一些有希望的结果，并且正在撰写下一篇文章。

更多信息：Yoonah Chung 等人，具有两对子晶格的量子系统中电子的暗态，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02586-x

期刊信息： Nature Physics