Nat. Nanotechnol.: Ta2Pd3Te5中单个杂质处激子配对破裂的光谱可视化

激子绝缘体中存在束缚电子-空穴对形成的凝聚体，为研究关联玻色量子态以及开发下一代器件应用提供了理想研究平台。但局域形成的配对如何演化出宏观相干性，这一机制至今尚不明确。

华中科技大学付英双教授、刘超飞副教授，南京大学王锐教授等人利用扫描隧道光谱技术，报道了激子绝缘体Ta2Pd3Te5中杂质诱导的激子配对解离现象。单个Te空位在激子能隙内产生一对谱峰，其能量对缺陷构型高度敏感，并可通过针尖电场连续调控，表明杂质散射具有可调性。谱图成像显示，亚带隙态的电子-空穴成分在空间上呈现各向异性且存在电子耦合。这些观测结果结合平均场建模，表明其起源于激发子对的破对现象。在电子-空穴高度失衡区域，会出现第二类配对解离效应：体系新增一对能量显著更低的亚能隙态，同时体现出不同激子序参量对应的配对解离之间的相互耦合。该研究观测到了原子尺度下局域激子解离的光谱特征信号，为揭示激子凝聚全过程中的临界行为提供了关键线索。

相关工作以《Spectral visualization of excitonic pair breaking at individual impurities in Ta2Pd3Te5》为题在《Nature Nanotechnology》上发表论文。

图文介绍

图1 Ta2Pd3Te5的形貌与隧道谱

Ta2Pd3Te5是一种具有正交晶格结构的范德华层状材料（图1a、b）。在每个单元格内的两个Te-Ta/Pd-Ta三层结构中，原子以准一维（1D）方式排列，Ta-Te或Pd-Te链沿b轴方向延伸。图1c展示了通过负载Ta2Pd3Te5簇的扫描隧道显微镜（STM）探针所获得的解离后(100)晶面典型的原子分辨率形貌图。图像中显示了沿c轴重复排列的五条平行Te链（标记为Te1-Te5）。DFT计算结果证实了这一点，模拟的基于Ta2Pd3Te5碲表面层的STM图案（图1d）与原子分辨率STM形貌图高度吻合。对表面碲晶格进行傅里叶变换后，得到晶格常数b0=3.70 Å和c0=18.6 Å，与先前的X射线衍射研究结果一致。

通过隧道光谱实验来探测局部电子结构。与局域态密度（LDoS）成正比的dI/dV隧道光谱表现出一个全局绝缘能隙（图1e）。以往扫描隧道谱与光电子能谱研究表明，该能隙由电子-空穴能带发生激子型杂化而形成。值得注意的是，仅当电子态（样品偏压Vb>0）时，在约50 mV处的激子能隙边缘才表现为一个明显的相干性峰值。通过将非零dI/dV的起始负偏压（约-35 mV）作为空穴态的能隙边缘，得到的能隙Δ低估为85 meV，低于光发射光谱法测得的值（20 K时约为100 meV）。

通过对Te1-Te5收集的谱图进行仔细分析，发现尽管能隙边缘的能量相近，但因局部化学环境的不同，谱线形状存在差异。这种谱学变化在空间分辨谱中表现得更为明显：在垂直于Te链方向上可观察到周期性的谱调制（图1f），但在沿Te链方向则无此现象（图1g），这充分证实了Ta2Pd3Te5具有准一维结构。

图2 杂质诱导的亚能隙态

在确定了激子能隙后，研究了杂质散射对可能的激子对破缺现象的影响。Ta2Pd3Te5中典型的缺陷表现为位于暗区附近、呈细长突起状的结构（图2a）。原子分辨率成像的统计分析表明，这些缺陷是表面碲空位（标记为VTe1-VTe4），主要分布在Te1-Te4链上。对VTe1-VTe4的模拟STM图像在定性上重现了缺陷区域STM拓扑图中观察到的亮斑夹杂的耗尽特征（图2b）。与无缺陷区域相比，所有类型缺陷的谱图均在能隙边缘两侧表现出一对明显的共振峰（图2c）。

为了探索VTe1-VTe4最具代表性的光谱特征，系统地使用伪彩色标尺，对测得的典型空位谱进行了排列与绘制。这些谱图根据亚能隙态中电子成分（Ee，空）和空穴成分（Eh，填满）的能量差2δ进行排序。由此得到的2δ有序谱基本根据空位目录进行分组。定量分析显示，不同类型的空位在2δ范围内具有统计学上的显著差异（图2d），且最可能的2δ值随着顺序VTe1→VTe3→VTe4→VTe2而逐渐增大。与超导体中的杂质态类似，激子配对解离态的能量也应与杂质和EI之间的耦合程度相似地相关。

为更系统地探究激子配对解离相关特性，研究了激子杂质态对外界微扰的响应规律。随着探针靠近样品并增大隧道电流It，缺陷处（例如VTe1）的亚能隙Ee,h状态逐渐向能隙边缘移动，其谱峰变宽，峰强不对称性减弱。结果表明，亚隙态杂质态与激子配对解离之间存在密切关联。通过进行温度依赖性实验，进一步验证了杂质诱导的激子配对解离。从杂质谱线随温度变化的趋势（图2g）可以看出，激子态的杂质亚能隙态向能隙中心移动，并且其谱线强度逐渐减弱。与考虑纯热效应的费米函数卷积后的谱线相比，测量得到的杂质谱线衰减速度更快。这说明体系存在额外的能量展宽机制，例如探针电势造成局域激子能隙被压制，或是量子配对“毒化效应”。

图3 亚能隙态的空间分布

由此自然引出下一个问题：与配对解离相关的亚能隙态在空间位置r上如何分布（图3）。沿缺陷区域采集空间分辨隧道谱（图3a），发现受Ta2Pd3Te5准一维晶体结构约束，亚能隙态沿c轴与b轴呈现截然不同的空间延展范围（对比图3b、3c）。更直接地，我们收集了相同缺陷在这些亚带隙态能量（E）下的dI/dV(r,E)映射（图3e、f）。结果显示，存在一个明显的延伸突起，其形态与缺陷结构高度一致，呈现出地形凹陷特征，并伴有明亮斑点。因此，这些光谱突起继承了从空位中心（图3a中的圆圈）所表现出的空间偏移。这种现象实际上源于预测的杂质态在准一维变形下产生的影响，而这些杂质态原本应以准圆形方式局部分布在空位外缘附近。

相比之下，在带隙之外的电子连续体（60 meV处）的dI/dV映射显示，缺陷附近的DoS被抑制（图3d）。这种光谱反转现象在能隙内外的态中均存在，类似于超导体中双电子配对破缺体系的情况。它表明了能隙方向上的谱权重转移，暗示着激发态能隙在容纳填充能隙激发态方面具有独特作用。为了描述亚能隙Ee,h态的空间分布，沿b轴和c轴方向穿过缺陷区域时提取了dI/dV(r,Ee,h)曲线（图3g、h）。定量分析显示，在c轴和b轴方向上，形貌突起的宽度差异显著（0.6 nm与2.5 nm）。

图4 不同激子序参量衍生的亚能隙态之间的相互耦合

最后，研究了电子非均匀性的影响。在Ta2Pd3Te5表面，电荷不均匀区域在光谱中表现为一个特征的正常态峰的明显分离能级Ep（图4b中的箭头所示）。在特定视野范围内（例如图4a），统计上Ep值较大和较小的区域分别被定义为I型和II型（图4c）。这两个区域的空间分布可通过在Ep附近获取的dI/dV图来可视化（图4d、e）。由于激发态能隙中心位于费米能级以下（图4b），这意味着Ta2Pd3Te5存在本征的电子-空穴不平衡，即电子过剩。与I型区域相比，Ep更小的II型区域具有更高的电子掺杂度，因此表现出更强的电子-空穴不平衡。实验表明，I型区域的缺陷有利于在能隙边缘附近形成亚能隙Ee,h态，即更高能量的亚能隙态（图4f）。相比之下，电子-空穴不平衡程度更高的II型区域缺陷则会形成更靠近费米能级的亚能隙态，即较低能量的亚能隙Ee,h态。

在谱测量过程中，发现当电流It增加到足够高的水平（>25 nA）时，可“触发”并放大低能隙态（图4h）。继续增大电流后，高能和低能态均会向能隙外的电子连续体移动。此外，低能隙态的存活温度远低于高能态。这些行为表明，低能亚能隙态是另一种类型的配对解离效应。动态库仑阻塞同样可能产生一种软隙，其部分类似于低能亚能隙态。值得注意的是，这种隙本质上具有偏置对称性，并且随着隧穿电流的增加而填充，这两点均与本文的观测结果不符（图4f、h）。

通过缺陷在实空间中求解激子有序态，然后计算相应的杂质态。这种空间分辨的计算得到了低能亚能隙态（图4g），该态可与高能亚能隙态（图4i）共存，这是由于杂质附近激子配对减弱所致。它们的共存表明，存在不同路径的共同隧穿效应，分别对应于杂质周围及远离杂质区域局部被抑制且未受扰动的激子有序参数。

文献信息

Spectral visualization of excitonic pair breaking at individual impurities in Ta2Pd3Te5，Nature Nanotechnology，2206.

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02218-w

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