莱斯大学突破：磁场角分辨光电子能谱揭示量子材料新行为

莱斯大学的研究人员开发了magnetoARPES技术，首次将可调磁场整合到角分辨光电子能谱学（ARPES）中，使科学家能够观测到材料中以前无法触及的量子行为。这项发表在《自然·物理学》上的研究由黄建伟和易明领导，并在笼目超导体上进行了演示，该工具揭示了与奇异电子序相关的时间反演对称性破缺的证据。

突破长期存在的局限

角分辨光电子能谱是凝聚态物理学中最强大的工具之一，能够测绘材料内部电子的能量和动量。但磁场——物理学家用来操控量子态的最常用手段之一——历来被排除在ARPES实验之外，因为磁场会扭曲光电发射电子的运动轨迹。

经过数年的实验和模拟，莱斯大学的易明研究团队找到了解决这一问题的方法：使用螺线管线圈在样品位置产生一个可调的小型面外磁场，同时保留足够的动量分辨光谱信息以满足科研需求。

“这个项目最初只是一次小型探索性尝试，”物理学与天文学副教授易明说道。“然后一系列模拟和测试给出了越来越令人振奋的结果，直到我们发现由线圈产生的小型可调磁场能够使动量分辨电子能谱信息基本得以保留。”莱斯大学新闻

在Kagome超导体上进行测试

为了验证该技术，研究团队将目光转向了CsV₃Sb₅，这是一种以电荷密度波序和非常规电子态复杂相互作用而闻名的kagome超导体。在施加磁场的条件下，磁场角分辨光电子能谱揭示了动量依赖性响应，这些响应打破了旋转对称性，并与理论预测的环流序一致——环流序是指电子在晶格上沿相反方向循环流动的模式。

磁场使研究团队能够对齐相反电子循环方向的畴，使它们的集体行为首次能够在动量空间中直接探测到。“利用磁场角分辨光电子能谱，我们确认了kagome材料中的电子协同工作，使量子态打破时间反演对称性，”现任职于中山大学、该论文第一作者的黄建伟说道。“数据显示，这种对称性破缺与另一种称为电荷密度波的电子态相关联，从而让我们深入了解电荷密度波如何可能帮助形成超导性。”

开辟新的前沿领域

该研究首次提供了实验证据，直接在动量空间中证实了kagome材料中的时间反演对称性破缺，这一结果此前已有理论预测，但从未以如此直接的方式观测到。这项技术本身为研究各种材料（从非常规超导体到拓扑系统）中可场调控的量子相开辟了新的研究方向。

“证明在磁场中进行ARPES实验可以获得有用的信息，这是一个令人兴奋的起点，”易明说。“我们期待着这一能力带来的新发现，因为一个杰出研究团体的集体创造力和推动力将不断增强和改进这项技术。”莱斯大学新闻