同一种超导材料，表面与内部的电子结构竟然存在明显差异。

中科大陈仙辉、何俊峰团队的最新研究，揭示了这一出人意料的现象。研究对象是一种名为4Hb-TaS₂的特殊超导材料。近年来，科学家在这种材料中发现了手性超导、双组分向列相超导、拓扑表面超导等多种奇异现象，但这些现象背后的物理机制，仍存在不少争议。

此前，研究人员一直关注这种材料中一种被称为「平带」的特殊电子结构。简单来说，在平带中，电子的能量随动量变化很小，运动受到限制，电子之间的相互作用因而更加突出。理论认为，材料中的1T-TaS₂原子层能够形成靠近费米能级的平带，为解释这种材料的复杂物理性质提供重要线索。

然而，当研究团队利用高分辨率角分辨光电子能谱技术，真正观察到这条靠近费米能级的平带时，却发现它只出现在最外层的1T-TaS₂表面。埋藏在材料内部的同类原子层，虽然也存在平带，但其能量位置远高于费米能级。

10月23日，中国科学技术大学公布了这一研究进展。中国科学院院士陈仙辉、何俊峰教授团队联合国内外研究人员，在天然超导异质结4Hb-TaS₂中发现反常电子结构，相关论文于10月21日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

论文标题： Anomalous Narrow-Band Correlation in a Natural Superconducting Heterostructure作者： 孙秀鹏、魏志远、单敏等（共同第一作者：孙秀鹏、魏志远；共同通讯作者：何俊峰、陈仙辉）机构： 中国科学技术大学物理系、土耳其科奇大学电气与电子工程系（Koç University）发表期刊：《美国国家科学院院刊》（PNAS，2026年10月21日）论文链接： https://doi.org/10.1073/pnas.2609173123

一种超导材料，为什么让科学家如此着迷？

4Hb-TaS₂并不是一种刚刚被发现的新材料。早在1973年，就已有研究报道了这种二硫化钽的特殊晶体结构。

它的特别之处在于，内部天然交替排列着两种不同的原子层：1H-TaS₂和1T-TaS₂。

其中，1H-TaS₂层具有超导特性，而1T-TaS₂层则是量子自旋液体的候选体系，并与电荷密度波等复杂电子现象密切相关。

如果把普通材料看作由同一种积木搭建而成，那么4Hb-TaS₂更像是两种不同积木交替堆叠起来的结构。科学家不必通过人工手段逐层组装，就能在一种天然晶体中研究不同电子状态之间的相互作用。

4Hb-TaS₂的晶体结构及不同表面的实验测量结果。材料由1H和1T原子层交替堆叠而成，晶体解理后可以分别形成1H或1T终止表面。图源：论文Figure 1。

这种特殊结构带来了不少令人意外的现象。近年来，研究人员相继在4Hb-TaS₂中发现了手性超导、双组分向列相超导、拓扑表面超导以及反常磁记忆等现象。如何解释这些不同电子有序态能够在同一种材料中共存，成为研究人员关注的问题。

此前的一种重要理论思路，将目光放在了1T-TaS₂层上。

在低温条件下，1T-TaS₂层会形成具有周期性「大卫之星」原子团簇的电荷密度波（CDW）结构，并产生狭窄平带以及相应的能隙。

通常情况下，电子可以在晶体中运动，具有一定的动能。而在平带中，电子的动能受到明显抑制。当平带靠近费米能级时，电子间的库仑相互作用就可能占据主导地位，促使材料形成强关联电子态。

因此，理论预测1T-TaS₂层中的平带靠近费米能级，并将其视为理解4Hb-TaS₂复杂物理性质的重要基础。

此前，扫描隧道谱（STS）实验已经在费米能级略上方观察到尖锐的电子态密度峰，与平带的存在相吻合。但在能够同时反映电子能量和动量的空间中，研究人员仍然缺少对这条平带的直接实验证据。

陈仙辉、何俊峰团队此次研究的一个重要目标，就是找到这条平带。

平带找到了，但材料内部并不是这样

为了直接观察平带，研究团队使用了具有较高空间分辨能力的角分辨光电子能谱技术（ARPES）。

简单来说，这项技术通过测量光照射材料后逸出电子的能量和运动方向，反推出材料中的电子能带结构。它能够直接展示电子能量如何随动量变化，从而判断是否存在理论预言的平带。

不过，对4Hb-TaS₂来说，实验还有一个难点。

这种材料由1H和1T原子层交替堆叠，晶体被解理后，最外层可能是1H，也可能是1T。如果光斑同时照射两种表面，测量得到的电子信号就可能混合在一起。

另一方面，由于光电子能够从材料表面以下一定深度逸出，即使只照射一种表面，研究人员也可能同时探测到最外层和其下方原子层的电子结构。

为此，团队使用较小的光斑，分别测量了1H和1T终止表面的电子结构，并通过不同表面的能带强度、能量位置以及混合表面的对照实验，区分了表层和次表层的信号。

结果，在1T终止表面，研究人员确实观察到了理论预言的平带。

通过对光电子能谱数据进行费米—狄拉克分布函数处理，这条平带在费米能级上方约40毫电子伏特的位置显现出来，其与价带顶部之间的能隙也与此前对1T电荷密度波态的理论预测相符。

但在1H终止表面，情况发生了明显变化。

由于ARPES也能够探测表面下方的1T层，团队得以比较两种位置的1T层电子结构。结果发现，埋藏在内部的1T层与表面1T层具有相似的能带色散关系，但整体能量位置存在明显差异。

更关键的是，内部1T层的平带位于远高于费米能级的位置，超出了光电子能谱对未占据电子态的直接探测范围。研究团队结合扫描隧道谱测量，对这一差异进行了确认。

4Hb-TaS₂不同终止表面的电子能带结构。D、E图分别为1H和1T终止表面的测量结果，粉色箭头标出了1T终止表面靠近费米能级的平带。图源：论文Figure 2。

为什么同样是1T-TaS₂层，位于表面和内部时，电子结构会有这么大的差别？

研究人员提出了一种可能的解释：层间电荷转移。

此前的研究表明，在4Hb-TaS₂中，电子会自然地从1T层向相邻的1H层转移。当1T层位于晶体表面时，只有一侧与1H层相邻；而埋在内部的1T层上下都有1H层，电子可能向两侧转移。

因此，内部1T层相比表面1T层失去更多电子，具有更高的空穴掺杂程度。这种载流子占据情况的差异，可能导致两种位置的1T层出现明显的能量移动。

团队的扫描隧道谱和芯能级测量也为这一解释提供了支持。

由此，研究团队得出了一个重要结论：此前理论预言的近费米能级平带，只存在于最外层的1T-TaS₂表面，而不能作为材料内部1T层普遍具有的电子结构特征。

升温、掺杂之后，又出现两个反常现象

发现表面与内部的差异后，研究团队继续对1T终止表面进行了两组实验。

第一组实验，是升高温度。

研究使用的4Hb-TaS₂样品，体相电荷密度波转变温度约为327 K，也就是54℃左右。

团队分别在150 K、340 K和370 K等温度下测量电子结构。随着温度升高，价带顶部逐渐向费米能级移动，原有能隙中的电子谱权重开始增加。

但令人意外的是，即使温度已经超过体相电荷密度波转变温度，研究人员仍然能够分辨出原有平带和电荷密度波能隙。同时，平带自身的能量位置并没有随温度发生明显变化。

1T终止表面在不同温度下的电子结构。150 K、340 K和370 K的测量结果显示，随着温度升高，价带顶部向费米能级移动，但平带及相关能隙在超过体相电荷密度波转变温度后仍然可以辨认。图源：论文Figure 3。

这表明，材料表面可能存在电荷密度波赝能隙现象。

研究人员提出，表面的电荷密度波有序可能延续至高于体相转变温度的范围，并可能以短程有序的形式存在。高温下逐渐展宽的电子谱峰，也与这种解释相符。

第二组实验，则是在材料表面逐步沉积钾原子，观察电子结构如何随掺杂变化。

此前针对单晶1T-TaS₂的研究发现，钾原子吸附在「大卫之星」团簇中心后，其提供的电子可以与团簇中的电子形成较强局域键合，使材料形成能带绝缘态。相关行为可以通过一种双组分局域模型解释。

研究团队希望知道，这套模型是否同样适用于4Hb-TaS₂。

最初沉积钾后，研究人员在费米能级下方约0.12电子伏特的位置，观察到一条新的平坦能带。与此同时，原有的近费米能级平带和电荷密度波能隙基本没有变化。

这一结果看起来与此前的局域模型相符。

然而，继续增加钾掺杂后，新的平坦能带向更深的结合能方向移动，原本的空穴型能带却向费米能级移动。

两条能带出现了相反方向的能量变化。

1T终止表面在连续钾掺杂过程中的电子结构变化。随着掺杂增加，新出现的平坦能带与原有空穴型能带沿相反方向移动，表现出传统双组分局域模型无法充分解释的反常行为。图源：论文Figure 4。

研究团队认为，这种现象已经超出了传统双组分局域模型的解释范围。

一种可能的机制是钾原子提供的巡游电子参与了这一过程。一方面，电子掺杂使新出现的平坦能带向更深的结合能方向移动；另一方面，巡游电子增强了屏蔽效应，减小了电荷密度波能隙，进而使原有空穴型能带向费米能级移动。

这也意味着，要理解4Hb-TaS₂中钾掺杂后的电子行为，不能只考虑局域电子之间的相互作用，还需要关注巡游电子所起的作用。

表面找到的平带，不能再代表整个晶体

长期以来，研究人员一直认为，4Hb-TaS₂中的1T层能够通过靠近费米能级的狭窄平带，为整个材料体系提供强电子关联。这一认识也成为解释该材料多种奇异物理性质的重要理论基础。

但此次研究发现，靠近费米能级的平带实际上只存在于最外层的1T表面，而非埋藏在材料内部的1T层。论文作者明确指出，这一结果直接推翻了以体相平带驱动的强电子关联机制解释4Hb-TaS₂宏观物理性质的既有理论框架。

除了表面与内部的差异，研究还揭示了1T表面电子行为的另外两个特点。温度实验发现，电荷密度波能隙在超过体相转变温度后依然存在，表明表面可能保留着短程电荷密度波有序。而连续钾掺杂实验中出现的反常能带移动，则说明传统的双组分局域模型不足以解释全部实验现象，巡游电子可能在其中发挥重要作用。

这些结果进一步表明，4Hb-TaS₂中不同原子层的电子结构和关联效应存在显著差异，不能简单地用表面1T层的电子行为解释整个晶体的物理性质。如何将表面与内部的电子结构差异，以及局域电子和巡游电子的相互作用纳入理论模型，将成为理解这一材料中多种奇异电子有序态的重要方向。

参考链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2609173123

https://news.ustc.edu.cn/info/1048/96684.htm

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