上世纪60年代，Lundgvist从理论上预测了固体材料中一种新的复合粒子，由空穴与等离激元的强耦合而产生的等离激元极化子，为凝聚态领域的复杂多体理论拓展了一个重要的研究分支。但是，普通金属中等离激元能量普遍较高（~10 eV），很难直接观测到其在电子结构中形成的独特特征—卫星型能带，这也导致上述理论预言迟迟无法得到实验证实。 

　　中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室研究员沈大伟、助理研究员刘正太课题组和上海科技大学研究员李刚课题组合作，利用上海光源原位电子结构研究平台，通过氧化物分子束外延（OMBE）-角分辨光电子能谱（ARPES）集成技术和第一性原理计算首次在半金属铱氧化物材料SrIrO₃电子结构中发现了低能等离激元极化子的直接证据，并且通过电荷掺杂实现了对该材料中极化子能量的有效调控。相关论文“Electron-plasmon interaction induced plasmonic-polaron band replication in epitaxial perovskite SrIrO₃ films”发表于《Science Bulletin》（IF=9.51）。 

　　研究团队使用MBE技术制备了高质量钙钛矿结构SrIrO₃薄膜，并且通过精确控制生长时间和生长速率实现了一系列不同厚度的外延薄膜制备。利用原位ARPES技术和第一性原理计算，首次在氧化物半金属中发现并证实了体等离激元极化子的存在，并且观测到电子-等离激元耦合效应所产生的特殊能带复制现象，见图1。此外，该研究还通过人为引入可控的电荷掺杂来有效改变其载流子浓度，实现了半金属材料SrIrO₃中等离激元极化子频率（能量）的有效调制。该项发现将为操纵等离激元极化子及带隙提供有效途径，对固态材料中的光子学和等离子学有重要的潜在应用价值。 

　　图1. MBE方式精确控制薄膜生长及电子-等离激元耦合诱导的能带复制 

　　此外，沈大伟、刘正太团队承担了基于上海光源的原位电子结构研究平台（BL03U线站）的建设和管理任务，并从2019年起依托该平台对新奇量子材料开展了系统性研究，取得了从电子结构角度理解其中新奇物理性质的系列重要进展：（1）首次实验观测到kagome晶格拓扑新材料CoSn中“教科书式”的极小带宽平带贯穿整个动量空间的奇异现象 [Nat. Comm. 11, 4002 (2020)]；（2）实验发现了拓扑半金属SrAs₃中存在仅由一个节线环构成的当前已知最为“纯净”的狄拉克节线型电子结构 [Phys. Rev. Lett. 124, 056402 (2020)]；（3）首次发现拓扑半金属PdSb₂中存在的六重简并费米子 [Phys. Rev. B 101, 155114 (2020)，编辑推荐文章]；（4）发现非中心对称拓扑材料IrBiSe中存在具有三维手性特征的巨大自旋劈裂，有望实现场控自旋流，进而实现自旋电子器件 [Rapid Res. Lett. 14, 1900684 (2020)，期刊封面文章]。 

　　中科院上海微系统所助理研究员刘正太为论文第一作者，中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室沈大伟研究员与上海科大学李刚研究员为论文的共同通讯作者。该工作获得了基金委国家重大仪器专项（项目批准号：11227902）等项目的支持。 

　　论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320306563