南开新闻网讯（通讯员 程丹）电子结构中的奇点在固体物理和材料科学领域中扮演着重要的角色，其出现在费米能级附近时，导致电子态密度发散，对解释超导性、铁磁、电荷密度波以及自旋密度波等相关电子现象至关重要。在材料设计和开发领域发挥中引入奇点，可以帮助科学家实现特定电子性质和功能的材料，从而对实际应用产生广泛影响。在最新的一项科学研究中，南开大学胡振芃教授团队提出了一种新材料——双层Kagome硼烯（命名为“BK-硼烯”），其在费米能级附近同时具有传统和高阶van Hove奇点，费米速度甚至超越了石墨烯。该结构的提出将为量子材料系统和其他领域的研究提供全新的平台，相关内容发表在国际专业期刊Advanced Science上。
Kagome晶格是一种共角连接三角形构成的二维结构，其呈现诸如van Hove奇点、平带以及Dirac能带等特点，在探索新型材料和量子效应方面具有重要的潜力，因而寻找具有稳定Kagome晶格的材料成为科学工作者的一个重要目标。早在2017年，该团队与实验合作者就利用扭转的双层硅烯产生电子Kagome晶格，从而实现非拓扑平庸的平带结构（Sci. Adv., 2018, 4, eaau4511）。在最近的工作中，该团队基于对称性破缺的理念独立设计了一系列新型晶格结构（Carbon Trends 2023, 11, 100256；Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 3941；Front. Phys., 2022, 17, 63505），并同实验研究组合作提出调控低维材料电子特性的方案（Small 2023, 19，2302192；ACS Nano 2022,16,13014）。在此基础上，团队成员通过将双层Kagome晶格旋转60度排列，设计了一种全新的晶格，并基于紧束缚近似模型，通过调控层间耦合强度来实现传统van Hove奇点向高阶van Hove转变（图1）。以该晶格为基础引入硼元素，通过系统的第一性原理计算，从而进一步提出BK-硼烯这种新材料。
图1. 双层Kagome晶格及层间耦合对电子结构的调控。
双层Kagome硼烯之所以备受瞩目，是因为它在费米能级附近同时具有传统和高阶van Hove奇点。相较于传统van Hove奇点，高阶奇点的发散性更强，可以促进复杂量子相的形成，从而引发一系列有趣的电子现象。不仅如此，双层Kagome硼烯中的传统和高阶van Hove奇点都在同一条能带中，而且高阶van Hove奇点恰好位于类狄拉克能带中，为实现复杂的关联效应提供了可能（图2）。这使得科学家们可以更深入地研究和探索这些奇点，以解锁新奇的电子现象，例如可以通过控制电子态来研究和实现超导性质，从而为超导研究提供关键平台。除此之外，BK-硼烯中的费米速度甚至达到了1.3× 106 m/s，超越了石墨烯，表明它在电子输运方面具有非凡的潜力。这一独特材料完全通过三中心两电子（3c-2e）σ型键形成，从而在各个维度上都表现出令人瞩目的稳定性——包括能量、动力学、热力学和机械稳定性，进一步拓展了该结构的应用前景。这一发现在量子材料的研究中开辟了新的视野，其独特的电子性质、超越石墨烯的费米速度，以及传统和高阶van Hove奇点的共存，为未来在超导性、电荷密度波、铁磁性和其他尖端量子现象方面的突破提供了潜力。
图2. 双层Kagome硼烯的电子结构及van Hove奇点（黑色箭头代表传统van Hove奇点，红色箭头代表高阶van Hove奇点）。
南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学博士后高乾为该文章的第一作者，胡振芃教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305059
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