围绕原子核运行的电子占据着不同的形状，这些形状描述了在空间任意点找到电子的概率。在大多数材料中，这些轨道是随机取向的。但在一种新发现的量子态中，轨道自发地排列成周期性图案，其果断程度不亚于铁原子选择磁取向。这项发表在《自然·物理》杂志上的发现，提供了迄今为止纯轨道有序最清晰的实验证据。
这一发现是在一种名为Tb₂CoAl₄Ge₂（铽、钴、铝、锗）的金属间化合物中取得的。利用角分辨光电子能谱（ARPES），该技术通过紫外光测量从材料中射出的电子的能量和动量，研究人员观察到了独特的能带结构指纹：表面铽原子的5d轨道已排列成有序图案，打破了晶体晶格的旋转对称性。
这种被称为”自发对称性破缺态”的轨道有序，一直是凝聚态物理中最难以捉摸的概念之一。
第三自由度
在固态物理学中，电子具有三个基本自由度：电荷、自旋和轨道。电荷有序（电子密度的周期性调制）是电荷密度波等现象的根源。自旋有序产生磁性，包括铁磁性、反铁磁性以及新近被认识的交替磁性。作为第三成员的轨道有序，则一直难以被单独分离出来。
困难源于纠缠。在大多数材料中，轨道有序与晶格畸变、自旋排列和电荷调制紧密耦合。当轨道有序化时，晶格可能发生轻微畸变，即杨-特勒效应。当晶格畸变时，又可能将自旋推入特定排列。结果正如论文作者所指出的”先有鸡还是先有蛋的问题”：通常无法判断哪种有序驱动了另一种。
Tb₂CoAl₄Ge₂化合物规避了这一问题。轨道有序在表面出现时并未伴随晶格畸变或磁转变，使其成为罕见的近乎纯轨道有序、可被独立研究的范例。
为何重要
理论上，轨道有序被认为与凝聚态物理中一些最令人费解的现象有关。在锰氧化物（表现出庞磁电阻的锰氧化合物）中，轨道有序被认为在相图的形成中起着根本作用。在铁基高温超导体中，轨道有序被认为是向列相（一种材料的电子特性在无明显结构变化的情况下变得依赖于方向的状态）的驱动力。
在此之前，这些联系仍停留在理论层面，因为轨道有序无法与伴随的晶格和自旋效应分离。Tb₂CoAl₄Ge₂表面提供了一个洁净的实验平台，使研究人员能够独立检验关于轨道物理的预测。
窥见隐藏的有序
这一发现还展示了方法论的进步。ARPES已被用于研究电子能带结构数十年，但轨道有序会在ARPES光谱中留下独特的特征，即能带的分裂，反映了轨道构型的对称性破缺。研究人员分析了这种能带分裂，从而提取出轨道排列的模式。
铽的5d轨道，相对弥散的外壳轨道，被证明是值得关注的对象。它们的空间范围使其对局域电子环境敏感，而它们在晶体表面的位置使其能够在不受体相干扰的情况下被ARPES探测。
这一发现开启了量子材料研究的新篇章。如果轨道有序可以被分离，那么它就可以被操控；如果它可以被操控，那么它最终就可以被设计到利用它的材料中，从而有可能将轨道物理纳入量子器件设计的工具箱。
婷 翻译
本文依据知识共享署名4.0国际许可协议提供。内容摘自《自然·物理》发表的原始报告。