超原子是表现出单个原子的某些性质的原子团簇，当通过非共价键结合而排列成晶体时，它们可以组装成纳米结构。非共价键结合的内聚能较低，使得该材料更容易被切割。目前尚不清楚超原子之间被抑制的电子相互作用是否导致减弱的内聚能，这类材料中奇异的电子行为也是人们关注的热点。最近，中国人民大学物理学系的程志海教授课题组、季威课题组、王善才课题组以及中国科学院物理研究所郭建刚课题组组成合作团队，对一种新型超原子晶体Au6Te12Se8进行了研究。该材料是一种特殊的层状金属性超原子晶体，由超原子立方体Au6Te12Se8三维立体堆叠而成，立方体间通过Te…Te类共价准键连接而成，也是一种二维金基超导体。该研究团队利用低温扫描隧道显微镜、角度分辨光电子能谱、拉曼光谱、电输运测量以及密度泛函理论计算，对Au6Te12Se8的奇异电子结构进行了研究，其中利用到国家同步辐射实验室的角分辨光电子能谱实验站对电子结构进行了表征。
图1：（a）晶体表面的二维布里渊区和真实空间中的相应结构模型；（b）,（c）沿高对称方向的角分辨光电子能谱数据。
研究证明在这种非共价键合的层状超原子晶体中存在显著的电子-电子相互作用。这种相互作用导致了两种电荷有序态，即各向异性三倍周期电荷密度波和反平行锁定的极化金属态。这些发现表明，原子团簇通过非共价相互作用结合而成的超原子晶体可用于探索和操纵奇异的电子特性。由于超原子具有高度的可调性，通过定制超原子构建模块和模块间的相互作用，可以制备出更多的超原子晶体，从而获得传统量子材料所不具备的新奇物性。相关研究成果以《Interweaving Polar Charge Orders in a Layered Metallic Super-Atomic Crystal》为题发表于《Physical Review X》（Phys. Rev. X. 12, 041034 (2022)）。