清華新聞網(wǎng)11月27日電 電荷密度波是一種在量子材料中廣泛存在的新奇物理現(xiàn)象，具有復(fù)雜的物理起源，且常與其他量子現(xiàn)象緊密關(guān)聯(lián)，如超導(dǎo)、Mott絕緣體、自旋密度波、配對(duì)密度波等。長(zhǎng)期以來(lái)，被觀(guān)測(cè)到的電荷密度波的取向總是與晶體結(jié)構(gòu)緊密耦合，沿特定方向排列。
近日，清華大學(xué)物理系李渭副教授團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)薛其坤教授團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)黃富強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在過(guò)渡金屬硫族化合物的電荷密度波研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用低溫掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）在2M相WS2中首次發(fā)現(xiàn)了一種與晶格對(duì)稱(chēng)性解耦的條紋狀電荷序。這種條紋狀電荷序在樣品不同區(qū)域表現(xiàn)出五種不同的取向，其波長(zhǎng)卻完全一致。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的電荷密度波理論，并揭示了強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)作用可能是其形成的驅(qū)動(dòng)力。
2M相WS2在不同溫度下具有超導(dǎo)、奇異金屬、費(fèi)米液體等多種量子行為。該材料還兼具Z2拓?fù)浞瞧接固匦?，其表面電荷有序、超?dǎo)和馬約拉納束縛態(tài)的共存受到廣泛關(guān)注。然而，該材料表面電荷有序的具體形成機(jī)制尚未明確。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)STM觀(guān)測(cè)，揭示了該電荷序在樣品不同區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出五種不同的取向，且在各區(qū)域中電荷序的波長(zhǎng)保持一致。這種“方向自由、周期不變”的特性，證明了該電荷序的取向與晶格結(jié)構(gòu)解耦，也表明其成因并非源于費(fèi)米面嵌套或特定方向聲子失穩(wěn)等傳統(tǒng)理論。研究還發(fā)現(xiàn)，該電荷序的轉(zhuǎn)變溫度在不同區(qū)域存在差異，且分布在21K到46K之間，位于2M-WS2的奇異金屬態(tài)溫區(qū)。電荷序與奇異金屬態(tài)強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)表明，驅(qū)動(dòng)這種非常規(guī)電荷序形成的關(guān)鍵，并非單一的電子或晶格行為，而是源于強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)與電-聲耦合之間復(fù)雜的協(xié)同作用。
研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中已證明2M-WS2磁通渦旋處馬約拉納束縛態(tài)的存在，并實(shí)現(xiàn)電荷序?qū)︸R約拉納束縛態(tài)的位置操控。此次研究對(duì)2M-WS2中電荷序起源的深入探索將為更精確地調(diào)控其量子態(tài)提供可能。該研究首次在實(shí)驗(yàn)上清晰地展示了電荷序可以完全與晶格解耦并進(jìn)行電子自組織，打破了傳統(tǒng)理論中電子有序與晶格自由度緊密耦合的認(rèn)知，為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)及非費(fèi)米液體物理提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
（A-D）不同方向的條紋電荷序。（E）條紋電荷序的方向與波矢統(tǒng)計(jì)。（F）電荷序的溫度演化及相圖。T*為電荷序的相變溫度
研究成果以“2M-WS2奇異金屬相中晶格解耦可旋轉(zhuǎn)條紋狀電荷序”（Lattice-decoupled rotatable stripe-like charge order within the strange metal phase of 2M-WS2）為題，于11月25日在線(xiàn)發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。
清華大學(xué)物理系2020級(jí)博士生肖克斌與2025屆博士畢業(yè)生郭云鍇為論文共同第一作者，李渭、薛其坤和黃富強(qiáng)為論文通訊作者。該研究理論計(jì)算由南京大學(xué)物理學(xué)院教授萬(wàn)賢綱和2020級(jí)博士生胡雅婷完成。合作者還包括北京航空航天大學(xué)教授湯沛哲和2022級(jí)博士生居永康，上海交通大學(xué)副研究員方裕強(qiáng)，清華大學(xué)物理系2022級(jí)博士生符達(dá)然、2021級(jí)博士生閻敬銘、2022級(jí)博士生彭毓聰和2023級(jí)博士生王宇陽(yáng)。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的資助。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2513493122
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
