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付英双教授团队在一维电荷密度波态合作研究中取得进展
发布时间:2020-09-21

9月17号,物理学权威期刊《物理评论X》(Physcial Review X)在线发表了我院付英双教授团队题为:《Mo6Se6纳米线中纯一维电荷有序态的可能的相子-极化子效应》(Possible phason-polaron effect on purely one-dimensional charge order of Mo6Se6 nanowires)的研究成果。我院凝聚态物理所付英双教授和吕京涛教授为通讯作者,2016级博士生杨星和鲜晶晶为论文的共同第一作者。该工作与日本理化研究所Naoto Nagaosa教授、上海科技大学李刚教授合作完成。

在低维量子体系中电子的运动受到维度限制,造成电子之间的关联相互作用和电子与其他自由度的耦合效应增强,使系统倾向于产生新奇的衍生关联电子效应。其中电子和声子相互作用会造成金属体系费米面处的电子失稳打开能隙,产生晶格的周期性畸变,降低电子体系的能量。这种晶格周期畸变会使得电荷密度在空间上产生振荡,被称为电荷密度波态。一维体系中,费米面变为动量空间中的两个点,造成完美的嵌套构型,这使得费米面处的电子响应函数发散,在电声子耦合作用下更容易形成电荷密度波态。尽管相关理论机制在几十年前就已经明晰,但是一维体系中的量子涨落效应显著,这种涨落效应会破坏有序态。因此,目前实验上观测到的电荷密度波都是在有原子链相互耦合的准一维体系中发现的。实现在真实的纯一维体系中电荷密度波态的观测和研究涨落效应的影响成为领域内具有挑战性的难题。

团队成员利用精准的分子束外延技术在石墨化的碳化硅基底表面制备出只有单原子层厚的MoSe2薄膜,通过超高真空环境中的加热退火使得MoSe2边缘的Se原子脱附产生Mo6Se6纳米线。这种方式制备的纳米线有两种:一种在MoSe2边缘处,另一种只有两端与MoSe2接触(图1a)。由于与石墨烯衬底的相互作用很弱,第二种纳米线可以看作独立的,第一种则由于与MoSe2存在耦合是准一维的。这两种与环境具有不同程度耦合的纳米线为探测电荷密度波态提供了理想的测量体系。通过扫描隧道谱,发现耦合MoSe2的纳米线形成了清晰的实空间态密度振荡,并且在费米面处有包含相干峰的电荷密度波能隙(图1b)。而独立的纳米线尽管费米面处有完全打开的电荷密度波能隙,但是相干峰消失,并且其在实空间没有态密度的振荡(图1c)。进一步通过理论模型分析,结合第一性原理计算给出的参数,发现这两种不同电荷密度波态的产生与量子涨落效应密切相关。在扫描隧道谱探测构型下,隧穿电子激发起电荷密度波中的相子激发模式(图2a)。(相子指的是电荷密度波的相位对理想相位的偏离所产生的准粒子激发态。)在准一维体系中存在二维相子,其低能下态密度趋于零,对电荷密度波态的相干峰影响小;纯一维体系中存在一维相子,其低能态密度为常数,使得电荷密度波能隙的相干峰消失(图2b,c)。纯一维体系中强的电子-相子耦合产生了一种类似传统上电子-晶格畸变复合体的极化子,称之为相子-极化子。该工作提出的这种准粒子代表了一种新的集体激发模式,为研究纯一维体系中的量子涨落效应开辟了研究方向。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、日本学术振兴会等项目支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031061

图1. (a)生长在单层MoSe2边缘处的Mo6Se6纳米线(蓝色箭头所示)和独立的纳米线(粉色箭头所示)。(b,c)边缘处纳米线(b)和独立的纳米线(c)的电荷密度波能隙随温度的演化。

图2. (a)左图为扫描隧道谱测量Mo6Se6纳米线的实验构型。绿色小球表示隧穿电子。右图为电荷密度波是隧穿电子作用前后的变化。橙色小球表示原子链。隧穿电子产生了相子激发。(b,c)电荷密度波能隙的一维(b)和二维(c)相子-极化子准粒子能谱。

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