【科研进展】吕佰晴在层状半导体中共存电荷密度波耦合相互作用研究上取得重要进展

共存序是强关联材料的重要特征，从非常规超导电性到拓扑序，很多有趣的物理现象都是由共存序引起。寻找共存序宏观现象的微观机制和相互作用一直是凝聚态物理的重要课题之一。在固体材料中，由于对称性破缺带来的有序态往往伴随着费米能级附近能隙的出现，能隙大小正比于序参量的幅值。一个典型的例子是电荷密度波有(CDW)。历史上，在一维链状体系中，费米面嵌套被认为是电荷密度波有序的主要成因，导致体系发生从金属态到半导体态的转变。然而，在准二维材料体系中，由于费米面结构较为复杂，完美的费米面嵌套通常难以实现，CDW能隙通常不会在费米面上处处打开。因此，即使在CDW状态下，系统仍然处于金属态。近期的研究发现，RTe₃体系（R代表除Pm, Eu, Yb和 Lu外的镧系元素）和EuTe₄均为准二维CDW材料，CDW均来自于Te方格子。出乎意料的是，两者虽然具有相似的费米面结构，均为部分嵌套，但电学输运性质去差异很大。如图1所示，RTe₃ 呈现金属性，而EuTe₄去层现反常的半导体输运性质，并且伴有巨大的热滞回现象[1-2]，这引起了研究人员的广泛关注[3-7]。

图1 RTe₃和EuTe₄的晶体结构、电子结构和输运性质对比

近期，上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院和张江高等研究院吕佰晴副教授、美国麻省理工学院Nuh Gedik教授、美国加州大学伯克利分校Alfred Zong研究员、北京大学王楠林教授等团队共同合作，通过具有时间能量动量分辨能力的角分辨光电子能谱（Tr-ARPES）成功观测到EuTe₄中两个电荷密度波（CDW）共存和相互作用导致的半导体行为的实验证据。研究发现Te单层和Te双层具有不同的CDW，这些CDW对应不同的能隙。在光激发后，Te单层和双层CDW呈现出不同的演化行为。如图2所示，其中，较大的双层CDW能隙表现出较少的重整化和较快的恢复。更有意思的是，即使是单层CDW，不同动量空间的能隙也呈现出不成比例的重整化行为，偏离了单一序参量下的同比例动力学演化特征。通过和DFT对比分析，研究人员发现这种偏离和CDW态下的反常半导体行为与单层-双层CDW间的耦合相互作用密切相关。

图2 EuTe₄光激发下单层和双层CDW的动力学演化

该工作不仅为EuTe₄中两种CDW共存下的关联基态以及相互作用机制提供了微观解释，还为研究其他准二维体系中的有序态的共存和超快激光操纵提供了一种非常有效的研究方案。相关成果近期发表在【Physical Review Letters 132, 206401 (2024)】上，吕佰晴副教授、Alfred Zong研究员为共同第一作者，Nuh Gedik教授为通讯作者，合作者包括北京量子信息科学研究院吴东教授、北京大学量子材料科学中心王楠林教授等，该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市等项目支持。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206401

References:

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[7]. Q. M. Liu et al., Room temperature nonvolatile optical control of polar order in a charge density wave, arXiv: 2310.102939 (2023).

The full paper is available by clicking Read More at the bottom of the article.

来源：李政道研究所

责任编辑：叶丹、朱敏

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