Nature Communications 報道量子材料科學中心李源研究組與合作者關于電荷密度波序的高精度實驗探測

電荷密度波是電子自組織形成新的電荷空間周期性結構的現象。電荷密度波及有關現象是凝聚态物理中一個被長期研究的問題。近年來，由于銅氧化物高溫超導體中被發現了普遍存在的電荷有序實驗現象，電荷密度波序重新受到關注。與傳統認知中的電荷密度波序不同，銅基材料中觀察到的電荷序通常是短程的，且與納米尺度的無序現象共存。因此，揭示無序在電荷密度波的形成及發展過程中的作用，對理解電荷有序的普遍規律非常重要。然而，即使在經典的電荷密度波材料中，對于這一問題的理解也是很有限的。

為了研究這個問題，必須有合适的實驗探測手段。雜質對電荷密度波的影響包括電荷有序的關聯長度以及電荷疇的動力學，這些效果都是在介觀尺度上發生的。然而，至今為止大多數的研究要麼是基于較宏觀的探測手段，例如輸運或者熱學測量，要麼是基于納米尺度一下的微觀探測手段，例如掃描隧道顯微鏡等。

近日，beat365官方网站、量子材料中心的李源課題組與美國麻省理工學院及布魯克海文國家實驗室的研究人員合作，運用先進的相幹共振X射線彈性散射，研究了經典的電荷密度波材料三碲化锆（ZrTe3 ）中的雜質效應。相關結果于2020年1月7日發表在Nature Communications 期刊上。

布魯克海文國家實驗室NSLS-2光源的23-ID-I 實驗線站利用高亮度軟X射線以及高分辨率的面探測器，實現了倒易空間的超高分辨能力，因此可以探測倒易空間中位置僅微弱不同的衍射信号。同時，高相幹度的X射線可以經樣品表面不同的電荷密度波疇衍射後互相幹涉，産生幹涉的斑點圖樣，利用斑點圖樣可以表征樣品表面的電荷密度波疇的分布及動力學。該工作成功觀察到了樣品中的正常及雜質擾動狀态下的電荷序信号，揭示了雜質在電荷密度波體系中扮演的獨特而有趣的角色。

該項研究使用的是雜質密度很低的 ZrTe3 高質量單晶。通過在倒易空間的掃描及重構，研究者觀察到了倒易空間中共存的兩個衍射信号[Fig. 1 (a)]。在臨近電荷密度波轉變溫度TCDW = 64 K時，這兩個信号出現在同樣的動量位置上。随着降溫的進行，兩個信号逐漸分離[Fig. 1 (a-b)]，并表現出非常不同的變溫行為[Fig. 1 (d-f)]。這一實驗結果顯示存在另一個特征溫度，約為TLO = 56 K，在該溫度下長程電荷序方才形成。根據分析，這兩個峰中高強度且更銳利的峰是電荷密度波序的衍射峰，而另一個弱而且寬的峰很可能來源于雜質誘導的、類同于所謂Friedel 振蕩的電荷密度調制。

此外，通過在X射線入射到樣品前5毫米處加入一個直徑10微米的針孔（從而提升了X射線的相幹程度），可以觀察到樣品表面不同電荷密度波疇衍射的X射線産生的幹涉斑點圖樣[Fig. 2 (a-b)]，其随時間的變化反映了疇的動力學。研究團隊記錄了不同溫度下斑點圖樣随時間的演化[Fig. 2 (c-g)]，發現與較低溫的47 K和56 K相比，電荷疇在溫度62 K下異常穩定，這與按照常理溫度升高後熱擾動應該更強似乎有所矛盾。因此，在接近TCDW = 64 K 時，疇的穩定源自于雜質的釘紮效應。研究團隊據此提出了一個在存在較少雜質的情況下電荷序随降溫發展的圖像：電荷序發展的最初階段，分離的短程電荷序首先在雜質周圍出現并受雜質的釘紮作用穩定，随着降溫， 電荷的關聯長度迅速增加，分離的電荷密度波疇逐擴大，最終接壤，形成本征的電荷密度波序。

beat365官方网站量子材料中心的博士生嶽莉，麻省理工學院的博士生薛尚捷和李佳睿為文章的共同第一作者。麻省理工學院的Riccardo Comin以及量子材料科學中心的李源為共同通訊作者。相關的共振彈性X射線散射是在美國布魯克海文國家實驗室NSLS-2光源完成的。該工作得到了國家自然科學基金委以及科技部的經費支持。

論文相關信息：

Li Yue, Shangjie Xue, Jiarui Li, Wen Hu, Andi Barbour, Feipeng Zheng, Lichen Wang, Ji Feng, Stuart B. Wilkins, Claudio Mazzoli, Riccardo Comin* & Yuan Li*, “Distinction between pristine and disorderperturbed charge density waves in ZrTe3”, Nature Communications 11, 98 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13813-y