拓扑材料中电荷密度波边界模式的可视化

电荷密度波是某些材料中发生的量子现象，涉及传导电子的静态调制和晶格的周期性扭曲。这些波已在多种凝聚态材料中被观察到，包括高温超导体和量子霍尔系统。

虽然许多研究都对这些状态进行了调查，但迄今为止，对电荷密度波产生的边界状态的实验观察仍然很少。在最近发表在《自然物理》杂志上的一篇论文中，普林斯顿大学和全球其他研究所的研究人员可视化了拓扑材料Ta2Se8I中电荷密度波的体模式和边界模式。

“我们的研究小组专注于利用各种最先进的实验技术来探索量子物质的电子结构，以发现和研究量子物质的新型拓扑特性，”论文合著者马克西姆·利茨克维奇告诉Phys.org。“近年来，物理学界对探索Kagome材料的有趣和丰富的特性感到非常兴奋，这些材料错综复杂地交织着几何、拓扑和电子相互作用。”

Litskevich和他的同事是电荷密度波研究的先驱。几年前，他们发现了Kagome材料之一FeGe中电荷密度波、以电子电荷的空间调制和绝缘能隙为特征的多体量子态和无能隙边缘模式的共存。

虽然研究人员在FeGe中观察到了这两种共存状态，但这并不一定意味着一种状态导致了另一种状态。事实上，边缘状态也可能是微不足道的(非拓扑的)，或者可能源自与电荷密度波无关的拓扑。

“受到Kagome化合物研究的启发，我们的研究团队继续寻找电荷密度波和拓扑之间的联系，并将注意力转向一种准一维化合物Ta2Se8I，它表现出拓扑特性并经历向电荷密度波状态的转变(低于-10摄氏度)，”Litskevich说。

“令人兴奋的是，我们的扫描隧道显微镜测量揭示了低温电荷密度波态内的间隙边界模式(边缘状态)，随后在高温韦尔半金属态中消失。”

Litskevich和他的同事发现，他们观察到的边界模式振荡的空间周期和相位与Ta2Se8I中的电荷密度波的特征密切相关。这种相互依赖的关系表明边界模式和电荷密度波之间存在内在联系，他们后来通过理论建模证实了这一假设。

利茨克维奇说：“我们首次弥合了拓扑和电荷密度波系统之间的差距，标志着我们朝着解开量子世界的复杂性迈出了进步的一步。”

为了开展实验，研究人员采用了一种名为扫描隧道显微镜(STM)的实验技术。STM依靠细长的状探在原子水平上对材料进行成像，使他们能够仔细研究和检查准一维材料Ta2Se8I。

量，”Litskevich说道。“STM利用了尖锐金属尖端和样品导电表面之间的量子隧穿现象。由于量子隧穿，移动电子可以在尖端和样品之间泄漏，从而产生敏感电子设备可以检测到的微小电流。”

Ta2Se8I中电荷密度波边界模式的示意图。来源：设计：ChristinaPouss，马克斯普朗克研究所，创意：MdShafayatHossain和MaksimLitskevich。

随后，STM探检测到的隧道电流被用于以亚原子分辨率对材料表面进行成像。通过分析电流大小与施加电压的关系(一种称为隧道光谱的技术)，研究人员还能够按能级绘制出材料中电子的数量。

“对于我们研究的化合物Ta2Se8I，STM成像使我们能够通过突出显示低电荷区和高电荷区产生的电流差异来识别电荷密度波状态，”Litskevich说道。“此外，在将隧道电流从尖端引导到样品的原子级锋利边缘后，我们在Ta2Se8I的电荷密度波状态中检测到了间隙边界模式。”

Litskevich和他的同事首次观察到了Ta2Se8I电荷密度波产生的独特拓扑边界模式的可视化。对这种模式的观察提高了对电荷密度波的理解，为该领域的进一步研究铺平了道路。

“我们观察到的与电荷密度波相关的拓扑边界模式，表现出一种独特的拓扑结构，不同于传统的量子自旋霍尔边缘模式，”论文合著者MdShafayatHossain告诉Phys.org。“与通常的动量幅度相关光谱流不同，我们观察到的是动量相的&luo;光谱伪流&ruo;。具体来说，电荷密度波的波矢相保持无间隙，并连接间隙体积的各相，代表了一种非常奇特的状态。”

研究人员发现，Ta2Se8I中的电荷密度波及其间隙边界模式引起的绝缘间隙非常稳健，在高达260K的温度下仍能持续存在。这种温度稳健性可能有利于各种应用，并可促进利用这种模式的新技术的开发。

“我们的研究结果具有多方面意义，”侯赛因说。“Ta2Se8I(我们的材料平台)中电荷有序相的基态预计是轴子绝缘体，这是一种备受追捧的物质相。然而，我们发现Ta2Se8I缺乏非磁性轴子绝缘体所具有的拓扑表面态。”

虽然Litskevich、Hossain及其同事收集的观测结果突出了电荷有序相的拓扑性质，但它们对一些先前的理论解释提出了质疑。具体而言，他们认为与先前的假设相反，Ta2Se8I可能不是轴子绝缘体。

“我们预计，我们的工作将激励更广泛的科学界寻找拓扑材料中的更多CDW(破缺对称性)相，从而加深对这些新现象之间相互作用的理解，”侯赛因说。“在普林斯顿大学扎希德·哈桑教授的团队中，我们正致力于发现物质的新量子相。”

该研究小组发现的新阶段开辟了新的有趣的研究途径。基于他们最近的发现，Litskevich、Hossain和他们的同事现在计划探索电荷密度波与材料拓扑相互作用中出现的新量子现象。例如，他们将进一步研究电荷密度波与超导性之间的已知相似性。

“正如拓扑和超导性的结合产生了拓扑超导性——一个非常有前途的拓扑量子计算平台——拓扑电荷密度波对未来的量子计算和纳米技术也可能很重要，”侯赛因补充道。“我们打算进一步探索这些可能性。我们的近期目标是确定与这种奇异量子态相关的序参数。”

在接下来的研究中，侯赛因和他的同事还计划研究其他表现出电荷密度波的量子材料，以寻找类似的现象。最后，他们将继续探索量子材料中的新现象，并希望这将带来新的有趣发现。