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清华大学物理系在稀土金属碲化物的电荷密度波研究中取得进展

发布日期:2024年06月27日    浏览次数:1343

    层状稀土碲化物RTen (R为镧系元素, n = 2, 2.5, 3) 因其丰富的量子集体激发、超导电性、电荷密度波(CDW)和自旋密度波等物理现象被广泛研究。近期,一种新型稀土金属碲化物EuTe4表现出与这些传统层状碲化物截然不同的非常规热滞和电极化行为,其物理起源可能是EuTe4中双层-单层碲原子结构交替存在所导致的多种潜在电荷序。然而,在以往的研究中,仍缺乏对EuTe4中电荷序的直接观测。对该体系中多重CDW物态的发掘和机制探究将极大拓展现有的层状碲化物研究,并为CDW与非常规热滞等新奇物性之间建立更深刻的物理联系。

 

  近日,清华大学物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究团队与北京航空航天大学材料科学与工程学院汤沛哲教授、清华大学物理系徐勇教授和段文晖教授研究团队、杨乐仙副教授、及上海科技大学物质科学与技术学院郭艳峰副教授合作,利用低温扫描隧道显微镜结合第一性原理计算,系统研究了准二维稀土金属碲化物EuTe4中隐藏的CDW物态及其多重电子不稳定性。该团队发现,在4 K低温下,EuTe4中存在两种不同类型的电荷有序态:纺锤状CDW和条纹状CDW(如图1、2所示)。纺锤状CDW在77 K时几乎不可见,表明它是一种低温下的隐藏有序态,其调制波矢与晶格轴方向略有偏离,形成了独特的纺锤状结构;而条纹状CDW则在4 K和77 K时均可观察到,其电荷调制波矢与晶格轴方向一致。扫描隧道谱测量表明,不同CDW区域存在谱重转移,与实验中观测到的能带温度响应一致。

图1 低温下EuTe4中纺锤状CDW和条纹状CDW共存

 

  第一性原理计算给出了这些电子不稳定性的起源。在低温时,以条纹状CDW相为基础,存在与原初条纹状CDW波矢qstripe相垂直的嵌套波矢qoff-axis,该波矢与qstripe耦合,形成偏离晶格高对称方向的新波矢q0’,即纺锤状的CDW波矢(如图2所示)。这些发现展示出EuTe4中多种电荷有序态的竞争与共存,为理解其非常规热滞行为提供了线索,也为研究CDW材料中电子相互作用提供了新的视角。

图2 不同温度下EuTe4中电荷有序态的演化示意图

 

  该研究成果以《Hidden Charge Order and Multiple Electronic Instabilities in EuTe4》为题在线发表在2024年6月14日的《Nano Letters》上。清华大学物理系肖克斌、董文翰、王心童和余家威为该论文的共同第一作者,参与的博士生还有清华大学物理系符达然、胡志强、郭云锴、张琴琴,上海科技大学物质科学与技术学院侯骁飞。该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心、北京材料基因工程高精尖创新中心、合肥先进计算中心、上海科技大学“双一流”计划基金等项目的资助。