1T-TiSe2電荷密度波相變機理研究取得重要進展

    近日，中科院物理所極端條件物理重點實驗室王楠林研究員領導的小組在電荷密度波材料1T-TiSe2的相變機理研究方面取得重要進展。他們成功證明該材料電荷密度波相變是從一個半金屬態到另一個半金屬態的相變，同時還研究揭示出相變後新的半金屬狀態在不同波矢方向電子型和空穴型能帶的起源。研究成果已發表在美國《物理評論快報》上 (Phys. Rev. Lett. 99, 027404 (2007))。

    電荷密度波和超導電性是凝聚態物質兩種重要的集體量子現象，是凝聚態物理的重要研究課題。層狀二維三角格子結構的二硫屬過渡金屬化合物是一類典型的電荷密度波體系。依照離子堆積的方式和對稱性的差別，該類材料可形成不同的結構，其中受到廣泛關注的是1T和2H結構類型(1和2 表示一個單胞含有的過渡金屬層數目，T和H表示結構具有的三角和六角對稱性)。2H型二硫屬過渡金屬化合物往往表現出電荷密度波和超導電性共存。1T型的二硫族過渡金屬化合物以往只觀察到電荷密度波相，去年美國普林斯頓大學化學系Cava研究組發現Cu插層1T-TiSe2後可以迅速壓制電荷密度波相變溫度，隨後出現超導電性。這是第一次在1T結構體系中實現超導電性，特別是該體系的電子相圖與銅氧化物高溫超導體的電子態相圖形狀很類似，只是高溫超導體的超導態是從反鐵磁Mott絕緣體摻雜而來，超導和反鐵磁自旋漲落聯繫密切；而這裡超導態是從電荷密度波態摻雜而來，超導和電荷漲落似乎密切相關。這一發現引起了國際同行的廣泛關注。王楠林研究組與Cava小組及普林斯頓大學物理系從事角分辯光電子能譜(ARPES)研究的Hasan小組三方密切合作對該體系的母體和Cu插層(摻雜)得到的超導體的電子結構和電荷動力學進行了深入研究。

    雖然CuxTiSe2超導體的母體1T-TiSe2是人們早就知道的電荷密度波材料，但關於電荷密度波相變的機制仍然不清楚。電子結構計算表明該材料是一個低載流子濃度的半金屬(semimetal)。ARPES實驗明確表明，Fermi能附近存在空穴和電子型兩個能帶，分別位於布裡淵區中心Gamma點和布裡淵區邊界L點。但由於有限的能量解析度和矩陣元效應，ARPES實驗不能清楚地給出1T-TiSe2到底是間接能隙很小的半導體還是能帶交疊很小的半金屬。諾貝爾獎獲得者W. Kohn在1967年提出過一個關於小間接能隙半導體或低載流子濃度半金屬由於激子形成導致電荷密度波相變的機制。但由於缺乏實際的例子，該相變機制未被寫入固體物理教科書乃至關於電子密度波相變的專著中。Kohn指出對於間接能隙很小的半導體或電子空穴能帶交疊很小的半金屬，由於電子和空穴的庫侖相互作用，可能導致形成電子和空穴的束縛態——激子。穩定的激子態只能存在於激子束縛能小於能隙的情形，如果激子束縛能大於間接能隙則會導致晶格結構的失穩，伴隨發生電荷密度波調製，進入一個新的激子穩定相。聯繫電子和空穴能帶的波矢剛好與結構相變後超格子相應的電荷密度波波矢相一致。但對半導體和半金屬，電子空穴相互作用導致的激子機制並不相同。對半導體情形，存在通常意義的激子能級。但對半金屬而言，電子空穴相互作用則是混合電子和空穴能帶，它們的雜化導致打開能隙，降低體系的能量。這種情形的電荷密度波稱為Overhauser電荷密度波。雖然人們早就意識到1T-TiSe2很像Kohn提出的激子驅動的電荷密度波相變，但由於很多基本問題不清楚而無法得到明確結論，特別是區分1T-TiSe2是半導體還是半金屬對認識其電荷密度波機制至關重要。

    王楠林研究組的李崗、胡婉錚等人利用具有極高能量解析度的光反射譜技術研究了材料在相變前後的電荷動力學響應，揭示出電荷密度波相變是從一個半金屬態到另一個半金屬態的相變，其中的載流子數目和載流子散射率在相變前後發生劇烈變化。通過與電子結構計算的細緻比較，他們揭示了相變後新的半金屬狀態在不同波矢方向電子型和空穴型能帶的起源。該結果強烈支持Kohn提出的在半金屬材料中激子驅動的Overhauser類型CDW相變。(結果見Phys. Rev. Lett. 99, 027404 (2007))。此外，王楠林還與普林斯頓大學研究組合作對Cu插層後電子結構的變化進行了細緻研究。揭示出Cu插入提供額外的電子，升高體系的化學勢，導致L點處的電子型能帶填充增加，體系由半金屬性向L點附近電子型能帶支配的金屬性轉化。(結果見Phys. Rev. Lett. 98, 117007 (2007))。在三方合作中，Cava小組提供晶體樣品，王楠林小組和Hasan小組分別用紅外光譜和角分辯光電子能譜技術研究電子結構和電荷動力學性質。這是他們繼在NaxCoO2體系開展的系列合作工作後的繼續。

    該工作得到了國家自然科學基金委，中國科學院和科技部項目的資助。