王楠林課題組在《物理評論快報》發表關於電荷密度波體系紅外和超...

2021-01-12 北京大學新聞網

電荷密度波是固體電子系統的一種集體凝聚現象，表現為晶體中電荷密度的周期性調製，一般也同時伴隨著出現新的晶格周期。作為多粒子系統的一種演生現象，電荷密度波一直是凝聚態物理感興趣的前沿課題之一。

電荷密度波狀態中不僅可以有單粒子激發同時還存在集體激發。單粒子激發最重要的特徵是存在能隙，反映出凝聚後的電子系統具有更低的基態能量，這與超導凝聚的單粒子激發非常類似。集體激發有兩種模式，一種是相位子激發，表現為電荷密度波的橫向集體運動；另外一種是振幅子激發，表現為電荷密度的縱向振動。理想情況下，電荷密度波的橫向集體運動並不改變電荷密度波的凝聚能，因而相位子激發不需要能量。由於電荷密度波自然攜帶電荷的原因，零能的相位子集體激發（即電荷密度波的集體橫向運動）應該導致材料無電阻的理想導電行為（超導）。實際材料由於有各種缺陷的存在，會將相位子激發釘扎在有限能量（通常在微波能量區間），因而並不出現理想的導電，通常只有當施加電場超過釘扎相位子激發的閾值時，電荷密度波材料才會出現顯著的非線性電流電壓行為，表現為電阻的急劇下降。這些現象通常稱為電荷密度波的滑移，受到廣泛的關注。另一方面，電荷密度波的縱向振幅子集體激發由於與晶格耦合在一起，其表現類似於晶格振動的光頻支聲子。理論上人們估算，振幅子激發的能量一般在10 meV量級。實驗上，人們的確在多種電荷密度波材料上觀察到這個能量尺度的振幅子激發。但總的說來對振幅子集體激發的研究非常之少。

最近北京大學量子材料科學中心王楠林教授領導的課題組研究了一種複雜的電荷密度波材料LaAgSb2，這是一種二維層狀結構材料，分別在207 K和184 K發生兩個電荷密度波相變。這兩個相變對應的電荷密度波的調製波矢非常小（或者說實空間的調製周期非常大），尤其是高溫對應的相變其超格子調製周期幾乎接近原晶格周期的40倍。利用紅外光譜，他們發現低頻光電導譜存在顯著的壓制，揭示電荷密度波相變導致單粒子激發譜上有能隙打開，絕大部分自由載流子由於費米面上打開能隙而丟失。尤其有意義的是，利用超快泵浦探測他們發現低溫存在兩個集體激發模式，其能量尺度非常小，在低溫極限下分別只有0.12 THz（～0.5 meV）和0.34 THz（～1.4 meV）。通過改變探測光波長等多種實驗條件，他們確認這兩個集體模式分別對應於兩個電荷密度波相變的振幅子集體激發模式。這是首次在電荷密度波材料中觀察到能量尺度如此之小的振幅子激發。該研究揭示它們與很小的電荷密度波波矢相關聯，並討論了其可能的物理效應。

該研究工作對認識電荷密度波的激發行為（尤其是集體激發）具有意義，已發表在《物理評論快報》【118，107402（2017）】。王楠林教授的博士後陳榮豔（現已任職北京師範大學物理系）是該文章的第一作者。上述研究得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃以及量子物質科學協同創新中心等項目經費的資助。

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編輯：安寧
論文原文

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