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2023-03-15 07:51:15
诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员检测到电子电荷密度波的存在，当它与材料的背景晶格离子长距离相互作用时，电子会获得质量。
这项由助理教授 Fahad Mahmood(物理学、材料研究实验室)和博士后 Soyeun Kim(现任斯坦福材料与能源科学研究所 SLAC 国家加速器实验室博士后)领导的新研究是对 Anderson-Higgs 机制的直接测量(质量采集)和电荷密度波材料中大规模相子的首次已知演示，这是 40 多年前做出的预测。
(资料图)
他们的论文“Observation of a massive phason in a charge density wave insulator”最近发表在Nature Materials上。
物质凝聚相的集体激发通常在发展各种材料的基础理论方面发挥基础作用，包括超导体、量子磁体和电荷密度波。在简单的金属中，电子在空间中均匀分布;空间中一点的电子密度等于空间中另一点的电子密度。然而，在某些金属中，电子密度会形成正弦(波)模式(电荷密度波)。Mahmood 解释说，考虑到电荷密度波在空间中冻结，如果波受到干扰，它将“响起”(即产生集体激发)。它可以通过波形振幅的变化而响起，或者电荷密度波可以来回滑动(相移)。
40 多年前，研究人员预测，如果相子与背景离子晶格发生长距离强烈相互作用(长程库仑相互作用)，那么它会在移动时尝试拖动重离子。因此，相子需要更多的能量才能移动——相子被称为“获得质量”。相子的这种质量获取被认为是由于宇宙中所有基本大质量粒子获取质量的相同机制(一种称为安德森-希格斯机制的现象)而发生的。对这种质量采集的直接观察仍然难以捉摸，主要是因为在大多数电荷密度波材料中不存在长程库仑相互作用。
本研究中使用的材料是碘化钽硒 ((TaSe 4 ) 2 I)，它在低温下是一种非常好的绝缘体，并且是最著名的电荷密度波绝缘体之一。因此，系统中可能存在长程库仑相互作用，并且这些相互作用可以为原本无质量的激发提供质量。理论上，如果材料被加热，它会变得不那么绝缘，库仑相互作用会减弱，并且有质量的相子应该变得没有质量。
Mahmood 、Kim 和他们的合作者能够通过在低温(小于10 K，-华氏 442 度)。使用这种技术，持续时间小于 150 fs(1 fs 是十亿分之一秒的百万分之一)的超快红外激光脉冲照射在 (TaSe 4 ) 2 I样品上，产生系统的集体激发。他们检测到的是在太赫兹频率区域辐射的大量相子，带宽非常窄。当他们加热材料时，大质量相子变得没有质量(停止辐射)，这与长期以来的理论预测相符。
虽然 (TaSe 4 ) 2 I 有利于承载巨大的相子，但它可能是一种非常具有挑战性的材料，因为它会长成非常细的针状，使得样品对齐非常困难。金形容这个过程“就像试图在筷子的侧面发光”。这项研究的合作者 Daniel Shoemaker(副教授，MatSE，UIUC)能够生长具有相当大宽度的 (TaSe 4 ) 2 I 晶体，这使得太赫兹发射光谱能够在这种材料上应用。
麻省理工学院威廉和艾玛罗杰斯物理学教授帕特里克李评论说：“很高兴看到多年前预测的集体模式终于在实验上出现密度波。“它体现了现代非线性光学技术的力量和实验者的独创性。该方法是通用的，我们也可能会看到其他集体模式的应用。”
在应用层面，在太赫兹频率区域产生窄带辐射可能非常困难。然而，由于 (TaSe 4 ) 2 I 中的大质量相子导致的非常窄的太赫兹辐射带宽，开发它(和其他此类材料)作为太赫兹发射器的可能性非常大。这种太赫兹发射的频率和强度可以通过改变样品特性、应用外部磁场或应变来控制。
Mahmood 总结道：“这是电荷密度波材料中大质量相子的首次已知演示，并解决了电荷密度波相子是否通过与长程库仑相互作用耦合获得质量这一长期存在的问题。这是一项重大成果，将对强相关材料领域以及对材料中相互作用、密度波排序和超导性之间相互作用的理解产生深远影响。”
这项工作的其他贡献者包括 Yinchuan Lv(研究生，物理学，UIUC)、Xiao-Qi Sun(博士后，物理学，UIUC)、Chengxi Zhao(研究生，MatSE/MRL，UIUC)、Nina Bielinski(研究生，物理学/ MRL, UIUC), Azel Murzabekova (研究生, Physics/MRL, UIUC), Kejian Qu (研究生, Physics/MRL, UIUC), Ryan A. Duncan (博士后, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC 国家加速器实验室)，Quynh LD Nguyen(项目科学家，斯坦福脉冲研究所/斯坦福材料与能源科学研究所，SLAC 国家加速器实验室)，Mariano Trigo(首席科学家，斯坦福脉冲研究所/斯坦福材料与能源科学研究所，SLAC国家加速器实验室)和 Barry Bradlyn(UIUC 物理学助理教授)。