環球新消息丨在電荷密度波中觀察到難以捉摸的大質量相子

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員已經檢測到電子電荷密度波的存在，當它與材料的背景晶格離子長距離相互作用時，該電子會獲得質量。

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這項新研究由助理教授Fahad Mahmood(物理，材料研究實驗室)和博士后Soyeun Kim(斯坦福材料與能源科學研究所SLAC國家加速器實驗室現任博士后)領導，是對安德森 - 希格斯機制(質量采集)的直接測量，也是電荷密度波材料中大質量phason的首次已知演示， 40多年前的預測。

他們的論文“在電荷密度波絕緣體中觀察一個巨大的phason”，這些結果最近發表在Nature Materials上。

物質凝聚相的集體激發通常在發展各種材料的基礎理論中起著基礎作用，包括超導體、量子磁體和電荷密度波。在簡單的金屬中，電子均勻分布在空間中;空間中某一點的電子密度等于空間中另一點的電子密度。然而，在某些金屬中，電子密度會產生正弦(波)模式(電荷密度波)。

馬哈茂德解釋說，考慮到電荷密度波凍結在空間中，如果波受到干擾，它將“環”(即產生其集體激發)。它可以通過波模式振幅的變化而振鈴，或者電荷密度波可以來回滑動(相移)。后來的集體激發被稱為phason，類似于材料中的聲波 - 它的質量可以忽略不計。

40多年前，研究人員預測，如果phason與離子的背景晶格長距離(長程庫侖相互作用)強烈相互作用，那么它將試圖在移動時拖曳重離子。因此，phason將需要更多的能量來使其移動 - 據說phason“獲得質量”。

這種對phason的質量獲取被認為是由于宇宙中所有基本大質量粒子獲得質量的相同機制(這種現象被稱為安德森-希格斯機制)而發生的。對這種質量采集的直接觀察仍然難以捉摸，主要是因為大多數電荷密度波材料中不存在長程庫侖相互作用。

本研究中使用的材料，碘化鉭硒((TaSe4)2I)，是低溫下非常好的絕緣體，是電荷密度波最著名的絕緣體之一。正因為如此，系統中可能存在長程庫侖相互作用，這些相互作用可以為原本無質量的激發提供質量。從理論上講，如果材料被加熱，它的絕緣性會降低，庫侖相互作用會減弱，而大質量的相子應該變得無質量。

Mahmood，Kim和他們的合作者能夠研究(TaSe4)2I通過開發一種非線性光學技術，稱為低溫(小于10 K，-442°F)下的時域太赫茲(THz)發射光譜。使用這種技術，將持續時間小于150 fs(1 fs是十億分之一秒的百萬分之一)的超快紅外激光脈沖照射在(TaSe4)2我采樣，產生系統的集體激勵。

他們檢測到的是頻率太赫茲區域輻射的巨大相子，帶寬非常窄。當他們加熱材料時，巨大的phason變得無質量(停止輻射)，與長期存在的理論預測相匹配。

雖然(TaSe4)2我有利于承載巨大的phason，它可能是一種非常具有挑戰性的材料，因為它生長為非常細的針，使樣品對齊非常困難。金將這個過程描述為“試圖在筷子的側面照亮一盞燈”。

這項研究的合作者Daniel Shoemaker(MatSE，UIUC副教授)能夠成長(TaSe4)2I晶體具有相當大的寬度，這使得太赫茲發射光譜能夠在這種材料上應用。

“令人欣慰的是，多年前預測的集體模式終于在實驗中被看到了，”麻省理工學院威廉和艾瑪羅杰斯物理學教授帕特里克·李評論道，他是預測電荷密度波中巨大phason的理論工作的先驅之一。“它說明了現代非線性光學技術的力量和實驗學家的獨創性。這種方法是通用的，我們也可以看到其他集體模式的應用。

在應用水平上，在頻率的太赫茲區域產生窄帶輻射可能非常困難。然而，由于由于在(TaSe4)2我，將其(和其他此類材料)開發為太赫茲發射器的可能性非常有前途。這種太赫茲發射的頻率和強度可以通過改變樣品特性、施加外部磁場或應變來控制。

Mahmood總結說：“這是電荷密度波材料中大質量phason的首次已知證明，并解決了電荷密度波phason是否通過與長程庫侖相互作用耦合獲得質量的長期問題。這是一個重大結果，將對強相關材料領域以及理解材料中相互作用，密度波有序和超導性之間的相互作用產生深遠影響。