【儀表網 研發快訊】電荷密度波是一種在量子材料中廣泛存在的新奇物理現象，具有復雜的物理起源，且常與其他量子現象緊密關聯，如超導、Mott絕緣體、自旋密度波、配對密度波等。長期以來，被觀測到的電荷密度波的取向總是與晶體結構緊密耦合，沿特定方向排列。
近日，清華大學物理系李渭副教授團隊、南方科技大學薛其坤教授團隊與上海交通大學黃富強教授團隊在過渡金屬硫族化合物的電荷密度波研究方面取得重要進展。研究團隊利用低溫掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)在2M相WS2中首次發現了一種與晶格對稱性解耦的條紋狀電荷序。這種條紋狀電荷序在樣品不同區域表現出五種不同的取向，其波長卻完全一致。這一發現挑戰了現有的電荷密度波理論，并揭示了強電子關聯作用可能是其形成的驅動力。
2M相WS2在不同溫度下具有超導、奇異金屬、費米液體等多種量子行為。該材料還兼具Z2拓撲非平庸特性，其表面電荷有序、超導和馬約拉納束縛態的共存受到廣泛關注。然而，該材料表面電荷有序的具體形成機制尚未明確。
研究團隊通過STM觀測，揭示了該電荷序在樣品不同區域內表現出五種不同的取向，且在各區域中電荷序的波長保持一致。這種“方向自由、周期不變”的特性，證明了該電荷序的取向與晶格結構解耦，也表明其成因并非源于費米面嵌套或特定方向聲子失穩等傳統理論。研究還發現，該電荷序的轉變溫度在不同區域存在差異，且分布在21K到46K之間，位于2M-WS2的奇異金屬態溫區。電荷序與奇異金屬態強烈的關聯表明，驅動這種非常規電荷序形成的關鍵，并非單一的電子或晶格行為，而是源于強電子關聯與電-聲耦合之間復雜的協同作用。
研究團隊在前期工作中已證明2M-WS2磁通渦旋處馬約拉納束縛態的存在，并實現電荷序對馬約拉納束縛態的位置操控。此次研究對2M-WS2中電荷序起源的深入探索將為更精確地調控其量子態提供可能。該研究首次在實驗上清晰地展示了電荷序可以完全與晶格解耦并進行電子自組織，打破了傳統理論中電子有序與晶格自由度緊密耦合的認知，為理解強關聯效應及非費米液體物理提供了重要的實驗基礎。
(A-D)不同方向的條紋電荷序。(E)條紋電荷序的方向與波矢統計。(F)電荷序的溫度演化及相圖。T*為電荷序的相變溫度
研究成果以“2M-WS2奇異金屬相中晶格解耦可旋轉條紋狀電荷序”(Lattice-decoupled rotatable stripe-like charge order within the strange metal phase of 2M-WS2)為題，于11月25日在線發表于《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。
清華大學物理系2020級博士生肖克斌與2025屆博士畢業生郭云鍇為論文共同第一作者，李渭、薛其坤和黃富強為論文通訊作者。該研究理論計算由南京大學物理學院教授萬賢綱和2020級博士生胡雅婷完成。合作者還包括北京航空航天大學教授湯沛哲和2022級博士生居永康，上海交通大學副研究員方裕強，清華大學物理系2022級博士生符達然、2021級博士生閻敬銘、2022級博士生彭毓聰和2023級博士生王宇陽。
研究得到國家自然科學基金委員會、重點研發計劃、“量子通信與量子計算機”國家科技重大專項、上海市科學技術委員會、上海市青年科技啟明星計劃等的資助。
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