在电荷密度波中观察到难以捉摸的大质量相子

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员已经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，该电子会获得质量。


(资料图片)

这项新研究由助理教授Fahad Mahmood(物理，材料研究实验室)和博士后Soyeun Kim(斯坦福材料与能源科学研究所SLAC国家加速器实验室现任博士后)领导，是对安德森 - 希格斯机制(质量采集)的直接测量，也是电荷密度波材料中大质量phason的首次已知演示， 40多年前的预测。

他们的论文“在电荷密度波绝缘体中观察一个巨大的phason”，这些结果最近发表在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中起着基础作用，包括超导体、量子磁体和电荷密度波。在简单的金属中，电子均匀分布在空间中;空间中某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，电子密度会产生正弦(波)模式(电荷密度波)。

马哈茂德解释说，考虑到电荷密度波冻结在空间中，如果波受到干扰，它将“环”(即产生其集体激发)。它可以通过波模式振幅的变化而振铃，或者电荷密度波可以来回滑动(相移)。后来的集体激发被称为phason，类似于材料中的声波 - 它的质量可以忽略不计。

40多年前，研究人员预测，如果phason与离子的背景晶格长距离(长程库仑相互作用)强烈相互作用，那么它将试图在移动时拖曳重离子。因此，phason将需要更多的能量来使其移动 - 据说phason“获得质量”。

这种对phason的质量获取被认为是由于宇宙中所有基本大质量粒子获得质量的相同机制(这种现象被称为安德森-希格斯机制)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，碘化钽硒((TaSe4)2I)，是低温下非常好的绝缘体，是电荷密度波最著名的绝缘体之一。正因为如此，系统中可能存在长程库仑相互作用，这些相互作用可以为原本无质量的激发提供质量。从理论上讲，如果材料被加热，它的绝缘性会降低，库仑相互作用会减弱，而大质量的相子应该变得无质量。

Mahmood，Kim和他们的合作者能够研究(TaSe4)2I通过开发一种非线性光学技术，称为低温(小于10 K，-442°F)下的时域太赫兹(THz)发射光谱。使用这种技术，将持续时间小于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(TaSe4)2我采样，产生系统的集体激励。

他们检测到的是频率太赫兹区域辐射的巨大相子，带宽非常窄。当他们加热材料时，巨大的phason变得无质量(停止辐射)，与长期存在的理论预测相匹配。

虽然(TaSe4)2我有利于承载巨大的phason，它可能是一种非常具有挑战性的材料，因为它生长为非常细的针，使样品对齐非常困难。金将这个过程描述为“试图在筷子的侧面照亮一盏灯”。

这项研究的合作者Daniel Shoemaker(MatSE，UIUC副教授)能够成长(TaSe4)2I晶体具有相当大的宽度，这使得太赫兹发射光谱能够在这种材料上应用。

“令人欣慰的是，多年前预测的集体模式终于在实验中被看到了，”麻省理工学院威廉和艾玛罗杰斯物理学教授帕特里克·李评论道，他是预测电荷密度波中巨大phason的理论工作的先驱之一。“它说明了现代非线性光学技术的力量和实验学家的独创性。这种方法是通用的，我们也可以看到其他集体模式的应用。

在应用水平上，在频率的太赫兹区域产生窄带辐射可能非常困难。然而，由于由于在(TaSe4)2我，将其(和其他此类材料)开发为太赫兹发射器的可能性非常有前途。这种太赫兹发射的频率和强度可以通过改变样品特性、施加外部磁场或应变来控制。

Mahmood总结说：“这是电荷密度波材料中大质量phason的首次已知证明，并解决了电荷密度波phason是否通过与长程库仑相互作用耦合获得质量的长期问题。这是一个重大结果，将对强相关材料领域以及理解材料中相互作用，密度波有序和超导性之间的相互作用产生深远影响。