伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員已經(jīng)檢測到電子電荷密度波的存在，當(dāng)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(zhì)量。

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這項(xiàng)新研究由助理教授Fahad Mahmood(物理，材料研究實(shí)驗(yàn)室)和博士后Soyeun Kim(斯坦福材料與能源科學(xué)研究所SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任博士后)領(lǐng)導(dǎo)，是對安德森 - 希格斯機(jī)制(質(zhì)量采集)的直接測量，也是電荷密度波材料中大質(zhì)量phason的首次已知演示， 40多年前的預(yù)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(jié)果最近發(fā)表在Nature Materials上。

物質(zhì)凝聚相的集體激發(fā)通常在發(fā)展各種材料的基礎(chǔ)理論中起著基礎(chǔ)作用，包括超導(dǎo)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(diǎn)的電子密度等于空間中另一點(diǎn)的電子密度。然而，在某些金屬中，電子密度會產(chǎn)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(jié)在空間中，如果波受到干擾，它將“環(huán)”(即產(chǎn)生其集體激發(fā))。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(fā)被稱為phason，類似于材料中的聲波 - 它的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。

40多年前，研究人員預(yù)測，如果phason與離子的背景晶格長距離(長程庫侖相互作用)強(qiáng)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(jù)說phason“獲得質(zhì)量”。

這種對phason的質(zhì)量獲取被認(rèn)為是由于宇宙中所有基本大質(zhì)量粒子獲得質(zhì)量的相同機(jī)制(這種現(xiàn)象被稱為安德森-希格斯機(jī)制)而發(fā)生的。對這種質(zhì)量采集的直接觀察仍然難以捉摸，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)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?yàn)槿绱?，系統(tǒng)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(zhì)量的激發(fā)提供質(zhì)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(zhì)量的相子應(yīng)該變得無質(zhì)量。

Mahmood，Kim和他們的合作者能夠研究(TaSe4)2I通過開發(fā)一種非線性光學(xué)技術(shù)，稱為低溫(小于10 K，-442°F)下的時域太赫茲(THz)發(fā)射光譜。使用這種技術(shù)，將持續(xù)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(chǎn)生系統(tǒng)的集體激勵。

他們檢測到的是頻率太赫茲區(qū)域輻射的巨大相子，帶寬非常窄。當(dāng)他們加熱材料時，巨大的phason變得無質(zhì)量(停止輻射)，與長期存在的理論預(yù)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(zhàn)性的材料，因?yàn)樗L為非常細(xì)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(cè)面照亮一盞燈”。

這項(xiàng)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(dāng)大的寬度，這使得太赫茲發(fā)射光譜能夠在這種材料上應(yīng)用。

“令人欣慰的是，多年前預(yù)測的集體模式終于在實(shí)驗(yàn)中被看到了，”麻省理工學(xué)院威廉和艾瑪羅杰斯物理學(xué)教授帕特里克·李評論道，他是預(yù)測電荷密度波中巨大phason的理論工作的先驅(qū)之一?！八f明了現(xiàn)代非線性光學(xué)技術(shù)的力量和實(shí)驗(yàn)學(xué)家的獨(dú)創(chuàng)性。這種方法是通用的，我們也可以看到其他集體模式的應(yīng)用。

在應(yīng)用水平上，在頻率的太赫茲區(qū)域產(chǎn)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(fā)為太赫茲發(fā)射器的可能性非常有前途。這種太赫茲發(fā)射的頻率和強(qiáng)度可以通過改變樣品特性、施加外部磁場或應(yīng)變來控制。

Mahmood總結(jié)說：“這是電荷密度波材料中大質(zhì)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(zhì)量的長期問題。這是一個重大結(jié)果，將對強(qiáng)相關(guān)材料領(lǐng)域以及理解材料中相互作用，密度波有序和超導(dǎo)性之間的相互作用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。