層狀稀土碲化物RTen(R為鑭系元素, n = 2, 2.5, 3) 因其豐富的量子集體激發(fā)、超導(dǎo)電性、電荷密度波（CDW）和自旋密度波等物理現(xiàn)象被廣泛研究。近期，一種新型稀土金屬碲化物EuTe4表現(xiàn)出與這些傳統(tǒng)層狀碲化物截然不同的非常規(guī)熱滯和電極化行為，其物理起源可能是EuTe4中雙層-單層碲原子結(jié)構(gòu)交替存在所導(dǎo)致的多種潛在電荷序。然而，在以往的研究中，仍缺乏對EuTe4中電荷序的直接觀測。對該體系中多重CDW物態(tài)的發(fā)掘和機制探究將極大拓展現(xiàn)有的層狀碲化物研究，并為CDW與非常規(guī)熱滯等新奇物性之間建立更深刻的物理聯(lián)系。
近日，清華大學(xué)物理系李渭副教授和薛其坤教授的研究團隊與北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院湯沛哲教授、清華大學(xué)物理系徐勇教授和段文暉教授研究團隊、楊樂仙副教授、及上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院郭艷峰副教授合作，利用低溫掃描隧道顯微鏡結(jié)合第一性原理計算，系統(tǒng)研究了準(zhǔn)二維稀土金屬碲化物EuTe4中隱藏的CDW物態(tài)及其多重電子不穩(wěn)定性。該團隊發(fā)現(xiàn)，在4 K低溫下，EuTe4中存在兩種不同類型的電荷有序態(tài)：紡錘狀CDW和條紋狀CDW（如圖1、2所示）。紡錘狀CDW在77 K時幾乎不可見，表明它是一種低溫下的隱藏有序態(tài)，其調(diào)制波矢與晶格軸方向略有偏離，形成了獨特的紡錘狀結(jié)構(gòu)；而條紋狀CDW則在4 K和77 K時均可觀察到，其電荷調(diào)制波矢與晶格軸方向一致。掃描隧道譜測量表明，不同CDW區(qū)域存在譜重轉(zhuǎn)移，與實驗中觀測到的能帶溫度響應(yīng)一致。
圖1 低溫下EuTe4中紡錘狀CDW和條紋狀CDW共存
第一性原理計算給出了這些電子不穩(wěn)定性的起源。在低溫時，以條紋狀CDW相為基礎(chǔ)，存在與原初條紋狀CDW波矢qstripe相垂直的嵌套波矢qoff-axis，該波矢與qstripe耦合，形成偏離晶格高對稱方向的新波矢q0’，即紡錘狀的CDW波矢（如圖2所示）。這些發(fā)現(xiàn)展示出EuTe4中多種電荷有序態(tài)的競爭與共存，為理解其非常規(guī)熱滯行為提供了線索，也為研究CDW材料中電子相互作用提供了新的視角。
圖2 不同溫度下EuTe4中電荷有序態(tài)的演化示意圖
該研究成果以《Hidden Charge Order and Multiple Electronic Instabilities in EuTe4》為題在線發(fā)表在2024年6月14日的《Nano Letters》上。清華大學(xué)物理系肖克斌、董文翰、王心童和余家威為該論文的共同第一作者，參與的博士生還有清華大學(xué)物理系符達然、胡志強、郭云鍇、張琴琴，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院侯驍飛。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、科技部、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心、合肥先進計算中心、上?？萍即髮W(xué)“雙一流”計劃基金等項目的資助。
