物理學(xué)家對(duì) 2022 年的發(fā)現(xiàn)感到驚訝，即磁性鐵鍺晶體中的電子可以自發(fā)地集體地將它們的電荷組織成具有駐波的圖案。磁性也源于電子自旋形成有序模式的集體自組織。這些模式很少與那些產(chǎn)生電子駐波的模式共存，物理學(xué)家稱之為電荷密度波。

在發(fā)表在《自然物理學(xué)》上的一項(xiàng)研究中，萊斯大學(xué)的物理學(xué)家Ming Yi和Pengcheng Dai以及他們?cè)?022年研究中的許多合作者提出了一系列實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明他們的電荷密度波發(fā)現(xiàn)仍然很少見(jiàn)，在這種情況下，磁性和電子秩序不是簡(jiǎn)單地共存，而是直接聯(lián)系在一起。

“我們發(fā)現(xiàn)磁性巧妙地改變了材料中電子能量狀態(tài)的景觀，以促進(jìn)和準(zhǔn)備電荷密度波的形成，”該研究的共同通訊作者Yi說(shuō)。

該研究由賴斯大學(xué)的十幾名研究人員共同撰寫(xiě);橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL);SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室;勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室;華盛頓大學(xué);加州大學(xué)伯克利分校;以色列魏茨曼科學(xué)研究所;以及中國(guó)的南方科技大學(xué)。

鐵鍺材料是戈薇晶格晶體，這是一個(gè)備受研究的材料家族，其原子的2D排列讓人聯(lián)想到傳統(tǒng)日本戈薇籃子中的編織圖案，其特點(diǎn)是角處接觸的等邊三角形。

“戈薇材料最近席卷了量子材料世界，”易說(shuō)。“這種結(jié)構(gòu)很酷的地方在于，幾何形狀對(duì)電子如何被允許縮放施加了有趣的量子約束，有點(diǎn)類(lèi)似于交通環(huán)形交叉路口如何影響交通流量，有時(shí)甚至?xí)屗Ｏ聛?lái)。

從本質(zhì)上講，電子相互避免。他們這樣做的一種方法是將他們的磁性狀態(tài) - 指向向上或向下的自旋 - 與鄰居的自旋方向相反。

共同通訊研究作者戴說(shuō)：“當(dāng)放在戈薇晶格上時(shí)，電子也可以出現(xiàn)在一種狀態(tài)，由于量子干涉效應(yīng)，它們被卡住了，無(wú)法去任何地方。

當(dāng)電子不能移動(dòng)時(shí)，三角形排列會(huì)產(chǎn)生一種情況，即每個(gè)電子有三個(gè)鄰居，并且電子無(wú)法將所有相鄰的自旋集體排序在相反的方向上。戈薇晶格材料中電子固有的挫敗感早已得到認(rèn)可。

Yi說(shuō)，晶格以“可以對(duì)材料的可觀察特性產(chǎn)生直接影響”的方式限制電子，并且該團(tuán)隊(duì)能夠利用它“更深入地探索鐵鍺中磁性和電荷密度波交織的起源”。

他們結(jié)合了在ORNL進(jìn)行的非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)和在LBNL的高級(jí)光源和SLAC的斯坦福同步輻射光源以及Yi在賴斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的角度分辨光發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)。

“這些探針使我們能夠觀察電子和晶格在電荷密度波形成時(shí)的作用，”她說(shuō)。

戴說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了該團(tuán)隊(duì)的假設(shè)，即電荷順序和磁順序在鐵鍺中是相關(guān)的。“這是為數(shù)不多的，如果不是唯一的，已知的戈薇材料的例子之一，磁性首先形成，為電荷排列鋪平道路，”他說(shuō)。

Yi說(shuō)，這項(xiàng)工作表明好奇心和對(duì)自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究如何最終導(dǎo)致應(yīng)用科學(xué)。

“作為物理學(xué)家，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)自發(fā)形成某種秩序的材料時(shí)，我們總是很興奮，”她說(shuō)。“這意味著我們有機(jī)會(huì)了解量子材料基本粒子的自組織能力。只有有了這種理解，我們才有朝一日有希望設(shè)計(jì)出具有新穎或奇特特性的材料，我們可以隨意控制。