电荷密度波（CDW）是一种在周期性晶格畸变的正离子背景中，电子密度周期性起伏变化的长程有序态。自上世纪被发现以来，这一量子现象已被广泛研究了七十余年。现有研究普遍认为该现象与许多新奇量子物相密切相关，比如铜氧化物中的高温超导现象、重费米子行为和拓扑量子物态等。然而，CDW相变的机制仍存在许多争议，且其在不同材料中的表现也不尽相同。长期以来，研究者一般认为CDW是一种仅涉及电子和晶格自由度的二元现象。例如，Peierls提出一维金属系统中完美的费米面嵌套会引起电子响应函数发散，并增强对波矢为两倍电子费米动量的声子的屏蔽，从而有利于CDW的形成。然而，对于二维和三维的实际材料体系而言，完美费米面嵌套的条件较为苛刻，实际上难以满足。因此（准）一维材料是探索费米面嵌套机理的理想平台。

       近年来，越来越多的证据表明轨道、自旋等自由度也会参与到CDW的形成中。复杂的轨道结构可以与电荷序相互交织，轨道的杂化作用也可以显著调制费米能级附近的电子能态，两者都可以影响CDW相变。比如在单层TiTe₂中，特定轨道取向的选择性杂化可以明显降低系统总能量，从而有利于CDW相变的发生。此外，Kagome材料CsV₃Sb₅中的CDW相变也在近期被证实是由轨道杂化推动所发生的。因此，针对CDW序中电子、轨道及晶格之间的相互作用开展研究，对于理解CDW相变的机理至关重要。

       过渡金属四硫属化物 TaTe₄ 是一种典型的准一维 CDW 材料，首次发现于上世纪 60 年代。 随着温度降低，该体系首先进入√2a×√2a×3c的CDW相，进一步降温至 450 K以下时，体系会进入2a×2a×3c 的CDW相。尽管该材料的CDW 转变已被广泛研究，但在一些关键问题上仍然存在争议，例如反常的金属 CDW 态、缺乏准一维能带以及 CDW 相变机制仍不清楚等。更有意思的是，近年来在TaTe₄中新发现了压力引致的超导转变、拓扑非平庸态和各向异性磁阻等新奇特性，使得这一经典的准一维CDW材料重新受到关注。

图1，TaTe₄的电子结构。a, TaTe₄沿着的能带测量结果。b, CDW能隙中的能带色散。c, TaTe₄在CDW相下计算得到的电子结构，结果复现了能隙中间态。d,轨道投影的能带计算结果。

       近期，杨乐仙课题组利用高分辨率角分辨光电子能谱仪，系统地研究TaTe₄的电子结构。实验发现了约290 meV的CDW能隙（图1a），远大于平均场估计的数值。而在CDW能隙内，实验观测到有其他能带穿越了费米能级，揭示了TaTe₄在CDW态下仍具有金属导电行为的机理（图1b）。实验与计算得到的能带结构总体一致（图1c）。相关的计算也表明该体系不满足费米面嵌套的条件，而强电声子耦合在该体系的CDW相变中起了重要的作用。通过研究能带结构随着晶格畸变演化的规律，计算表明并非所有能带都会打开CDW能隙；相反，部分能带在强烈晶格畸变作用下仍然穿越费米能级并贡献导电能态，与实验观测结果一致。轨道投影的能带计算揭示了CDW能隙的轨道选择性（图1d）。在强烈的CDW序调制作用下，d_z²轨道成分主导的能带会打开较大的CDW能隙，而d_x²-y²轨道成分的能带几乎不变并且仍然穿越费米能级。这一结果表明一种特定的轨道取向会与电子长程序相互作用，共同调制材料的电子结构。

       TaTe₄天然的准一维晶体结构以及各向异性的晶格畸变为d_z²轨道电子态之间的强相互作用提供了结构基础。电子、晶格与轨道之间的相互作用产生了新奇的与轨道自由度耦合的CDW相变以及金属性的能隙中间态，这一发现为探索轨道选择性的输运行为以及轨道电子学提供了新的研究平台。

       该工作于近日在线发表于npj Quantum Materials杂志上。清华大学物理系杨乐仙副教授和上海科技大学特聘教授陈宇林为该论文的共同通讯作者，清华大学物理系19级博士生许润哲和杜宪为该工作的共同第一作者。该研究的合作者还包括上海科技大学的郭艳峰教授、北京理工大学的郑法伟教授、来自日本HiSOR、英国钻石光源等同步辐射实验站的研究者们。该工作受到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及清华大学自主科研计划以及表面物理化学实验室科技基金等科研经费的支持。

       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41535-023-00573-8