李渭、薛其坤团队在2M-WS₂电荷密度波研究方面取得进展
2025年12月01日
电荷密度波是一种在量子材料中广泛存在的新奇物理现象，具有复杂的物理起源，且常与其他量子现象紧密关联，如超导、Mott绝缘体、自旋密度波、配对密度波等。长期以来，被观测到的电荷密度波的取向总是与晶体结构紧密耦合，沿特定方向排列。近日，清华大学物理系李渭、南方科技大学薛其坤研究团队与合作者在过渡金属硫族化合物的电荷密度波研究方面取得重要进展。研究团队利用低温扫描隧道显微镜（STM）在2M相WS2中首次发现了一种与晶格对称性解耦的条纹状电荷序。这种条纹状电荷序在样品不同区域表现出五种不同的取向，其波长却完全一致。这一发现挑战了现有的电荷密度波理论，并揭示了强电子关联作用可能是其形成的驱动力。该研究成果以“Lattice-decoupled rotatable stripe-like charge order within the strange metal phase of 2M-WS2”为题，于11月25日发表于《美国科学院院刊》 （Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。
2M相WS2在不同温度下具有超导、奇异金属、费米液体等多种量子行为。该材料还兼具Z2拓扑非平庸特性，其表面电荷有序、超导和马约拉纳束缚态的共存受到广泛关注。然而，该材料表面电荷有序的具体形成机制尚未明确。
在本研究中，研究团队通过STM观测，揭示了该电荷序在样品不同区域内表现出五种不同的取向，且在各区域中电荷序的波长保持一致。这种“方向自由、周期不变”的特性，证明了该电荷序的取向与晶格结构解耦，也表明其成因并非源于费米面嵌套或特定方向声子失稳等传统理论。研究还发现，该电荷序的转变温度在不同区域存在差异，且分布在21 K到46 K之间，位于2M-WS2的奇异金属态温区。电荷序与奇异金属态强烈的关联表明，驱动这种非常规电荷序形成的关键，并非单一的电子或晶格行为，而是源于强电子关联与电-声耦合之间复杂的协同作用。
该研究团体在前期工作已证明2M-WS2磁通涡旋处马约拉纳束缚态的存在 [Nat. Phys. 15, 1046 (2019)]，并实现电荷序对马约拉纳束缚态的位置操控 [Natl. Sci. Rev. 12, nwae312 (2025)]。本次研究对2M-WS2中电荷序起源的深入探索，将为更精确地调控其量子态提供可能。本研究首次在实验上清晰地展示了电荷序可以完全与晶格解耦并进行电子自组织，打破了传统理论中电子有序与晶格自由度紧密耦合的认知，为理解强关联效应及非费米液体物理提供了重要的实验基础。
图1 (A-D) 不同方向的条纹电荷序。(E) 条纹电荷序的方向与波矢统计。(F)电荷序的温度演化及相图。T*为电荷序的相变温度。
清华大学物理系2020级博士生肖克斌与2020级博士生郭云锴（已毕业）为文章的共同第一作者，通讯作者为清华物理系李渭副教授、南方科技大学薛其坤教授和上海交通大学材料科学与工程学院黄富强教授。理论计算由南京大学物理学院万贤纲教授和2020级博士生胡雅婷完成，合作者还包括北京航空航天大学材料科学与工程学院汤沛哲教授和2022级博士生居永康，上海交通大学材料科学与工程学院方裕强副研究员，清华物理系2022级博士生符达然、2021级博士生阎敬铭、2022级博士生彭毓聪和2023级博士生王宇阳。该研究得到了国家自然科学基金委员会、重点研发计划、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、上海市科学技术委员会、上海市青年科技启明星计划等项目的资助。