NAT PHYS|历史性发现！物理学家首次直接观测到液态电荷密度波
发布时间：2026-01-30 14:27:41 阅读数： 48
a，1T-TaS₂在初始温度(T)为360 K时经光激发后的微分电子衍射图。每个布拉格峰周围都存在一组动量分辨率受限的电荷密度波(CDW)衍射峰，表明CDW在固态下已重结晶。b，与a相同，但初始温度为520 K。CDW衍射强度显示出径向展宽和方位角各向同性，表明CDW处于液态。
电荷密度波（CDW）是固态材料内部自发形成的有序电子排列模式，具有类似晶体的结构特征。这些模式能够改变电流在材料中的流动方式，在某些情况下会引发超导现象或其他特殊物理状态的出现。
物理理论表明，在特定温度下，电荷密度波（CDW）会“熔化”，类似于常规固体转变为液态的过程。然而迄今为止，这种向液态CDW的转变尚未在实验中被观测到。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员首次在层状过渡金属二硫化物1T-TaS2中获得了CDW液态的直接证据。他们的论文发表在《自然·物理学》杂志上，可能为研究关联物理系统中隐藏的电子相开辟新的可能性。
论文第一作者乔舒亚·李（Joshua Lee）解释：“CDW 是一种奇异的物质状态，其中金属中的自由电子会组织成空间周期性的驻波状图案，”
“换言之，电子会凝固。自20世纪90年代初起，物理学家便预测固态CDW将在临界温度下熔解为液态CDW，如同冰的熔化过程。但另一些学者认为，由于CDW与固态底层原子阵列间的相互作用，液态CDW的存在从根本上是不可能的。”
实验探测难以捉摸的CDW液态
李及其同事希望终结物理学界关于CDW液态是否存在的争论。在探索该液态的过程中，他们基于早期论文展开研究——这些论文暗示固态与液态CDW之间存在一种中间态，即所谓的六相CDW态。
“尽管液态CDW状态早在30多年前就被预测存在，但由于候选材料中存在中间相变，其存在始终未能被观测到，”论文通讯作者安舒尔·科加尔（Anshul Kogar）解释道。
“此前预测的液态电荷密度波出现的温度过高，处于晶体结构不再稳定的区域。我们通过向样品施加超短光脉冲绕过了这一中间相变，在晶体结构尚未退化前抓拍到了CDW的动态变化。”
三角晶格的缺陷介导融化图景。
研究团队采用的脉冲光技术被称为超快电子衍射。其核心原理是利用飞秒光脉冲在1T-TaS2样品中快速激发电子，同时实时追踪其空间排列状态。
科加尔表示：“这项技术让我们得以窥见相变幕后隐藏的奥秘。实验揭示的技术特征是相关光斑呈现各向同性的散射环。”
李、科加尔及其团队发现，构成固态冷子双重极子的电子逐渐丧失网格状排列，但仍保留部分整体方向性模式。这表明系统正向早期论文报道的六相中间态过渡。
在更高温度下，电子既丧失有序排列又失去方向性，最终形成弥散散射环。这种模式与液态共振激子态的预期观测结果完全吻合。
固-液-六方相变的拓扑缺陷动力学模拟。
聚焦关联电子系统的新研究令人振奋
这项最新研究首次提供了从固态到液态电荷密度波转变的直接实验证据。该团队的观察结果有望很快为针对这种状态及其物理机制的新实验研究铺平道路。
“我们的研究为液态共振子结构的存在提供了确凿证据，终结了持续数十年的争论，”李教授表示，“我们特别证实了钽硫化物（TaS2）中存在该结构；这项成果将激励科学家探索其他材料中的液态共振子结构。例如，液态共振子结构被认为在高温超导体的相图中扮演着关键角色。”
李、科加尔及其团队采用的方法有望很快应用于1T-TaS2之外的更多材料研究，或用于探测其他难以实验观测的电子相态。与此同时，研究人员正开展后续研究，深入探究其观测到的CDW液态特性。
“我们正研究杂质掺入液态CDW状态后对其空间纹理的影响，”李教授补充道。
“具体而言，尚不明确杂质会促进液态形成还是使CDW逆转为固态。我们推测当杂质浓度超过阈值时，液态CDW将转变为玻璃态的非晶CDW，但此类推测必须通过实验验证。”
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