9月17號，物理學權威期刊《物理評論X》（Physcial Review X）線上發表了我院付英雙教授團隊題為：《Mo6Se6納米線中純一維電荷有序態的可能的相子-極化子效應》（Possible phason-polaron effect on purely one-dimensional charge order of Mo6Se6 nanowires）的研究成果。我院凝態物理所付英雙教授和呂京濤教授為通訊作者，2016級博士生楊星和鮮晶晶為論文的共同第一作者。該工作與日本理化研究所Naoto Nagaosa教授、上海科技大學李剛教授合作完成。
在低維量子體系中電子的運動受到維度限制，造成電子之間的關聯相互作用和電子與其他自由度的耦合效應增强，使系統傾向於產生新奇的衍生關聯電子效應。其中電子和聲子相互作用會造成金屬體系費米面處的電子失穩打開能隙，產生晶格的週期性畸變，降低電子體系的能量。這種晶格週期畸變會使得電荷密度在空間上產生振盪，被稱為電荷密度波態。一維體系中，費米麵變為動量空間中的兩個點，造成完美的嵌套構型，這使得費米麵處的電子響應函數發散，在電聲子耦合作用下更容易形成電荷密度波態。儘管相關理論機制在幾十年前就已經明晰，但是一維體系中的量子漲落效應顯著，這種漲落效應會破壞有序態。囙此，現時實驗上觀測到的電荷密度波都是在有原子鏈相互耦合的准一維體系中發現的。實現在真實的純一維體系中電荷密度波態的觀測和研究漲落效應的影響成為領域內具有挑戰性的難題。
團隊成員利用精准的分子束外延科技在石墨化的碳化矽基底表面製備出只有單原子層厚的MoSe2薄膜，通過超高真空環境中的加熱退火使得MoSe2邊緣的Se原子脫附產生Mo6Se6納米線。這種管道製備的納米線有兩種：一種在MoSe2邊緣處，另一種只有兩端與MoSe2接觸（圖1a）。由於與石墨烯襯底的相互作用很弱，第二種納米線可以看作獨立的，第一種則由於與MoSe2存在耦合是准一維的。這兩種與環境具有不同程度耦合的納米線為探測電荷密度波態提供了理想的量測體系。通過掃描隧道譜，發現耦合MoSe2的納米線形成了清晰的實空間態密度振盪，並且在費米面處有包含相干峰的電荷密度波能隙（圖1b）。而獨立的納米線儘管費米麵處有完全打開的電荷密度波能隙，但是相干峰消失，並且其在實空間沒有態密度的振盪（圖1c）。進一步通過理論模型分析，結合第一性原理計算給出的參數，發現這兩種不同電荷密度波態的產生與量子漲落效應密切相關。在掃描隧道譜探測構型下，隧穿電子激發起電荷密度波中的相子激發模式（圖2a）。（相子指的是電荷密度波的相位對理想相位的偏離所產生的准粒子激發態。）在准一維體系中存在二維相子，其低能下態密度趨於零，對電荷密度波態的相干峰影響小；純一維體系中存在一維相子，其低能態密度為常數，使得電荷密度波能隙的相干峰消失（圖2b，c）。純一維體系中强的電子-相子耦合產生了一種類似傳統上電子-晶格畸變複合體的極化子，稱之為相子-極化子。該工作提出的這種准粒子代表了一種新的集體激發模式，為研究純一維體系中的量子漲落效應開闢了研究方向。
該工作得到了科技部重點研發計畫、國家自然科學基金委、日本學術振興會等項目支持。
論文連結：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031061
圖1.（a）生長在單層MoSe2邊緣處的Mo6Se6納米線（藍色箭頭所示）和獨立的納米線（粉色箭頭所示）。（b，c）邊緣處納米線（b）和獨立的納米線（c）的電荷密度波能隙隨溫度的演化。
圖2.（a）左圖為掃描隧道譜量測Mo6Se6納米線的實驗構型。綠色小球表示隧穿電子。右圖為電荷密度波是隧穿電子作用前後的變化。橙色小球表示原子鏈。隧穿電子產生了相子激發。（b，c）電荷密度波能隙的一維（b）和二維（c）相子-極化子准粒子能譜。