合肥研究院二維電荷密度波材料研究取得進展

　　近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員鄒良劍課題組、與北京計算中心研究員林海青、常凱合作，通過對二維電荷密度波材料1T-TaS2體系中的塊體材料、單層體系、高溫正常相和低溫電荷密度波相進行系統(tǒng)性研究，發(fā)現(xiàn)電子關(guān)聯(lián)和軌道密度波對于低溫相的形成起到重要作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論B》上。

　　實驗研究表明，1T-TaS2具有豐富的相變過程，隨著溫度的降低，它會經(jīng)過非公度電荷密度波、準公度電荷密度波和公度電荷密度波三次相變，在最后一次相變之后，體系會從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。這一材料已被研究多年，但其低溫相變機制目前尚無定論。

　　為了探索1T-TaS2的低溫相變機制，研究人員利用密度泛函理論和動力學(xué)平均場理論，對二維電荷密度波材料1T-TaS2進行了系統(tǒng)研究。第一性原理結(jié)構(gòu)弛豫結(jié)果顯示，低溫下每13個Ta原子會收縮形成一個“大衛(wèi)”星團簇 (圖1)。通過分析費米能級附近的軌道特征，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在軌道密度波序，主要來源于團簇中心的Ta-5d3z2-r2的貢獻 (圖2)。結(jié)合動力學(xué)平均場理論結(jié)果，研究人員進一步確定，在結(jié)構(gòu)畸變和庫侖關(guān)聯(lián)共同作用下才使得低溫電荷密度波絕緣相穩(wěn)定，進而在實驗上被觀測到；同時，軌道密度波起到了重要作用。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，塊體系統(tǒng)的基態(tài)是一個層間反鐵磁態(tài)，單層體系的基態(tài)是一個鐵磁態(tài)。這對該體系的后續(xù)研究提供了重要參考，包括軌道機制、激子物理、平帶特征以及潛在的應(yīng)用價值。

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.在低溫相中，每13個Ta原子（綠色原點）收縮形成一個“大衛(wèi)”星團簇。紅色箭頭標定了收縮方向。

　　圖2.(a)面內(nèi)和(b)層間軌道密度波序示意圖，每個黃色六角星代表一個“大衛(wèi)”星團簇，紅綠藍三色都對應(yīng)Ta-5d3z2-r2軌道。