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。
標簽:二維電荷密度波材料
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