物理学家对 2022 年的一项发现感到惊讶，即磁性铁-锗晶体中的电子可以自发地集体组织它们的电荷，形成以驻波为特征的模式。磁性也源于电子自旋集体自组织成有序模式，这些模式很少与产生电子驻波的模式共存，物理学家称之为电荷密度波。
在本周发表在《自然物理学》杂志上的一项研究中，莱斯大学物理学家Ming Yi和Pengcheng Dai以及他们在2022 年研究中的许多合作者提出了一系列实验证据，表明他们发现的电荷密度波更为罕见，这种情况下磁性订单和电子订单并非简单地共存，而是直接相关。
“我们发现磁性以一种促进和准备电荷密度波形成的方式巧妙地改变了材料中电子能态的景观，”该研究的共同通讯作者 Yi 说。
该研究由莱斯大学的十几位研究人员共同撰写;橡树岭国家实验室 (ORNL);SLAC国家加速器实验室;劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL);华盛顿大学;加州大学伯克利分校;以色列魏茨曼科学研究所;和南方科技大学。
铁锗材料是kagome晶格晶体，这是一个经过广泛研究的材料家族，具有原子的二维排列，让人想起传统kagome篮子中的编织图案，其特点是四角接触的等边三角形。
“Kagome 材料最近席卷了量子材料世界，”Yi 说。“这种结构的妙处在于，其几何结构对电子四处移动的方式施加了有趣的量子约束，这有点类似于交通环形交叉路口如何影响交通流量，有时甚至会使其停下来。”
本质上，电子会相互避开。他们这样做的一种方法是将他们的磁态——指向上或下的自旋——排列在与邻居的自旋相反的方向上。
共同通讯作者戴说：“当放在戈薇晶格上时，由于量子干涉效应，电子也会出现被卡住并且无法去任何地方的状态。”
当电子不能移动时，三角形排列会产生每个都有三个邻居的情况，电子无法将所有相邻的自旋集中排列在相反的方向。Kagome 晶格材料中电子的内在挫败感早已得到认可。
Yi 说，晶格以“可以直接影响材料的可观察特性”的方式限制电子，并且该团队能够利用它“更深入地探索磁性和电荷密度波交织的起源”在铁锗中。
为此，他们结合了在 ORNL 进行的非弹性中子散射实验和在 LBNL 的高级光源和 SLAC 的斯坦福同步辐射光源以及Yi在赖斯的实验室进行的角分辨光电子能谱实验。
“这些探针让我们能够看到电子和晶格在电荷密度波形成时都在做什么，”她说。
戴说，这些发现证实了该团队的假设，即电荷顺序和磁性顺序在铁锗中是相关的。“这是为数不多的，如果不是唯一的，已知的 kagome 材料的例子之一，磁性首先形成，为电荷排列做好准备，”他说。
Yi 说，这项工作展示了对自然现象的好奇心和基础研究如何最终导致应用科学。
“作为物理学家，当我们发现自发形成某种秩序的材料时，我们总是很兴奋，”她说。“这意味着我们有机会了解量子材料基本粒子的自组织能力。只有有了这种理解，我们才有希望设计出具有我们可以随意控制的新颖或奇异特性的材料。”
戴是山姆和海伦沃登物理学和天文学教授。Dai 和 Yi 都是Rice Quantum Initiative和 Rice Center for Quantum Materials ( RCQM )的成员。
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