物理學家們對2022年的發現感到驚訝，即磁性鐵鍺晶體中的電子可以自發地、集體地將其電荷組織成一個以駐波為特徵的模式。磁性也產生於電子自旋的集體自組織成有序模式，而這些模式很少與產生電子駐波的模式共存，物理學家稱之為電荷密度波。

在本週發表在《自然-物理學》雜誌上的一項研究中，萊斯大學的物理學家Ming Yi和Pengcheng Dai以及他們在2022年研究中的許多合作者，提出了一系列的實驗證據，表明他們的電荷密度波的發現更加罕見，這是一個磁性和電子秩序不簡單地共存，而是直接聯繫的情況。

該研究的共同通訊作者Yi說：”我們發現磁性巧妙地改變了材料中的電子能態景觀，既促進了電荷密度波的形成，又為其做好了準備。”

(左）kagome晶格；（中）電荷密度波開始前鐵鍺磁相的費米麵；（右）電荷密度波開始後鐵鍺的費米麵。資料來源：Ming Yi/Rice大學

這項研究是由來自萊斯大學、橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、SLAC國家加速器實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）、華盛頓大學、加州大學伯克利分校、以色列魏茨曼科學研究所和中國南方科技大學的十幾位研究人員共同完成的。

這些鐵鍺材料是kagome晶格，這是一個備受研究的材料家族，其特點是原子的二維排列，讓人聯想到日本傳統kagome籃子的編織圖案，其特點是等邊三角形，四角相接。

Yi說：”kagome材料最近在量子材料領域掀起了風暴。這種結構最酷的地方是，這種幾何形狀對允許電子放大的方式施加了有趣的量子約束，有點類似於交通環島對交通流的影響，有時會使其停止。”

Ming Yi是萊斯大學物理學和天文學的助理教授。資料來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

從本質上講，電子會相互迴避。它們這樣做的一種方式是將它們的磁態–指向向上或向下的自旋–與它們鄰居的自旋方向相反。

研究報告的共同通訊作者Dai說：”當把電子放在kagome晶格上時，由於量子乾擾效應，電子也會出現被卡住的狀態，不能去任何地方。”

當電子不能移動時，三角形排列會產生一種情況，即每個人都有三個鄰居，而電子沒有辦法集體將所有相鄰的自旋向相反方向排序。長久以來，人們已經認識到了電子在kagome晶格材料中的固有挫折性。

Yi說，晶格限制電子的方式”會對材料的可觀察特性產生直接影響”，該團隊能夠利用這一點”更深入地探究鐵鍺中磁性和電荷密度波相互交織的根源”。

戴鵬程是萊斯大學物理和天文學的山姆和海倫-沃頓教授

他們利用非彈性中子散射實驗（在ORNL進行）和角度分辨光發射光譜實驗（在LBNL的高級光源和SLAC的斯坦福同步輻射光源以及Yi在萊斯大學的實驗室進行）的組合來實現這一點。

她說：”這些探針使我們能夠觀察電子和晶格在電荷密度波形成時的表現。”

戴說，這些發現證實了研究小組的假設，即鐵鍺中的電荷秩序和磁性秩序是相關的。他說：”這是已知的極少數（如果不是唯一的）可歌可泣材料的例子之一，在這種材料中，磁力首先形成，為電荷排隊做好準備。”

Yi說，這項工作顯示了對自然現象的好奇心和基礎研究如何能夠最終發展出應用科學。

她說：”作為物理學家，當我們發現自發形成某種秩序的材料時，我們總是很興奮。這意味著我們有機會了解量子材料的基本粒子的自組織能力。只有有了這種了解，我們才有希望在某一天設計出具有新穎或奇特性質的材料，而我們可以隨意控制。”