近日，中國(guó)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(jì)算中心研究員林海青、常凱合作，通過(guò)對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)性研究，發(fā)現(xiàn)電子關(guān)聯(lián)和軌道密度波對(duì)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(píng)論B》上。

　　實(shí)驗(yàn)研究表明，1T-TaS2具有豐富的相變過(guò)程，隨著溫度的降低，它會(huì)經(jīng)過(guò)非公度電荷密度波、準(zhǔn)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(huì)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(jī)制目前尚無(wú)定論。

　　為了探索1T-TaS2的低溫相變機(jī)制，研究人員利用密度泛函理論和動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論，對(duì)二維電荷密度波材料1T-TaS2進(jìn)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(gè)Ta原子會(huì)收縮形成一個(gè)“大衛(wèi)”星團(tuán)簇 (圖1)。通過(guò)分析費(fèi)米能級(jí)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(lái)源于團(tuán)簇中心的Ta-5d3z2-r2的貢獻(xiàn) (圖2)。結(jié)合動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)理論結(jié)果，研究人員進(jìn)一步確定，在結(jié)構(gòu)畸變和庫(kù)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(jìn)而在實(shí)驗(yàn)上被觀測(cè)到；同時(shí)，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(gè)層間反鐵磁態(tài)，單層體系的基態(tài)是一個(gè)鐵磁態(tài)。這對(duì)該體系的后續(xù)研究提供了重要參考，包括軌道機(jī)制、激子物理、平帶特征以及潛在的應(yīng)用價(jià)值。

　　以上研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.在低溫相中，每13個(gè)Ta原子（綠色原點(diǎn)）收縮形成一個(gè)“大衛(wèi)”星團(tuán)簇。紅色箭頭標(biāo)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(gè)黃色六角星代表一個(gè)“大衛(wèi)”星團(tuán)簇，紅綠藍(lán)三色都對(duì)應(yīng)Ta-5d3z2-r2軌道。