Ta2Se8I中电荷密度波的边界模式示意图. 图片来源：设计：克里斯蒂娜·普斯，马克斯·普朗克研究所，创意：Md Shafayat Hossain 和 Maksim Litskevich。

电荷密度波是在某些材料中发生的量子现象，涉及导电电子的静态调制和晶格的周期性畸变。这些波已经在许多凝聚态材料中被观察到，包括高温超导体和量子霍尔系统。

虽然许多研究已经研究了这些状态，但到目前为止，对电荷密度波产生的边界状态的实验观察仍然很少。在最近发表在《自然物理学》上的一篇论文中，普林斯顿大学和全球其他研究所的研究人员可视化了拓扑材料Ta2Se8I中电荷密度波的体和边界模式。

“我们的研究小组专注于利用各种最先进的实验技术来探测材料的电子结构，从而发现和研究量子物质的新拓扑特性，”该论文的合著者Maksim Litskevich。“近年来，物理学界对探索戈薇材料有趣而丰富的特性感到兴奋，这些材料错综复杂地交织着几何、拓扑和电子相互作用。”

Litskevich和他的同事是电荷密度波研究的先驱。几年前，他们发现了电荷密度波的共存，这是一种以电子电荷的空间调制和绝缘能隙为特征的多体量子态，以及戈薇材料之一FeGe中的无间隙边缘模式。

虽然研究人员在FeGe中观察到了这两种共存状态，但这并不一定意味着一种状态导致了另一种状态。事实上，边缘状态也可能是微不足道的（非拓扑的），或者可能来自与电荷密度波无关的拓扑结构。

“受到可果美化合物研究的启发，我们的研究团队继续寻找电荷密度波和拓扑之间的联系，将注意力转向准一维化合物Ta2Se8I，它表现出拓扑特性并经历向电荷密度波态（低于-10摄氏度）的转变，“Litskevich说。

“令人兴奋的是，我们的扫描隧道显微镜测量揭示了低温电荷密度波态下的间隙内边界模式（边缘状态），随后在高温外尔半金属状态下消失。

Litskevich和他的同事们发现，他们观察到的边界模态振荡的空间周期性和相位与Ta2Se8I中电荷密度波的特征密切相关. 这种相互依赖的关系表明，边界模式和电荷密度波之间存在内在关系，这一假设后来通过理论建模得到证实。

“因此，我们第一次弥合了拓扑和电荷密度波系统之间的差距，标志着朝着解开量子世界的复杂性迈出了一步，”Litskevich说。

为了进行实验，研究人员采用了一种称为扫描隧道显微镜（STM）的实验技术。STM依靠细长针状探针在原子水平上对材料进行成像，使他们能够仔细研究和检查准一维材料Ta2Se8I。

“我们在超高真空条件下在 160 K 至 300 K（-113 至 27 摄氏度）的温度范围内对 Omicron LT STM（LT = 低温）进行了测量，”Litskevich 说。“STM利用了锋利的金属尖端和样品导电表面之间的量子隧穿现象。由于量子隧穿，移动电子可以在尖端和样品之间泄漏，从而产生敏感电子设备检测到的微小电流。

Ta2Se8I中电荷密度波的边界模式示意图2硒8I. 图片来源：设计：克里斯蒂娜·普斯，马克斯·普朗克研究所，创意：Md Shafayat Hossain 和 Maksim Litskevich。

STM探针检测到的隧穿电流随后用于对具有亚原子定义的材料表面进行成像。通过分析电流大小与施加电压的关系（一种称为隧穿光谱的技术），研究人员还能够按能级绘制出材料中的电子数量。

“关于我们正在研究的化合物，Ta2Se8I，STM成像使我们能够通过突出低电荷和高电荷区域产生的电流差异来识别电荷密度波状态，“Litskevich说。“此外，在将隧道电流从尖端引导到样品的原子锋利边缘时，我们检测到Ta电荷密度波态的间隙边界模式2硒8I."

Litskevich和他的同事们首次观察到了由Ta的电荷密度波产生的独特拓扑边界模式的可视化Ta2Se8I.该模式的观测提高了对电荷密度波的理解，为该领域的进一步研究铺平了道路。

“我们观察到的拓扑边界模式与电荷密度波相关，表现出与传统量子自旋霍尔边缘模式不同的独特拓扑结构，”该论文的合著者Md Shafayat Hossain告诉 。“我们观察到动量相位的'光谱伪流'，而不是相关动量幅度的通常光谱流。具体来说，电荷密度波的波矢量相位保持无间隙，并连接间隙体的相位，代表了一种高度奇异的状态。

研究人员发现，Ta2Se8I及其间隙内边界模式非常稳健，可在高达 260 K 的温度下持续存在。这种温度鲁棒性可能有利于各种应用，并可以促进利用这种模式的新技术的开发。

“我们的研究结果的影响是多方面的，”侯赛因说。“Ta2Se8I中电荷有序相的基态（我们的材料平台）被预测为轴子绝缘体，一种备受追捧的物质相。但是，我们发现Ta2Se8I缺乏非磁性轴子绝缘体所期望的拓扑表面状态。

虽然Litskevich，Hossain及其同事收集的观察结果强调了电荷有序相的拓扑性质，但他们对先前的一些理论解释提出了质疑。具体来说，他们认为与之前的假设相比，Ta2Se8I可能不是轴子绝缘体。

“我们预计我们的工作将激励更广泛的科学界在拓扑材料中寻找额外的CDW（破坏对称性）相，从而促进对这些新现象之间相互作用的理解，”侯赛因说。“在普林斯顿大学的Zahid Hasan教授的团队中，我们正致力于发现物质的新量子相。

该研究团队确定的新阶段开辟了新的有趣的研究途径。基于他们最近的发现，Litskevich，Hossain和他们的同事现在计划探索电荷密度波和材料拓扑之间的相互作用中出现的新量子现象。例如，他们将进一步研究电荷密度波和超导性之间的已知相似之处。

“正如拓扑和超导性的交织导致拓扑超导性 - 拓扑量子计算的非常有前途的平台 - 拓扑电荷密度波对于未来的量子计算和纳米技术也可能很重要，”侯赛因补充道。“我们打算进一步探索这些可能性。我们的近期目标是确定与这种奇异量子态相关的有序参数。

在接下来的研究中，侯赛因和他的同事们还计划研究其他表现出电荷密度波的量子材料，以寻找类似的现象。最后，他们将继续探索量子材料中的新现象，并希望这将导致新的有趣发现。

更多信息：Maksim Litskevich 等人，拓扑材料中电荷密度波态的边界模式，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02469-1.

期刊信息： Nature Physics