物理系研究组在碲化铜(CuTe)的电荷密度波研究中取得进展

 

电荷密度波(CDW)作为凝聚态物理学中的一个重要物理现象,一直以来备受关注。有关CDW的研究主要集中在过渡族金属二硫化物(TMDCs)与稀土金属碲化物(RTe3)体系。最近,周树云研究组报道准一维材料CuTe的能带结构和电荷密度波导致的能隙,结合角分辨光电子能谱实验结果和段文晖研究组的第一性原理计算,揭示CDW产生的机制。相关成果以“Evidence for a Quasi-One-Dimensional Charge Density Wave in CuTe by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”为题发表在11月13日的Physical Review Letters 杂志上。

 

图一: (a)CuTe的晶格结构,箭头代表CDW相下原子的移动。(b)CuTe低温下的低能电子衍射谱,红色圆圈标记晶格的面内重构。 (c)CuTe的电阻温度曲线,显示CDW转变温度为335K。(d)CDW相下CuTe的等能面,红色箭头标注着没有打开能隙的区域。(e)体材料布里渊区与理论计算得到的处于CDW转变温度之上(正常相)的费米面。

 

周树云研究组通过自熔剂法生长出高质量的CuTe单晶,并且利用角分辨光电子能谱(ARPES)对CuTe能带结构开展深入研究。实验结果揭示,由Te原子p_x轨道形成的准一维能带在CDW转变温度下打开能隙,最大的能隙为190 meV,并根据色散给出费米面嵌套矢量为q=0.4 (2π/a),与之前的透射电镜实验给出的原子结构调制矢量相吻合。随着温度的升高,实验观测到CDW的能隙逐渐减小,直到转变温度以上完全闭合。此外,通过蒸发钾原子对单晶表面进行原位的电子掺杂,也破坏其CDW态,导致CDW能隙逐渐闭合。第一性原理计算结果表明,电子极化率在q=0.4(2π/a)处出现峰并且声子谱在q=0.4(2π/a)处出现声子软化。结合实验和理论结果,这项工作表明费米面的嵌套(电子-电子相互作用)与电子-声子耦合对其CDW共同起到了重要作用。

该工作得到国家自然科学基金、科技部、科学挑战计划和北京市未来芯片技术高精尖创新中心的支持。物理系博士生张柯楠为文章的第一作者,文章理论计算来自于清华大学物理系的段文晖教授及其博士生刘晓宇。物理系博士生张浩雄与清华富士康纳米中心吴扬博士负责单晶样品的制备和表征。

全文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.206402