Abstract

Charge density waves (CDWs) have triggered off extensive research in low-dimensional systems. The discovery of CDW offers a new crucial clue to understanding the intrinsic mechanisms of low-dimensional electron-phonon coupling and electron correlation. In addition, the physical properties of low-dimensional material such as magnetism and superconductivity can be fine-tuned with accurately and effectively controlled CDW phase. At the beginning,we briefly introduce the basic properties of CDW in one-dimensional and quasi one-dimensional materials, revealing the physical proprieties of the CDW, for instance, the excited state and the manipulation technologies. Then, focusing on the CDW in a two-dimensional system, we mainly introduce the recent research progress and the generation mechanism of CDW of two-dimensional materials. The interaction between CDW and Mott insulator and between superconductivity and other orders such as spin density wave and pair density wave provide a new perspective to research the multi-electron collective excitation and electron interaction. The manipulation of multi-electron collective excitation and electron-phonon interaction in CDW through doping, high pressure and laser pulse is also introduced and shares similarity with the one-dimensional system. Finally, in this article we propose a potential research application of two dimensional CDW.

Highlights

  • Charge density waves (CDWs) manipulation in 2D system: (a) STM image of metallic mosaic phase induced by voltage pulses in 1T-TaS2

  • 1) (Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) 2) (Department of Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China) ( Received 8 January 2022; revised manuscript received 12 February 2022 )

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Summary

CDW 在一维体系中的研究

增强, 会导致在一维体系中出现 CDW、Luttinger 液体 [19]、一维 Wigner 晶体 [20] 等现象. 随着分子束 外延 (molecular beam epitaxy, MBE) 技术和各种 微观及能带表征技术的出现, 基于表面体系的一维 原子链/准一维原子链为一维性质的研究提供了重 要平台. 这类材料具有量子限域效应 [21,22]、金属绝 缘相的共存和涨落 [23]、自旋电荷分离 [24]、拓扑孤子 激发 [25] 和一维拓扑相变 [26] 等性质. 基于半导体表 面自组装的原子链体系包括 Si (111)-Au-5×2 重 构 [27]、Si (55×) 上 Au 原子链重构 [28,29]、Si (111)In-4×1 重构 [30] 等. 以双排 In 原子链组成的 4×1 重构为例. 利用结构测量技术并结合理论计算 [31,32] 可以建立一个清晰的 4×1 原子链模型, 并可完美 解释观察到的电子特性、光学响应特性等. 这种材 料在室温下具有 3 个准一维的金属带 [33], 并分别 具有不同的填充, 其中一个能带刚好为半满, 在低 温下表现出 Peierls 不稳定性. 实验上韩国永熙大 学的 Yeom 团队 [34] 基于角分辨光电子能谱 (angleresolved photoemission spectroscopy, ARPES) 和 扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope, STM) 观察到该体系存在金属-绝缘体转变. 当温 度低于 120 K 时重构转变为 4×2 重构, 继续冷却 后转变为 8×2 结构. 而随后 Tanikawa 等 [35] 通过 微观的四探针技术证实小于 130 K 时系统存在金 属-绝缘体的转变. 但关于低温相的原子结构以及 相转变机理仍有争议. 利用 trimer 模型可以对实 验中的 8×2 结构进行解释 [31], 但这种模型无法解 释绝缘相的存在. 此后 González 等 [32,36] 提出的六 角模型可以完美解释实验中费米面上的带隙 [35,37]. 由于链上的剪切形变需要的能量很低, 因此实验上 可以观察到整个体系会在四重简并的 4×2 基态之 间涨落 [37]. 实验上韩国永熙大 学的 Yeom 团队 [34] 基于角分辨光电子能谱 (angleresolved photoemission spectroscopy, ARPES) 和 扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope, STM) 观察到该体系存在金属-绝缘体转变. 对于这类原子链材料中 CDW 的产生机理, ARPES 的测量表明金属-绝缘体转变与费米面钉 扎的 CDW 机制不同, 可表现为有序和无序之间的 转变 [37]. TTF-TCNQ[41], NbSe3[42], TaS3[43], (Per) M(mnt)2(M = Au, Pt, Co)[44] 等材料都在低温下 具有类似的非线性输运表现, 在施加电场小于阈值 电压时体系呈现欧姆特性, 而当超过阈值电压时电 导会随电场的增大出现非线性增加. Yeom 等 [56,57] 利 用 掺 杂 Na 原子的 In 原子链, 发现除实现了材料中的电 子注入, 还可以引起周期性的晶格扰动, 并产生局 域沿链×1 方向的周期型调制. 香港大学的谢茂海团队 [64] 通过扫描隧道显微 谱 (scanning tunneling spectroscopy, STS) 研 究 发现在 2H-MoSe2 中, MTB 的电子结构呈现为体 态带隙中的分散金属能带. 而之后的 STS 研究发现低温 下 MTB 中在费米能级处打开了带隙, 并且沿 MTB 方向的态密度存在周期性调制, 波长约为 3 倍晶格常 数, 这说明 MTB 中可能存在孤立的一维 CDW[65]. ARPES 研究则显示 MTB 具有平行的费米面, 符 合完美嵌套的条件, 并且相应的 CDW 波矢与实空 间测量一致 [66]. 而近年的理论研究也指出材料中 的固有极化使得 MTB 中的金属带具有 1/3 填充, 容易受到 Peierls 不稳定性的影响, 并且可能出现 CDW 与 SDW 的组合态, 允许携带分数电荷的孤 子激发 [67].

CDW 在二维体系中的研究
CDW 与 Mott 绝缘体的关系
Experimental DOS
CDW 与 SDW 的关系
CDW 与超导的关系
CDW 与 PDW 的关系
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