可视化 CeSbTe 电荷密度波态的内部结构：揭示电子轨道的奥秘

在凝聚态物理中，电荷密度波（CDW）的研究历史悠久，但二维方形晶格中隐藏的轨道自由度意义常被忽视。研究人员聚焦 CeSbTe，用扫描隧道显微镜（STM）成像其 CDW 态内部结构。结果显示，CDW 态由px?和py?键密度波叠加而成。该研究为相关材料电子态研究提供了新视角。

　　在凝聚态物理的奇妙世界里，电荷密度波（Charge Density Wave，CDW）一直是教科书上有序相的经典例子。二维方形晶格凭借其独特的p电子结构，成为实现 CDW 的理想平台。然而，长久以来，一个重要的 “秘密” 被大家忽视了，那就是隐藏在其中的轨道自由度。在这个小小的晶格世界里，px?和py?电子的简并可能会创造出奇妙的轨道模式，赋予 CDW 额外的对称性破缺和不寻常的有序参数。但一直以来，很少有研究能真正揭开这个隐藏 “宝藏” 的面纱。为了探索这个神秘的领域，来自德国马克斯?普朗克固体研究所、美国普林斯顿大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦在 CeSbTe 这种材料上，试图借助先进的实验技术，一窥 CDW 态内部的奥秘。最终，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验方面，利用碘蒸汽传输法生长出Ce(Sb1?x?Tex?)Te1?δ?单晶，通过物理性质测量系统进行磁输运测量，还使用自制的低温超高真空扫描隧道显微镜（STM）对样品进行成像 。在理论计算方面，运用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算。

研究结果主要分为以下几个部分：

• STM 成像 CDW 在负偏压下的情况：在 4.2K、0T 磁场的顺磁相条件下，对Ce(Sb1?x?Tex?)Te1?δ?单晶进行 STM 成像。负偏压 -0.5V 时，观察到由 Te 原子形成的方形晶格，以及平行于 Te - Te 键方向的单向 1×7 CDW，其波长约为 6.9±0.4a，且存在不同取向的 CDW 畴。
• STM 成像 CDW 内部结构在正偏压下的情况：正偏压 + 1.0V 时，STM 形貌与负偏压时截然不同。此时 1×7 CDW 的内部结构清晰可见，原子尺寸的电荷密度 lobe 呈现各向异性，沿x或y方向伸长，其空间分布相对于负偏压下的各向同性 lobe 发生了偏移。
• CDW 内部结构的解析：通过对 + 1.0V 形貌图的分析，发现各向异性 lobe 呈 1×7 周期交替排列，形成类似梯子的图案。进一步分析其在 CeSbTe 晶格中的位置分布，发现x取向和y取向的 lobe 在单位晶胞内具有不同的分布特征。对数据进行傅里叶滤波处理后，能更清晰地观察到这种特征，且 lobe 与 Sb - Sb 键部分重叠，形成锯齿状图案。

在讨论部分，研究人员对 + 1.0V STM 形貌进行微观解释。认为各向异性 lobe 可能是表面 Te 态与次表面 Ce 和 Sb 态的卷积，其各向异性源于 Sb px?和py?轨道形成的锯齿链。通过 DFT 计算，证实了 1×1 CDW 态中电荷密度集中在 Sb 平面，呈锯齿状 lobe，与简单方形晶格模型中的px?和py?二聚体链相似。在 1×7 CDW 中，px?和py?二聚体链存在相移，这是电子掺杂的结果，电子掺杂改变了费米面的嵌套条件，使 CDW 周期增大。研究还发现 1×1 和 1×7 CDW 具有共同的微观机制，即准一维px?和py?费米面的同时嵌套导致px?和py?键密度波的叠加，而它们的叠加相位由高阶跳跃项和其他相互作用决定。此外，研究人员还指出，该研究仅考虑了 Sb 5p轨道的主导作用，CeTe 缓冲层以及 Sb p和 Ce d轨道的杂化对 CDW 态的影响还有待进一步研究。

总的来说，这项研究利用 STM 成功揭示了非化学计量比Ce(Sb1?x?Tex?)Te1?δ?中 1×7 CDW 态的内部结构，为理解电荷密度波态的微观机制提供了重要依据。未来，研究人员可以进一步研究 CDW 波长随掺杂范围变化的演化，以及单轴应变对其的影响，还可以探索该 CDW 是否具有隐藏的轨道角动量，以及外部磁场对其的调控作用。这些研究将有助于深入了解凝聚态物理中电子态的奥秘，推动相关领域的发展。