近期，重庆大学物理学院低温物理实验室与德国卡尔斯鲁厄理工学院、澳大利亚核科学技术组织合作，在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表题为 ”Annealing-Tunable Charge Density Wave in the Magnetic Kagome Material FeGe” 的研究工作。重庆大学为第一单位和第一通讯单位，物理学院硕士生吴学良、博士生米薪润和博士生张龙为该论文的共同第一作者，王爱峰研究员、柴一晟教授、Michael Merz（卡尔斯鲁厄理工学院）和何明全研究员为该论文的共同通讯作者，王进威（澳大利亚核科学技术组织）、Nour Maraytta（卡尔斯鲁厄理工学院）和物理学院周小元教授参与了该工作。
高温超导体等量子材料通常具有多种量子物态共存的复杂相图，近年来的研究发现这些量子物态之间的关系不仅有“竞争”，而且可能有“协作”，分别称之为“竞争序”和“交织序”。理解量子材料中不同量子物态之间的相互作用关系可能为理解高温超导等奇异量子现象提供重要线索，是近年来凝聚态物理研究的前沿。
值得注意的是，笼目晶格由顶点相互连接的三角形构成，由于其特殊的几何结构，其电子能带具有本征的平带、范霍夫奇点和狄拉克点，是研究多种量子物态相互作用的优异平台。美国莱斯大学的Pengcheng Dai/Ming Yi研究团队在笼目材料FeGe中发现了与反铁磁有序态共存的电荷密度波[1]，这为研究磁性和电荷密度波的关系提供了新的平台。FeGe展现出不同于传统电荷密度波的特征：1.电荷密度波转变温度（110 K）远低于反铁磁转变温度（400 K），这是之前未观察到的现象；电荷密度波是短程的，类似于铜氧化物高温超导体中的电荷密度波；3.理论计算未在FeGe声子谱中发现类似传统电荷密度波材料中的虚频；4.实验未测出与电荷密度波相关的超结构。因此，人们普遍认为FeGe具有与磁性相关的非传统电荷密度波机制。
之前的研究中，报道的FeGe单晶中电荷密度波相的体积分数较低，不同研究组报道的单晶物理性质存在较大差异，严重阻碍了对FeGe中电荷密度波物理机制的进一步研究。
低温物理实验室研究团队成功生长出大尺寸、高质量FeGe单晶，并与美国橡树岭国家实验室苗虎合作，通过X射线衍射发现自旋-声子耦合的迹象[2]。更重要的是，针对电荷密度波体积分数较小的问题，该团队通过一系列生长条件调控和掺杂实验，确定真空退火为调控FeGe电荷密度波体积分数的有效方案[3,4]。该团队采用不同退火条件，制备了电荷密度波体积分数从0%到100%的一系列单晶（图1）。在此基础上，通过中子衍射和柴一晟教授发展的磁致伸缩系数测量，澄清了FeGe中磁性和电荷密度波的关系（图2）。通过单晶X射线衍射研究发现，FeGe中Fe3Ge平面内Ge1位点的结构无序是决定其磁性和电荷密度波的关键因素。真空退火通过调控Ge1原子沿晶格c方向的占位无序，从而调控FeGe的磁性和电荷密度波（图3）。
该工作提供了一种制备具有长程电荷密度波的高质量FeGe单晶的实验方法，并发现Ge1位点的无序占位在电荷密度波的形成中扮演了重要角色，为进一步研究FeGe中非传统电荷密度波的物理机制奠定了基础。
图1：FeGe中电荷密度波的退火调控。（a）不同退火温度得到的FeGe面内磁化率，（b）由图（a）数据提取出的相变温度-退火温度相图。（c）对单块FeGe样品的退火调控是可逆的。（d）反铁磁转变和电荷密度波转变与晶胞参数c的关联。
图2：320℃退火FeGe样品中电荷密度波与磁性的关联。（a）FeGe单晶在不同温度下的中子衍射图谱，（b）反铁磁峰、倾斜反铁磁峰和电荷密度波衍射峰的强度与温度的依赖关系。样品在不同磁场强度下的面内（c）和面外（d）磁化率。样品的磁致伸缩系数（e）和对应的等高线图。
图3：单晶X射线衍射测得的晶体结构。（a）室温下FeGe的晶体结构，Ge1原子的占位率和偏移大小如图（f）所示。（b）320℃退火FeGe样品在电荷密度波相下的超晶格。（c-e）不同温度退火样品在80 K下的单晶X射线衍射图。
低温物理实验室是由物理学院柴一晟教授于2018年组建的研究团队，包括柴一晟、何明全、王爱峰3位老师和近20名研究生，依托于物理学院和量子材料与器件研究中心，并受到分析测试中心的大力支持，研究方向为量子材料的单晶生长和输运性质研究，本工作是低温物理实验室师生密切协作取得的一系列重要研究成果之一。
相关文章链接为https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.256501。该工作得到了国家自然科学基金、中德科学中心中德合作交流项目、重庆自然科学基金等项目的支持。
参考文献
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[2] H. Miao, T. T. Zhang, H. X. Li, G. Fabbris, A. H. Said, R. Tartaglia, T. Yilmaz, E. Vescovo, J.-X. Yin, S. Murakami, X. L. Feng, K. Jiang, X. L. Wu, A. F. Wang, S. Okamoto, Y. L. Wang, and H. N. Lee, Nat. Commun. 14, 6183 (2023).
[3] X. Wu, X. Mi, L. Zhang, C.-W. Wang, N. Maraytta, X. Zhou, M. He, M. Merz, Y. Chai, and A. Wang, Phys. Rev. Lett. 132, 256501 (2024).
[4] Z. Chen, X. Wu, S. Zhou, J. Zhang, R. Yin, Y. Li, M. Li, J. Gong, M. He, Y. Chai, X. Zhou, Y. Wang, A. Wang, Y.-J. Yan, and D.-L. Feng, arXiv:2307.07990 (accepted by Nat. Commun.).
