一杯冰水提供了兩種狀態同時存在的熟悉例子。同一種物質可以同時呈現液態水和固態冰。在某些量子材料中，不同的相也可以共存，儘管其底層行為要複雜得多。
麻省理工學院的物理學家現已發現了關於同一種量子材料中如何出現兩種截然不同的電子組織形式的新細節。
這項發表在《自然物理學》（Nature Physics）上的研究結果，有助於科學家們更深入地理解那些展現超導、磁性和其他電子相的材料。了解這些相如何產生和相互作用，最終可能幫助研究人員更精確地控制電子特性，並開發出更強大的量子設備。
「人們認為，取代矽的基石在於具有多種共存相的量子材料，」共同作者 Alfred Zong 博士（2020年畢業）表示，他曾是麻省理工學院的研究生，並共同領導了這項研究，現為史丹佛大學助理教授。「我們的實驗提供了一種非常巧妙的方法來研究這些多重相。」
由麻省理工學院物理學教授 Nuh Gedik 領導的研究人員，調查了摻鉺碲化物（erbium tritelluride），這是一種具有奇特電子行為的稀土材料。
在正常條件下，電子在摻鉺碲化物中相對均勻地分佈。然而，當材料被冷卻到特定溫度時，電子開始自行組織成一種稱為「電荷密度波」（charge density wave, CDW）的波浪狀排列。
將材料進一步冷卻，會產生第二種與第一種方向垂直的波浪圖案。這兩種電子相結合，形成類似原子尺度棋盤格的結構。
Gedik 和他的同事們能夠分離這兩種相的行為，並觀察它們各自如何發展。第一種相逐漸地在材料中出現，有點像液態水穩定地變成蒸汽。這與許多電子相變發生的傳統圖像相符。
第二種相的行為則截然不同。它並非平滑地出現在整個材料中，而是從孤立的區域開始，然後向外擴展，類似於冰晶在液態水中開始形成的方式。
「造成這種第二種相出現的機制長期以來一直備受爭議，而我們的方法提供了一種強大的新途徑，以揭示量子材料中相變背後的隱藏物理學，」Gedik 說。
該研究的其他麻省理工學院共同作者包括第一作者 Yifan Su 博士（2024年畢業）和前博士後研究員 Bai-Qing Lv；Dongsung Choi（2017年碩士，2024年博士）；以及前博士後研究員 Doron Azoury 和 Masataka Mogi；還有來自多個其他機構的合作者。
當電荷（如電子）自發地組織成重複的波浪圖案時，就會形成電荷密度波。波峰對應的區域包含更多電子，而波谷則包含較少電子。在某些材料中，這種協調狀態僅在極低溫度下出現。
物理學家們已經研究電荷密度波數十年。最近，研究人員在同時支持更複雜集體電子行為的材料中發現了它們，包括磁性和超導性，其中電子成對移動，並在材料中無摩擦地傳輸。
「就像超導性一樣，電荷密度波是一種集體現象，電子以特定方式一起移動，」首席作者 Yifan Su 解釋道。「CDW 的優勢在於，與超導性相比，它們是一種更簡單的物質形式。它們為基礎理解提供了遊樂場。」
研究人員希望研究一種同時存在兩種 CDW 相的材料。了解這兩種波如何出現和共存，可以為超導性和其他奇特電子狀態中涉及的更複雜相變提供線索。
「物理學中最大的問題之一是，為什麼有些材料擁有不止一種相，而有些則不然。當多種相確實存在時，它們如何相互作用？它們是互相加強、競爭，還是獨立共存？」Gedik 說。「這對我們來說就像一個案例研究，以理解更複雜的材料。」
利用雷射擾動量子秩序
科學家們已經知道摻鉺碲化物可以支持兩種不同的電荷密度波。這種稀土材料可以在實驗室中製成原子級薄片，使研究人員能夠探測其奇特的量子尺度特性。
早期的實驗表明，當摻鉺碲化物冷卻到攝氏零下8度時，第一種電荷密度波出現。這種「主導」波沿一個方向延伸穿過材料。
當溫度進一步降至攝氏零下113度時，第二種「次主導」電荷密度波以直角出現。這兩種圖案結合在一起，形成了共存電子相的棋盤格排列。
對於這項新研究，Gedik 的團隊希望確定每種相確切是如何形成的。
研究人員獲得了由史丹佛大學合作者製作的、原子級薄的摻鉺碲化物小樣本。在 Gedik 的實驗室中，他們將樣本冷卻到約攝氏零下230度，這個溫度足夠低，可以讓兩種電荷密度波同時以棋盤格圖案存在。
然後，他們擾亂或破壞了這種電子圖案，並觀察兩種波如何恢復。
實驗依賴於兩束精確計時的雷射脈衝。
「這就是我們如何『搖動』然後『傾聽』系統，」Gedik 說。
第一束雷射脈衝作為「搖動」，將電子棋盤格打散。通過改變脈衝強度，研究人員可以控制他們擾亂電荷密度波的強度。
隨後，一束包含高能光子的第二束脈衝將電子從材料中擊出。研究人員在第一束脈衝後不同的時間間隔施加了第二束脈衝，並測量了被擊出的電子的能量和動量。這些測量提供了顯示電子相隨時間恢復情況的一系列快照。
「我們看到這些相被破壞，然後，如果我們等待足夠長的時間，它們就會回來，」Gedik 解釋道。「而且，取決於你如何擊打它們，這兩種相的反應是不同的。」
主導電荷密度波以一種平滑且均勻的方式恢復，無論研究人員最初擾亂材料的強度如何。
這種平滑的恢復被認為是教科書式的「二階」相變。它類似於磁鐵隨溫度升高而逐漸失去磁性的方式。
第二種電荷密度波則帶來了更大的驚喜。
次主導相並非均勻地恢復，而是開始在分散的區域形成。這些區域隨後在材料中擴展，非常像冰晶在液態水中生長。
這種行為對應於一種較不常見的「一階」相變，並且不是研究人員預期的。這些觀察結果使團隊能夠確定長期以來備受爭議的、導致次主導 CDW 相出現的機制。
這些發現可能對摻鉺碲化物以外的領域產生影響。更複雜的量子材料可能同時包含多種電子相，科學家們懷疑這些相的相互作用方式可能導致其一些最奇特的特性。
「在更複雜的系統中，例如高溫超導體，你會看到存在多種相——磁性、超導性、電荷密度波，它們都同時存在，」Gedik 說。「其中一種理論認為，它們之間的相互作用方式是其奇特特性的關鍵。我們在這裡學到的經驗教訓可以應用於更複雜的材料。」
該研究得到了美國能源部、美國國家科學基金會以及戈登和貝蒂·摩爾基金會 EPiQS 計畫的資助。