一杯冰水提供了一个熟悉的例子，说明两种相位同时存在。相同的物质可以同时表现为液态水和固态冰。在某些量子材料中，不同的相位也可以共存，尽管其基础行为要复杂得多。麻省理工学院的物理学家现在揭示了关于在同一量子材料中如何产生两种不同形式的电子组织的新细节。这些发现发表在《自然物理》杂志上，可能提高科学家对展示超导性、磁性和其他电子相位材料的理解。了解这些相位是如何产生和相互作用的，最终可能帮助研究人员更好地控制电子特性，并开发更强大的量子设备。“人们相信替代硅的基石在于具有多重共存相位的量子材料，”共同作者、麻省理工学院博士生Alfred Zong表示，他共同领导了这项研究，现在是斯坦福大学的助理教授。“我们的实验提供了一种很好的方法来研究这些多个相位。”电子的原子棋盘格研究小组由麻省理工学院物理学教席教授Nuh Gedik领导，研究了具有奇特电子行为的稀土材料铒三碲化物。在普通条件下，铒三碲化物中的电子相对均匀分布。然而，当材料被冷却到特定温度时，电子开始组织成一种称为“电荷密度波”（CDW）相的波形排列。进一步冷却材料会导致第二种波形模式在与第一种模式垂直的方向上出现。两个电子相位一起形成了类似于原子尺度的棋盘格的结构。Gedik及其同事能够分离这两种相位的行为，并观察每种相位的发展。第一种相位在材料中逐渐出现，类似于液态水稳步变成蒸气。这与许多电子相变发生的传统图景相符。第二种相位的行为则截然不同。它并不是在材料中平滑地出现，而是从孤立的区域开始向外扩展，类似于冰晶在液态水中开始形成的方式。“导致第二种相位出现的机制长期以来一直备受争议，我们的方法提供了一种强而有力的新方式来揭示量子材料中相变背后的隐秘物理，”Gedik说。研究的其他麻省理工学院共同作者包括第一作者Yifan Su博士'24和前博士后Bai-Qing Lv；Dongsung Choi SM'17、PhD'24；以及前博士后Doron Azoury和Masataka Mogi，与来自多个其他机构的合作者共同研究。电荷密度波是如何形成的电荷密度波的形成是当诸如电子的电荷自发地组织成重复的波形模式时发生的。与波峰对应的区域包含更多的电子，而波谷则包含较少的。在某些材料中，这种协调状态仅在极低温度下出现。物理学家对电荷密度波进行了数十年的研究。最近，研究人员在一些也支持更复杂集体电子行为（包括磁性和超导性）的材料中发现了它们，在这些材料中电子成对并无摩擦地通过材料移动。“就像超导性一样，电荷密度波是一种集体现象，电子以某种方式共同移动，”第一作者Yifan Su解释说。“CDW的力量在于，它们相比于超导性是一种更简单的物质形式。它们为基本理解提供了一个游乐场。”研究人员希望研究一种同时存在两种CDW相的材料。理解这两种波是如何出现和共存的，可以为更复杂的超导性和其他异常电子状态的相变提供线索。“物理学中最大的问题之一是为什么有些材料有多个相位而其他材料没有。当多个相位确实存在时，它们是如何相互作用的？它们是相互强化，竞争，还是独立共存？”Gedik说。“这就像一个案例研究，让我们理解更复杂的材料。”使用激光扰动量子次序科学家们已经知道铒三碲化物可以支持两种不同的电荷密度波。这种稀土材料可以在实验室中制成原子薄层，使研究人员能够探测其异常的量子尺度特性。早期实验表明，当铒三碲化物被冷却到-8摄氏度时，第一种电荷密度波出现。这种“主导”波在材料中以一个方向延伸。当温度进一步降至-113摄氏度时，第二种“次要”电荷密度波在与第一种波成直角的方向上出现。两种模式结合在一起形成棋盘格排列……