在量子材料中，電子秩序很少以平滑且均勻的方式出現。相反，它通常表現為因地區而異的複雜模式。一個眾所周知的例子是電荷密度波（CDW），這是一種電子在低溫下以重複圖案排列的狀態。儘管CDW已經被研究了很多年，但研究人員一直在努力直接觀察它們的強度和空間相干性在相變過程中如何變化。
由韓國科學技術院（KAIST）物理系的 Yongsoo Yang 教授領導的研究小組與 SungBin Lee、Heejun Yang 和 Yeongkwan Kim 教授以及史丹佛大學的合作者合作，取得了重大突破。他們第一次直接觀察到電荷密度波序的振幅如何在量子材料內的空間演化。
奈米級成像揭示了不規則的電子圖案
為了實現這一目標，研究人員使用了氦冷卻電子顯微鏡和四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）。這種先進的設置使他們能夠追蹤 CDW 秩序如何隨著溫度變化而形成、減弱和破壞。更重要的是，他們能夠創建詳細的奈米級地圖，不僅顯示電子秩序是否存在，而且還顯示電子秩序的強度以及它在不同區域的連接方式。
這個過程可以與觀察水結冰時冰晶的形成進行比較，並以非常高的放大倍率捕獲。然而，在這種情況下，研究小組觀察到電子是在約 -253 °C 的溫度下組織的。他們的顯微鏡可以解析小至人類頭髮寬度的萬分之一的結構。影像顯示，電子訂單分佈不均勻。有些區域顯示出清晰、明確的圖案，而周圍區域卻沒有，就像一個由分散的冰塊形成的湖泊，而不是一次性覆蓋整個表面。
電壓和電子訂單明細
研究也發現，這些不規則圖案與晶體內的微小扭曲密切相關。即使是很小的應變，小到無法用傳統光學方法偵測到，也足以顯著削弱 CDW 振幅。應變和電子秩序之間的這種緊密聯繫提供了直接的證據，表明微妙的晶格畸變在塑造這些圖案的形成過程中發揮著至關重要的作用。
另一個令人驚訝的結果是發現小部分 CDW 有序可以持續高於轉變溫度，而長程有序預計會在該溫度消失。這些孤立的區域表明，轉變並不是一個簡單而統一的過程。電子秩序不是突然消失，而是逐漸失去空間連貫性。
衡量電子訂單如何消失
這項工作的關鍵成就是首次直接測量 CDW 幅度的相關性。透過分析一個位置的電子秩序強度如何與另一個位置相關，研究人員展示了相干性如何在轉變過程中被破壞，而局部振幅仍然存在。使用傳統的衍射或掃描探針技術無法獲得這種詳細程度。
理解量子材料的新框架
電荷密度波是許多量子材料的基本特徵，並且經常與其他電子態相互作用。透過直接繪製它們的空間結構和相關性，這項研究提供了一種新的實驗方法來理解集體電子秩序如何在真實系統中形成和演化。
Yongsoo Yang博士強調了這一發現的重要性：“到目前為止，電荷密度波的空間相干性很大程度上是間接推斷的。我們的方法使我們能夠直接看到電子序在空間和溫度中的變化，並確定局部穩定或抑制它的因素。”
該研究以韓國科學技術院的 Seokjo Hong、Jaewhan Oh 和 Jemin Park 為第一作者，已發表。 體檢信。
該研究主要由韓國政府（MSIT）資助的韓國國家研究基金會（NRF）撥款（個人基礎研究計畫、基礎研究實驗室計畫、奈米材料技術開發計畫）的支持。
作者感謝 E.-G. Moon 進行有益的討論。這項研究得到了韓國國家研究基金會 (NRF) 撥款（RS-2023-00208179 和 RS-2025-02243032）的支持，主要由韓國政府 (MSIT) 資助。 YY 也感謝 KAIST 奇點教授計畫的支持。 SBL 得到了 NRF 撥款 (2021R1A2C109306013) 和奈米材料技術開發計劃的支持，該計劃由 MSIT (RS-2023-00281839) 透過 NRF 資助。 YK 得到了 NRF 撥款（No. RS-2022-00143178 和 No. RS-2024-00345856）和韓國標準與科學研究所 (KRISS)（撥款編號 KRISS-GP2025-0015）的支持。 HY MSIT 由 NRF 資助，撥款編號：RS-2024-00340377。其中一項幫助 4D-STEM、ADF-STEM 和 EELS 實驗是在 KAIST 分析研究中心 (KARA) 使用 Cs 雙向 Titan 立方體 G2 60-300 (FEI) 和 Spectra Ultra (ThermoFisher) 設備進行的。非常感謝 Hyung Bin Bae、Jin-Seok Choi 和 KARA 工作人員的大力支持。我們注意到，作者僅使用 ChatGPT 進行語言編輯，原稿的文本是由人類作者而非人工智慧編寫的。
