Ladningsdensitetsvågor (CDW) är ordnade, kristalliknande mönster i elektronernas arrangemang som spontant bildas inuti vissa fasta material. Dessa mönster kan förändra hur elektricitet flödar genom material, vilket i vissa fall leder till uppkomsten av supraledning eller andra ovanliga fysikaliska tillstånd.
Fysikteorier tyder på att CDW vid vissa temperaturer ”smälter”, på samma sätt som konventionella fasta ämnen övergår till flytande tillstånd. Hittills har dock denna övergång till flytande CDW ännu inte observerats experimentellt.
Forskare vid University of California Los Angeles (UCLA) har samlat de första direkta bevisen för ett flytande CDW-tillstånd i det skiktade övergångsmetaldikalkogenidet 1T-TaS2. Deras artikel, publicerad i Nature Physics, kan öppna nya möjligheter för studiet av dolda elektroniska faser i korrelerade fysiska system.
”En CDW är ett exotiskt tillstånd där fria elektroner i en metall organiserar sig i ett rumsligt periodiskt, stående vågliknande mönster”, säger Joshua Lee, första författare till artikeln, till Phys.org.
”Med andra ord stelnar elektronerna. Sedan början av 1990-talet har fysiker förutspått att det fasta CDW-tillståndet bör smälta till ett flytande CDW-tillstånd vid en kritisk temperatur, precis som när is smälter. Andra fysiker hävdade dock att förekomsten av ett flytande CDW-tillstånd är principiellt omöjligt på grund av interaktionerna mellan CDW och den underliggande atomstrukturen i det fasta tillståndet.”
Experimentell undersökning av det svårfångade flytande CDW-tillståndet
Lee och hans kollegor ville sätta punkt för diskussionerna inom fysikvärlden om förekomsten av ett flytande CDW-tillstånd. I sin jakt på detta flytande tillstånd byggde de vidare på tidigare artiklar som antydde förekomsten av ett mellanliggande tillstånd mellan fasta och flytande CDW-tillstånd, det så kallade hexatiska CDW-tillståndet.
”Även om det flytande CDW-tillståndet förutsågs för mer än 30 år sedan, undgick det upptäckt på grund av en mellanliggande fasövergång i kandidatmaterial”, förklarade Anshul Kogar, seniorförfattare till artikeln.
”Den temperatur vid vilken det flytande CDW-tillståndet förutspåddes inträffa var för hög, i ett område där kristallstrukturen inte längre var stabil. Vi kringgick denna mellanliggande fasövergång genom att applicera en ultrakort ljuspuls på provet och tog en ögonblicksbild av vad som hände med CDW innan kristallstrukturen hann försämras.”
Den ljuspulsbaserade teknik som forskarna använde kallas ultrasnabb elektronstrålning. I huvudsak exciterade teamet snabbt elektroner i ett 1T-TaS2-prov med hjälp av femtosekundsljuspulser, samtidigt som de spårade deras rumsliga arrangemang i realtid.
”Denna teknik gjorde det möjligt för oss att se vad som gömde sig bakom gardinen av den mellanliggande fasövergången”, säger Kogar. ”Den tekniska signaturen som vi avslöjade i experimentet är en isotropisk ring av spridning av de relevanta punkterna.”
Lee, Kogar och deras kollegor upptäckte att elektroner som bildar en fast CDW gradvis började förlora sina rutnätliknande positioner samtidigt som de behöll en del av sitt övergripande riktningsmönster. Detta indikerade en övergång till det hexatiska, mellanliggande tillstånd som rapporterats i tidigare artiklar.
Vid högre temperaturer förlorade elektronerna både sina ordnade positioner och orienteringar, vilket resulterade i en ring av diffus spridning. Detta mönster stämmer perfekt överens med vad man skulle förvänta sig att observera i en flytande CDW.
Inspirerande nya studier med fokus på korrelerade elektroniska system
Denna senaste studie ger det första direkta experimentella beviset på en övergång från ett fast till ett flytande CDW-tillstånd. Teamets observationer kan snart bana väg för nya experimentella studier som fokuserar på detta tillstånd och dess underliggande fysik.
”Vårt arbete ger övertygande bevis för att flytande CDW existerar, vilket äntligen sätter punkt för en decennielång debatt”, säger Lee. ”Vi visade specifikt att det existerar i materialet TaS2; vårt arbete inspirerar till undersökningar av förekomsten av flytande CDW även i andra material. Till exempel tros flytande CDW spela en avgörande roll i fasdiagrammen för högtemperatur-superledare.”
De metoder som Lee, Kogar och deras kollegor använde kan snart användas för att studera fler material än 1T-TaS2 eller undersöka andra elektroniska faser som är mycket svåra att observera experimentellt. Under tiden genomför forskarna uppföljningsstudier som kommer att fördjupa sig i det flytande CDW-tillstånd som de observerade.
”Vi studerar för närvarande hur tillsatsen av föroreningar i det flytande CDW-tillståndet kommer att påverka dess rumsliga struktur”, tillägger Lee.
”Det är särskilt oklart om föroreningarna kommer att gynna det flytande tillståndet eller återföra CDW till det fasta tillståndet. Vi misstänker att det flytande CDW-tillståndet kommer att övergå till ett glasartat, amorft CDW-tillstånd när en viss tröskelkoncentration av föroreningar överskrids, men sådana spekulationer måste verifieras experimentellt.”
Publiceringsinformation
Joshua S. H. Lee et al, Observation of a hidden charge density wave liquid, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03108-z.