近期，固体所功能材料研究室在二维材料1T-VSe₂电荷密度波量子态以及物理起源的理论研究方面取得新进展。研究人员利用第一性原理计算发现了费米面嵌套和电声子耦合所导致三维块体和二维单层1T-VSe₂具有不同的电荷密度波基态，并且应力可以调控不同有序态的转变，理论研究结果可以很好地解释相关实验现象。相关研究成果发表在《物理评论B》(Physical Review B 101, 235405 (2020))上。

电荷密度波是指晶体中的电荷密度发生周期性改变，并伴随着晶体结构畸变的量子现象，往往出现在低维材料中，过渡金属二硫族化合物MX₂就是典型的这一类材料。电荷密度波作为一种量子有序态，可以被外部的电场或磁场所调控，因此可以被潜在应用于低维电子器件中。通常块体和二维单层MX₂材料(例如TaS₂, NbSe₂, TiSe₂等)电荷密度波的强度会发生改变，但其波矢量不会发生变化。然而最近实验上观察到二维单层1T-VSe₂的电荷密度波与其块体的完全不同，并且依赖于不同样品制备工艺，展现出了丰富的电荷密度波序。实验报道的不同结果以及物理起源存在着极大的争议。

为澄清1T-VSe₂电荷密度波的基态以及物理起源，研究人员利用第一性原理计算对其进行了系统的研究。通过电子能带结构、声子谱和电声子耦合的计算和分析，发现对于块体材料，费米面嵌套和电声子耦合作用都对其4x4 超结构的电荷密度波的形成具有一定决定作用。然而，对于自由弛豫(无外应力)的二维单层材料，其具有超结构的电荷密度波，并且衬底的拉应力可以稳定该超结构的电荷密度波。然而，衬底的压应力则可以使其电荷密度波转变成块体中的 4x4 超结构形式。此外，费米面的嵌套也不能解释二维单层材料中电荷密度波的形成，而动量依赖的电声子耦合作用能够很好地解释其形成的原因。通过系统的理论计算研究，其结果为理解1T-VSe₂不同的电荷密度波序以及物理起源提供了支撑。

  上述工作是由固体所功能材料研究室鲁文建研究员和孙玉平研究员课题组共同完成的。

  该研究得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目的资助。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.101.235405

图1. 块体1T-VSe₂电子磁化率的实部(左)和虚部(中)及声子线宽(右)。

图2. 二维单层1T-VSe₂中各种电荷密度序的形成能随应力的演化(左)、声子谱(中)及声子线宽(右)。