近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員鄒良劍課題組、與北京計算中心研究員林海青、常凱合作，通過對二維電荷密度波材料1T-TaS2體系中的塊體材料、單層體系、高溫正常相和低溫電荷密度波相進行系統性研究，發現電子關聯和軌道密度波對于低溫相的形成起到重要作用。相關研究結果發表在《物理評論B》上。

　　實驗研究表明，1T-TaS2具有豐富的相變過程，隨著溫度的降低，它會經過非公度電荷密度波、準公度電荷密度波和公度電荷密度波三次相變，在最后一次相變之后，體系會從金屬轉變為絕緣體。這一材料已被研究多年，但其低溫相變機制目前尚無定論。

　　為了探索1T-TaS2的低溫相變機制，研究人員利用密度泛函理論和動力學平均場理論，對二維電荷密度波材料1T-TaS2進行了系統研究。第一性原理結構弛豫結果顯示，低溫下每13個Ta原子會收縮形成一個“大衛”星團簇 (圖1)。通過分析費米能級附近的軌道特征，發現系統存在軌道密度波序，主要來源于團簇中心的Ta-5d3z2-r2的貢獻 (圖2)。結合動力學平均場理論結果，研究人員進一步確定，在結構畸變和庫侖關聯共同作用下才使得低溫電荷密度波絕緣相穩定，進而在實驗上被觀測到；同時，軌道密度波起到了重要作用。此外，研究人員發現，塊體系統的基態是一個層間反鐵磁態，單層體系的基態是一個鐵磁態。這對該體系的后續研究提供了重要參考，包括軌道機制、激子物理、平帶特征以及潛在的應用價值。

　　以上研究得到了國家自然科學基金項目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.在低溫相中，每13個Ta原子（綠色原點）收縮形成一個“大衛”星團簇。紅色箭頭標定了收縮方向。

　　圖2.(a)面內和(b)層間軌道密度波序示意圖，每個黃色六角星代表一個“大衛”星團簇，紅綠藍三色都對應Ta-5d3z2-r2軌道。