新型“电子原晶态”二维材料的构筑及其短程密度波 | 进展

固体材料中原子结构的有序程度，从晶体、非晶到准晶和液晶，在根本上决定了材料的物性与功能。类似地，晶体中的电子也可自发形成具有特定对称性的集体量子态，从而产生丰富而反常的电子行为。其中，电子液晶态（Electronic Liquid Crystal State）因其自发破坏晶体对称性，广泛存在于高温超导体和重费米子体系中，成为理解强关联电子行为的重要平台。近期，一类介于有序与无序之间的新型结构-原晶体（Procrystal）被提出，其结构特征是在保持长程有序晶格骨架的同时，晶格位点呈现无序构型。与原子结构对应，电子在类似对称性下有望形成一种超越传统 Bloch 范式的新型电荷有序态，即“电子原晶态”（Electronic Procrystalline State, EPS）。目前，“原晶体”结构材料得到了极大关注与研究，而“电子原晶态”这种可能孕育新奇电子现象的体系尽管理论上有进展，实验上尚未被实现。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究员带领的联合研究团队，在非公度莫尔（moiré）超晶格中构筑了新型“电子原晶态”，并发现了短程密度波。郭辉副研究员等利用超高真空分子束外延技术，原子级精准构筑了基于单层拓扑半金属NiTe₂和超导体NbSe₂的新型非公度莫尔超晶格；陈辉副研究员、博士生黄子豪（现为新加坡南洋理工大学博士后）等利用极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱对该莫尔超晶格结构开展了深入研究，发现了一种全新的关联电子态，即“电子原晶态”（Electronic Procrystalline State）。该电子态表现出一种独特的电荷有序形式，在莫尔尺度上呈现出有序排列，但在莫尔周期内的原子尺度上则保持无序特征，形成短程有序的电荷密度调制。随NiTe₂薄膜厚度的增加，长程的莫尔超周期不变，“电子原晶态”逐渐消失。此外，“电子原晶态”的短程电荷序与近邻超导相互耦合，形成短程的超导能隙相干峰的空间调制，表现出具有“原晶”特征的独特超导态。北京科技大学高艺璇副研究员等开展了相关理论研究，揭示了这种独特的关联电子相可能源自于莫尔超晶格引入的应力势场与不同晶格周期势之间的协同与竞争效应，定性地解释了实验结果。

图1 非公度莫尔超晶格NiTe₂/NbSe₂的原子级精准构筑和新型“电子原晶态”的实现

该工作首次在非公度金属性莫尔结构中实现了一种新型无序关联电子相。这种有序超周期中的局部无序电子态特性，突破了传统 Bloch 电子态和长程有序电荷序的描述框架，为探索新奇量子现象及其在器件中的潜在应用提供了一个有价值的平台。

相关成果以“Synthesis of incommensurate moiré structures with short-range-ordered charge density modulation” 为题发表于Nature Communications16, 11327 (2025)上。物理所郭辉副研究员、黄子豪博士和北京科技大学的高艺璇副研究员为共同第一作者；郭辉副研究员、陈辉副研究员、美国波士顿学院Ziqiang Wang教授和高鸿钧研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目和中国科学院的资助。

编辑：小鹿