新型“電子原晶態”二維材料的構筑及其短程密度波 | 進展

固體材料中原子結構的有序程度，從晶體、非晶到準晶和液晶，在根本上決定了材料的物性與功能。類似地，晶體中的電子也可自發形成具有特定對稱性的集體量子態，從而產生豐富而反常的電子行為。其中，電子液晶態（Electronic Liquid Crystal State）因其自發破壞晶體對稱性，廣泛存在于高溫超導體和重費米子體系中，成為理解強關聯電子行為的重要平臺。近期，一類介于有序與無序之間的新型結構-原晶體（Procrystal）被提出，其結構特征是在保持長程有序晶格骨架的同時，晶格位點呈現無序構型。與原子結構對應，電子在類似對稱性下有望形成一種超越傳統 Bloch 范式的新型電荷有序態，即“電子原晶態”（Electronic Procrystalline State, EPS）。目前，“原晶體”結構材料得到了極大關注與研究，而“電子原晶態”這種可能孕育新奇電子現象的體系盡管理論上有進展，實驗上尚未被實現。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞研究員帶領的聯合研究團隊，在非公度莫爾（moiré）超晶格中構筑了新型“電子原晶態”，并發現了短程密度波。郭輝副研究員等利用超高真空分子束外延技術，原子級精準構筑了基于單層拓撲半金屬NiTe?和超導體NbSe?的新型非公度莫爾超晶格；陳輝副研究員、博士生黃子豪（現為新加坡南洋理工大學博士后）等利用極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡/譜對該莫爾超晶格結構開展了深入研究，發現了一種全新的關聯電子態，即“電子原晶態”（Electronic Procrystalline State）。該電子態表現出一種獨特的電荷有序形式，在莫爾尺度上呈現出有序排列，但在莫爾周期內的原子尺度上則保持無序特征，形成短程有序的電荷密度調制。隨NiTe?薄膜厚度的增加，長程的莫爾超周期不變，“電子原晶態”逐漸消失。此外，“電子原晶態”的短程電荷序與近鄰超導相互耦合，形成短程的超導能隙相干峰的空間調制，表現出具有“原晶”特征的獨特超導態。北京科技大學高藝璇副研究員等開展了相關理論研究，揭示了這種獨特的關聯電子相可能源自于莫爾超晶格引入的應力勢場與不同晶格周期勢之間的協同與競爭效應，定性地解釋了實驗結果。

圖1 非公度莫爾超晶格NiTe?/NbSe?的原子級精準構筑和新型“電子原晶態”的實現

該工作首次在非公度金屬性莫爾結構中實現了一種新型無序關聯電子相。這種有序超周期中的局部無序電子態特性，突破了傳統 Bloch 電子態和長程有序電荷序的描述框架，為探索新奇量子現象及其在器件中的潛在應用提供了一個有價值的平臺。

相關成果以“Synthesis of incommensurate moiré structures with short-range-ordered charge density modulation” 為題發表于Nature Communications16, 11327 (2025)上。物理所郭輝副研究員、黃子豪博士和北京科技大學的高藝璇副研究員為共同第一作者；郭輝副研究員、陳輝副研究員、美國波士頓學院Ziqiang Wang教授和高鴻鈞研究員為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃項目和中國科學院的資助。

編輯：小鹿