南方科技大学/深圳综合粒子设施研究院陈朝宇课题组与北京大学冯济课题组，中国科学院物理所刘广同团队合作，利用上海光源BL-03U ARPES线站，在电荷密度波（CDW）材料的研究方向取得重要进展。研究发现CDW彻底改变了过渡金属碲化物TaTe4的能带面貌，区别于普遍情况下的微扰；澄清了关于该材料主要能带的拓扑性和对应的量子震荡的三维/二维性和贝里相位的争议；揭示了动量依赖的CDW能隙形成机制。相关研究成果于2024年9月12日，以“Dominant Charge Density Order in TaTe4”为题发表于《物理评论快报》 (Physical Review Letters 133, 116403 (2024))。TaTe4是三维针状单晶，解理面小且不平整，BL-03U的微米尺度光斑和高能量分辨率是获取高质量实验数据的关键。

固体中的多体相互作用会导致费米液体体系失稳，从而驱动新的对称性破缺或量子相变， CDW便是其中一种常见的体系失稳通道。CDW是指固体材料的电荷密度出现了新的空间周期性调制，从而驱动晶格中的原子离开当前位置，形成新的超周期排布。在许多高温超导体系中，CDW经常与超导同时出现并相互竞争，可能存在着原理上的关联。探索CDW在具体材料中的起源及其对电子结构的调制具有重要的意义。

图：过渡金属碲化物TaTe4的高分辨电子结构

与众多材料中CDW的有序温度远低于室温不同，过渡金属碲化物TaTe4的CDW有序温度远远高于室温（约475 K）。同时，输运研究发现了压力产生的超导电性。这些性质吸引了众多团队从结构、能带、输运、理论等不同侧面对该材料开展研究。到目前为止，上述众多工作给出的结论尚存在一些争议。陈朝宇合作团队综合利用角分辨光电子能谱，第一性原理计算，磁阻量子震荡等实验和计算手段，系统地分析了该体系主要能带随CDW的折叠机制、主要能带贡献的量子震荡的角度依赖和贝里相位、以及能带和轨道依赖的CDW能隙大小，为这引进待解决的科学问题和存在的争议提供了答案或线索：

1.CDW 机理

早先第一性原理计算表面该体系不存在费米面嵌套的能带条件，突出了电声子耦合驱动CDW的可能性^1,2。最近的ARPES研究和本工作证明该体系的费米面不支持嵌套的发生^3,4，但是电声子耦合的主要证据，比如声子谱的科恩反常特征却尚未得到实验验证。作者团队另辟蹊径，对能带的轨道成分进行了系统的投影分析，发现在CDW相中众多的电子轨道均通过不同的能带表现出能隙的打开，否定了轨道依赖的CDW能隙的存在。相反，动量空间布里渊区高对称点M处的能带没有产生CDW能隙，而是受超周期的影响产生能带折叠，形成了CDW相的主要导电能带。上述动量或者能带依赖的CDW能隙的发现强烈支持电声子耦合驱动CDW的可能性，为研究该体系CDW的驱动力提供了重要线索。

2.能带拓扑性

以前的工作对量子震荡的朗道指数分析给出了拓扑非平庸的贝里相位^5-7, 表明该体系的主要能带有可能存在拓扑相。然而这种推测与体系同时存在空间反演和时间反演对称性是相悖的。本工作综合分析了本团队的量子震荡实验数据和已发表实验结果，结合贝里相位计算，证明体系主要能带的贝里相位和拓扑性质是平庸的，澄清了上述争议。

3.能带维度

之前基于量子震荡角度依赖关系的研究分别给出了主要震荡频率是二维或者三维的相反结论^6,7。本工作不仅通过更高数据质量的角度依赖分析确认了主要频率的三维性，同时，利用高分辨ARPES测量得到的对应能带证实其量子震荡起源于CDW的折叠能带，具备体能带的三维性和拓扑平庸性。

这些发现表明TaTe4中的CDW主导了该材料的电子结构和输运性质。换言之，TaTe4 作为CDW占主导地位的稀有量子材料代表，为研究CDW与超导、拓扑等物态的相互作用提供了宝贵的平台。本工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，广东省自然科学基金等项目的支持。