新型二维材料在室温下显示稳定的电荷密度波

在过去的几十年里，量子材料在计算应用中引起了人们的极大兴趣，但非平凡的量子特性——如超导性或磁自旋——仍然处于脆弱状态

密歇根大学材料科学与工程副教授Robert Hovden说：“在设计量子材料时，游戏总是与无序作斗争。”

热是破坏量子特性的最常见的无序形式。量子材料通常只有在非常低的温度下，当原子几乎停止振动时，才会表现出奇异的现象，从而使周围的电子相互作用，并以意想不到的方式重新排列。这就是为什么量子计算机目前是在−269°C或大约-450°F的液氦浴中开发的。这只比零开尔文（-273.15°C）高几度

当材料从3D剥离到2D单层原子时，也会失去量子特性，这对开发纳米级器件特别感兴趣

现在，密歇根大学领导的一个研究小组开发了一种新的方法，可以在室温下诱导和稳定一种称为电荷密度波的奇异量子现象。他们基本上已经确定了一类新的二维材料。研究结果发表在《自然通讯》上

“这是首次在二维中观察到有序的电荷密度波。我们感到震惊的是，它不仅在二维中有电荷密度波，而且电荷密度波大大增强，”Hovden说

研究人员将2D材料生长在另一种基质中，而不是剥离单个原子层来制造2D材料的典型方法。他们将这类新材料称为“内轴”，源自希腊语词根“endo”，意思是内部，“taxis”，意为有序

研究人员研究了一种金属晶体，二硫化钽（TaS2），它和任何晶体一样，原子在各个方向上排列整齐，就像乒乓球一样。他们观察到，随着材料的生长，夹在中间的2D TaS2晶体层的电子自发聚集在一起，形成自己的晶体，称为电荷晶体或电荷密度波，这是固体材料中电子分布的重复模式

当电子聚集并结晶时，它们的运动受到限制，金属不再导电。在不改变材料化学性质的情况下，电荷晶体的形成将材料从导体转化为绝缘体。这种奇特的量子现象可以被证明在经典或量子计算中用作晶体管，充当控制电压流的栅极

该论文的第一作者、密歇根大学博士毕业生、哈佛大学罗兰研究所现任博士后Suk Hyun Sung说：“这开启了一种观点，即内轴合成可能是在我们所处的正常温度范围内稳定脆弱量子态的重要策略。”

有了在室温下稳定的电荷晶体，研究人员决定加热它来观察变化

Hovden说：“它是在出乎意料的高温下订购的。不仅在室温下，而且如果你把它加热到水的沸点以上，它仍然会有电荷密度波。”

研究人员最终观察到电荷晶体融化，而材料保持固态，消除了量子态

像这样的实验推进了我们对量子材料的基本理解，这对于研究人员利用奇异量子现象进行工程解决方案至关重要

目前，这项研究为使用内轴合成发现新的量子材料奠定了基础，并有望在更实际的温度下稳定量子特性