固體材料中原子結(jié)構(gòu)的有序程度，從晶體、非晶到準(zhǔn)晶和液晶，在根本上決定了材料的物性與功能。類(lèi)似地，晶體中的電子也可自發(fā)形成具有特定對(duì)稱(chēng)性的集體量子態(tài)，從而產(chǎn)生豐富而反常的電子行為。其中，電子液晶態(tài)（Electronic Liquid Crystal State）因其自發(fā)破壞晶體對(duì)稱(chēng)性，廣泛存在于高溫超導(dǎo)體和重費(fèi)米子體系中，成為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子行為的重要平臺(tái)。近期，一類(lèi)介于有序與無(wú)序之間的新型結(jié)構(gòu)-原晶體（Procrystal）被提出，其結(jié)構(gòu)特征是在保持長(zhǎng)程有序晶格骨架的同時(shí)，晶格位點(diǎn)呈現(xiàn)無(wú)序構(gòu)型。與原子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，電子在類(lèi)似對(duì)稱(chēng)性下有望形成一種超越傳統(tǒng) Bloch 范式的新型電荷有序態(tài)，即“電子原晶態(tài)”（Electronic Procrystalline State, EPS）。目前，“原晶體”結(jié)構(gòu)材料得到了極大關(guān)注與研究，而“電子原晶態(tài)”這種可能孕育新奇電子現(xiàn)象的體系盡管理論上有進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)上尚未被實(shí)現(xiàn)。

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心高鴻鈞研究員帶領(lǐng)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在非公度莫爾（moiré）超晶格中構(gòu)筑了新型“電子原晶態(tài)”，并發(fā)現(xiàn)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(shù)，原子級(jí)精準(zhǔn)構(gòu)筑了基于單層拓?fù)浒虢饘貼iTe?和超導(dǎo)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(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)博士后）等利用極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡/譜對(duì)該莫爾超晶格結(jié)構(gòu)開(kāi)展了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一種全新的關(guān)聯(lián)電子態(tài)，即“電子原晶態(tài)”（Electronic Procrystalline State）。該電子態(tài)表現(xiàn)出一種獨(dú)特的電荷有序形式，在莫爾尺度上呈現(xiàn)出有序排列，但在莫爾周期內(nèi)的原子尺度上則保持無(wú)序特征，形成短程有序的電荷密度調(diào)制。隨NiTe?薄膜厚度的增加，長(zhǎng)程的莫爾超周期不變，“電子原晶態(tài)”逐漸消失。此外，“電子原晶態(tài)”的短程電荷序與近鄰超導(dǎo)相互耦合，形成短程的超導(dǎo)能隙相干峰的空間調(diào)制，表現(xiàn)出具有“原晶”特征的獨(dú)特超導(dǎo)態(tài)。北京科技大學(xué)高藝璇副研究員等開(kāi)展了相關(guān)理論研究，揭示了這種獨(dú)特的關(guān)聯(lián)電子相可能源自于莫爾超晶格引入的應(yīng)力勢(shì)場(chǎng)與不同晶格周期勢(shì)之間的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，定性地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 非公度莫爾超晶格NiTe?/NbSe?的原子級(jí)精準(zhǔn)構(gòu)筑和新型“電子原晶態(tài)”的實(shí)現(xiàn)

該工作首次在非公度金屬性莫爾結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了一種新型無(wú)序關(guān)聯(lián)電子相。這種有序超周期中的局部無(wú)序電子態(tài)特性，突破了傳統(tǒng) Bloch 電子態(tài)和長(zhǎng)程有序電荷序的描述框架，為探索新奇量子現(xiàn)象及其在器件中的潛在應(yīng)用提供了一個(gè)有價(jià)值的平臺(tái)。

相關(guān)成果以“Synthesis of incommensurate moiré structures with short-range-ordered charge density modulation” 為題發(fā)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(xué)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(guó)波士頓學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助。

編輯：小鹿