EuAl4中非公度横向派尔斯相变与手性电荷密度波的实验发现

《Nature Communications》：Incommensurate Transverse Peierls Transition and Signature of Chiral Charge Density Wave in EuAl4

本刊推荐：为揭示拓扑材料中电荷密度波（CDW）的新机制，研究人员针对EuAl4开展了横向派尔斯相变（TPT）研究。通过meV分辨率非弹性X射线散射（IXS）观察到横向声学声子（TA）的完全软化现象，结合第二谐波发生（SHG）技术证实镜面对称性破缺，首次实验证实了由电子-TA声子耦合驱动的非公度手性CDW形成机制，为拓扑材料中对称性调控开辟了新路径。

　　

在量子材料研究领域，电荷密度波（CDW）作为一种电子液体的自发平移对称性破缺现象，一直是理解高温超导体、笼目金属等关联体系物理机制的核心问题。传统理论认为CDW形成源于电子与纵向声学声子（LA）的耦合，即经典的派尔斯相变。然而近年来，拓扑半金属中各向异性的p轨道电子与横向声学声子（TA）的耦合作用，催生了被称为横向派尔斯相变（TPT）的新机制。这种新型相变不仅能打破平移对称性，更可能通过横向晶格畸变破坏镜面或反演对称性，产生向列相或手性电荷密度波等新奇量子态。

尽管TPT机制在解释ZrTe₅等狄拉克半金属的三维量子霍尔效应时被提出，但实验上始终缺乏直接的TPT诱导CDW超晶格峰证据。近年来，拓扑磁体EuAl₄因其自发手性翻转特性成为研究TPT的理想平台。该材料在141K以下会形成沿k_z方向的非公度CDW（Q_CDW=(0,0,0.183)），且其半狄拉克能带结构暗示着费米面嵌套的参与。为阐明其微观机制，研究团队综合运用meV分辨率非弹性X射线散射、第二谐波发生技术和第一性原理计算，揭示了EuAl₄中独特的相变行为。

关键技术方法包括：采用高温铝熔体法生长高质量EuAl₄单晶；利用同步辐射光源进行弹性/非弹性X射线散射测量（APS的4-ID-D束线和NSLS-II的4-ID束线）；通过旋转各向异性第二谐波发生（RA-SHG）技术检测对称性破缺；结合密度泛函理论（DFT）和密度泛函微扰理论（DFPT）计算电子结构和声子谱；使用像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）进行原子分辨率表征。

研究结果

TA声子软化现象观测

通过对比300K与160K温度下沿(2,2,L)和(0,0,L)方向的声子动力学结构因子S(Q,ω)，研究团队发现TA声子在Q_CDW附近出现显著软化，而LA声子仅呈现轻微硬化。代表性IXS谱图显示，Q=(2,2,1.83)处的TA声子能量从300K到160K降低约1.5meV。提取的TA声子软化量ΔE(T)在Q_CDW处呈现尖锐峰值，符合Kohn异常特征，为TPT机制提供了直接证据。

电子-TA声子耦合机制

为阐明TA声子软化的物理起源，团队对电子结构近似的非磁性姊妹化合物SrAl₄进行第一性原理计算。能带计算显示高度杂化的Al 3p轨道形成半狄拉克点，其能带嵌套在Q~(0,0,0.12)处产生电荷敏感性峰值。声子谱计算证实TA声子在该波矢处出现虚频模式（能量约-0.25THz），且电子-TA声子耦合强度显著。计算得到的失稳波矢与实验测量的Q_CDW高度吻合，证实了费米面嵌套与晶格失稳的协同作用。

手性CDW的对称性证据

通过弹性X射线散射跟踪(1,0,7)和(0,1,7)布拉格峰的温度演化，发现CDW相变前后均保持窄峰宽（半高宽≈0.0025r.l.u.），未出现劈裂或展宽现象，表明晶格畸变小于1pm（低于海森堡不确定原理限定的2pm）。这一结果排除了C₄旋转对称性破缺的可能性。RA-SHG测量则显示，低于T_CDW后各向同性和C₄对称分量强度显著增强，且SHG图案出现微小旋转（Δφ≈2°）。这种取向变化意味着镜面对称性破缺，同时保持螺旋C₄对称性，符合手性CDW的特征。

研究结论与意义

本工作通过多技术联用首次实验证实了EuAl₄中的非公度横向派尔斯相变，并发现手性电荷密度波存在的关键证据。理论计算表明，半狄拉克能带的嵌套效应驱动了TA声子的晶格失稳，而CDW波矢与嵌套矢量的匹配进一步降低了体系自由能。与C₂向列相CDW产生的各向异性p波型能隙不同，C₄手性CDW具有各向同性的s波型能隙函数，可沿所有高对称方向释放TA声子失稳能，这一特性使其在能量上更占优势。

该发现不仅为理解拓扑材料中电子-声子耦合提供了新范式，更揭示了手性量子态调控的新途径。TPT诱导的手性CDW可能成为实现拓扑量子计算的新型载体，而实验中发展的对称性敏感探测方法为研究其他关联体系中的隐藏序参量提供了重要技术借鉴。这项发表于《Nature Communications》的研究标志着对传统派尔斯相变理论的重大突破，为拓扑物态调控研究开辟了新的方向。