物理学家们对2022年的发现感到惊讶，即磁性铁锗晶体中的电子可以自发地、集体地将其电荷组织成一个以驻波为特征的模式。磁性也产生于电子自旋的集体自组织成有序模式，而这些模式很少与产生电子驻波的模式共存，物理学家称之为电荷密度波。

在本周发表在《自然-物理学》杂志上的一项研究中，莱斯大学的物理学家Ming Yi和Pengcheng Dai以及他们在2022年研究中的许多合作者，提出了一系列的实验证据，表明他们的电荷密度波的发现更加罕见，这是一个磁性和电子秩序不简单地共存，而是直接联系的情况。

该研究的共同通讯作者Yi说："我们发现磁性巧妙地改变了材料中的电子能态景观，既促进了电荷密度波的形成，又为其做好了准备。"

(左）kagome晶格；（中）电荷密度波开始前铁锗磁相的费米面；（右）电荷密度波开始后铁锗的费米面。资料来源：Ming Yi/Rice大学

这项研究是由来自莱斯大学、橡树岭国家实验室（ORNL）、SLAC国家加速器实验室、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、华盛顿大学、加州大学伯克利分校、以色列魏茨曼科学研究所和中国南方科技大学的十几位研究人员共同完成的。

这些铁锗材料是kagome晶格，这是一个备受研究的材料家族，其特点是原子的二维排列，让人联想到日本传统kagome篮子的编织图案，其特点是等边三角形，四角相接。

Yi说："kagome材料最近在量子材料领域掀起了风暴。这种结构最酷的地方是，这种几何形状对允许电子放大的方式施加了有趣的量子约束，有点类似于交通环岛对交通流的影响，有时会使其停止。"

Ming Yi是莱斯大学物理学和天文学的助理教授。资料来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

从本质上讲，电子会相互回避。它们这样做的一种方式是将它们的磁态--指向向上或向下的自旋--与它们邻居的自旋方向相反。

研究报告的共同通讯作者Dai说："当把电子放在kagome晶格上时，由于量子干扰效应，电子也会出现被卡住的状态，不能去任何地方。"

当电子不能移动时，三角形排列会产生一种情况，即每个人都有三个邻居，而电子没有办法集体将所有相邻的自旋向相反方向排序。长久以来，人们已经认识到了电子在kagome晶格材料中的固有挫折性。

Yi说，晶格限制电子的方式"会对材料的可观察特性产生直接影响"，该团队能够利用这一点"更深入地探究铁锗中磁性和电荷密度波相互交织的根源"。

戴鹏程是莱斯大学物理和天文学的山姆和海伦-沃顿教授

他们利用非弹性中子散射实验（在ORNL进行）和角度分辨光发射光谱实验（在LBNL的高级光源和SLAC的斯坦福同步辐射光源以及Yi在莱斯大学的实验室进行）的组合来实现这一点。

她说："这些探针使我们能够观察电子和晶格在电荷密度波形成时的表现。"

戴说，这些发现证实了研究小组的假设，即铁锗中的电荷秩序和磁性秩序是相关的。他说："这是已知的极少数（如果不是唯一的）可歌可泣材料的例子之一，在这种材料中，磁力首先形成，为电荷排队做好准备。"

Yi说，这项工作显示了对自然现象的好奇心和基础研究如何能够最终发展出应用科学。

她说："作为物理学家，当我们发现自发形成某种秩序的材料时，我们总是很兴奋。这意味着我们有机会了解量子材料的基本粒子的自组织能力。只有有了这种了解，我们才有希望在某一天设计出具有新颖或奇特性质的材料，而我们可以随意控制。"