凝態(tài)中心主任朱明文研究團(tuán)隊(duì) 電子顯微鏡量測(cè)電子有效質(zhì)量與費(fèi)米速度 剖析量子材料關(guān)鍵課題與懸宕70年的理論挑戰(zhàn)

研究背景與挑戰(zhàn)

電子顯微鏡以其原子解析力成為當(dāng)代不可或缺的材料觀察利器。然而，利用電子顯微鏡來(lái)量測(cè)電子有效質(zhì)量與費(fèi)米速度，卻是前所未見(jiàn)的挑戰(zhàn)。凝態(tài)中心主任、新穎材料原子級(jí)科學(xué)研究中心共同主持人暨臺(tái)大電子顯微學(xué)重點(diǎn)技術(shù)平臺(tái)主持人朱明文研究員，建立以穿透式電子顯微鏡結(jié)合電子損失能譜學(xué)的方法，深入剖析量子材料 (quantum materials) 關(guān)鍵課題：量子材料常見(jiàn)的波動(dòng)狀電荷密度波序化(charge-density-wave order)，是否因其電子關(guān)聯(lián)性而使電子有效質(zhì)量增加、費(fèi)米速度減慢，從而影響相關(guān)應(yīng)用？

突破性的發(fā)現(xiàn)

朱明文研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)國(guó)際上少見(jiàn)的動(dòng)量解析電子損失能譜學(xué) (q-EELS) ，利用電子束激發(fā)CuTe半金屬中的電荷密度波，激發(fā)該電子序化相，產(chǎn)生名為電漿子 (plasmon) 的動(dòng)態(tài)波動(dòng)震盪。這使CuTe同時(shí)具備靜態(tài)的電荷密度波與動(dòng)態(tài)的電漿子震盪。根據(jù)1950年代發(fā)展的電漿子理論，動(dòng)態(tài)的電漿子波動(dòng)受到靜態(tài)電荷密度波所產(chǎn)生的動(dòng)能變化影響，這一變化恰好是電子有效質(zhì)量與費(fèi)米速度的函數(shù)。透過(guò)量測(cè)電漿子的動(dòng)能變化，便可直接度量此量子材料的關(guān)鍵課題。儘管基礎(chǔ)電漿子理論對(duì)有效質(zhì)量與費(fèi)米速度的度量揭示已被忽視近70年，且該理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度極高，朱明文研究員團(tuán)隊(duì)藉由動(dòng)量解析電子損失能譜，成功證明電漿子確實(shí)可以用來(lái)捕捉電子的有效質(zhì)量與費(fèi)米速度，並進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)的電荷密度波實(shí)際上使CuTe中的狄拉克 (Dirac) 相對(duì)論性費(fèi)米子 (fermion) 般的電子，具有較輕的有效質(zhì)量與較快的費(fèi)米速度，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)量子應(yīng)用更為有利。該反直覺(jué)的量子材料發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)淡江大學(xué)物理系教授薛宏中團(tuán)隊(duì)的第一原理電子結(jié)構(gòu)與能譜計(jì)算檢驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)此發(fā)現(xiàn)的正確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)與合作

此研究不僅揭示被忽視近70年的理論，還為電荷密度波序化提供全新的認(rèn)識(shí)，成為量子材料功能性的推動(dòng)力。朱明文研究員團(tuán)隊(duì)的動(dòng)量解析電子損失能譜成果，來(lái)自臺(tái)大材料系教授陳俊維的指導(dǎo)，以及臺(tái)大分子科學(xué)與技術(shù)國(guó)際學(xué)程博士生汪奕達(dá)與臺(tái)大凝態(tài)中心博士後研究員周大磊博士的共同努力。儘管使用的是一臺(tái)已經(jīng)接近21年的舊電子顯微暨能量損失能譜設(shè)備，且其能量解析度已遠(yuǎn)低於當(dāng)代標(biāo)準(zhǔn)，該研究成果依然獲得國(guó)際間廣泛關(guān)注，並立即引來(lái)美國(guó)、加拿大及日本實(shí)驗(yàn)室的邀請(qǐng)，前往進(jìn)行高能量解析度電子損失能譜實(shí)驗(yàn)，並與對(duì)方分享實(shí)驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)行合作研究。

意義與展望

朱明文誠(chéng)摯期望，臺(tái)灣能儘早進(jìn)入高能量解析與高動(dòng)量解析電子損失能譜領(lǐng)域，這不僅能成為量子材料研究的重要工具，也可用來(lái)探測(cè)微小半導(dǎo)體元件中的電子有效質(zhì)量與費(fèi)米速度。最根本的是，這項(xiàng)技術(shù)能夠根留臺(tái)灣，為科學(xué)突破貢獻(xiàn)力量，並在強(qiáng)化臺(tái)灣科技實(shí)力的過(guò)程中發(fā)揮作用。特別感謝國(guó)立成功大學(xué)物理系教授呂欽山與博士郭家農(nóng)所提供的高品質(zhì)CuTe單晶，這為本研究從晶體成長(zhǎng)、尖端能譜量測(cè)到微觀理論檢驗(yàn)的成功提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本研究成果已於2024年10月29日發(fā)表於Nature Communications，以下為期刊編輯對(duì)此研究的摘要：“Charge density waves usually cause electrons to become heavier and slow down. Here, the authors find the opposite is true in CuTe and study the phenomenon using advanced q-EELS。”

研究成果全文：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53653-z