科学家首次拍到电子在量子材料中形成“斑点状”奇特图案

韩国科学技术院（KAIST）物理系杨荣洙教授联合斯坦福大学李承斌、梁熙俊、金永官等学者，首次实现了对量子材料内部电荷密度波（CDW）振幅空间演化过程的直接成像。他们利用液氦冷却的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），在接近-253℃的极低温下，以高达人类头发直径十万分之一的分辨率，实时追踪CDW如何随温度变化而形成、减弱乃至瓦解。结果发现：电子有序并非均匀铺开，而是呈现‘斑块状’分布——某些区域出现清晰规则的电子图案，相邻区域却完全无序，类似湖面局部结冰而非整体冻结。进一步分析表明，这种不均匀性与晶体内部极其微弱的应变（传统光学手段无法探测）密切相关：哪怕极微量的晶格畸变，也会显著抑制CDW振幅。这为‘晶格形变调控电子有序’提供了直接实验证据。更意外的是，研究还观察到：即使在理论上的相变温度之上，仍存在孤立的CDW‘小岛’，说明电子有序的消失并非瞬间、全局的过程，而是先丧失长程空间关联性，局部振幅却可暂时保留。团队首次定量测量了CDW振幅在空间上的关联衰减行为——即一个位置的电子有序强度如何随距离增大而与另一位置逐渐失去关联。这一细节此前用常规X射线衍射或扫描探针技术无法获取。该工作不仅突破了观测极限，更建立起一套新范式：通过直接绘制电子有序的空间结构与关联图像，深入理解量子材料中集体电子行为的真实演化机制。杨荣洙博士指出：‘过去CDW的空间相干性主要靠间接推断；现在我们能真正‘看见’它如何随空间和温度变化，并找出哪些局部因素在稳定或压制电子有序。’本研究由KAIST洪锡乔、吴在翰、朴智敏为共同第一作者，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），获韩国国家研究基金会（NRF）多项资助。