强关联量子系统能够形成具有对称性破缺的有趣的基本集体模式，例如电荷密度波（CDW），其特征在于电子密度的周期性调制和相应的晶格畸变。如何通过使用各种互补的散射技术实现CDW状态的微观可视化，并直接确定和理解结构和费米面修饰的相应指纹图谱，仍然是相关研究的重点和难点。
针对这一现状，新加坡国立大学仇成伟教授、哈工大易红亮教授团队突破现有研究思路和研究方案的制约，利用涨落电动力学、电流-电流线性响应和密度泛函理论揭示了电荷密度波（CDW）材料的辐射换热行为特征，并将其称为热光子CDW跃迁（tp-CDW跃迁）。相关工作以 “Unconventional thermophotonic charge density wave” 为题发表在光学期刊《Physical Review Letters》上。
研究结果表明，在CDW跃迁过程中，热光子能量输运产生了显著的负温度依赖性，即H ∝ T−n，违背了Stefan-Boltzmann定律的预测H ∝ T3。这种负温度依赖性非常重要，表明CDW序与热辐射之间存在密切联系（加入声子校正后，可对CDW温度值进行校正，使之更加贴合实际跃迁温度，但非谐波效应不会对光学和热光子特性产生影响）。易红亮教授团队进一步探索了tp-CDW转变过程中非平凡特征的基本物理机制，考察了由等离激元和CDW激发组成的复杂混合模式在热光子传输中的可能影响，发现这种反常的热辐射源于与CDW电子带隙湮灭相关的带间激励的抑制。这一发现连接了物理学研究中两个迅速发展的领域，即CDWs和热辐射，为CDWs研究提供了新思路。
图 (a) CDW跃迁的辐射换热示意图；(b) CDW和标准晶体结构；(c) 不同序态下的电子能带结构；(d) 光谱热流量演化趋势；(e) 热光子隧穿行为特性
本文旨在建立电子序态与热光子学之间的理论桥梁。研究结果显示，在电荷密度波（CDW）材料中，热光子展现出了异乎寻常的特性，具体表现为其强度与温度之间呈现负相关性，这一现象显著偏离了斯蒂芬-玻尔兹曼定律的预期。文章进一步阐释，这一非平凡特性的根源在于与CDW电子带隙湮灭紧密相关的带间激发过程受到抑制。CDW与热光子学的融合，为探索电子序态的演化提供了一种新颖的探测手段，有望揭示CDW相的微观物理机制。同时，将该研究拓展至二维系统中的其他量子相，诸如Mott insulated态和Wigner crystal态，无疑将是一个引人入胜的研究方向。此外，CDW相所展现出的异常热响应特性，预示着其在热流调控领域具有巨大的应用潜力，这不仅为热物理学的研究开辟了新的视野，也为热技术的应用提供了广阔的前景。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.066902
--课题组供稿
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