伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究人员检测到电子的电荷密度波的存在，当它与材料的背景晶格离子相互作用时，它会获得质量。
这项新研究由助理教授Fahad Mahmood(物理，材料研究实验室)和博士后Soyeun Kim(现任斯坦福材料与能源科学研究所博士后，SLAC国家加速器实验室)领导，是对安德森-希格斯机制(质量获取)的直接测量，也是已知的第一次在电荷密度波材料中大规模phason的演示，这是40多年前做出的预测。
他们的论文，“在电荷密度波绝缘体中观察巨大的相子”，以及这些结果，最近发表在《自然材料》杂志上。
物质凝聚相的集体激发通常在发展各种材料的基本理论中起着基础作用，包括超导体、量子磁体和电荷密度波。在简单金属中，电子在空间中均匀分布;空间中一点的电子密度等于空间中另一点的电子密度。然而，在某些金属中，电子密度呈正弦波状(电荷密度波)。Mahmood解释说，考虑到电荷密度波被冻结在空间中，如果波受到干扰，它就会“环形”(也就是说，它会产生集体激励)。它可以通过波动模式振幅的变化来环形，或者电荷密度波可以来回滑动(相移)。后来的集体激发被称为相子，类似于材料中的声波——它的质量可以忽略不计。
40多年前，研究人员预测，如果相子在长距离内与背景离子晶格强烈相互作用(远程库仑相互作用)，那么它将在移动时试图拖动重离子。结果是，这个质量关需要更多的能量来让它移动——这个质量关被称为“获得质量”。这种质子的质量获得被认为是由于宇宙中所有基本大质量粒子获得质量的机制(一种被称为安德森-希格斯机制的现象)。对这种质量采集的直接观测仍然是难以捉摸的，主要是因为在大多数电荷密度波材料中不存在远程库仑相互作用。
在这项研究中使用的材料，碘化钽硒((TaSe4)2I)，在低温下是一种非常好的绝缘体，是电荷密度波最著名的绝缘体之一。正因为如此，系统中很可能存在长程库仑相互作用，而这些相互作用可以给无质量激励以质量。理论上，如果材料被加热，它的绝缘性就会降低，库仑相互作用就会减弱，大质量的相子就会变成无质量的。
Mahmood, Kim和他们的合作者能够在低温(小于10 K， -442°F)下开发一种被称为时域太赫兹(THz)发射光谱的非线性光学技术来研究(TaSe4)2I中的电荷密度波相位。使用这种技术，一个持续时间小于150 fs (1 fs是十亿分之一秒)的超快红外激光脉冲被照射在(TaSe4)2I样品上，产生系统的集体激励。他们探测到的是在太赫兹频率区域辐射的大质量相子，带宽非常窄。当他们加热物质时，大质量的相子变得无质量(停止辐射)，这与长期以来的理论预测相吻合。
虽然(TaSe4)2I有利于容纳一个巨大的相子，但它可能是一种非常具有挑战性的材料，因为它生长成非常细的针状，使得样品对齐非常困难。金把这个过程描述为“就像试着把光照在筷子的一侧”。这项研究的合作者Daniel Shoemaker(副教授，MatSE, UIUC)能够生长具有相当大宽度的(TaSe4)2I晶体，这使得太赫兹发射光谱在这种材料上的应用成为可能。
麻省理工学院威廉和艾玛·罗杰斯物理学教授帕特里克·李评论说:“令人欣慰的是，多年前预测的集体模式最终在实验中被看到。”他是预测电荷密度波中的大质量相子理论工作的先驱之一。“这说明了现代非线性光学技术的力量和实验家的独创性。这种方法是通用的，我们可能也会看到其他集体模式的应用。”
在应用水平上，在太赫兹频率区域产生窄带辐射是非常困难的。然而，由于(TaSe4)2I中的大质量相子导致的非常窄的带宽太赫兹辐射，将其(和其他此类材料)开发为太赫兹发射器的可能性是非常有希望的。这种太赫兹发射的频率和强度可以通过不同的样品性质、外加磁场或应变来控制。
Mahmood总结道:“这是已知的第一次在电荷密度波材料中证明了一个大质量的相子，并解决了一个长期存在的问题，即电荷密度波相子是否通过耦合到远程库仑相互作用来获得质量。这是一项重大成果，将对强相关材料领域产生深远影响，并对理解材料中相互作用、密度波有序和超导之间的相互作用产生深远影响。”
