凝態中心主任朱明文研究團隊 電子顯微鏡量測電子有效質量與費米速度 剖析量子材料關鍵課題與懸宕70年的理論挑戰

研究背景與挑戰

電子顯微鏡以其原子解析力成為當代不可或缺的材料觀察利器。然而，利用電子顯微鏡來量測電子有效質量與費米速度，卻是前所未見的挑戰。凝態中心主任、新穎材料原子級科學研究中心共同主持人暨臺大電子顯微學重點技術平台主持人朱明文研究員，建立以穿透式電子顯微鏡結合電子損失能譜學的方法，深入剖析量子材料 (quantum materials) 關鍵課題：量子材料常見的波動狀電荷密度波序化(charge-density-wave order)，是否因其電子關聯性而使電子有效質量增加、費米速度減慢，從而影響相關應用？

突破性的發現

朱明文研究員團隊開發國際上少見的動量解析電子損失能譜學 (q-EELS) ，利用電子束激發CuTe半金屬中的電荷密度波，激發該電子序化相，產生名為電漿子 (plasmon) 的動態波動震盪。這使CuTe同時具備靜態的電荷密度波與動態的電漿子震盪。根據1950年代發展的電漿子理論，動態的電漿子波動受到靜態電荷密度波所產生的動能變化影響，這一變化恰好是電子有效質量與費米速度的函數。透過量測電漿子的動能變化，便可直接度量此量子材料的關鍵課題。儘管基礎電漿子理論對有效質量與費米速度的度量揭示已被忽視近70年，且該理論的實驗驗證難度極高，朱明文研究員團隊藉由動量解析電子損失能譜，成功證明電漿子確實可以用來捕捉電子的有效質量與費米速度，並進一步發現，靜態的電荷密度波實際上使CuTe中的狄拉克 (Dirac) 相對論性費米子 (fermion) 般的電子，具有較輕的有效質量與較快的費米速度，這一發現對量子應用更為有利。該反直覺的量子材料發現經過淡江大學物理系教授薛宏中團隊的第一原理電子結構與能譜計算檢驗，結果證實此發現的正確性。

技術實現與合作

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識，成為量子材料功能性的推動力。朱明文研究員團隊的動量解析電子損失能譜成果，來自臺大材料系教授陳俊維的指導，以及臺大分子科學與技術國際學程博士生汪奕達與臺大凝態中心博士後研究員周大磊博士的共同努力。儘管使用的是一台已經接近21年的舊電子顯微暨能量損失能譜設備，且其能量解析度已遠低於當代標準，該研究成果依然獲得國際間廣泛關注，並立即引來美國、加拿大及日本實驗室的邀請，前往進行高能量解析度電子損失能譜實驗，並與對方分享實驗技術，進行合作研究。

意義與展望

朱明文誠摯期望，臺灣能儘早進入高能量解析與高動量解析電子損失能譜領域，這不僅能成為量子材料研究的重要工具，也可用來探測微小半導體元件中的電子有效質量與費米速度。最根本的是，這項技術能夠根留臺灣，為科學突破貢獻力量，並在強化臺灣科技實力的過程中發揮作用。特別感謝國立成功大學物理系教授呂欽山與博士郭家農所提供的高品質CuTe單晶，這為本研究從晶體成長、尖端能譜量測到微觀理論檢驗的成功提供堅實的基礎。本研究成果已於2024年10月29日發表於Nature Communications，以下為期刊編輯對此研究的摘要：“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