圖1. (a)氧化銦電晶體的示意圖，及通道厚度4 nm與10nm的TEM影像；(b) 通道厚度1 nm-4 nm的IDS-VGS特性曲線。
資料提供 / 邱雅萍 特聘教授（國立臺灣大學物理學系）
文章彙整 / 何郁庭（科學推展中心執行編輯）
由臺灣大學物理系特聘教授邱雅萍領銜的研究團隊，首次在原子尺度下觀測到室溫二維鐵磁晶體中，電荷密度波（charge density wave, CDW）與近藤晶格（Kondo lattice）之間的協同震盪現象。該成果不僅為多重量子態交互作用機制提供嶄新視角，也為未來量子元件開發開啟應用前景，相關論文已發表於《Nature Communications》。
電與磁間的微觀互動是凝態物理學長期探討的核心議題之一，近藤效應（Kondo effect）為多體物理的經典範例，描述傳導電子與局域磁矩之間的耦合，然而傳統的近藤系統多為 f 軌域電子材料系統，使得電荷序與磁性序難以同時發生。近年合成出的新興二維晶體 Fe5GeTe2 因其強關聯與遷移性磁性（itinerant magnetism）的本質，使其成為在室溫下維持鐵磁性的二維材料而成為研究高溫量子自旋現象的理想平台。由於鐵原子上的 d 軌域電子兼具傳導與局域磁矩功能，這項「一人分飾兩角」的特性恰好創造了磁性序與電荷序共存的理想條件。
本研究分別使用了高解析度掃描穿隧顯微術（scanning tunneling microscopy, STM）與掃描穿隧光譜技術（scanning tunneling spectroscopy, STS）觀測室溫二維鐵磁體 Fe5GeTe2 表面的結構多樣性與電子特性行為。從觀察結果可發現晶格中Fe(I)原子位點對提升居禮溫度有重要影響，且在近藤交互作用中扮演重要角色；此外，從dI/dV 光譜中在費米能量（Fermi energy）附近出現法諾共振（Fano resonance）的特徵性尖峰，結合隨不同溫度的光譜變化資訊，證實了近藤晶格存在於 Fe5GeTe2 中。（圖2）
圖2. dI/dV 光譜中的近藤晶格行為。來源：改編自參考資料1
研究團隊進一步藉由探測表面的電子態密度（density of states, DOS）的分佈，觀察到√3×√3電荷調製（charge modulation），由於此調製具有相位反轉（phase inversion）現象，因此可作為電荷密度波現象出現的強烈證據。透過近藤作用的介導，此種特定軌域的混成（orbital-selective hybridization）促進了電荷密度波的形成。（圖3）
圖3. 電荷密度波與相位反轉。來源：改編自參考資料1
分析此 √3×√3 週期性訊號的本質後（圖4），本研究直接觀察到原子級解析的電荷密度波、近藤效應與鐵磁強度，多元量子態間的空間同調性。實驗數據顯示，Fe(I)原子位點作為調製中心，誘發具有√3×√3週期性的超晶格結構，證實了電與磁量子態在實空間的協同耦合現象。透過原子尺度的實空間解析與能譜量測，直接觀察到長久以來僅存於理論推演中的多體耦合態。
圖4. 格、電荷密度與鐵磁強度的同調振盪。來源：改編自參考資料1
研究團隊首次在室溫二維鐵磁材料 Fe5GeTe2 中，直接觀察到電荷密度波、近藤效應與鐵磁序三者間的原子尺度協同震盪，證明不同量子態可在單一系統中共存並展現新型耦合態，挑戰傳統上電性與磁性競爭的既有觀點。此結果與傳統強關聯電子理論中預期的競爭性相互作用形成鮮明對比，為量子效應間的相互作用機制、多功能量子相干特性、與量子元件的材料設計也提供全新的基礎科學與技術潛力應用。
這項研究由臺灣大學物理系邱雅萍教授研究團隊提供微觀檢測、臺灣大學重點科技研究學院周至品教授研究團隊提供理論計算，與成功大學物理系呂欽山教授研究團隊提供新穎二維單晶材料。關於這項成果，團隊表示感謝國科會 A 世代半導體計畫、國科會尖端晶體材料聯合實驗室，臺灣大學與中央研究院創新性合作計畫，教育部高教深耕計畫之臺大新穎材料原子級科學研究中心 (AI-Mat) ，與台積電—臺灣大學聯合研發中心、台積電 ARP 合作計畫所支持。
參考資料：
[1] Parry Pei-Rui Luo, Hung-Chang Hsu, Li-Sheng Lin, Hao-Yu Chen, Xiang-Yu Xie, Chia-Nung Kuo, Jyh-Pin Chou, Chin-Shan Lue, and Ya-Ping Chiu. “Direct evidence of coupling between charge density wave and Kondo lattice in ferromagnet Fe5GeTe2.” Nat. Commun. 16, 5080 (2025).
延伸閱讀：
[1] Asia Research News: https://www.asiaresearchnews.com/content/charge-spin-coupling-room-temperature-2d-ferromagnetic-material
[2] 台大電子校訊：https://sec.ntu.edu.tw/epaper/article.asp?num=1650&sn=38456
