在Mott绝缘体中发现电子-空穴晶体的证据

2024-06-07 Fri
背景介绍近年来，研究者们对Mott绝缘体中的电子-空穴晶体产生了浓厚的兴趣。这类晶体能够实现量子激发态，具备承载反流超流性和拓扑序的潜力，并且具有长程量子纠缠的特性。然而，对于Mott绝缘体中电子和空穴晶体共存的实验证据尚未充分展现。在通常条件下，强电子-电子相互作用会驱动新晶体序的形成，引发Wigner晶体或者掺杂Mott绝缘体中的电荷有序现象。该类型的电子晶体是一个表现出多度量自由度的强量子涨落的多体系统，这已被用于量子模拟中。
来源介绍该研究论文由多个研究机构的研究人员共同撰写，包括新加坡国立大学功能智能材料研究所、化学系、高级二维材料中心，北大深圳研究生院高级材料学院，俄罗斯莫斯科物理技术学院光子与二维材料中心等。具体的作者包括Zhizhan Qiu、Yixuan Han、Keian Noori、Zhaolong Chen等。该论文发表在《Nature Materials》上，接受时间为2024年4月30日。
研究流程研究流程样本制备与器件组装：
研究人员通过干法转移技术制备了石墨烯和几层α-rucl3的异质结构，放置在石墨或六方氮化硼（h-bn）薄片上。实验中主要采用扫描隧道显微镜（STM）进行样本表征。
电子结构和扫描隧道显微镜成像：
通过STM成像技术，研究人员发现了石墨烯和α-rucl3的异质结构在大面积内具有原子级洁净的表面，并通过STM成像展示出两种不同的电荷有序结构。
双莫耳异质结构表征：
研究人员通过傅里叶变换滤波去除莫耳调制，获得了纯净的α-rucl3晶格图像。
电子-空穴晶体三维图像获取：
在不同的样本偏置电压下，获得了多层α-rucl3在上Hubbard带（UHB）和下Hubbard带（LHB）能量下的长波长调制成像，揭示了电子-空穴晶体的具体形式。
实验结果电子结构确认：
通过dI/dV谱图，研究人员发现不同于石墨烯/石墨或h-bn的谱图，α-rucl3显示出两个显著的峰值，分别对应LHB和UHB，这说明了电子和空穴的晶体形式。在这里，LHB带表现出六方对称的排列，而UHB带显示出旋转对称性破缺的特性，这对应不同的晶格排列。
电荷调制成像与分析：
研究人员通过STM成像技术，观察到负偏置电压条件下LHB电荷有序形成一个(2√3 a0 × 2√3 a0)r30°的三角形（蜂窝状）晶格结构，正偏置电压条件下UHB电荷有序形成一个(√7a0 ×√7a0)的超晶格结构，这对应电子-空穴的不同晶体结构。
电荷转移和调控实验：
通过门电压调节，研究人员观察到UHB电荷有序在门电压调节下的明显变化，进一步证明了电子-空穴晶体的存在及其依赖电荷转移的本质。
结论与价值研究结论研究表明，在掺杂的Mott绝缘体α-rucl3中通过非侵入性方式进行范德华掺杂石墨烯，成功实现了不平衡的电子-空穴晶体的实空间成像。这些电荷有序现象验证了电子-空穴晶体的存在及其为强关联材料内的关联驱动电荷晶体。具体地，LHB下的空穴晶体形成了4d4 Ru位点的晶格，而UHB下的电子晶体形成了Ru-Ru键的对称性破缺的配对电子晶体。
研究意义该研究开辟了在强关联材料中寻找关联玻色态的新途径。这种发现不仅提供了对电子-空穴晶体的详细理解，也为量子信息技术提供了新的研究方向。在中尺度上，以前的传输和光学研究揭示了多层结构中相关电子和空穴共存的特征，而该研究通过STM成像技术直接证实了电子-空穴晶体的存在。
研究亮点方法创新：首次采用非侵入性范德华掺杂和STM成像技术对关联驱动的电子-空穴晶体进行原子分辨率的可视化研究。
双重电荷有序：首次观察到两种不同的电荷有序结构，分别对应六方对称的空穴晶体和对称性破缺的电子晶体。
门电压调控：通过门电压调节实现了电子-空穴晶体的可控转变，进一步证明了这些晶体的关联驱动特性。