Preuve de cristaux électron-trou dans un isolant Mott
Introduction
Au cours des dernières années, les chercheurs ont développé un vif intérêt pour les cristaux d’électrons-trous dans les isolants de Mott. Ces cristaux peuvent réaliser des états excités quantiques, ont le potentiel de porter la superfluidité contre-flux et l’ordre topologique, et possèdent des caractéristiques d’intrication quantique à longue portée. Cependant, les preuves expérimentales de la coexistence des cristaux d’électrons et de trous dans les isolants de Mott ne sont pas encore suffisamment démontrées. Dans des conditions normales, une forte interaction électron-électron conduit à la formation de nouveaux ordres cristallins, provoquant la formation de cristaux de Wigner ou des phénomènes d’ordre de charge dans les isolants de Mott dopés. Ce type de cristaux d’électrons est un système multiparticule qui présente de fortes fluctuations quantiques à plusieurs degrés de liberté, utilisé pour la simulation quantique.
Source d’introduction
Cet article de recherche a été co-écrit par des chercheurs de plusieurs institutions, dont l’Institut universitaire des matériaux intelligents fonctionnels, le Département de chimie, le Centre des matériaux bidimensionnels avancés de l’Université nationale de Singapour, l’Académie des matériaux avancés du Shenzhen Graduate School de l’Université de Pékin, et le Centre des matériaux photoniques et bidimensionnels de l’Institut de physique et de technologie de Moscou, en Russie. Les auteurs spécifiques incluent Zhizhan Qiu, Yixuan Han, Keian Noori, Zhaolong Chen, etc. Cet article a été publié dans « Nature Materials » et accepté le 30 avril 2024.
Processus de recherche
Processus de recherche
Préparation des échantillons et assemblage des dispositifs : Les chercheurs ont préparé des hétérostructures de graphène et de plusieurs couches d’α-RuCl₃ par transfert à sec, placées sur des flocons de graphite ou de nitrure de bore hexagonal (h-BN). La microscopie à effet tunnel (STM) a été principalement utilisée pour caractériser les échantillons.
Structure électronique et imagerie par microscopie à effet tunnel : Grâce à la technologie d’imagerie STM, les chercheurs ont découvert que les hétérostructures de graphène et d’α-RuCl₃ avaient une surface propre à l’échelle atomique sur une grande surface et ont montré deux structures d’ordre de charge différentes à travers l’imagerie STM.
Caractérisation des hétérostructures Moiré doubles : Les chercheurs ont utilisé la transformation de Fourier et le filtrage pour éliminer la modulation de Moiré, obtenant des images de réseau d’α-RuCl₃ pures.
Obtention d’images tridimensionnelles des cristaux d’électrons-trous : À différents voltages de polarisation d’échantillon, ils ont obtenu des images de modulation de longue longueur d’onde sur plusieurs couches d’α-RuCl₃ aux énergies des bandes de Hubbard supérieure (UHB) et inférieure (LHB), révélant la forme spécifique des cristaux d’électrons-trous.
Résultats expérimentaux
Confirmation de la structure électronique : À travers les spectres dI/dV, les chercheurs ont découvert que contrairement aux spectres de graphène/graphite ou h-BN, l’α-RuCl₃ présente deux pics significatifs correspondant à LHB et UHB, indiquant la forme cristalline des électrons et des trous. Ici, la bande LHB présente une disposition hexagonale symétrique, tandis que la bande UHB montre une rupture de la symétrie rotationnelle, correspondant à des arrangements de réseau différents.
Imagerie et analyse de la modulation de charge : Les chercheurs ont observé, grâce à la technologie d’imagerie STM, que sous condition de polarisation négative, l’ordre de charge LHB formait une structure de réseau triangulaire (en nid d’abeille) (2√3 a₀ × 2√3 a₀) r30°, et sous condition de polarisation positive, l’ordre de charge UHB formait une structure de super-réseau (√7a₀ ×√7a₀), correspondant à différentes structures cristallines d’électrons et de trous.
Expériences de transfert de charge et de régulation : En ajustant la tension de grille, les chercheurs ont observé des changements significatifs dans l’ordre de charge UHB sous la régulation de la tension de grille, prouvant davantage l’existence des cristaux d’électrons-trous et leur nature dépendante du transfert de charge.
Conclusion et valeur
Conclusion de la recherche
La recherche montre qu’en dopant de manière non invasive avec du graphène dans le Mott isolant α-RuCl₃, il est possible de réaliser l’imagerie en espace réel des cristaux d’électrons-trous déséquilibrés. Ces phénomènes d’ordre de charge valident l’existence des cristaux d’électrons-trous et leur nature de cristaux de charge induits par la corrélation dans les matériaux fortement corrélés. Spécifiquement, les cristaux de trous sous LHB forment un réseau de sites Ru 4d⁴, tandis que les cristaux d’électrons sous UHB forment des cristaux d’électrons appariés qui cassent la symétrie des liaisons Ru-Ru.
Importance de la recherche
Cette recherche ouvre une nouvelle voie pour la recherche d’états bosoniques corrélés dans des matériaux fortement corrélés. Cette découverte ne fournit pas seulement une compréhension détaillée des cristaux d’électrons-trous, mais offre également une nouvelle direction de recherche pour les technologies de l’information quantique. À l’échelle intermédiaire, les études de transport et optiques antérieures ont révélé les caractéristiques de coexistence d’électrons et de trous corrélés dans des structures multicouches, tandis que cette recherche a directement confirmé, par la technologie d’imagerie STM, l’existence des cristaux d’électrons-trous.
Points forts de la recherche
- Innovation méthodologique : Pour la première fois, la dopage non invasif de Van der Waals et la technologie d’imagerie STM ont été utilisées pour des recherches visuelles à résolution atomique des cristaux d’électrons-trous induits par la corrélation.
- Doublement de l’ordre de charge : Pour la première fois, l’observation de deux structures d’ordre de charge différentes correspondant à des cristaux de trous à symétrie hexagonale et à des cristaux d’électrons brisant la symétrie.
- Contrôle par la tension de grille : Le réglage de la tension de grille a permis une transition contrôlée des cristaux d’électrons-trous, prouvant davantage les caractéristiques induites par la corrélation de ces cristaux.