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      2. 量子中心張焱課題組在過渡金屬二硫族化合物表面發現奇異金屬—絕緣體相變

        關聯導致的金屬-絕緣體相變(MIT)是凝聚態物理中的一個重要現象。通常在關聯導致的金屬—絕緣體相變附近,電荷、自旋、軌道、晶格等多個自由度相互競爭,衍生出多種奇特的物理現象。二維材料因為結構簡單,易于調控,使其不僅具有廣泛的應用前景,也為探索基礎物理現象提供了理想的平臺。但通常因為二維材料的關聯性較弱,所以在對二維材料很長時間的研究過程中,關聯性一直不是研究焦點。最近,研究人員發現可以利用異質結或者結構加工的方式顯著增強二維材料的關聯性,從而在二維材料或界面中誘導出金屬-絕緣體相變。這使得關聯二維材料迅速成為凝聚態物理研究的焦點之一,由此在近年來的研究中發現了很多有趣的體系,例如LaAlO3/SrTiO3界面和轉角雙層石墨烯等。

        近日,北京大學物理學院量子材料科學中心張焱研究員課題組利用北京大學自主搭建的高分辨角分辨光電子能譜(ARPES)和上海同步輻射光源BL03U光束線,使用高精度的原位表面堿金屬摻雜技術,在二維過渡金屬二硫族化合物2H-MoTe2中,發現了表面摻雜誘導的奇異的金屬—絕緣體相變,并繪制出其復雜的相圖。研究顯示,這一金屬絕緣體相變和關聯性有關,其可能來自于表面增強的電聲子作用以及極化子的局域化。這項工作以“Metal-Insulator Transition and Emergent Gapped Phase in the Surface-Doped2D Semiconductor 2H-MoTe2”為題,于2021年3月12日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)上【Phys. Rev. Lett. 126, 106602 (2021)】。張焱是文章的通訊作者,博士研究生韓婷婷為文章的第一作者。

        張焱課題組利用在樣品表面原位沉積堿金屬的方法, 在2H-MoTe2的表層和體層之間構造了一個結構單元層厚度的金屬—半導體界面【圖1(a)】。通常在半導體材料中,載流子會填充進導帶。隨著摻雜濃度的增加,導帶逐漸下沉。而在2H-MoTe2表面,研究人員通過ARPES測量發現,其電子結構隨著摻雜發生了金屬態—能隙態—絕緣態—差金屬態的轉變【圖1(b)】。這一復雜的異常電子結構轉變無法用簡單的化學勢改變或表面退化等原因來解釋,顯示了其可能來自于關聯效應。

        圖1 :(a)堿金屬表面摻雜示意圖(b)2H-MoTe2導帶能帶隨堿金屬摻雜的演化過程

        研究人員通過進一步研究發現,2H-MoTe2表面的相圖非常復雜【圖2(a)】,和其它關聯導致的金屬絕緣體相變材料類似。同時,他們通過更細致的能譜分析,觀察到了多條復制帶的存在【圖2(b)】。這通常表明表面存在很強的電聲子相互作用。結合所觀察到的譜重轉移和色散演化,研究人員認為電聲子相互作用在2H-MoTe2表面被顯著增強。電子和聲子耦合形成了極化子,并在雜質散射和缺陷散射的作用下,發生極化子的安德森局域化,導致了金屬—絕緣體相變的發生。

        圖2:(a)實驗中獲得的2H-MoTe2表面的復雜相圖(b)和(c)譜學中觀測到復制帶,顯示出存在強的電聲子耦合

        這項工作展示了在簡單二維半導體表面發生的復雜金屬—絕緣體相變和其相變邊界的臨界行為。這一發現,一方面表明堿金屬表面摻雜所構建的金屬半導體界面可以有效地增強二維材料中的相互作用,為在簡單二維材料中實現關聯現象提供了一種有效的實驗方法;另一方面,在2H-MoTe2中發現的復雜的金屬絕緣體相變也為在二維材料中尋找極化子絕緣體、延展極化子相和高溫超導等奇異電子相提供了可能的平臺。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃的支持。

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