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在有序和無序量子相的邊界附近，一些實驗已經(jīng)證明了違背朗道費(fèi)米范式的金屬行為。在moiré異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，最近發(fā)現(xiàn)了由電子關(guān)聯(lián)驅(qū)動的門可調(diào)絕緣相。

在此，來自南京大學(xué)的王雷和美國哥倫比亞大學(xué)的 Cory R. Dean & Abhay N. Pasupathy等研究者，使用傳輸測量來描述了扭曲WSe₂中第一個moiré子帶近一半填充的金屬-絕緣體躍遷(MITs)。相關(guān)論文以題為“Quantum criticality in twisted transition metal dichalcogenides”于2021年09月15日發(fā)表在Nature上。

在具有強(qiáng)庫侖相互作用的材料中，觀察到許多相互作用驅(qū)動的量子相，包括莫特絕緣體、超導(dǎo)體和密度波等。這些材料最令人感興趣的電子性質(zhì)不是在這些有序相中發(fā)現(xiàn)的，而是在相鄰的金屬相中發(fā)現(xiàn)的，這些金屬相表現(xiàn)出了朗道費(fèi)米液體范例所無法描述的異常輸運(yùn)性質(zhì)。其中一個顯著的表現(xiàn)是金屬相電阻的溫度和磁場依賴關(guān)系，這與費(fèi)米液體理論預(yù)測的T₂或B₂依賴關(guān)系有很大的偏差。其他輸運(yùn)系數(shù)，包括霍爾系數(shù)、能斯特效應(yīng)和熱導(dǎo)率，也表現(xiàn)出異常性質(zhì)。這些“奇怪的金屬”屬性，通常與量子臨界點(diǎn)有關(guān)，量子臨界點(diǎn)是由摻雜、外加場或壓力等控制參數(shù)驅(qū)動的二階量子相變。理解量子漲落的性質(zhì)以及它們是如何產(chǎn)生異常金屬性質(zhì)的，是凝聚態(tài)物理中最重要的未曾解決問題之一。

近年來，moiré異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為一類表現(xiàn)出有趣的量子電子相的新材料出現(xiàn)。在moiré晶格的整數(shù)填充處發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)與絕緣相的重要性已經(jīng)明確，但是，對于附近存在的金屬態(tài)的性質(zhì)，或者連接金屬態(tài)和絕緣態(tài)的躍遷，無論是在實驗上還是在理論上，人們所知道的都還比較少。MITs通常可以通過載流子摻雜或調(diào)諧電子帶寬來驅(qū)動。在大多數(shù)材料中，由于電子-晶格耦合，這些躍遷是一級的，化學(xué)無序帶來了額外的復(fù)雜性。

在此，研究者提出了扭曲同向雙層WSe₂ (tWSe₂)，可作為實現(xiàn)連續(xù)MITs的理想平臺。在這個系統(tǒng)中，電子密度和電子結(jié)構(gòu)都可以使用靜電門以一種簡單的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不會引入額外的無序(圖1a)。由于大的自旋軌道耦合和層雜化，tWSe₂是一個有效的單軌道相關(guān)三角形模型模擬器(圖1b)，其相關(guān)絕緣相之前已經(jīng)在半填充狀態(tài)下觀察到。這種絕緣狀態(tài)，可以通過靜電摻雜和垂直位移場變?yōu)榻饘贍顟B(tài)，從而實現(xiàn)對大相空間的敏感控制，在大相空間中可以系統(tǒng)地測量輸運(yùn)特性。

因此，研究者發(fā)現(xiàn)MIT作為密度場和位移場的函數(shù)是連續(xù)的。在金屬-絕緣體邊界處，電阻率在低溫下表現(xiàn)出奇怪的金屬行為，其耗散與普朗克極限相當(dāng)。進(jìn)一步進(jìn)入金屬相，費(fèi)米液體的行為在低溫下恢復(fù)，在中間溫度下演變成量子臨界扇，最終在室溫附近達(dá)到反常飽和狀態(tài)。對殘余電阻率的分析表明，在絕緣相中存在強(qiáng)量子漲落。這些結(jié)果，為研究摻雜和帶寬控制的金屬-絕緣體，在三角晶格上的量子相變奠定了新的平臺。

圖1. 扭曲WSe₂中的連續(xù)金屬-絕緣體過渡

圖2. 扭曲WSe₂中摻雜驅(qū)動的金屬-絕緣體過渡

圖3. 扭曲WSe₂中的量子臨界扇

圖4. 異常磁輸運(yùn)

圖5. 帶寬-驅(qū)動量子臨界

綜上所述，對摻雜調(diào)諧MIT的理論預(yù)測表明，在這個特殊的系統(tǒng)中有豐富的相互作用驅(qū)動的金屬相。研究的結(jié)果強(qiáng)烈地暗示，不管它的起源是什么，絕緣相的特征是可以散射電子的波動，在過渡時變得柔軟，并且在高于絕緣間隙開啟的溫度范圍的較高溫度下具有重要的影響。該工作為自旋液體和相關(guān)驅(qū)動絕緣體的研究開辟了新的途徑。

文獻(xiàn)信息

Ghiotto, A., Shih, EM., Pereira, G.S.S.G. et al. Quantum criticality in twisted transition metal dichalcogenides. Nature 597, 345–349 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03815-6

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6

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