撰稿| 由课题组供稿
导读
由加州大学河滨分校(Univ of California Riverside)的崔永涛、伦斯勒理工(Rensselaer Polytechnic Institute)的史夙飞以及卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的肖笛研究组等联合报道了在由单层WS2和单层WSe2在0°或60°堆叠形成的莫尔(moiré)超晶格中发现的强关联绝缘态。这些绝缘态发生在莫尔超晶格被电子或者空穴以简单分数比例填充的情况，其中某些绝缘态具有相对较高的转变温度(120K)。基于蒙特卡洛模拟，这些绝缘态可以被理解为由于电子间很强的库伦排斥相互作用而使得电子在莫尔超晶格中产生空间有序且长周期的排布。此工作揭示了该莫尔超晶格体系中的电子-电子相互作用可以达到出乎预料的强度以及长程关联。文章近期在线发表于《Nature Physics》。
经典能带理论表明：在能带部分填充的系统中，由于未占据态的存在，载流子可以在外加电场下获得能量并移动，即此时系统具有金属性。然而考虑到电子间有强相互作用时，未满填充的能带有时却并不呈现金属性。例如莫特(Mott)绝缘体，在能带半填充时，同一个晶格点上电子-电子之间很强的库伦排斥势会避免电子的双重填充（不同自旋），阻碍了电子在近邻格点间的跃迁。其结果是半填充时（即只填充一个电子），所有的电子被局域于各自的单个格点内，体系因而处于绝缘相。2018年初在扭角堆叠的双层魔角石墨烯中发现的强关联莫特绝缘体以及超导态，使得二维材料堆叠产生的莫尔超晶格成为研究新奇量子态的新平台。莫尔超晶格的晶格尺寸可达数十纳米，远大于原子晶体的晶格周期（<1 nm），会使得系统产生能带色散比较平整的迷你能带（对应的电子动能减小），同时由于样品的二维特性增强了电子间的库伦排斥势，导致系统具有强关联效应。近期研究表明，过渡金属二硫化物（transition metal dichalcogenides, TMD）双层异质结（WS2/WSe2, WSe2/WSe2以及WSe2/hBN/WSe2）的莫尔超晶格系统具有更强的关联效应，表现在除了半填充的莫特绝缘态外，还发现了单格被1/3和2/3空穴填充时的广义Wigner晶体。
有感于此，本文的作者使用扫描微波阻抗探针技术（microwave impedance microscopy, MIM）来研究WS2/WSe2莫尔超晶格系统中的强关联效应。作为扫描探针技术的一个发展，MIM使用金属针尖传导近场微波来测量针尖-局域样品的阻抗，提供样品的局域电阻率信息。其中MIM-Im信号可以简单理解为高信号对应于小的电阻率（金属性），低信号对应于大的电阻率（绝缘性，见图1. b）。此样品的栅极电压可用来调制异质结中载流子浓度，进而实现对莫尔能带填充数的调控。图1中列出典型的MIM信号随着栅极电压的改变，一系列的高低转换表明系统经历许多金属—绝缘体转变。除了能带完全填充态（+2），莫特绝缘态（±1）以及之前报道的广义Wigner 晶体（-1/3,-2/3）等，还发现一系列额外的分数填充态，1/6 (5/6), ±1/4 (±3/4), ±1/2等。该实验表明此体系在电子和空穴掺杂端都具有类似的强关联特性。
图1. 使用MIM在WS2/WSe2中探测到的一系列对应分数填充的强关联绝缘态。
作者基于电子间库伦排斥力的蒙特卡洛模拟，揭示了这些分数填充态的电子有序排布的空间图案（图2），有保留原始莫尔超晶格对称性的广义Wigner晶体态（1/3和1/4），以及对称破缺的条纹相（1/6和1/2）。进一步的变温试验很好地符合模拟预测的各绝缘态的电子有序排列消失的温度转变点，见图3。
图2. 强关联绝缘态对应的电子有序分布实空间图案。
图3. 强关联绝缘态的温度依赖性。
作者在另一个样品中甚至观察到相互作用更强和更长程的强关联绝缘态（图4），具体体现在此系统中观察到1/9和1/7态（对应第四近邻和第五近邻的电子间相互作用），以及1/3和2/3态的转变温度达到120 K（远高于此前的报道以及本文第一个样品的结果）。可能的解释是第二个样品中局域应力或者非均一性导致，有待于进一步的研究。
图4. 具有更强的电子-电子相互作用的样品出现1/7和1/9等绝缘态。
文章链接
Huang, X., Wang, T., Miao, S. et al. Correlated insulating states at fractional fillings of the WS2/WSe2 moiré lattice. Nat. Phys. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41567-021-01171-w
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