文章来源：科研任我行、FUTURE | 远见
2025年1月30日，Nat. Commun.在线发表了南京大学王雷教授、于葛亮教授、松山湖材料实验室Lede Xian和威斯康星大学麦迪逊分校Daniel A. Rhodes课题组的研究论文，题目为《Valley charge-transfer insulator in twisted double bilayer WSe₂》，论文的第一作者为LingNan Wei、Qingxin Li和Majeed Ur Rehman。
如果由带宽决定的动能相对较小，具有平坦色散的固体中的电子输运可能会以库仑相互作用为主。从局域哈伯德（Hubbard）相互作用的角度来看，如果能带是半填充的，那么添加电子会受到大的库仑排斥势（U）的阻碍，从而导致莫特-哈伯德绝缘态。如果附近存在另一个能带，且该能带与上哈伯德带之间的能量差Δ小于U，则会出现电荷-转移绝缘体。
在这种情况下，激发不再以在位相互作用能U在相邻的晶胞位点之间跳跃，而是以电荷-转移能Δ从晶胞内的阴离子转移到阳离子原子，该能量由阴离子和阳离子的阳离子和阴离子之间的电负性差决定。U和Δ的相对大小决定了绝缘体的性质，并显著影响新兴相，如高温超导态。然而，传统的电荷-转移绝缘体通常具有复杂的能带结构，且U、Δ、带宽和载流子密度的可调性很小，这阻碍了对这些参数与各种关联相之间相互作用的研究。
近年来，二维莫尔异质结已成为解决这一问题的潜在方案。二维莫尔异质结在载流子密度和电子结构方面表现出极大的可调性，并使得人们能够探索强关联物理，如超导性、关联绝缘体和异常磁态。特别是在转角过渡金属硫族化合物（TMDs）中，在莫尔平带的半填充或分数填充下，已经实现了莫特绝缘体和广义维格纳晶体态。
在此研究中，作者引入了转角接近60°的转角双重双层（TDB）WSe₂作为一个可控平台，其中K谷带可以调节到接近Γ谷莫尔平带附近。在半填充时，关联性将Γ谷平带分裂为上、下哈伯德带，并在Γ谷上哈伯德带和K谷带之间形成电荷-转移绝缘体。通过使用栅极控制，连续移动K谷带穿过Γ谷哈伯德带，并观察到可调的电荷-转移绝缘体能隙，随后是向金属态的连续相变。将莫特-哈伯德绝缘体调节为电荷-转移绝缘体，确立了谷自由度作为在奇异关联相之间转变的合适调控手段。
图1 | TDB-WSe₂中Γ谷平带与K谷带的相互作用。
图2 | TDB-WSe₂中关联相的位移场和掺杂响应。
图3 | TDB-WSe₂中K和Γ谷带上的磁输运。
图4 | TDB-WSe₂中位移场可调的电荷-转移绝缘体能隙和绝缘体-金属相变。
