第一作者：Hongyuan Li
通讯作者：Feng Wang
通讯单位：加州大学伯克利分校
doi：10.1038/s41586-024-07596-6
Part.01
研究背景
一维电子系统由于其独特的物理性质，常常被描述为Luttinger液体，这种行为在高维的Fermi液体中并不存在。在过去的几十年里，Luttinger液体的研究集中在弱相互作用的系统，如一维金属、半导体纳米线和拓扑边缘态。然而，对强相互作用的一维电子，尤其是在低电子密度下的研究仍然存在挑战。这主要是因为这些系统对弱无序和外部场极为敏感。此外，尽管碳纳米管等平台提供了一些探测低密度Wigner晶体的可能性，但由于无序的影响，这些实验难以揭示从强相互作用的Wigner晶体到弱相互作用的Luttinger液体的过渡。研究者们提出，层堆叠畴壁（DW）可以作为一个理想的平台，探究一维Luttinger液体的可调行为。
Part.02
研究内容
一维电子相互作用强度及其导致的Luttinger液体行为可通过调控电子密度实现连续变化。然而，由于缺乏合适的实验平台，实验表征耦合Luttinger液体阵列面临更大的挑战。本文证明了范德华异质结构中的堆叠层域壁（DWs）为探索可调控相互作用强度的一维Luttinger液体中的自旋和轨道量子行为提供了理想平台。研究团队利用扫描隧道显微镜（STM）直接观察到了基于畴壁的Luttinger液体在不同相互作用区域的演化，揭示了新的量子现象。在低电子密度下，孤立的DW极易形成Wigner晶体，符合自旋不相干Luttinger液体的特性；而在中等密度下，由于磁弹性耦合的增强，形成了二聚化的Wigner晶体。在更高密度下，实验和计算均显示观察到的Wigner晶体演变为弱相互作用的线性Luttinger液体。此外，周期性的DW阵列展示了链内和链间相互作用的相互影响，导致了新的量子相的出现。在低电子密度下，链间相互作用占主导地位，诱导形成了由相位锁定的一维Wigner晶体组成的二维电子晶体。随着电子密度的增加，链内涨落势能（intra-chain fluctuation potentials）占主导，导致电子形成了具有代数相关衰减的链方向有序但链间无序的电子层状液晶相。该工作表明，二维异质结构中的层堆叠DW为探索Luttinger液体物理学提供了机会。
Part.03
图文解析
图1 | 在双层WS2中堆叠DW。（a）可栅极调控的双层WS2器件STM测量示意图；（b）双层WS2中堆叠畴壁的代表性STM图像。
图2 | 一维Wigner晶体的隧道电流测量。（a）三重畴壁组中心畴壁的CBE隧穿电流图；（b）a图所示图像中的电子间距及对应的rs值。
图3 | 一维Wigner-Friedel交叉。（a）三重畴壁组中心畴壁的CBE隧穿电流图随背栅电压VBG从8.5 V到14.5 V的演化；（b）a图中畴壁归一化CBE隧穿电流的二维图；（c）b图数据的快速傅里叶变换（FFT）；（d）密度矩阵重整化群（DMRG）计算的一维空间电荷分布随电子密度n的变化；（e）d图数据的FFT。
图4 | 一维DW阵列中的电子晶体到近晶相的转变。（a-h）周期性一维畴壁阵列的CBE隧穿电流图；（i-p）a-h图像的FFT图。
Part.04
结论与展望
本文在范德华异质结构中通过堆叠层域壁（DWs）创建了一个可调的实验平台，用以探究一维电子系统的相互作用。并且本文证明了由范德瓦尔斯异质结构中的差异单轴应变引起的层堆叠畴壁，为探索Luttinger液体物理提供了巨大机遇。本文虽选取了简单的二维半导体WS2作为研究模型，但类似的孤立畴壁和周期性畴壁阵列现象，同样可以在所有经历单轴异质应变的二维双层材料中实现。在新型范德瓦尔斯异质结构的畴壁中，可能会出现多种奇异的Luttinger液体现象，例如在二维电荷密度波材料、二维磁性材料和二维超导体中。此外，STM技术的应用显示了其在揭示低维量子系统特性方面的强大潜力，为相关材料研究提供了技术范式。这些发现推进了对一维电子系统的认识，为材料设计、量子计算和纳米电子学等领域的研究开辟了新路径。
Part.05
重要文献推荐
One-dimensional Luttinger liquids in a two-dimensional moiré lattice. Nature, 2022, 605(7908): 57-62.
研究了二维莫尔超晶格中一维Luttinger液体的行为，揭示了在强相互作用下，系统形成的新型量子相态。结果为低维量子系统中电子相互作用的复杂性提供了实验证据。
Imaging the electronic Wigner crystal in one dimension. Science, 2019, 364(6443): 870-875.
通过扫描隧道显微镜成像技术，直接观察了一维系统中电子形成Wigner晶体的过程，展示了低电子密度下强相互作用导致的电子晶体化现象，为理解一维电子系统中的量子行为提供了关键的实验支持。
The one-dimensional Wigner crystal in carbon nanotubes. Nature Physics, 2008, 4(4): 314-318.
探讨了碳纳米管中的一维Wigner晶体，研究发现低密度下强相互作用的电子会自组织形成Wigner晶体，为理解强相互作用下的电子体系提供了新的视角。
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