Nature Materials揭示多轨道Mott绝缘体中的量子前景！
文摘
2025-02-03 07:30
青海
随着科学界对于强关联材料的研究不断深入，人们越来越关注相关电子和空穴晶体的共存以及由此产生的量子激子态。这种关注源于对新奇量子现象和潜在量子信息技术的探索。在强关联系统中，当电子密度与晶格位点数一致时，强电子-电子相互作用将导致新的晶体顺序的形成。这种现象引发了对Wigner晶体和掺杂的Mott绝缘体中电荷序的深入研究。然而，过去的研究主要集中在理论模型和宏观性质的探索上，而对于这些电子-空穴晶体的微观理解和实空间成像则一直是一个挑战。这主要是因为现有的实验技术往往难以在原子尺度上直接观察这些晶体的结构和性质。为解决这一难题，新加坡国立大学（National University of Singapore）Kostya S. Novoselov和吕炯等人通过对石墨烯/几层α-RuCl3异质结构的研究，实现对掺杂的Mott绝缘体中相关电子-空穴晶体的原子分辨率可视化。石墨烯作为一个优良的导体，通过范德瓦尔斯掺杂的方式，可以在α-RuCl3中引入额外的电荷，从而使得电子-空穴晶体在同一原子平面上形成，为其实空间成像提供了可能。研究通过STM技术成功地观察到了α-RuCl3中的两种不同电荷序，即在更低和更高的Hubbard能带能量下的电子-空穴晶体。这些发现不仅为作者提供了对相关电子-空穴晶体微观结构的全新理解，还为未来利用这些晶体开展量子模拟和量子信息技术奠定了重要基础。通过这一研究，作者解决了多层结构中电子-空穴晶体观测的困难，并为相关量子现象的进一步研究提供了有力的实验支持。【图文解读】
1.多体系统的晶体形成机制： 本文揭示了当电子密度与晶格位点数一致时，强电子-电子相互作用导致新的晶体顺序形成的机制。通过对掺杂的Mott绝缘体进行研究，展示了在强相关条件下相关电子和空穴的共存及其导致的晶体形成。2.电子-空穴晶体的实空间成像： 利用扫描隧道显微镜（STM），本文首次实现了对相关电子-空穴晶体的原子级实空间成像。通过将电子和空穴晶体置于同一原子平面内的方法，成功地克服了多层结构中晶体间的有限层间距的挑战。3.新型量子激子态的发现： 通过实验观察到了相关电子-空穴晶体形成的量子激子态，这些态能够容纳反流超流性和具有长程量子纠缠的拓扑序。这一发现为实现新型量子现象奠定了基础，并为量子信息技术的发展提供了新的可能性。4.掺杂材料中的电子-空穴晶体研究： 本文选择了α-RuCl3作为研究对象，通过对其进行非侵入式范德瓦尔斯掺杂，成功实现了电子-空穴晶体的形成和研究。这一研究方法为探索其他掺杂材料中的电子-空穴晶体提供了新的思路和方法。5.原子分辨率的实验验证： 实验结果表明，在α-RuCl3中出现了两种不同的电荷序，分别对应于较低和较高的Hubbard能带能量。通过原子分辨率的实验验证，揭示了这些电子-空穴晶体的特征和形成机制，为理解强相关材料中的量子现象提供了重要的实验支持。图1. 用于STM研究G/α-RuCl3的二维范德瓦尔斯van der Waals，vDW异质结构。图2. G/α-RuCl3电子结构和偏压相关的STM图像。图3. 下哈伯德带lower Hubbard band，LHB和上哈伯德带upper Hubbard band，UHB能量时，两种不同的电荷序。![]()
【结论展望】
作者的研究结果表明，与最近关注的电子-空穴晶体分布在几十纳米远的莫尔超晶格中的研究相辅相成，比如半导体莫尔系统中的激子Mott绝缘体和双莫尔超晶格中的激子密度波，作者的研究揭示了在掺杂的多轨道Mott绝缘体中的相关驱动电子和空穴晶体，允许在原子间尺度上研究相关玻色态。这为探索相关玻色相图提供了前所未有的机会，这些图无法通过半导体莫尔超晶格实现。在具有相关电子和空穴的多轨道蜂窝Mott绝缘体中，许多异国情调的相关玻色态可能会稳定下来，这值得进一步的实验和理论研究。文献详情：Qiu, Z., Han, Y., Noori, K. et al. Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01910-3
