量子相變是物理學的重要科學問題之一。近年來，在二維材料莫爾超晶格體系中觀測到多種關聯電子態，比如超導態、關聯絕緣態、奇異金屬態等。南京大學物理學院王雷教授與美國哥倫比亞大學聯合制備出了高質量的轉角雙層WSe2器件（tWSe2），利用電學輸運測試的方法研究了其中的金屬-絕緣態相變和半填充附近的奇異金屬態，從而為探索自旋液體以及強關聯引起的絕緣態開闢了新的方向。該研究成果近期發表於國際頂尖期刊 Nature（《自然》）雜誌上。
電子之間的庫侖相互作用的強弱以及其相比於電子動能的大小是這些關聯電子態出現、消失和在不同的量子態之間發生相變的重要因素。比如，可以透過調節摻雜的載流子濃度或者改變電子能頻寬度等方法來調控金屬-絕緣態相變。然而，在傳統的強關聯材料體系中，實驗上對於量子相變的可調控的引數比較有限，引數可調控的範圍也較小，這些都限制了對關聯絕緣態和其附近超導態或反常金屬態等量子態之間相變機制的研究。
南京大學的王雷教授和美國哥倫比亞大學的合作者在這篇工作中，製備了高質量的轉角雙層WSe2器件（tWSe2），利用電學輸運測試的方法研究了其中的金屬-絕緣態相變和半填充附近的奇異金屬態。在這個體系中，電子濃度和能帶結構都可以透過外部柵壓精確調控而不引入額外的無序擾動。由於tWSe2中自旋軌道耦合和層間雜化作用較強，以及在半填充處出現的關聯絕緣態，使得其可以作為研究三角晶格單帶哈伯德模型的理想平臺。此前，王雷教授小組在tWSe2體系半填充處觀測到了關聯絕緣態【Nature Materials 19, 861-866（2020）】。延續之前的工作，他們利用靜電摻雜和電位移場精確將絕緣態調控到金屬態，從而可以在整個相空間系統性地研究tWSe2輸運性質。該工作以南京大學的王雷教授和美國哥倫比亞大學的Pasupathy和Dean教授作為共同通訊作者發表在2021年9月15日的Nature期刊上【Nature 597, 345–349，2021】。
在這項最新的工作中，作者首先利用載流子濃度和電位移場調控，發現關聯絕緣態有良好定義的邊界，測量熱啟用能隙表明這裡的帶隙可以連續平滑變化到零，表明在邊界處發生的是二級相變（圖一）。
圖一 轉角WSe2樣品中連續的金屬-絕緣態轉變。a.器件示意圖；b.實空間莫爾超晶格結構。c.金屬-絕緣態轉變隨電位移場和載流子濃度調控相圖。d,e.分別對應於c圖中虛線所示的關聯絕緣態能隙的變化。
隨後研究了關聯絕緣態附近摻雜調控的金屬態（圖二），發現了電阻隨溫度變化反常的線性行為，然後作者研究了更大摻雜範圍內電阻隨溫度變化的相圖（圖三），分析了電阻和溫度的關係，發現這樣的量子臨界行為只存在於靠近關聯絕緣態兩邊區域，並且在高溫下不同於銅氧化物超導體的反常飽和現象，而在低溫下其耗散與普朗克極限相當。
圖二 轉角WSe2樣品中摻雜導致的金屬-絕緣態相變。a.樣品電阻隨溫度和摻雜濃度變化相圖；b. 微分電阻相圖。c,d. 關聯絕緣態附近電阻隨溫度變化曲線。
圖三 轉角WSe2樣品中的量子臨界相圖。a.電阻隨溫度以及摻雜濃度的變化關係；b.對a圖中電阻隨溫度變化關係分類 c.選取的代表性電阻與溫度的變化關係擬合。
為了能夠與非常規超導體中量子臨界行為對比，作者進一步研究了相變區域隨磁場變化的關係，同樣也發現了隨磁場變化的線性依賴關係，證明了在量子臨界區域磁場和溫度對於決定散射率同等的重要性。最後作者研究了相圖隨電位移場變化（圖四），剩餘電阻的分析表明在絕緣態中存在強的量子波動。總體而言，轉角WSe2為研究在三角晶格中摻雜以及可控帶隙的金屬-絕緣態量子相變提供了理想平臺，為探索自旋液體以及強關聯引起的絕緣態開闢了新的方向。
圖四 電位移場驅動的量子臨界行為。a.在金屬-絕緣態相變範圍內，對應的不同電位移場下的半填充態處的電阻與溫度的關係；b.絕緣態帶隙與載流子濃度以及電位移場的關係。c. 與b圖中相同的摻雜範圍內，線性係數αL隨電位移場和填充係數變化關係。d.不同電位移場下，電阻與溫度的關係。e.剩餘電阻隨摻雜濃度以及電位移場的變化。f.在半填充處，能隙與剩餘電阻的關係。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6
王雷教授，南京大學物理學院、固體微結構國家重點實驗室引進的海外高層次人才。目前已發表了10篇Nature，Science 正刊和15篇NS子刊論文，論文被累計引用高達19000餘次，連續多年被評為全球“高被引科學家”。王雷多年從事二維量子材料的器件製備及其電子輸運性質的研究，在二維材料異質結的高質量製備方法上，發明了拾取（pick-up）轉移法和邊緣電極兩個新技術，突破性地提高了二維材料電子器件的質量，並在二維電磁輸運、量子霍爾態、電子關聯體系上取得了多項國際領先的研究成果。
來源：南京大學
