Nature:在原子级厚度的TMDs异质结构中观察双层维格纳晶体

CYM 3年前 (2021-07-01) 2906浏览

【引言】

当相互排斥的电子被限制在一个小空间时，它们可以形成一种有序的晶体状态，称为维格纳晶体。多电子系统中强相互作用的第一个理论上预测的表现之一是维格纳晶体，其中电子结晶成规则的晶格。晶体可以通过热或量子波动熔化。由于库仑相互作用和动能的复杂相互作用，维格纳晶体的量子熔化有望产生奇异的中间相和量子磁性。然而，在量子体系中研究二维维格纳晶体通常需要强磁场或莫尔超晶格电位，从而限制了对相互作用电子液体的全相图的访问。迄今为止，制造维格纳晶体的方法依赖于某种电子阱，如强大的磁场或单电子晶体管，但是直到现在，完全结晶仍是物理学家无法企及的。强磁场的应用抑制了电子动能，改变了电子动能和相互作用能之间的竞争，并有利于电子的完全自旋极化。在材料生长和异质结构制造方面的最新进展，使制备由过渡金属卤化物（TMD）单层制成的高质量异质结构成为可能。在TMDs中，载流子的较大有效质量和弱库仑屏蔽抑制了费米能量并增强了电子相互作用，促进了在电子密度下实现相关电子相。此外，由于其强激子响应对自旋态和电荷态很敏感，因此可以通过光学方法探测TMD异质结构的电学性质。具有莫尔超晶格的TMD异质结构已被用来实现相关的电子固体，有时被称为广义维格纳晶体。

今日，美国哈佛大学Hongkun Park和Eugene Demler（共同通讯作者）报道了在原子级薄的过渡金属卤化物异质结构中观察双层维格纳晶体，该结构由由六角氮化硼分离的两个MoSe₂单层组成。作者在两个MoSe₂的对称 (1:1) 和非对称 (3:1、4:1 和 7:1) 电子掺杂下观察到稳健相关绝缘状态的光学特征低温层。将这些特征归因于由两个层锁相称的三角形电子晶格组成的双层维格纳晶体，由层间相互作用稳定。维格纳晶体非常稳定，在电子密度高达6×10¹²和高达40开尔文的温度下经历量子和热熔融转变。实验的结果表明，原子级薄的异质结构是用于实现多体的电子态和探测其液-固和磁性量子相位转变的高度可调的平台。相关研究成果以“Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、器件结构和器件D1中载流子密度的完全控制