Nature：范德华异质结构中的新发现

一、【科学背景】

在过去的几十年中，人们一直在努力实验性地探索Luttinger液体。在一维金属、半导体纳米线、拓扑边缘态和双晶界缺陷中观察到了弱相互作用的Luttinger液体，其中自旋-电荷分离和隧道概率的幂律缩放已被观察到。然而，由于不可避免的弱无序和杂散场的影响，表征低密度下的强相互作用一维电子更加困难。

悬空的半导体碳纳米管为探索低密度区域提供了一个有用的平台，在碳纳米管的电传输和扫描单电子晶体管（SET）测量中观察到了Wigner晶体化的迹象。然而，即使是这些纳米管中的少数电子Wigner晶体也因无序而严重畸变，从而阻碍了对准长程有序性的研究以及从强相互作用Wigner晶体到弱相互作用Luttinger液体的交叉。实验上表征耦合Luttinger液体阵列更具挑战性，因为缺乏合适的平台。已经提出高温超导体的条纹相和扭曲的WTe₂中的各向异性摩尔超晶格可能提供耦合的一维电子链，但这些材料的微观描述仍然缺乏。

二、【创新成果】

近日，加州大学伯克利分校研究人员证明范德华异质结构中的层堆叠畴壁(DW) 是探索一维卢廷格液体中自旋和轨道量子行为的理想平台，具有可调相互作用强度。堆叠的DW可以以孤立形式（产生单个一维电子链）或作为自组装的周期性卢廷格液体阵列形成。DW的一个优点是它们嵌入在二维范德华异质结构中，这些结构表现出低结构无序，并促进方便的电子器件制造和表征。使用扫描隧道显微镜（STM），作者直接成像了在不同相互作用机制下，通过电子密度调节的基于DW的Luttinger液体的演变，揭示了新的量子现象。

图1（a）STM测量门控双层WS₂器件的示意图。（b）双层WS₂中堆叠DWs的典型STM形貌图像。©2023 Springer Nature

实验装置涉及集成到STM中的60°扭曲双层WS₂器件。这种人工堆叠在双层WS₂中引入了畴壁(DW)，从而创建了一个研究Luttinger液体行为的平台。双层WS₂放置在石墨背栅上方的六方氮化硼(hBN)薄片上，并使用石墨烯纳米带接触电极来最大限度地降低器件电阻。

图2（a）一维Wigner晶体的隧道电流测量。（b）表中列出了图a中显示的图像的电子间距和相应的无量纲参数值。©2023 Springer Nature

在低电子密度下，孤立的DW表现出一维Wigner晶体形成，其中电子形成由长程库仑相互作用稳定的准长程有序晶格。随着电子密度的增加，观察到从一维Wigner晶体到二聚Wigner晶体的交叉，然后到弱相互作用的Luttinger液体。这种交叉的特点是隧道电流图和快速傅里叶变换（FFT）分析的变化，揭示了与各种电子密度状态相对应的不同周期结构。

图3一维Wigner-Friedel交叉。（a）隧道电流图的演变。（b）隧道电流的二维图。（c）图b数据的快速傅里叶变换（FFT）。（d）有限一维电子链的局部电子密度分布的密度矩阵重整化群（DMRG）计算结果，作为平均密度的函数。（e）图d结果的FFT。©2023 Springer Nature

图4一维DW阵列中电子晶体到近晶相的转变。（a-h）隧道电流图。（i-p）a-h图像的二维FFT图。©2023 Springer Nature

该研究扩展到DW阵列，揭示了链内和链间相互作用之间的相互作用所产生的丰富现象。在低电子密度下，DW Wigner晶链呈现出交错结构，形成各向异性的二维电子晶格。这种配置最大限度地减少了DW之间的相互作用，从而创建了新的结晶相。在较高的电子密度下，这种交错相转变为电子近晶液晶相。该相的特征是相邻Wigner晶体之间空间相干性的丧失，类似于传统液晶中观察到的转变。2D FFT 图证实了晶体到近晶相的转变，低密度下的尖锐衍射峰转变为较高密度下的漫射线，反映了 DW 间相干性的损失。

该研究证明了范德华异质结构中的层堆叠畴壁（DW）形成广泛可调的Luttinger液体系统，以“Imaging tunable Luttinger liquid systems in van der Waals heterostructures”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，本文展示了由范德华异质结构中的层堆叠DWs产生的不同单轴应变，为探索Luttinger液体物理学提供了巨大的机会。虽然作者使用了简单的二维半导体WS₂作为模型系统，但类似的孤立DWs和周期性DW阵列可以在任何具有单轴应变的二维双层材料中实现。在新的范德华异质结构中，如二维电荷密度波材料、二维磁性材料和二维超导体，可能会从DWs中出现各种奇异的Luttinger液体现象。

原文详情：Hongyuan Li, Ziyu Xiang, Tianle Wang, Mit H. Naik, Woochang Kim, Jiahui Nie, Shiyu Li, Zhehao Ge, Zehao He, Yunbo Ou, Rounak Banerjee, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Sefaattin Tongay, Alex Zettl, Steven G. Louie, Michael P. Zaletel, Michael F. Crommie & Feng Wang. Imaging tunable Luttinger liquid systems in van der Waals heterostructures. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07596-6

本文由景行撰稿