Nature:在原子級厚度的TMDs異質結構中觀察雙層維格納晶體

CYM 2年前 (2021-07-01) 2656瀏覽

【引言】

當相互排斥的電子被限制在一個小空間時，它們可以形成一種有序的晶體狀態，稱為維格納晶體。多電子系統中強相互作用的第一個理論上預測的表現之一是維格納晶體，其中電子結晶成規則的晶格。晶體可以通過熱或量子波動熔化。由于庫侖相互作用和動能的復雜相互作用，維格納晶體的量子熔化有望產生奇異的中間相和量子磁性。然而，在量子體系中研究二維維格納晶體通常需要強磁場或莫爾超晶格電位，從而限制了對相互作用電子液體的全相圖的訪問。迄今為止，制造維格納晶體的方法依賴于某種電子阱，如強大的磁場或單電子晶體管，但是直到現在，完全結晶仍是物理學家無法企及的。強磁場的應用抑制了電子動能，改變了電子動能和相互作用能之間的競爭，并有利于電子的完全自旋極化。在材料生長和異質結構制造方面的最新進展，使制備由過渡金屬鹵化物（TMD）單層制成的高質量異質結構成為可能。在TMDs中，載流子的較大有效質量和弱庫侖屏蔽抑制了費米能量并增強了電子相互作用，促進了在電子密度下實現相關電子相。此外，由于其強激子響應對自旋態和電荷態很敏感，因此可以通過光學方法探測TMD異質結構的電學性質。具有莫爾超晶格的TMD異質結構已被用來實現相關的電子固體，有時被稱為廣義維格納晶體。

今日，美國哈佛大學Hongkun Park和Eugene Demler（共同通訊作者）報道了在原子級薄的過渡金屬鹵化物異質結構中觀察雙層維格納晶體，該結構由由六角氮化硼分離的兩個MoSe₂單層組成。作者在兩個MoSe₂的對稱 (1:1) 和非對稱 (3:1、4:1 和 7:1) 電子摻雜下觀察到穩健相關絕緣狀態的光學特征低溫層。將這些特征歸因于由兩個層鎖相稱的三角形電子晶格組成的雙層維格納晶體，由層間相互作用穩定。維格納晶體非常穩定，在電子密度高達6×10¹²和高達40開爾文的溫度下經歷量子和熱熔融轉變。實驗的結果表明，原子級薄的異質結構是用于實現多體的電子態和探測其液-固和磁性量子相位轉變的高度可調的平臺。相關研究成果以“Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖一、器件結構和器件D1中載流子密度的完全控制