既是一作又當通訊，最新Nature教你如何成像電子晶格

nanoCJ 2年前 (2021-10-05) 2077瀏覽

【背景介紹】

維格納（Wigner）晶體是電子在低電子密度下穩定的結晶相，這一物質已使凝聚態物理學家著迷了90年。二維維格納晶體的電傳輸特性在高磁場的二維電子氣中被首次觀察到，最近又在過渡金屬二硫化物摩爾超晶格中被報道。目前，維格納晶體是通過一些光學和電導測量的方法進行驗證的。雖然傳統的掃描隧道顯微鏡（STM）具有足夠的空間分辨率，但可能會引起維格納晶態的擾動。因此，在實空間中直接觀察二維維格納晶體依然是一個艱巨的挑戰。

【成果簡介】

針對上述挑戰，加州大學伯克利分校的Shaowei Li（同時為共同第一作者）、Michael F. Crommie和Feng Wang（共同通訊作者）等人合作設計了一種非侵入性的STM光譜技術對WSe2/WS2摩爾異質結構中的二維維格納晶體進行實空間成像。這種方法利用了靠近WSe2/WS2摩爾超晶格的石墨烯傳感層，進入石墨烯層的局部STM隧道電流由WSe2/WS2摩爾異質結構中的底層維格納浸提的電子晶格進行調制。研究對在部分電子填充（n = 1/3, 1/2 ，2/3）的維格納晶格構象實現了直接可視化（其中n是每個位點的電子數）。研究發現，n = 1/3和2/3的維格納晶體分別具有三角和蜂窩狀晶格，可最大程度上地減少最近鄰軌道占據情況。而n = 1/2態維格納晶體可自發打破原始C3對稱并形成條紋相。該研究為理解WSe2/WS2摩爾異質結構中的維格納晶體狀態奠定了堅實的基礎，并提供了一種適用在于其他系統中成像新型相關電子晶格的方法。本文共同第一作者為Hongyuan Li和Shaowei Li，研究成果以題為“Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals”發布在國際著名期刊Nature上。

【圖文解讀】

圖一、WSe2/WS2摩爾異質結構中的維格納晶體測量

（a）雙門控WSe2/WS2摩爾異質結構器件示意圖；

（b）在頂部石墨烯表面測量的典型大尺度拓撲圖像；

（c）（b）中紅色區域的放大圖像，紅色菱形為一個原始晶胞；

（d）當VTG=0、VBG>0時的異質結構的能帶排列和費米能級示意圖；

（e）當VTG=0時，在AA堆疊位點上的石墨烯傳感層上測得的依賴于VBG的dI/dV光譜；

（f）當VTG>0、VBG>0時的異質結構的能帶排列和費米能級示意圖；

（g）當VTG=0.53V時，在AA堆疊位點上的石墨烯傳感層上測得的依賴于VBG的dI/dV光譜；

（h）當Vbias=0.1V時，（g）中dI/dV光譜的垂直線切割在電子填充n =1，1/3, 1/2 ，2/3處的峰。

圖二、莫特絕緣體和廣義維格納晶體成像

（a）石墨烯傳感層下方WSe2/WS2摩爾超晶格中相關狀態成像示意圖；

（b）摩爾超晶格的典型STM圖像，顯示無任何變形或缺陷的完美晶格；

（c）電子填充n =1時莫特絕緣體的dI/dV圖（Vbias=160 mV，VBG=30 V，VTG=0.53V）；

（d）（c）中所示圖像的快速傅里葉變換；

（e）電子填充n =2/3時的廣義維格納晶體狀態的dI/dV圖；

（f）（e）中所示圖像的快速傅里葉變換；

（g） 電子填充n =1/3時的廣義維格納晶體狀態的dI/dV圖;

（h）（g）中所示圖像的快速傅里葉變換;

（i）電子填充n =1/2時的廣義維格納晶體狀態的dI/dV圖;

（j）（i）中所示圖像的快速傅里葉變換。

圖三、隨著的Vbias增加，n =2/3的dI/dV圖演變

（a-e）電子填充2/3時，廣義維格納靜態的dI/dV映射測量：Vbias=130 mV（a），Vbias=145 mV（b），Vbias=160 mV（c），Vbias=175 mV（d），Vbias=190 mV（e）。

【小結】

二維維格納晶體的實空間成像對測量技術提出了嚴格的要求，它必須同時具有高空間分辨率、高單電子靈敏度和對電子晶格的低擾動。然而，高靈敏度和低擾動通常是相互矛盾，因為高靈敏度需要與維格納晶體進行強耦合，而低擾動卻需要弱耦合。傳統的掃描隧道顯微鏡測量具有出色的空間分辨率和電荷靈敏度，但由于不可避免的尖端門控效應會破壞脆弱的維格納晶體，使得這一方法極具侵入性。因此，在上述研究中，作者設計了全新的STM成像技術，將高空間分辨率和靈敏度與最小擾動相結合，并允許在實空間中對二維廣義維格納晶體進行直接成像。該技術有望普遍適用于各種范德華摩爾異質結構，并為在二維系統中對新型相關量子相的實空間電子構象進行成像提供了強大的工具。

文獻鏈接：Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s 41586-021-03874-9.

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