Nature：范德華異質結構中的新發現

一、【科學背景】 ?

在過去的幾十年中，人們一直在努力實驗性地探索Luttinger液體。在一維金屬、半導體納米線、拓撲邊緣態和雙晶界缺陷中觀察到了弱相互作用的Luttinger液體，其中自旋-電荷分離和隧道概率的冪律縮放已被觀察到。然而，由于不可避免的弱無序和雜散場的影響，表征低密度下的強相互作用一維電子更加困難。

懸空的半導體碳納米管為探索低密度區域提供了一個有用的平臺，在碳納米管的電傳輸和掃描單電子晶體管（SET）測量中觀察到了Wigner晶體化的跡象。然而，即使是這些納米管中的少數電子Wigner晶體也因無序而嚴重畸變，從而阻礙了對準長程有序性的研究以及從強相互作用Wigner晶體到弱相互作用Luttinger液體的交叉。實驗上表征耦合Luttinger液體陣列更具挑戰性，因為缺乏合適的平臺。已經提出高溫超導體的條紋相和扭曲的WTe₂中的各向異性摩爾超晶格可能提供耦合的一維電子鏈，但這些材料的微觀描述仍然缺乏。

二、【創新成果】

近日，加州大學伯克利分校研究人員證明范德華異質結構中的層堆疊疇壁(DW)?是探索一維盧廷格液體中自旋和軌道量子行為的理想平臺，具有可調相互作用強度。堆疊的DW可以以孤立形式（產生單個一維電子鏈）或作為自組裝的周期性盧廷格液體陣列形成。DW的一個優點是它們嵌入在二維范德華異質結構中，這些結構表現出低結構無序，并促進方便的電子器件制造和表征。使用掃描隧道顯微鏡（STM），作者直接成像了在不同相互作用機制下，通過電子密度調節的基于DW的Luttinger液體的演變，揭示了新的量子現象。

圖1（a）STM測量門控雙層WS₂器件的示意圖。（b）雙層WS₂中堆疊DWs的典型STM形貌圖像。??2023 Springer Nature

實驗裝置涉及集成到STM中的60°扭曲雙層WS₂器件。這種人工堆疊在雙層WS₂中引入了疇壁(DW)，從而創建了一個研究Luttinger液體行為的平臺。雙層WS₂放置在石墨背柵上方的六方氮化硼(hBN)薄片上，并使用石墨烯納米帶接觸電極來最大限度地降低器件電阻。

圖2（a）一維Wigner晶體的隧道電流測量。（b）表中列出了圖a中顯示的圖像的電子間距和相應的無量綱參數值。??2023 Springer Nature

?

在低電子密度下，孤立的DW表現出一維Wigner晶體形成，其中電子形成由長程庫侖相互作用穩定的準長程有序晶格。隨著電子密度的增加，觀察到從一維Wigner晶體到二聚Wigner晶體的交叉，然后到弱相互作用的Luttinger液體。這種交叉的特點是隧道電流圖和快速傅里葉變換（FFT）分析的變化，揭示了與各種電子密度狀態相對應的不同周期結構。

圖3一維Wigner-Friedel交叉。（a）隧道電流圖的演變。（b）隧道電流的二維圖。（c）圖b數據的快速傅里葉變換（FFT）。（d）有限一維電子鏈的局部電子密度分布的密度矩陣重整化群（DMRG）計算結果，作為平均密度的函數。（e）圖d結果的FFT。??2023 Springer Nature

?

圖4一維DW陣列中電子晶體到近晶相的轉變。（a-h）隧道電流圖。（i-p）a-h圖像的二維FFT圖。??2023 Springer Nature

該研究擴展到DW陣列，揭示了鏈內和鏈間相互作用之間的相互作用所產生的豐富現象。在低電子密度下，DW?Wigner晶鏈呈現出交錯結構，形成各向異性的二維電子晶格。這種配置最大限度地減少了DW之間的相互作用，從而創建了新的結晶相。在較高的電子密度下，這種交錯相轉變為電子近晶液晶相。該相的特征是相鄰Wigner晶體之間空間相干性的喪失，類似于傳統液晶中觀察到的轉變。2D FFT 圖證實了晶體到近晶相的轉變，低密度下的尖銳衍射峰轉變為較高密度下的漫射線，反映了 DW 間相干性的損失。

?

該研究證明了范德華異質結構中的層堆疊疇壁（DW）形成廣泛可調的Luttinger液體系統，以“Imaging tunable Luttinger liquid systems in van der Waals heterostructures”為題發表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，本文展示了由范德華異質結構中的層堆疊DWs產生的不同單軸應變，為探索Luttinger液體物理學提供了巨大的機會。雖然作者使用了簡單的二維半導體WS₂作為模型系統，但類似的孤立DWs和周期性DW陣列可以在任何具有單軸應變的二維雙層材料中實現。在新的范德華異質結構中，如二維電荷密度波材料、二維磁性材料和二維超導體，可能會從DWs中出現各種奇異的Luttinger液體現象。

原文詳情：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