物理学院王雷教授在双层转角过渡金属硫化物输运测量研究中取得重要进展

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室王雷教授课题组与来自德国马普物质结构和动力学研究所,美国哥伦比亚大学物理系的研究小组合作,在双层转角过渡金属硫化物(WSe2)中发现电子关联态。研究成果以Correlated electronic phases in twisted bilayer transition metal dichalcogenides为题于2020年6月22日在线发表在《Nature Materials》上(https://www.nature.com/articles/s41563-020-0708-6 ).

南京大学物理学院,固体微结构物理国家重点实验室为第一单位。该工作得到了物理学院,固体微结构国家重点实验室大力支持,在此表示感谢。

当两层具有不同晶格常数或者相同晶格常数的原子层相互旋转时,可以产生长波长的周期性调制,称为莫尔超晶格。与这种莫尔超晶格的耦合,通常会改变电子能带结构,某些情况下,形成孤立的平带。在平带中,库伦相互作用与带宽相当,强相互作用可以产生新的量子态。近年来,在各种转角石墨烯平带体系中,相继观测到了关联绝缘态,超导,磁性和拓扑态。理论预言在过渡金属硫化物的同质结和异质结中也存在类似的平带和范霍夫奇点,并且相比石墨烯体系,带宽可以随扭转角连续变化,具有更广泛的可调谐性。此外,过渡金属硫化物减少的简并度和强的自旋轨道耦合,提供了一个研究三角晶格单带哈伯德模型的理想平台。

 本工作中,王雷教授和合作者制备了高质量的转角双层WSe2器件(tWSe2)。他们发现在角度从4到5.1的双层转角WSe2中(图一),通过调控空穴侧载流子浓度至每莫尔单元一个空穴时,出现电阻峰,刚好对应平带的半填充处,此外,在4和4.2时,观测到了对应莫尔微带全填充时的电阻峰,这证实了由转角导致的莫尔超晶格会产生平带,半填充时的电阻峰对应着关联电子态。随后,他们测量了在半填充时关联绝缘态随角度和电场变化的一系列行为。最后,在5.1转角时,通过调控电场达到最强的关联态,在半填充两侧,温度低于3K时,观察到了零电阻现象(图二),这表明体系中可能存在超导态。

 

图1 转角双层WSe2中平带。a,器件示意图;b,实空间及布里渊区中moire pattern结构; c, 能带结构;d,不同角度下,电阻值随掺杂浓度变化;e,f, 电阻值随温度和电场的变化

图2 半填充附近的零电阻区域

这项工作证实了在转角双层WSe2体系中设计平带的能力,展现了类似石墨烯莫尔超晶格中的关联绝缘态,但具有不同的简并度和单粒子能带结构。由于该体系广泛可调的电子结构,为其他存在的电子相,例如激子凝聚,自旋液体,磁序提供了一个模型系统。该系统中带宽和掺杂可以独立变化,是研究三角晶格二维关联物理的理想平台。