華中大在強關聯(lián)電子體系量子調控研究中取得進展

8月9日消息（余予）來自華中科技大學的消息顯示，近日，華中科技大學物理學院付英雙教授領導的低維物理與量子材料實驗室團隊在強關聯(lián)電子體系的量子調控研究中取得進展。

據(jù)了解，1T-TaS₂因可能存在量子自旋液體態(tài)和復雜的電子關聯(lián)現(xiàn)象一直受到研究者的廣泛關注。其中，量子自旋液體態(tài)可以構建量子比特。

領域內普遍認為1T-TaS₂的絕緣性來源于Mott-Hubbard機制，但最新的研究表明層間耦合也能導致其絕緣性，從而是普通的能帶絕緣體。解決爭議的一個直接方法是研究單層樣品，以排除層間耦合的影響。

研究工作中，付英雙團隊利用分子束外延方法在石墨烯襯底上精確制備了單層1T-NbSe₂薄膜，并通過掃描隧道顯微鏡（STM）及其譜學表征技術對單層1T-NbSe₂薄膜的表面形貌和電子結構進行了系統(tǒng)研究。實驗發(fā)現(xiàn)，77 K時SD絕大多數(shù)表現(xiàn)為“亮”中心結構，同時有少部分主要集中于薄膜邊界的SD呈現(xiàn)“暗”中心結構。這兩種SD在電子結構上的差異體現(xiàn)在亮SD中心有一個位于160 mV處的峰。這個峰在暗SD中心消失。

通過變溫實驗得出，當溫度降低到4.4 K時，所有的SD轉變?yōu)榘祽B(tài)，同時160 mV的峰也隨之消失；當溫度升高至40-50 K時，SD會突然的由暗態(tài)轉為亮態(tài)，隧道譜上也相應地出現(xiàn)強的160 mV峰。

除此之外，研究團隊還通過對1T-TaS₂ 進行類比分析，推測這個160 mV的峰是上Hubbard帶（UHB）。其中，當UHB上移到導帶中時，會導致SD由亮轉暗。這一推測得到了第一性原理計算的支持。分子動力學計算表明1T-NbSe₂確實會在溫度上升至50K時發(fā)生明顯的結構扭曲，主要表現(xiàn)為最近鄰Nb原子向中心收縮，而最近鄰的Se原子會在面內收縮的同時面外擴張。這一結構的變化會導致中心Nb原子的d軌道與Se原子的p軌道雜化增強，使d軌道的帶寬增加，進而減小有效的庫倫作用。

該工作意味著可以通過應力來調控關聯(lián)絕緣體系的Mott參數(shù)，而Mott參數(shù)決定了系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)量子自旋液體態(tài)。計算表明只需要很小的應力就能使1T-NbSe₂的有效庫倫作用強度顯著改變。而對于1T-TaS₂，應力的影響則小得多。該工作為在此類材料體系中人工調控實現(xiàn)量子自旋液體態(tài)提供了契機。

該成果于近日以“Charge Transfer Gap Tuning via Structural Distortion in Monolayer 1T-NbSe₂”為題在納米領域權威期刊Nano Letters上發(fā)表。物理學院博士生劉振宇和北京計算科學研究中心博士后喬爽為共同第一作者，付英雙為論文的通訊作者。北京計算中心黃兵研究員、我校物理學院呂京濤教授和團隊成員張文號副教授參與了相關工作。

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