摩尔超晶格体系在半填充时的奇异量子输运行为

　　基于半导体过渡金属硫族化合物的摩尔超晶格为研究二维电子体系中的关联效应提供了新的平台。近年来，研究人员在实验中观测到此类体系中存在着摩尔激子，莫特绝缘态、广义魏格纳晶体、量子反常霍尔效应等丰富而新奇的量子物态。普遍认为过渡金属硫族化合物摩尔超晶格的低能哈密顿量可以由三角晶格上的哈伯德（Hubbard）模型来描述。尽管人们已经对这一模型进行了广泛的研究，但是由于问题的复杂性和缺乏合适的实验体系，它在不同关联强度下展现出的多样电子态仍然有待深入探讨。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室许杨特聘研究员和李永庆研究员指导博士生张明杰等就相关问题进行了实验研究。他们制作了由三层MoTe2和单层WSe2构成的三角摩尔超晶格器件（3L-MoTe2/WSe2）。低温电子输运测量发现，当3L-MoTe2/WSe2的第一摩尔能带处于半填充时，由于三角晶格中存在几何阻挫和多种相互竞争的电子序，电荷局域化程度随着温度升高而增大：在小于10K的低温下，该体系展现出由费米液体描述的关联金属态行为，而升高温度则使电子输运表现出绝缘体性的行为。这一现象也被称作Pomeranchuk效应（图1），是液态氦3中发现的升温固化效应在电子体系中的再现。在面外垂直方向电场的作用下，电荷出现层间转移，该体系发生Lifshitz转变（图2）。在较高电场下，新费米面的出现抑制了Pomeranchuk效应。而在面外垂直方向磁场的作用下，该关联金属态发生金属-绝缘体量子相变，与磁场抑制体系中的自旋涨落，从而得到一个绝缘性基态有关。在相变临界点附近，电阻随温度的变化关系满足连续量子相变标度行为（图3）。

　　以上研究结果表明3L-MoTe2/WSe2摩尔超晶格是一个研究三角晶格哈伯德模型在中等关联强度时的独特体系。此外，该体系的多带属性也意味着这是一个研究两能带哈伯德模型或摩尔近藤晶格的潜在平台。相关成果以“Tuning Quantum Phase Transitions at Half Filling in 3L-MoTe2/WSe2 Moiré Superlattices”为题，于2022年11月9日发表在Physical Review X 12, 041015 (2022)上。

　　本研究工作得到了武汉大学吴冯成教授和中国科学院大学朱征教授的理论支持，实验中使用到的六方氮化硼单晶由日本国立材料科学研究所Kenji Watanabe研究员和Takashi Taniguchi研究员提供。该工作得到了科技部重点研发计划（2021YFA1401300），国家自然科学基金委员会（12174439，12074375）以及中国科学院先导项目（XDB28000000，XDB33000000）的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041015


图1. 3L-MoTe2/WSe2摩尔超晶格器件结构和Pomeranchuk效应。


图2. 由面外垂直电场驱动的Lifshitz转变。


图3. 由面外垂直磁场驱动的金属-绝缘体相变和连续相变的标度律行为。


图4. 3L-MoTe2/WSe2摩尔超晶格在半填充处的相图。