付英双团队在新奇低维量子体系的构筑研究方面取得最新进展

1月27日，华中科技大学物理学院付英双团队（低维物理与量子材料实验室）最新研究成果“二维1T-FeSe2自插层的等效笼目晶格（Self-intercalated 1T-FeSe2as an effective kagome lattice）”刊发在凝聚态物理领域重点期刊《Nano Letters》上。物理学院博士生张志模（已毕业）和中国人民大学博士后龚本超为共同第一作者，张文号副教授、付英双教授和中国人民大学刘凯副教授为论文的共同通讯作者。华中科技大学物理学院为成果的第一完成单位。中国科学院物理研究所谷林研究员参与了相关工作。

笼目晶格（kagome lattice）是近年来在强关联电子物理领域研究的热点之一，由于几何阻挫、拓扑以及电子关联之间的相互作用，笼目晶格体系往往展现出狄拉克锥和平带伴生的能带结构。通过调节平带和费米能级之间的相对位置，笼目晶格体系可以展现出丰富的新奇量子特性，包括自旋阻挫基态、分数量子霍尔效应、维格纳晶体效应以及非常规超导等行为。然而，自然界中存在的本征笼目晶格体系屈指可数，且笼目晶格面和普通原子晶格平面之间存在相互作用，从而极大限制了该领域的深入研究。

近年来，通过表面吸附或原子操纵的方式，可以实现人造的笼目晶格体系。最近的Nature研究提出，通过引入高金属化学势，在生长过程中原生原子自插层到双层过渡金属二硫化物，可获得了一类超薄共价结合材料，以实现全新晶体结构及铁磁序的晶体库。但该方法无法适用于铁基二维材料中——其一：二维的FeX2(X = S, Se, Te)体系大部分仅存于理论上的计算和预言，而实验室中难以合成，尤其在寡层尺度上。其二：传统上加大金属或硫元素化学势的生长方法将形成三维的Fe2X或FeX2相，而非经典的二维1T结构。其三：自然界中结构和能量最为稳定的FeX相中存在广泛的四方-正方结构相变，该相变受温度驱动，并将消除受束流比例控制的自插层效应。

为了克服上述困难，本研究工作另辟蹊径，充分发挥分子束外延（MBE）制备技术的优势，发展了一套全新的“低温生长+高硫元素化学势退火“生长策略，通过在1T相的二维范德华材料FeSe2中引入自插层的Fe原子，成功引起了最表层Se原子的垂直高度变化，调节了表面的周期势，达到了与表面吸附或原子操纵类似的效果。图1展示了实验上利用高Se束流产生有序Fe空位，三维的α-FeSe相逐渐演化为二维1T-FeSe2结构的全过程。联合低温原位扫描隧道显微镜（STM）和非原位扫描透射电子显微镜（STEM）的精细结构表征，实验结果揭示了自插层的FeSe2主要存在两种不同的Fe原子插层密度，插层平面分别形成2×1（25%插层）和2×2（50%插层）的周期，其化学计量比分别对应于Fe3Se4和Fe5Se8相。前者在STM形貌中表现为条纹状超周期结构，后者表现为笼目状的超周期结构。


图1 自插层1T-FeSe2的结构演化模型和实验STM观测

进一步，低温下随扫描偏压依赖的STM形貌图和实空间的电导成像显示（图2）：Fe3Se4相的条纹结构和Fe5Se8相的笼目晶格并非单纯的结构特征，而是受限电子态的量子行为和Fe原子自插层独特结构的综合效应。其中，Fe5Se8相因自插层Fe原子浓度较Fe3Se4相大一倍，表现出更强的插层原子耦合作用和更显著的电子态能量依赖现象，并在实空间中形成了笼目周期结构的电子态分布。


图2：能量依赖的STM形貌图和实空间电子态分布

为了更深入理解该自插层行为诱导的新奇物相和量子态，研究团队开展了第一性原理的计算研究，发现：具有2×2周期Fe原子插层的Fe5Se8，其表面不同高度的Se原子可以分为两类，一类形成了笼目状的晶格结构，另外一类则形成大周期的经典三角晶格。这种形式的表面原子排列，形成了等效的笼目晶格结构。结合其能带结构和电子态密度表征，发现在在费米能级下0.2eV处出现了狄拉克锥式的交叉结构能带，且狄拉克锥上下方均存在近似平带的结构，从而证实了该体系的等效笼目晶格行为。Fe5Se8笼目晶格的电子结构与实验上的STS谱学结果保持了较好的吻合，且笼目周期结构在不同偏压下的STM模拟形貌也同实验观测相一致。


图3：理论计算Fe5Se8的笼目晶格模型和电子能带结构

本工作实现了一种全新的人工构造笼目晶格的方法，并从实验角度证实了其具备本征笼目晶格体系的电子结构特征。此外，由于二维范德华材料的广泛性以及插层原子密度的可调性，该方法对于未来的笼目晶格的研究将具有重要意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金（重大计划、面上）、科技部重点研发计划等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04362