當(dāng)材料內(nèi)部的電子相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的物理行為，如莫特（Mott）絕緣體行為、非傳統(tǒng)超導(dǎo)行為和量子自旋液體行為。當(dāng)電子被限制在較低維度（如二維平面）時(shí)，這些效應(yīng)可能會(huì)變得更強(qiáng)。

受這些觀察結(jié)果的啟發(fā)，加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和世界各地其他大學(xué)的科學(xué)家開展了一項(xiàng)研究，研究了二維1T-TaSe2的獨(dú)特行為，其研究成果發(fā)表在《自然物理學(xué)》上。

指出這種材料中的電子關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了堅(jiān)固的莫特絕緣體狀態(tài)，并伴隨著不尋常的軌道織構(gòu)。開展這項(xiàng)研究的研究人員之一邁克爾·F·克洛米(Michael F.Crommie)說：長期以來，人們一直認(rèn)為三維（3D）材料1T-TaSe2和1T-TaS2表現(xiàn)出由電子-電子相互作用產(chǎn)生的新行為。然而，理解這類材料的一個(gè)挑戰(zhàn)是：它們是由二維（2D）層堆疊而成，層之間的耦合使層內(nèi)發(fā)生的事情變得模糊不清。

為了克服這一挑戰(zhàn)，并希望發(fā)現(xiàn)新的行為，Crommie和同事們決定將1T-TaSe2的晶體變薄到單層厚度，這樣不同層之間的相互作用就不再是問題了。這將能讓研究人員通過一次向后添加一個(gè)層來隔離層間耦合的作用，同時(shí)監(jiān)控材料行為的變化。為了遵循這個(gè)游戲計(jì)劃，研究生長了1T-TaSe2的單層和幾層堆棧，并利用掃描隧道顯微鏡(STM)和角度分辨光電發(fā)射(ARPES)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)表征了內(nèi)部電子行為。

這使研究人員能夠確定單層1T-TaSe2是一種稱為莫特絕緣體的新型絕緣體，隨著堆疊中添加更多的層，這種行為會(huì)通過層間耦合而消失。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)高級(jí)光源(ALS)研究小組的一部分，由物理學(xué)家沈志勛和莫成坤領(lǐng)導(dǎo)，用一種稱為分子束外延的方法生長了1T-TaSe2的單層和幾層樣品。這種方法主要包括將原子束中的鉭和硒沉積到襯底上，襯底被加熱以誘導(dǎo)形成原子薄的晶體。

首先使用ARPES對(duì)原子薄晶體進(jìn)行了探測，這是一種將X射線照射到材料上，并測量被踢出電子的能量和動(dòng)量的方法。然后，樣本被帶到加州大學(xué)伯克利分校，研究小組再使用掃描隧道顯微鏡(STM)對(duì)其進(jìn)行了表征。在掃描隧道顯微鏡中，一根鋒利的金屬針掃描晶體表面，并以不同的能量拉出電子，以便直接成像電子在原子尺度上是如何排列的。這項(xiàng)涉及多個(gè)機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)的合作研究工作取得了一系列令人振奮的結(jié)果。

首先，Crommie和同事們收集的觀察結(jié)果確定，單層1T-TaSe2形成了一個(gè)新的二維莫特絕緣體系統(tǒng)。其次系統(tǒng)表現(xiàn)出的一些獨(dú)特行為，提供了有價(jià)值的見解。研究確立了單層1T-TaSe2作為一種新二維莫特絕緣體，這促使這種材料中的電子將自己排列成以前從未見過的新空間圖案或紋理。同時(shí)還澄清了1T-TaSe2中層間耦合的作用，并確定這降低了它的絕緣性，減少了電子-電子相互作用的影響。

除了加深目前對(duì)1T-TaSe2材料及其性質(zhì)的理解外，Crommie和同事們收集的這些發(fā)現(xiàn)，還可能為發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的新物質(zhì)狀態(tài)鋪平道路。研究人員目前正計(jì)劃開展進(jìn)一步的研究，研究1T-TaSe2材料的其他性質(zhì)或行為。探索在這種新的二維莫特絕緣體中可能出現(xiàn)物質(zhì)的其他奇異狀態(tài)，例如量子自旋液體狀態(tài)和非傳統(tǒng)的超導(dǎo)電性，研究將試圖通過將其融入新的電氣設(shè)備來表征它并進(jìn)一步操縱它的特性。

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參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0744-9

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