在1T-TaS2材料中發現的能帶絕緣體到莫特絕緣體相變

2020-09-13 量子之聲

過渡金屬二硫組化合物是一大類被廣泛研究的層狀二維材料，其不僅在工業上有廣闊的的應用前景，同時也蘊含豐富的凝聚態物理現象。1T-TaS2是一個經典的例子。高溫時，1T-TaS2處於金屬態；隨著降溫，1T-TaS2經歷多個電荷密度波（CDW）相變，並最終在低溫下進入絕緣態。有關1T-TaS2絕緣態的成因一直存在爭議。由於CDW的存在，每13個Ta原子聚集在一起形成star of David（SD）的結構。每個SD結構中，僅有一個電子處於費米能附近，形成帶寬很窄的半滿能帶。有些觀點認為，局域庫倫相互作用使半填充能帶發生莫特相變，在費米能附近打開能隙，形成莫特絕緣體；而另外一些觀點認為，半滿能帶可以發生皮爾斯相變，每兩層相鄰的TaS2層配對，形成雙層結構，從而使得費米能附近電子剛好變為偶數，形成滿帶的能帶絕緣體。

確定1T-TaS2的基態非常重要，如果其為莫特絕緣體，其可能為實現理想自旋液體提供合適的平臺。利用北京大學量子材料科學中心李源課題組提供的高質量單晶樣品，量子中心張焱助理教授課題組利用變溫X射線衍射和角分辨光電子能譜（ARPES）技術，對1T-TaS2的相變過程進行研究。實驗發現，當進入低溫的絕緣態時，X射線衍射觀察到了c方向半整數衍射峰（圖1），同時能帶沿著kz方向出現周期為2p/2c的色散。這兩個結果都顯示了1T-TaS2低溫下存在層間的二聚化，是一個能帶絕緣體。

圖1：變溫依賴的X射線衍射譜。a 1T-TaS2在低溫120K和常溫300K的沿c軸方向衍射譜對比圖，插圖是放大1100倍的（0,0,5/2）和（0,0,7/2）半整數峰；b 1T-TaS2在升溫過程中（0,0,7/2）和（0,0,4）衍射峰的演化圖；c 1T-TaS2層間二聚的示意圖

更有趣的是，張焱課題組利用自行研製的ARPES系統，通過連續精密的變溫實驗，在相變附近的一個微小溫度窗口中，發現了一個之前未被觀測到的絕緣中間態（I態）。進一步實驗表明，在I態中，能帶具有明顯的能隙，呈現絕緣性，但其能帶沿kz方向的色散消失，表現出準二維的特性。

圖2：能帶隨溫度演變的ARPES數據和示意圖。a, b1T-TaS2在變溫過程中G點附近的能量分布曲線和相應的溫度依賴演化圖；c, d 1T-TaS2在I態和C-CDW態的能帶沿kz方向的色散；e, f1T-TaS2在不同電子態下的能帶演化示意圖

通過進一步分析，張焱課題組發現，1T-TaS2中存在多種相互作用的競爭。面內電子躍遷、格點庫倫相互作用和層間電子躍遷都具有相近的能量尺度。在低溫下，層間躍遷主導，體系發生層間二聚處於能帶絕緣態。而隨著升溫，在很小的溫度窗口中，庫倫相互作用佔據主導，誘導體系發生了能帶絕緣態到莫特絕緣態的轉變。而進一步升溫，面內電子躍遷佔據主導，體系進入金屬態。這一發現不僅解決了1T-TaS2中絕緣態成因的爭議，同時，中間態的發現也為1T-TaS2體系中尋找莫特絕緣體和自旋液體相指出了新的溫度區間。

這項工作於8月25日以「Band insulator to Mott insulator transition in 1T-TaS2」為題，在線發表於物理學術期刊Nature Communications[Nature Communications 11, 4215 (2020)]。張焱是文章的通訊作者，博士生王宇迪為文章第一作者，該工作使用的高質量1T-TaS2單晶樣品由李源課題組提供，博士生姚偉良製成。光子能量依賴實驗在合肥同步輻射光源BL13U完成，得到崔勝濤博士的幫助。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃的支持。

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