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科学研究
科研成果
张焱课题组及合作者在1T-TaS2材料中发现能带绝缘体到莫特绝缘体相变
发布日期:2020-08-25浏览次数:

过渡金属二硫组化合物是一大类被广泛研究的层状二维材料,其不仅在工业上有广阔的的应用前景,同时也蕴含丰富的凝聚态物理现象。1T-TaS2是一个经典的例子。在高温时,1T-TaS2处于金属态。随着降温,1T-TaS2经历多个电荷密度波(CDW)相变,并最终在低温下进入绝缘态。有关1T-TaS2绝缘态的成因一直存在争议。由于CDW的存在,每13个Ta原子聚集在一起形成star of David(SD)的结构。每个SD结构中,仅有一个电子处于费米能附近,形成带宽很窄的半满能带。一方面,有些观点认为,局域库伦相互作用使半填充能带发生莫特相变,在费米能附近打开能隙,形成了莫特绝缘体。而另一方面,有些观点认为,半满能带可以发生皮尔斯相变,每两层相邻的TaS2层配对,形成双层结构,从而使得费米能附近电子刚好变为偶数,形成满带的能带绝缘体。

确定1T-TaS2的基态非常重要,如果其为莫特绝缘体,其可能为实现理想自旋液体提供合适的平台。利用量子材料中心李源课题组提供的高质量单晶样品,张焱课题组利用变温X射线衍射和角分辨光电子能谱(ARPES)技术,对1T-TaS2中的相变过程进行了研究。实验首先发现,当进入低温的绝缘态时,X射线衍射观察到了c方向半整数衍射峰(图1),同时能带沿着kz方向出现周期为2p/2c的色散。这两个结果都显示了1T-TaS2低温下存在层间的二聚化,是一个能带绝缘体。

更有趣的是,张焱课题组利用自行研制的ARPES系统,通过连续精密的变温实验,在相变附近的一个微小温度窗口中,发现了一个之前未被观测到的绝缘中间态(I态)。 进一步实验表明,在I态中,能带具有明显的能隙,呈现绝缘性,但其能带沿kz方向的色散消失,表现出准二维的特性。

图1:变温依赖的X射线衍射谱。a1T-TaS2在低温120K和常温300K的沿c轴方向衍射谱对比图,插图是放大1100倍的(0, 0, 5/2)和(0, 0, 7/2)半整数峰。b1T-TaS2在升温过程中(0, 0, 7/2)和(0, 0, 4)衍射峰的演化图。c1T-TaS2层间二聚的示意图。

图2:能带随温度演变的ARPES数据和示意图。a, b1T-TaS2在变温过程中的G点附近的能量分布曲线和相应的温度依赖演化图。c, d1T-TaS2在I态和C-CDW态的能带沿kz方向的色散。e, f1T-TaS2在不同电子态下的能带演化示意图。

通过进一步分析,张焱课题组发现,1T-TaS2中存在多种相互作用的竞争。面内电子跃迁、格点库伦相互作用和层间电子跃迁都具有相近的能量尺度。在低温下,层间跃迁主导,体系发生层间二聚处于能带绝缘态。而随着升温,在很小的温度窗口中,库伦相互作用占据主导,诱导体系发生了能带绝缘态到莫特绝缘态的转变。而进一步升温,面内电子跃迁占据主导,体系进入金属态。这一发现不仅解决了1T-TaS2中绝缘态成因的争议,同时,中间态的发现也为1T-TaS2体系中寻找莫特绝缘体和自旋液体相指出了新的温度区间。

该项工作于2020年8月25日以“Band insulator to Mott insulator transition in 1T-TaS2”为题,在线发表于物理学术期刊Nature Communications[Nature Communications 11, 4215 (2020)]。量子材料科学中心的张焱助理教授是文章的通讯作者,博士生王宇迪为文章第一作者,该工作使用的高质量的1T-TaS2单晶样品由量子材料中心李源课题组提供,博士生姚伟良生长。光子能量依赖实验在合肥同步辐射光源BL13U完成,感谢崔胜涛博士的帮助。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持。