En eksotisk metal-isolator-overgang i et overflade-doteret overgangsmetal-dichalcogenid

Metal-isolator transition (MIT) drevet af mange-legeme-interaktioner er et vigtigt fænomen i det kondenserede stofs fysik. Eksotiske faser dukker altid op omkring metalisolatorens overgangspunkter, hvor kvanteudsving opstår fra en konkurrence mellem spin, oplade, orbital, og gitter frihedsgrader. Todimensionelle (2D) materialer er en stor klasse af materialer. Deres enkle struktur, lav dimensionalitet, og meget justerbar bærertæthed gør dem til en ideel platform til at udforske eksotiske faser. Imidlertid, mange-krops-interaktionerne er normalt svage i de fleste 2D-materialer, derfor, de korrelationsrelaterede fænomener tiltrækker sig lidt opmærksomhed i studierne af 2D-materialer i en længere periode. For nylig, mennesker fandt ud af, at mange-krops-interaktionerne kan forbedres i 2D-heterostrukturer eller kunstigt sammenfoldede 2D-strukturer. Korrelationsrelaterede fænomener blev fundet i mange interessante systemer, såsom LaAlO ₃ /SrTiO ₃ , snoet tolags grafen, etc.

Zhang Yans gruppe i International Center for Quantum Materials (ICQM) ved Peking University rapporterer opdagelsen af ​​en eksotisk metal-isolator-overgang i et overflade-doteret overgangsmetal dichalcogenid 2H-MoTe ₂ udnyttelse af højopløsningsvinkelopløst fotoelektronspektroskopi (ARPES) og in-situ overflade alkalimetalaflejring. De fandt ud af, at metal-isolator-overgangen kunne forklares ved en placering af polaroner på grund af den stærke elektron-fonon-kobling, der er forstærket ved prøveoverfladen. Dette værk med titlen "Metal-isolatorovergang og emergent spaltefase i den overfladedopede 2-D Semiconductor 2H-MoTe ₂ " blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve [Fys. Rev. Lett. 126, 106602 (2021)] den 12. marts 2021. Zhang Yan er den tilsvarende forfatter og Han Tingting, en ph.d.-studerende i ICQM er førsteforfatter.

Forsøgene blev udført i et selvkonstrueret ARPES-system i Peking University og Beamline BL03U i Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). Ved at bruge overfladeaflejringsteknikken, Zhang Yans gruppe skabte en 2D metal-halvleder-grænseflade mellem overflade- og bulklagene i 2H-MoTe ₂ . Generelt, når bærere er fyldt i ledningsbåndene af en halvleder, det kemiske potentiale stiger, og de ledende bånd skifter stift mod højere bindingsenergi. Imidlertid, på overfladen af ​​2H-MoTe ₂ , forskerne fandt ud af, at ledningsbåndene gennemgår flere overgange med bærer-doping over den metalliske tilstand, gabende fase, isolatortilstand, og dårlig metallisk tilstand. En sådan udvikling af elektronisk struktur kan ikke forklares ved ændring af kemisk potentiale eller overfladenedbrydning, antyder eksistensen af ​​en eksotisk metal-isolator overgang på overfladen af ​​2H-MoTe ₂ .

Yderligere undersøgelse viste, at overfladen af ​​2H-MoTe ₂ udviser et kompliceret fasediagram, som ligner fasediagrammerne for en kvantefaseovergang drevet af mange-kropsinteraktioner. I mellemtiden den detaljerede spektrumanalyse løser eksistensen af ​​replikabånd, som normalt ses som et fingeraftryk af stærk elektron-fonon-kobling. Kombineret med den observerede energirenormalisering af spektre og udviklingen af ​​båndspredning, forskerne konkluderer, at elektron-fonon-koblingen er stærkt forstærket på overfladen af ​​2H-MoTe ₂ . Elektroner er klædt af gitter-excitationer, danner polaroner. Polaronerne lokaliseres derefter på grund af urenhed eller uordenspredning, som driver den observerede metal-isolator overgang.

Dette arbejde demonstrerer, hvordan en kompliceret metal-isolator overgang kunne forekomme på overfladen af ​​en simpel todimensionel halvleder. På den ene side, resultaterne fremhæver den overflade-dopede 2H-MoTe ₂ som et stærkt kandidatmateriale til at realisere polaronisk isolator, polaronisk forlænget tilstand, og høj-Tc superledningsevne. På den anden side, eksperimenterne viser, at overflade-alkali-metal-aflejringen kan forbedre mange-legeme-interaktionerne i to-dimensionelle halvledere, som åbner en ny måde at udforske de korrelationsrelaterede fænomener i todimensionelle materialer. Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China, Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram.