近日，上海交通大學物理與天文學院陳鵬在低維HFTE2薄膜中，研究小組發現了激子凝聚引起的電荷密度波和金屬-絕緣體躍遷現象。 研究結果發表於北京時間2024年1月23日，題為“原子薄半金屬中可能的激子電荷密度和金屬絕緣體躍遷的觀察”。nature physics發表在期刊上**。
激子-電子-空穴結合對是廣泛存在於固體中的準粒子。 以內維爾·莫特和沃爾特·科恩為代表的物理學家認為，在半金屬中，如果費公尺表面附近的載流子濃度較低，不能有效遮蔽電子-空穴對之間的庫侖相互作用，就會促進激子在低溫下自發凝聚，形成新型多體相互作用的激子絕緣體。 與傳統的超導庫珀對不同，激子結合能更大，有利於在較高溫度下凝聚，因此對激子絕緣體的研究對於理解高溫超導和超流現象具有重要的啟示意義。 然而，仍然缺乏證據和材料來確定激子絕緣體的存在。
圖1 單層HFTE2薄膜激子凝聚和電荷密度波產生的示意圖.
具有非零動量的激子的凝聚同時形成電荷密度波（CDW）。 但是，材料中CDW的形成可能有多種原因，如費公尺面巢狀、晶格畸變等，因此排除了其他CDW的形成機理，並利用電子型別特性可以有效地確認激子絕緣體。 基於上述科學問題，研究團隊對二維過渡金屬二硫化物進行了一系列研究，從有爭議的1T-Tise2（nat comm.6， 8943 2015）至1T-ZRTE2（nat.）具有很強的凝血作用 comm.14， 994 2023），遺憾的是沒有觀察到乾淨的金屬-絕緣體相變，聲子計算表明，這些材料中的晶格結構仍然不穩定，儘管晶格畸變對CDW的貢獻在ZRTE2中較小，但尚未排除。
近日，研究團隊成功製備了單層和多層HFTE2薄膜，角分辨光電子能譜發現，當厚度小於3層時，存在金屬-絕緣體相變，價帶頂部在低溫下形成平坦帶，費公尺面附近能隙開啟， 該點附近出現摺疊帶，這是CDW形成的典型特徵。然而，聲子計算表明，單層HFTE2不存在結構不穩定，拉曼和X射線衍射測量未觀察到明顯的晶格畸變，這為單層HFTE2中金屬絕緣體相變的電子起源提供了有力的證據。
圖2 不同厚度HFTE2薄膜的ARPES譜圖及單層薄膜晶格穩定性的實驗證據。
激子凝固的乙個顯著特徵是對費公尺表面附近的載流子濃度敏感，且n型和p型載流子較少且相對平衡，可以促進激子凝聚。 研究團隊發現，少量的n型摻雜可以大大提高單層HFTE2的相變溫度，這與Peierls型CDW相變等其他型別的相變完全不同。 究其原因，在HFTE2的未摻雜單層中，導帶在費公尺能級以上，費公尺面由點附近的空穴型口袋組成，費公尺面附近的載流子以p型為主，因此少量的n型摻雜可以降低和平衡費公尺表面的載流子濃度，促進激子凝結，增強CDW相變。 研究團隊對這種典型激子絕緣體的發現，為進一步研究激子絕緣態與拓撲和自旋相關態之間的相互作用奠定了基礎。
圖3 HFTE2薄膜相變溫度隨載流子濃度的變化關係的相圖。
上海交通大學物理與天文學院博士生高強、焦鵬飛、台灣“中央研究院”研究員陳陽浩為共同第一作者，上海交通大學江勝偉副教授進行了拉曼實驗研究，合肥同步輻射源沈大偉教授和上海光源研究員劉正泰、李小龍提供了光電子能譜和X射線同步輻射的測量支援。本工作主要由國家重點研發計畫、國家自然科學委員會、上海市自然科學委員會和襄陽發展資助。