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付英双教授团队在MoSe2镜像畴界中发现了Hubbard型库伦阻塞效应
发布时间:2022-10-13

104日,《国家科学评论》杂志在线发表了物理学院付英双教授团队与南京大学李建新教授团队等合作的研究成果“Manipulating Hubbard-type Coulomb blockade effect of metallic wires embedded in an insulator”,该研究团队在对单层和双层MoSe2镜像畴界中一维电子关联态的研究中发现通过针尖脉冲,可以实现两种源于Hubbard型库伦阻塞效应所驱动的关联绝缘态的转变。物理学院博士生杨星(已毕业)为论文第一作者,中科院物理所孟胜研究员团队、日本理化研究所Naoto Nagaos教授、北京师范大学刘海文教授和付教授团队成员张文号副教授,参与了相关工作。

研究人员通过分子束外延技术在石墨烯衬底上生长出具有一维镜像畴界的单层与双层MoSe2薄膜。通过扫描隧道显微镜测量发现一维镜像畴界具有金属态,并且由于一维畴界的长度有限,电子态会受到量子限制效应,导致出现分立能级。研究发现了两类具有不同基态的畴界,根据它们在费米面上下的两个分立能级在实空间的相位振荡关系,定义为同相态畴界和反相态畴界。他们通过施加适当的针尖脉冲,可以实现同一个畴界在两种状态之间的相互转换。通过构建理论模型,他们发现上述两种状态均来源于由库伦效应驱动的关联绝缘态,而且库伦作用的强度由畴界长度决定。当费米面处于两个不同波矢的量子阱态之间时,其能级间隔增大,变成库伦能与量子阱受限能级间隔之和;当费米面处于一个量子阱态时,该能级被库伦能自旋劈裂,形成单电子占据,劈裂大小即为库伦能。利用针尖脉冲,可以调节畴界上的电子填充数目,从而实现两类关联绝缘态以及相应自旋状态的可控调控。他们通过第一性原理计算发现针尖脉冲注入畴界的电子通过晶格驰预的类极化子方式稳定下来。由于该库伦能不同于经典的长程作用,而属于短程的Hubbard型库伦作用,并与经典库伦阻塞效应有相似的表达式,从而被称为Hubbard型库伦阻塞效应。

该研究团队在原子尺度上实现了关联作用和自旋态的可控调节,为理解和调控复杂系统中的关联物理奠定了基础。

                                             


1. MoSe2 畴界的形貌和电子结构。(a) 畴界的扫描隧道显微镜像。单层和双层畴界分别用黄色和黑色箭头标出。(b) DFT计算畴界的电子态密度(红色曲线)和实验测量的扫描隧道谱(黑色曲线)。插图:畴界原子结构的俯视图和侧视图。黑色箭头表示畴界位置。(c) 单层畴界放大后的扫描隧道显微镜像。(d) 沿(c)中黑线的二维电导图。(b)中的扫描隧道谱为(d)中矩形区域的平均值。



2. 同一根畴界的不同基态。(a-c) 1(c)所示同一根畴界的二维电导图,显示出不同的基态。每个离散能级的节点数(白色箭头所示)用红色数字标记。



3. Hubbard型库伦阻塞效应作用下畴界的分立能级。(a-c)平均场能级示意图,分别为反相(a)、零能(b)和同相(c)态。每个能级都用它的波矢标记。自旋向上(向下)的电子用红()球表示。实心(空心)球表示电子处于已占据(未占据)能级。


论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwac210


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