近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院陳鵬課題組揭示了單層1T相過(guò)渡金屬硫族化合物(NbSe?、TaSe?和TaS?)中莫特絕緣態(tài)的穩(wěn)定性可通過(guò)改變金屬原子的d軌道和硫族原子p軌道的雜化強(qiáng)度來(lái)有效控制，為探索強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子問(wèn)題提供了新的平臺(tái)。該研究成果以“Orbital textures and evolution of correlated insulating state in monolayer 1T phase transition metal dichalcogenides”為題，在Nature Communications上在線發(fā)表。強(qiáng)電子-電子相互作用能誘導(dǎo)莫特(Mott)絕緣態(tài)的形成，該量子態(tài)被認(rèn)為在一定條件下能演生諸如量子自旋液體和非常規(guī)超導(dǎo)等奇特關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。1T相過(guò)渡金屬硫族化合物因其獨(dú)特的d電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性，為研究莫特絕緣態(tài)及調(diào)控提供了理想的平臺(tái)。雖然以往的研究通過(guò)柵壓或摻雜調(diào)控電子間的排斥相互作用及帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)莫特相變，但對(duì)于1T相過(guò)渡金屬硫族化合物體系，其電子結(jié)構(gòu)特征特別是費(fèi)米面附近的哈伯德(Hubbard)平帶的軌道特征及其與相鄰能帶的軌道雜化強(qiáng)度對(duì)莫特絕緣態(tài)的穩(wěn)定化機(jī)制尚未闡明。

圖1 單層NbSe2的晶體結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子束外延成功制備并測(cè)量了1T結(jié)構(gòu)的單層過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?T-NbSe2、TaSe2和TaS2。角分辨光電子能譜（ARPES）發(fā)現(xiàn)這些材料在費(fèi)米面附近出現(xiàn)平帶，并且打開約 200 meV 的能隙（Δ），表明其絕緣性質(zhì)。變溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) NbSe2 的相變溫度（TC）比TaS2高近2倍，但是其在低溫下的能隙反而比TaS2小約11meV。這種不尋常的Δ- TC相關(guān)性是由于這些材料中硫族元素的軌道和下Hubbard平帶之間的不同雜化強(qiáng)度引起Hubbard平帶帶寬的改變，導(dǎo)致形成更為穩(wěn)定的莫特絕緣體基態(tài)，類似的能帶雜化在銅基超導(dǎo)體中也被證明在控制轉(zhuǎn)變溫度方面起到了重要作用。

圖2 高分辨ARPES譜和能隙隨溫度的變化

基于同步輻射的ARPES觀測(cè)到這些材料的下Hubbard能帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合第一性原理計(jì)算確定 Hubbard 平帶主要來(lái)源于金屬原子的 d3z2-r2軌道，并發(fā)現(xiàn)該平帶的帶寬可通過(guò)硫族原子p軌道和Hubbard帶的雜化來(lái)進(jìn)行調(diào)控，具體表現(xiàn)為雜化程度越高，其平帶帶寬越窄，導(dǎo)致莫特相轉(zhuǎn)變溫度越高。在單層 1T-NbSe2中，其雜化強(qiáng)度相比單層1T-TaS2高出12%，解釋了NbSe2中顯著提高的相變溫度。進(jìn)一步，研究人員通過(guò)在單層1T-NbSe2能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算中改變沿z軸方向的硫族原子位移來(lái)模擬其與平帶的雜化程度，其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)一致。該現(xiàn)象可理解為當(dāng)Nb-Se鍵變長(zhǎng)時(shí)，更多的Nb d軌道參與了Nb-Nb鍵的形成，從而在較低的雜化強(qiáng)度下導(dǎo)致了更強(qiáng)的Nb-Nb跨位點(diǎn)躍遷，使得平帶帶寬增加。而對(duì)體系中電荷密度波的不穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)其在單層1T-NbSe2中的相變并未發(fā)揮主要作用。

圖3 相變溫度與d-p軌道雜化強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性

單層體系簡(jiǎn)化了來(lái)自不同堆垛方式的層間相互作用，同時(shí)也減小了費(fèi)米面附近的庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)，本研究首次發(fā)現(xiàn)該莫特系統(tǒng)的穩(wěn)定性可通過(guò)d-p軌道的雜化強(qiáng)度來(lái)控制，揭示了一種探索和調(diào)控金屬-絕緣體相變的新途徑，并確立了將單層1T相過(guò)渡金屬硫族化合物家族作為探索關(guān)聯(lián)電子問(wèn)題的廣闊平臺(tái)。上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生高強(qiáng)和陳海洋為論文共同第一作者，陳鵬副教授為通訊作者，臺(tái)灣中研院Yang-hao Chan研究員和Wen-shin Lu進(jìn)行了理論計(jì)算，上海光源劉正太、黃耀波和陳振華研究員提供了同步輻射的光電子能譜測(cè)量支持。該研究主要由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、陽(yáng)陽(yáng)發(fā)展基金等項(xiàng)目的資助，在此深表感謝。