过渡金属硫化物莫特绝缘体电子态的研究进展

2017年12月19日

在莫特绝缘相附近,人们发现了许多新奇的量子态,例如铜氧化物高温超导以及锰氧化物巨磁阻现象。层状过渡金属二硫族化合物1T-TaS2是另一个有趣的例子,在其中莫特绝缘相与一系列复杂的电荷密度波相(CDW)密切相关。通过加压和化学掺杂等手段,可以实现由莫特绝缘相到超导相的转变。但是,该体系莫特绝缘相的性质、绝缘相到金属相的转变机理等问题仍然存在争议。

最近,物理系低维量子物理国家重点实验室及高等研究院的博士研究生乔爽、李昕彤等在导师刘峥、王亚愚等的指导下,结合扫描隧道显微镜(STM)测量和第一性原理计算,系统研究了1T-TaS2这一莫特绝缘体的原子尺度电子结构,以及通过Se等价态替代S导致的电子结构演化。他们首先利用STM实验观察到两种不同类型的轨道结构,一种位于CDW相团簇的中心,另一种位于团簇边缘。随着Se的掺杂浓度增加,绝缘态带隙逐渐减小,两种轨道逐渐交叠,从而引起了体系从莫特绝缘相到金属相的转变。理论分析表明该材料体系中存在两种不同类型的轨道结构,一种较为局域,另一种延展性较强,而它们之间的相互作用是确定体系电子结构的关键因素。在莫特绝缘相附近,局域的轨道劈裂为上下Hubbard带;随着Se的掺杂局域轨道构成的Hubbard带沉入到延展轨道构成的费米海中,从而引起了STM观测到的带隙的变化,并最终演化至一个金属态。

该项工作揭示了轨道结构对于低维材料体系中莫特绝缘相到金属相转变的影响,这种新机理为发现和理解基于掺杂莫特绝缘体的新奇电子态提供了有价值的线索。该研究成果以“Mottness Collapse in 1T-TaS2-xSex Transition-Metal Dichalcogenide: An Interplay between Localized and Itinerant Orbitals”为题发表在12月1日的Physical Review X上。