材料体系中载流子与局域晶格畸变耦合会形成电荷局域化的极化子，其对材料中超导、庞磁阻、热电、表面化学等众多物性都具有重要影响。根据载流子局域的程度不同，局域极化子通常可划分为两类：大极化子和小极化子。大极化子通常具有几个晶胞的尺度，其局域能级大概位于费米面附近10 meV左右，表现为接近自由迁移的准粒子行为，体系具有导电金属性。而小极化子一般较小（单个晶胞尺寸）、其局域能级也较高（费米面附近1eV），体系通常为绝缘性。近年来，研究发现一些材料体系可同时表现出具有高迁移率的载流子输运以及局域化的小极化子行为；然而两者之间的共存机理以及转变调控还有待进一步地探究。

       近年来，物理系于浦教授研究组一直聚焦于关联氧化物的电、磁物态研究。近期，他们通过真空氩离子轰击的方式，在金红石TiO₂表面引入了高浓度的氧缺陷，使得 Ti离子的3d¹能级得到部分填充，进而观测到准二维电子气特性。不同于之前被广泛研究的SrTiO₃表界面二维电子气体系，实验发现TiO₂表面电子气中的载流子浓度随着温度的降低而急剧减小，致使体系发生了显著的金属—绝缘体转变；然而绝缘态下的电子迁移率依然高达~10³ cm²V^-1s^-1（如图1所示）。这是由于在较低的温度下金红石TiO₂晶格中掺杂的电子会形成浅能级的局域电子态，并随着温度降低而逐渐冻结在该局域能级。他们进一步通过原位离子液体门电路调控的手段，在该体系中实现了连续的电子掺杂调控，使体系的高温导电性得到系统性增强；但有趣地是体系低温局域电子态行为并不随着电子掺杂而发生变化，该结果表明低温局域态是材料的本征物性。此外，他们还发现利用纵向静电场可以控制局域化电子转变为自由电子行为，从而使体系表现出电场可控的绝缘体—金属相变；此外还在高场下观测到因为载流子迁移率降低而产生的负微分电阻行为。这些结果不但揭示了局域电子和高迁移率电子之间的关联/耦合特性，丰富了对二维电子气的形成和输运机理的认识，而且提供了一个探究复杂氧化物表面奇异电子态的新思路。

图1：TiO₂晶体表面局域电子态和二维电子气共存地示意图。

       该工作以“Coexistence of both localized electronic states and electron gas at rutile TiO₂ surfaces”为题发表于Advanced Materials。清华大学于浦教授和博士后沈胜春（现中科大特任研究员）为文章通讯作者，沈胜春和王猛博士（现RIKEN博后）为共同第一作者，合作者还包括中科大赵瑾教授，中科院物理所龙有文研究员。该研究受到了国家基础研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、清华大学低维量子物理国家重点实验室和新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室资助。

       全文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202301453