今日Nature：蛰伏数月！南京大学再发正刊

在有序和无序量子相的边界附近，一些实验已经证明了违背朗道费米范式的金属行为。在moiré异质结构中，最近发现了由电子关联驱动的门可调绝缘相。

在此，来自南京大学的王雷和美国哥伦比亚大学的 Cory R. Dean & Abhay N. Pasupathy等研究者，使用传输测量来描述了扭曲WSe₂中第一个moiré子带近一半填充的金属-绝缘体跃迁(MITs)。相关论文以题为“Quantum criticality in twisted transition metal dichalcogenides”于2021年09月15日发表在Nature上。

在具有强库仑相互作用的材料中，观察到许多相互作用驱动的量子相，包括莫特绝缘体、超导体和密度波等。这些材料最令人感兴趣的电子性质不是在这些有序相中发现的，而是在相邻的金属相中发现的，这些金属相表现出了朗道费米液体范例所无法描述的异常输运性质。其中一个显著的表现是金属相电阻的温度和磁场依赖关系，这与费米液体理论预测的T₂或B₂依赖关系有很大的偏差。其他输运系数，包括霍尔系数、能斯特效应和热导率，也表现出异常性质。这些“奇怪的金属”属性，通常与量子临界点有关，量子临界点是由掺杂、外加场或压力等控制参数驱动的二阶量子相变。理解量子涨落的性质以及它们是如何产生异常金属性质的，是凝聚态物理中最重要的未曾解决问题之一。

近年来，moiré异质结构，作为一类表现出有趣的量子电子相的新材料出现。在moiré晶格的整数填充处发现的强电子关联与绝缘相的重要性已经明确，但是，对于附近存在的金属态的性质，或者连接金属态和绝缘态的跃迁，无论是在实验上还是在理论上，人们所知道的都还比较少。MITs通常可以通过载流子掺杂或调谐电子带宽来驱动。在大多数材料中，由于电子-晶格耦合，这些跃迁是一级的，化学无序带来了额外的复杂性。

在此，研究者提出了扭曲同向双层WSe₂ (tWSe₂)，可作为实现连续MITs的理想平台。在这个系统中，电子密度和电子结构都可以使用静电门以一种简单的方式进行调节，而不会引入额外的无序(图1a)。由于大的自旋轨道耦合和层杂化，tWSe₂是一个有效的单轨道相关三角形模型模拟器(图1b)，其相关绝缘相之前已经在半填充状态下观察到。这种绝缘状态，可以通过静电掺杂和垂直位移场变为金属状态，从而实现对大相空间的敏感控制，在大相空间中可以系统地测量输运特性。

因此，研究者发现MIT作为密度场和位移场的函数是连续的。在金属-绝缘体边界处，电阻率在低温下表现出奇怪的金属行为，其耗散与普朗克极限相当。进一步进入金属相，费米液体的行为在低温下恢复，在中间温度下演变成量子临界扇，最终在室温附近达到反常饱和状态。对残余电阻率的分析表明，在绝缘相中存在强量子涨落。这些结果，为研究掺杂和带宽控制的金属-绝缘体，在三角晶格上的量子相变奠定了新的平台。

图1. 扭曲WSe₂中的连续金属-绝缘体过渡

图2. 扭曲WSe₂中掺杂驱动的金属-绝缘体过渡

图3. 扭曲WSe₂中的量子临界扇

图4. 异常磁输运

图5. 带宽-驱动量子临界

综上所述，对掺杂调谐MIT的理论预测表明，在这个特殊的系统中有丰富的相互作用驱动的金属相。研究的结果强烈地暗示，不管它的起源是什么，绝缘相的特征是可以散射电子的波动，在过渡时变得柔软，并且在高于绝缘间隙开启的温度范围的较高温度下具有重要的影响。该工作为自旋液体和相关驱动绝缘体的研究开辟了新的途径。

文献信息

Ghiotto, A., Shih, EM., Pereira, G.S.S.G. et al. Quantum criticality in twisted transition metal dichalcogenides. Nature 597, 345–349 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03815-6

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6

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