他，复旦大学校友，手握Nature，发表第3篇Nature Materials！

研究背景

Mott绝缘体是一类具有强烈电子相互作用的材料，在近年来引起了广泛的研究兴趣。其中，α-RuCl₃作为一种多轨道蜂窝Mott绝缘体，由于其独特的自旋轨道耦合、原位库伦排斥和晶体场分裂等特性，成为了研究的焦点。多年来，科学家们一直在探索在这类复杂材料中实现新奇量子态的可能性。

然而，尽管我们对于Mott绝缘体的理论理解不断深化，但是实验上对于这些材料内部微观结构的认知仍然相对有限。尤其是在掺杂的Mott绝缘体中，研究者们一直在寻找能够直接观察电子和空穴晶体相互作用的方法。在这一挑战下，科学家们提出了使用范德瓦尔斯掺杂的方法，通过将外部材料引入到Mott绝缘体中，来调控其电子结构。

成果简介

为了解决这一问题，新加坡国立大学吕炯教授和Kostya S. Novoselov等人在 Nature Materials上发题“Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator”的最新论文。本研究团队选择了石墨烯作为外部材料，并将其与α-RuCl₃构成异质结构。通过这种设计，他们成功地实现了对α-RuCl₃的非侵入式掺杂，并在实验中观察到了相关电子和空穴晶体的存在。通过扫描隧道显微镜技术，研究团队能够直接观察到这些晶体的原子级结构，并对其进行了详细的表征和分析。

最终，研究团队发现，在电子掺杂的α-RuCl₃中，通过控制外部电场可以调控相关电子和空穴晶体的排列方式，从而为调控强相关材料中的量子态提供了新的思路和可能性。这一研究为我们理解复杂材料中的量子相互作用提供了重要的实验依据，并为开发新型量子材料和器件奠定了基础。

他，复旦大学校友，手握Nature，发表第3篇Nature Materials！

资料显示，这是吕炯教授在Nature Materials期刊上发表的第3篇文章！

研究亮点

（1）实验首次利用非侵入式范德瓦尔斯掺杂方法，从石墨烯向多轨道Mott绝缘体α-RuCl₃中引入额外的电子，实现了对不平衡电子-空穴晶体的观测。通过扫描隧道显微镜（STM）技术，研究人员首次在这种材料中直接可视化了相关的电子-空穴晶体结构。

（2）实验结果表明，在α-RuCl₃中，通过STM观察到了两种不同的电荷序，分别位于较低的Hubbard能带（LHB）和较高的Hubbard能带（UHB）能量处。在LHB能量下，出现了以位点为中心的超晶格结构，表明存在着富含空穴的Ru位点形成的空穴晶体。而在UHB能量下，观察到了旋转对称性破缺和键中心迹象，提示存在着富含电子的Ru-Ru键形成的电子晶体。通过对石墨烯的电荷转移量的测量，实验证实了通过掺杂引入的额外电子。

（3）通过在掺杂样品上施加电压，实验人员还观察到了UHB电荷序的晶格结构发生变化的现象，这进一步证明了电子-空穴晶体的存在，并且展示了它们对外界条件的响应性。

图文导读

图1. 用于STM研究G/α-RuCl₃的二维范德瓦尔斯van der Waals，vDW异质结构。

图2. G/α-RuCl₃电子结构和偏压相关的STM图像。

图3. 下哈伯德带lower Hubbard band，LHB和上哈伯德带upper Hubbard band，UHB能量时，两种不同的电荷序。

图4. 载流子密度相关的上哈伯德带UHB电荷序。

结论展望

本文的研究揭示了通过对门极调控的电子储库与相关系统的关联，创造了一个独特而多才多艺的平台，用于实现新颖的相关量子态。与最近关注的电子-空穴晶体分布在几十纳米远的莫尔超晶格中的研究相辅相成，我们的研究揭示了在掺杂的多轨道Mott绝缘体中的相关驱动电子和空穴晶体，允许在原子间尺度上研究相关玻色态。这为探索相关玻色相图提供了前所未有的机会，这些图无法通过半导体莫尔超晶格实现。在具有相关电子和空穴的多轨道蜂窝Mott绝缘体中，许多异国情调的相关玻色态可能会稳定下来，这值得进一步的实验和理论研究。这一研究告诉我们，在掺杂的Mott绝缘体中的多轨道效应下，可以实现复杂的量子相互作用，从而推动了相关量子物理的新进展。

文献信息

Qiu, Z., Han, Y., Noori, K. et al. Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01910-3

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