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在有序和無序量子相的邊界附近，一些實驗已經證明了違背朗道費米范式的金屬行為。在moiré異質結構中，最近發現了由電子關聯驅動的門可調絕緣相。

在此，來自南京大學的王雷和美國哥倫比亞大學的 Cory R. Dean & Abhay N. Pasupathy等研究者，使用傳輸測量來描述了扭曲WSe₂中第一個moiré子帶近一半填充的金屬-絕緣體躍遷(MITs)。相關論文以題為“Quantum criticality in twisted transition metal dichalcogenides”于2021年09月15日發表在Nature上。

在具有強庫侖相互作用的材料中，觀察到許多相互作用驅動的量子相，包括莫特絕緣體、超導體和密度波等。這些材料最令人感興趣的電子性質不是在這些有序相中發現的，而是在相鄰的金屬相中發現的，這些金屬相表現出了朗道費米液體范例所無法描述的異常輸運性質。其中一個顯著的表現是金屬相電阻的溫度和磁場依賴關系，這與費米液體理論預測的T₂或B₂依賴關系有很大的偏差。其他輸運系數，包括霍爾系數、能斯特效應和熱導率，也表現出異常性質。這些“奇怪的金屬”屬性，通常與量子臨界點有關，量子臨界點是由摻雜、外加場或壓力等控制參數驅動的二階量子相變。理解量子漲落的性質以及它們是如何產生異常金屬性質的，是凝聚態物理中最重要的未曾解決問題之一。

近年來，moiré異質結構，作為一類表現出有趣的量子電子相的新材料出現。在moiré晶格的整數填充處發現的強電子關聯與絕緣相的重要性已經明確，但是，對于附近存在的金屬態的性質，或者連接金屬態和絕緣態的躍遷，無論是在實驗上還是在理論上，人們所知道的都還比較少。MITs通常可以通過載流子摻雜或調諧電子帶寬來驅動。在大多數材料中，由于電子-晶格耦合，這些躍遷是一級的，化學無序帶來了額外的復雜性。

在此，研究者提出了扭曲同向雙層WSe₂ (tWSe₂)，可作為實現連續MITs的理想平臺。在這個系統中，電子密度和電子結構都可以使用靜電門以一種簡單的方式進行調節，而不會引入額外的無序(圖1a)。由于大的自旋軌道耦合和層雜化，tWSe₂是一個有效的單軌道相關三角形模型模擬器(圖1b)，其相關絕緣相之前已經在半填充狀態下觀察到。這種絕緣狀態，可以通過靜電摻雜和垂直位移場變為金屬狀態，從而實現對大相空間的敏感控制，在大相空間中可以系統地測量輸運特性。

因此，研究者發現MIT作為密度場和位移場的函數是連續的。在金屬-絕緣體邊界處，電阻率在低溫下表現出奇怪的金屬行為，其耗散與普朗克極限相當。進一步進入金屬相，費米液體的行為在低溫下恢復，在中間溫度下演變成量子臨界扇，最終在室溫附近達到反常飽和狀態。對殘余電阻率的分析表明，在絕緣相中存在強量子漲落。這些結果，為研究摻雜和帶寬控制的金屬-絕緣體，在三角晶格上的量子相變奠定了新的平臺。

圖1. 扭曲WSe₂中的連續金屬-絕緣體過渡

圖2. 扭曲WSe₂中摻雜驅動的金屬-絕緣體過渡

圖3. 扭曲WSe₂中的量子臨界扇

圖4. 異常磁輸運

圖5. 帶寬-驅動量子臨界

綜上所述，對摻雜調諧MIT的理論預測表明，在這個特殊的系統中有豐富的相互作用驅動的金屬相。研究的結果強烈地暗示，不管它的起源是什么，絕緣相的特征是可以散射電子的波動，在過渡時變得柔軟，并且在高于絕緣間隙開啟的溫度范圍的較高溫度下具有重要的影響。該工作為自旋液體和相關驅動絕緣體的研究開辟了新的途徑。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

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