特別說(shuō)明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
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朗道的費(fèi)米液體理論使用基于費(fèi)米子準(zhǔn)粒子激發(fā)的概念，成功地描述了二維和三維中相互作用的電子，然而，這不適用于局限于一維的相互作用電子。一維 (1D) 相互作用電子通常被稱為L(zhǎng)uttinger 液體，其性質(zhì)與高維費(fèi)米液體的性質(zhì)本質(zhì)上不同。在材料系統(tǒng)中，1D 電子表現(xiàn)出奇異的量子現(xiàn)象，可以通過(guò) 1D 鏈內(nèi)和鏈間電子相互作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵問(wèn)題
然而，Luttinger液體的研究仍存在以下問(wèn)題：
1、Luttinger液體的實(shí)驗(yàn)表征具有挑戰(zhàn)性
一維電子的相互作用強(qiáng)度和Luttinger體行為可以通過(guò)電子密度進(jìn)行調(diào)整，但這種調(diào)整在理論和實(shí)驗(yàn)上都具有挑戰(zhàn)性，特別是低密度下的強(qiáng)相互作用1D電子對(duì)弱無(wú)序和雜散場(chǎng)敏感，使得實(shí)驗(yàn)表征變得困難。
2、由于缺乏合適的平臺(tái)，Luttinger液體的微觀結(jié)構(gòu)仍不清晰
盡管有人提出高溫超導(dǎo)體的條紋相和扭曲WTe2中的各向異性莫爾超晶格可能提供耦合的一維電子鏈，但由于缺乏合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這些材料的微觀描述仍然不足，這限制了對(duì)耦合一維電子鏈的理解。
新思路
有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校王楓、Hongyuan Li、Michael F. Crommie、Michael P. Zaletel、Steven G. Louie等人證明范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的層堆疊疇壁 (DW) 形成廣泛可調(diào)的 Luttinger 液體系統(tǒng)，包括孤立陣列和耦合陣列。作者使用掃描隧道顯微鏡對(duì)DW Luttinger液體在不同相互作用機(jī)制下的演變進(jìn)行了成像，這些相互作用機(jī)制由電子密度調(diào)節(jié)。低載流子密度下的單個(gè)DW極易發(fā)生與自旋非相干Luttinger液體一致的維格納結(jié)晶，而在中等密度下，由于增強(qiáng)的磁彈性耦合而形成二聚化維格納晶體。DW 的周期性陣列表現(xiàn)出鏈內(nèi)和鏈間相互作用之間的相互作用，從而產(chǎn)生新的量子相。在低電子密度下，鏈間相互作用占主導(dǎo)地位，并誘導(dǎo)由相位鎖定的一維維格納晶體以交錯(cuò)配置組成的二維電子晶體。增加的電子密度導(dǎo)致鏈內(nèi)波動(dòng)電位占主導(dǎo)地位，從而導(dǎo)致電子近晶液晶相，其中電子有序排列，沿鏈方向代數(shù)相關(guān)性衰減，但鏈之間無(wú)序。該工作表明，二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的層堆疊 DW 為探索 Luttinger 液體物理學(xué)提供了機(jī)會(huì)。
技術(shù)方案：
1、描述了實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方案
實(shí)驗(yàn)裝置采用人工堆疊60°扭曲雙層WS2，集成于STM中，通過(guò)裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為探索低維電子系統(tǒng)中的新奇量子現(xiàn)象提供了新的途徑。
2、利用STM直接成像了DW中電子的分布
通過(guò)隧道電流成像，觀察到DW中一維維格納晶體的形成與轉(zhuǎn)變，以及自旋非相干Luttinger液體狀態(tài)。
3、分析了DW陣列中的鏈內(nèi)和鏈間相互作用
作者發(fā)現(xiàn)DW陣列中1D電子鏈相互作用導(dǎo)致新量子相，低密度下形成交錯(cuò)Wigner晶體，高密度下轉(zhuǎn)為近晶液晶相。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、證明了雙層WS2中的層堆疊疇壁可作為一維Luttinger液體研究平臺(tái)
研究者證明了在雙層WS2中，層堆疊疇壁不僅可以形成孤立的一維電子鏈，也可以自組裝成周期性的Luttinger液體陣列。這種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出低結(jié)構(gòu)無(wú)序性，為探索具有可調(diào)相互作用強(qiáng)度的一維Luttinger液體提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
2、利用STM和DMRG技術(shù)揭示了新的量子現(xiàn)象
作者通過(guò)STM技術(shù)，直接對(duì)基于DW的Luttinger液體在不同相互作用機(jī)制下的演變進(jìn)行成像，利用密度矩陣重正化群（DMRG）計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀察相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了自旋不相干的Luttinger液體行為以及增強(qiáng)的磁彈性耦合導(dǎo)致的二聚化Wigner晶體現(xiàn)象。
技術(shù)細(xì)節(jié)
裝置及測(cè)量方案
實(shí)驗(yàn)裝置采用人工堆疊60°扭曲雙層WS2，集成于STM中，實(shí)現(xiàn)精確的電子結(jié)構(gòu)分析。采用hBN薄片和石墨背柵進(jìn)行電子靜電摻雜，通過(guò)背柵電壓VBG和STM測(cè)量偏壓Vbias調(diào)控電子密度。STM地形圖像揭示了由堆疊DW產(chǎn)生的1D結(jié)構(gòu)，其中DW分隔AB堆疊區(qū)域，晶胞內(nèi)位錯(cuò)特征明顯。觀察到孤立DW、DW簇以及自組裝成周期性陣列的DW，間距約為8.2nm。結(jié)合密度泛函理論(DFT)計(jì)算和STM光譜，發(fā)現(xiàn)DW導(dǎo)帶最小值低于AB堆疊區(qū)域，導(dǎo)致電子在DW內(nèi)受限，為研究Luttinger液體提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這一裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為探索低維電子系統(tǒng)中的新奇量子現(xiàn)象提供了新的途徑。
圖 在雙層WS2中堆疊DW
孤立DW中的Wigner–Friedel交叉
通過(guò)隧道電流測(cè)量，作者直接成像了DW中的電子分布，發(fā)現(xiàn)在低電子密度下，三個(gè)獨(dú)立缺陷固定了電子，形成穩(wěn)定的亮點(diǎn)。隨著柵極電壓的增加，觀察到高度局域化的電子晶格，電子數(shù)量顯著增加，為DW中一維維格納晶體的形成提供了證據(jù)。盡管理論上一維無(wú)限系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)程有序的晶體，但實(shí)驗(yàn)觀察到的維格納晶體表現(xiàn)出高電子密度和低無(wú)序性。隨著電子密度的增加，系統(tǒng)經(jīng)歷了從一維維格納晶體到二聚化維格納晶體，再到弱相互作用的Luttinger液體的轉(zhuǎn)變。動(dòng)量空間的FFT分析揭示了維格納晶體和Friedel振蕩的波矢峰，顯示了從維格納晶體到弱相互作用Luttinger液體的轉(zhuǎn)變。DMRG計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，證實(shí)了維格納晶體的二聚化和進(jìn)入弱相互作用Luttinger液體區(qū)域的過(guò)程。此外，實(shí)驗(yàn)還觀察到了自旋非相干Luttinger液體的狀態(tài)，其中熱誘導(dǎo)的自旋非相干性抑制了Friedel振蕩相對(duì)于維格納晶體。在高密度下，電子動(dòng)能克服了庫(kù)侖相互作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為以Friedel振蕩為主的弱相互作用Luttinger液體。
圖 一維Wigner晶體的隧道電流測(cè)量
圖 一維Wigner–Friedel交叉
DW陣列中的鏈內(nèi)和鏈間相互作用
在DW陣列中，1D電子鏈間的相互作用導(dǎo)致了新的量子相的出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)觀察到，隨著VBG的增加，DW陣列的CBE隧道電流表現(xiàn)出顯著變化。在低電子密度時(shí)，DW Wigner晶體鏈形成交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，最小化了DW間的相互作用，形成了新的各向異性2D電子結(jié)晶相。2D FFT圖顯示了這種結(jié)晶相的尖銳衍射峰。隨著電子密度的增加，交錯(cuò)電子相分離成新的配置，每個(gè)DW中保留了1D Wigner晶體，但DW間的相干性消失。2D FFT圖證實(shí)了近晶液晶類相，顯示出平凡和非平凡特征的峰值。這種轉(zhuǎn)變?cè)从贒W內(nèi)和DW間相互作用的相互作用，以及缺陷引起的DW內(nèi)電位波動(dòng)。在低密度下，DW間和內(nèi)相互作用高于缺陷波動(dòng)勢(shì)，穩(wěn)定了交錯(cuò)的一維維格納晶體組成的二維電子晶格。然而，隨著電子密度的增加，DW間相互作用減小，導(dǎo)致每個(gè)鏈內(nèi)的維格納晶體穩(wěn)定，而鏈間相干性因無(wú)序而被破壞。
圖 一維 DW 陣列中的電子晶體到近晶相轉(zhuǎn)變
展望
總之，本工作表明，范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中差異單軸應(yīng)變產(chǎn)生的層堆疊DW為探索Luttinger液體物理提供了巨大的機(jī)會(huì)。雖然在這里使用簡(jiǎn)單的2D半導(dǎo)體 WS2作為模型系統(tǒng)，但類似的孤立DW和周期性DW陣列可以在任何具有單軸異質(zhì)應(yīng)變的2D雙層中實(shí)現(xiàn)。各種奇異的Luttinger液體現(xiàn)象可能來(lái)自新范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的DW，例如2D電荷密度波材料、2D磁體和2D超導(dǎo)體。
參考文獻(xiàn)：
Li, H., Xiang, Z., Wang, T. et al. Imaging tunable Luttinger liquid systems in van der Waals heterostructures. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07596-6
