新发现！科学家通过扫描隧道显微镜揭示新型晶体材料！

【科学背景】

随着科学界对强相关材料的探索不断深入，科学家对于多体系统中新奇量子现象的理解也在不断拓展。其中一个引人关注的领域是相关电子和空穴晶体的研究，这些晶体的共存为实现量子激子态提供了可能性，这些态具有反流超流性和长程量子纠缠等特性。这种研究引发了人们对相关电子和空穴晶体的性质、形成机制以及在材料中的实验验证的兴趣。

在半导体物理学领域，当电子密度与晶格位点数一致时，强电子-电子相互作用会驱使新的晶体顺序形成，导致了Wigner晶体等现象的出现。而在掺杂的Mott绝缘体中，也可能出现电荷序等有趣的现象。然而，对于相关电子和空穴晶体的研究仍存在着一些挑战，包括如何在实验中实现这种晶体的形成，以及如何准确地观测和理解其微观结构。

为了解决这些问题，科学家们进行了一系列研究，试图通过实验和理论模拟来揭示相关电子和空穴晶体的性质和形成机制。然而，由于目前可用的实验手段限制，例如扫描隧道显微镜（STM）无法同时可视化不同界面上的两个晶体，因此对于这种晶体的实验验证一直面临着挑战。

为解决这一难题，新加坡国立大学Kostya S. Novoselov和吕炯等人在 “Nature Materials”上发题“Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator”的最新论文。本研究通过在石墨烯/几层α-RuCl3异质结构中实现非侵入式的范德瓦尔斯掺杂，成功地在掺杂的Mott绝缘体中观测到了相关电子和空穴晶体的存在。利用扫描隧道显微镜，科学家们能够在原子尺度上对这些晶体进行成像，并进一步理解了它们的微观结构和特性。通过这项研究，科学家们解决了相关电子和空穴晶体在自然材料中的实验验证问题，为进一步探索强相关材料中的量子现象和激子态提供了新的实验依据和理论基础。

【科学亮点】

(1) 实验首次在一个掺杂的 Mott 绝缘体，即 α-RuCl3，通过非侵入式的 van der Waals 掺杂方法，获得了相关的不平衡电子-空穴晶体。

(2) 实验通过使用扫描隧道显微镜（STM）在实空间对 α-RuCl3 进行了原子级别的成像，发现了两种不同的电荷序：在更低的 Hubbard 带能量下，出现了一个以位点为中心的超晶格结构，而在更高的 Hubbard 带能量下，出现了旋转对称性破缺和键中心迹象，类似于一个角度为 98° 的超晶格。

•在更低的Hubbard带能量下，观察到的空穴晶体显示出一个以位点为中心的超晶格结构。

•而在更高的Hubbard带能量下，观察到的电子晶体则呈现出旋转对称性破缺和键中心迹象，形成了一个角度为98° 的超晶格结构。

•通过对石墨烯中的QPI（准粒子干涉）测量，实验验证了从石墨烯到 α-RuCl3 单元晶胞的额外电子转移量。

(3) 进一步实验发现，通过控制门极诱导的电子注入，可以改变 UHB 电荷序的晶格配置，迫使成对的电子晶体重新排列成一个几乎具有六重对称性的更紧凑的晶格。

【科学图文】

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。

【科学结论】

本研究发现了在可门极调控的电子储备系统中与之相关联的相关系统，创造了一个独特而多功能的平台，用于实现新颖的相关量子态。与最近关注的远距离分布在莫尔超晶格中的电子-空穴晶体的研究相辅相成，作者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，为在原子尺度上探索相关玻色态提供了机会。这一发现不仅为探索未知参数空间中的相关玻色相图提供了前所未有的机会，也为进一步的实验和理论研究提供了新的思路。通过对多轨道蜂窝Mott绝缘体中相关电子和空穴的研究，作者可以期待发现许多新颖的相关玻色态，这些成果将推动作者对相关量子相互作用的理解，促进相关材料领域的进一步发展。

文献详情：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