物质学院联合团队揭示转角过渡金属硫化物的莫尔能带

ON2022-07-07文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

近日,manbetx网页登录版物质学院陈宇林/柳仲楷课题组和薛加民课题组联合香港科技大学、中科院物理所等单位的合作团队首次揭示了转角过渡金属硫族化合物二硒化钨零动量位置(Γ)带顶附近莫尔电子结构。该成果发表于国际知名期刊Physical Review X。

莫尔条纹(moiré pattern)是一种由多个周期性图样相互叠加形成的干涉花纹, 生活中常见于服装设计摄影艺术等领域。在凝聚态物理中,将两层二维材料按照一定角度旋转后堆叠同样也会形成莫尔条纹(又称莫尔超晶格,moiré superlattice)。


衬衣上的莫尔条纹和晶格中的莫尔条纹(图片来源互联网)


莫尔超晶格的大小是原本二维材料晶格大小的数十倍,作为一种新的周期性晶格结构,其产生的晶格势场莫尔势,会对原有的电子能带结构产生显著调制。莫尔超晶格被视为一种可变的量子模拟器,可用来探索不同的基本哈密顿量对应的新奇性质。例如,在合适的杂化条件下,费米面附近可以形成莫尔平带。从实空间的角度,莫尔平带可以视作电子在莫尔超晶格特定位点的局域化。根据电子局域化的几何形态,莫尔平带可以通过不同的基本量子模型来描述。与此同时,莫尔电子的关联效应和莫尔能带的拓扑性质可以通过多种外在参数调节(应力、衬底效应、电场等)。

转角过渡金属硫族化合物(tTMDs)被预言为一类可实现多种可控量子模型的材料平台,其倒空间不同位点的莫尔能带可用于实现多种基本哈密顿量的模拟,包括三角型蜂巢型笼目型等。此外,已有输运实验证据显示,转角WSe2中的价带顶附近的莫尔能带在不同填充条件下可以实现强关联绝缘态和零电阻态。然而,人们仍不清楚莫尔能带在动量空间的电子结构和对应的实空间电子分布

manbetx网页登录版物质学院联合团队利用先进的微区角分辨光电子能谱(nanoARPES)和扫描隧道显微镜STM)对5.1°双层转角WSe2中的莫尔能带进行了系统性研究。实验结果显示,转角WSe2中的莫尔势对其零动量位置(Γ)带顶附近的能带结构有显著的影响。在倒空间中表现为Γ能带的复制莫尔能带,在实空间中表现为蜂巢型和笼目型的电子局域分布。这一实验结果与第一性原理计算和紧束缚模型模拟相吻合证实转角过渡金属硫族化合物中的Γ能带莫尔能带可用于模拟多种量子模型,同时研究蜂巢和笼目型哈密顿量对应的强关联和拓扑性质提供了独特平台。该工作也是首次利用具有动量分辨和空间分辨手段在同一转角样品上获取全面的电子结构信息,为后续莫尔体系的研究提供了新的思路。 

 

转角WSe2的莫尔电子结构


该成果论文题为Observation of Γ-valley moiré bands and emergent hexagonal lattice in twisted transition metal dichalcogenidesmanbetx网页登录版物质学院拓扑物理实验室博士后裴鼎,薛加民课题组博士生王斌斌,香港科技大学博士生周子澍,中科院物理所博士后何志海为共同第一作者。manbetx网页登录版物质学院副院长、特聘教授陈宇林,副教授薛加民,香港科技大学教授王宁为共同通讯作者。物质学院助理教授刘健鹏、中科院物理所翁红明研究员提供了理论解释。manbetx网页登录版为第一完成单位。部分实验在manbetx网页登录版承建位于上海同步辐射光源的国内首台纳米角分辨光电子能谱实验站上完成。

论文链接:https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.021065