上海微系統所報道二維材料中激子氣相及其凝聚實驗證據

文章來源:上海微系統與信息技術研究所  |  發布時間:2023-03-05  |  【打印】 【關閉

  
  激子絕緣體(EI)是固體中由庫侖相互作用束縛的電子-空穴對(激子)發生玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)的宏觀量子體系。激子絕緣體的材料實現是科學界爭議的難題,其主要難點在于缺乏確切的實驗證據將激子絕緣體與傳統電荷密度波(CDW)態區分開來。在激子凝聚的BEC極限中,特有的預形成激子機制是區分EI與傳統CDW的重要標志,但截止目前,仍缺乏直接的實驗證據。

  近日,中國科學院微系統與信息技術研究所唐述杰團隊與斯坦福大學沈志勛團隊以及美國勞倫斯伯克力國家實驗室Sung-Kwan Mo教授開展合作研究。利用分子束外延(MBE)技術實現高質量單層1T-ZrTe2薄膜制備,并通過角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道顯微鏡(STM)對其研究,揭示了BEC極限下預形成激子氣相存在的實驗證據。相關研究成果以“Signatures of the exciton gas phase and its condensation in monolayer 1T-ZrTe2”為題于227日發表于Nature communications雜志上(Nat. Commun. 14, 1116 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36857-7)。

  在本項研究中,研究團隊首先使用ARPESSTM確認了單層1T-ZrTe2中存在2×2 CDW基態。進一步的,通過多手段的載流子調制實現電子相互作用抑制,揭示了1T-ZrTe2CDW轉變溫度Tc以上并不會直接進入正常態,而是存在一個關聯性顯著影響的中間態。同時中間態表現出奇特的能帶和能量依賴折疊行為,證實是在激子凝聚進入CDW態之前的預形成激子氣相的特征。該工作研究表明單層1T-ZrTe2是一種具有高度可調制電子結構的EI候選材料,為研究激子效應提供了二維平臺,且它的層狀性質有利于構建范德華異質結構,在開發激子效應方面具有廣闊的應用前景,如利用磁性實現自旋超流。

  博士后宋葉凱和賈春婧為該工作共同第一作者,Sung-Kwan Mo,沈志勛和唐述杰為共同通訊作者,上海微系統所為第一單位。本工作獲得了國家自然科學基金、中國科學院先導B類、上海市啟明星計劃等項目的支持。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36857-7

  

  圖1. 外延生長單層1T-ZrTe2CDW態的溫度演化

  

  

  

  圖2. CDW態的兩步形成過程和激子效應

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