Strukturen av enskikts 1T-TaSe2. Kredit:Chen et al.
Nytt fysiskt beteende, som Mott isolerande beteende, okonventionell supraledning och kvantspinnvätskebeteende, uppstår när elektroner inuti ett material interagerar med varandra. När elektroner är begränsade till lägre dimensioner som 2D-plan, dessa effekter kan bli ännu starkare.
Inspirerad av dessa observationer, forskare vid UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanford University, och andra universitet över hela världen har nyligen genomfört en studie som undersöker det unika beteendet hos tvådimensionell 1T-TaSe 2 . Deras papper, med i Naturfysik , indikerar att elektronkorrelationer i detta material resulterar i ett robust Mott isolatortillstånd som åtföljs av ovanlig orbital textur.
"Man har länge trott att huvuddelen (dvs. 3-D) material 1T-TaSe 2 och 1T-TaS 2 uppvisa nytt beteende som uppstår från elektron-elektron-interaktioner, " Michael F. Crommie, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En utmaning i att förstå denna klass av material, dock, är att de är gjorda av staplar av 2D-lager och kopplingen mellan lagren grumlar bilden för vad som händer inom lagren."
För att övervinna denna utmaning och i hopp om att upptäcka nytt beteende, Crommie och hans kollegor bestämde sig för att tunna ut en kristall av 1T-TaSe 2 ner till enskiktstjocklek så att interaktioner mellan de olika skikten inte längre skulle vara ett problem. Detta skulle göra det möjligt för dem att isolera rollen av mellanskiktskoppling genom att lägga tillbaka lager i ett i taget samtidigt som de övervakar förändringar i materialets beteende.
"För att följa denna spelplan, vi odlade enkla lager och få lager högar av 1T-TaSe 2 och karakteriserade hur elektronerna inuti beter sig genom att använda de experimentella teknikerna för scanning tunneling microscopy (STM) och vinkelupplöst fotoemission (ARPES), ", förklarade Crommie. "Detta tillät oss att bestämma det enskikts 1T-TaSe 2 är en ny typ av isolator som kallas en Mott-isolator, och att detta beteende släcks av mellanskiktskoppling när fler lager läggs till en stack."
Exotisk orbital textur i enskikts 1T-TaSe2. Kredit:Chen et al.
En del av forskargruppen vid Advanced Light Source (ALS) vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), ledd av fysikerna Zhi-Xun Shen och Sung-Kwan Mo, odlade enkellagers- och fålagerprover av 1T-TaSe 2 med hjälp av en metod som kallas molekylär strålepitaxi. Denna metod består huvudsakligen av avsättning av tantal och selen från atomstrålar på ett substrat som värms upp för att inducera bildandet av atomärt tunna kristaller.
"De atomärt tunna kristallerna förhördes först vid ALS av Shen och Mos grupper med hjälp av ARPES, en metod som går ut på att lysa röntgenstrålar på materialet och mäta energin och rörelsemängden hos de elektroner som sparkas ut, ", förklarade Crommie. "Proven togs sedan ner till UC Berkeley campus och karaktäriserades av att min forskargrupp använde STM. I STM, en vass metallnål skannar kristallytan och drar ut elektroner vid olika energier för att direkt avbilda hur elektroner ordnar sig i atomskala."
Detta forskningssamarbete som involverade team vid flera institutioner ledde till en rad spännande resultat. Först, observationerna som samlats in av Crommie och hans kollegor fastställde att enstaka lager av 1T-TaSe 2 bilda ett nytt 2-D Mott isolatorsystem. Andra, de gav värdefull insikt i några av de unika beteenden som systemet uppvisar.
"Vårt arbete etablerar 1T-TaSe i ett lager 2 som en ny 2-D Mott isolator, "Yi Chen, sa en av de första författarna till tidningen. "Detta resulterar i att elektronerna i detta material ordnar sig i nya rumsliga mönster, eller texturer, som aldrig tidigare har setts. Vi klargjorde också rollen för mellanskiktskoppling i 1T-TaSe 2 och fastställde att detta gör det mindre isolerande och minskar effekterna av elektron-elektroninteraktioner."
Förutom att fördjupa den nuvarande förståelsen av 1T-TaSe 2 material och deras egenskaper, fynden som samlats in av Crommie och hans kollegor kan bana väg för upptäckten av unika nya tillstånd av materia. Forskarna planerar nu att genomföra ytterligare studier för att undersöka andra egenskaper eller beteenden hos 1T-TaSe 2 material.
"Vi är glada att utforska andra exotiska tillstånd av materia som kan uppstå i denna nya 2-D Mott-isolator, såsom kvantspinnvätsketillstånd och okonventionell supraledning, ", sa Crommie. "Vi kommer att försöka karakterisera den och manipulera dess egenskaper ytterligare genom att införliva den i nya elektriska enheter."
© 2020 Science X Network
