二维强关联电子态的测量和调控

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单电子近似理论在解释传统固体材料中的电子运动上取得了成功。近年来,随着对新材料的探索,人们发现有些材料中的电子运动无法被单电子近似理论所解释,电子与电子之间强的库仑相互作用不能被忽略。莫特绝缘体和某些非常规超导体属于强关联电子体系,其电子特性不能被传统的能带理论所描述。由于其独特的物理性质,对强关联电子态的探究已经成为近年来凝聚态物理领域研究的焦点。本文基于低温扫描隧道显微镜对1T-TaS2莫特绝缘体和FeSe超导体的二维电子性质进行了调控和测量。主要内容包括:(1)应力诱导1T-TaS2从莫特绝缘态到金属态的连续性转变。在过渡金属二硫化物1T-TaS2中找到了不同于正常平整表面的复杂区域,该区域可能存在丰富的应力。我们选取了一块马赛克状的电荷密度波畴结构进行了研究。相比于之前由脉冲电压诱导的亚稳态马赛克状畴结构,由应力诱导的马赛克状畴结构更加稳定。经过长时间扫描和4.5 K到60 K的热循环都未见明显的变化。在这块马赛克状畴结构中既存在与母体一样的莫特绝缘态畴,也存在不同程度金属化的畴。我们还在马赛克状畴结构不远处找到了一块褶皱,经过这个褶皱,表面的电子态会从莫特绝缘态连续地演变成金属态,然后再回到莫特绝缘态。通过电子态密度谱分析,发现从莫特绝缘态到金属态转变的过程中,价带逐渐向下哈伯德能带移动,这与两轨道哈伯德模型的解释一致。我们也利用衬底与样品热胀系数的不同,人为地给样品施加应力,在应力样品上重现了马赛克态和褶皱。(2)块状FeSe超导体中的本征缺陷态研究。利用扫描隧道显微镜研究了块状FeSe超导体中的四种本征缺陷:类型Ⅰ哑铃状缺陷、类型Ⅱ哑铃状缺陷,表层Se位缺陷和底层Se位缺陷。类型Ⅰ哑铃状缺陷在正向偏置电压下表现为亮的两瓣状,在负向偏置电压下表现为垂直于两瓣状的暗纹;类型Ⅱ哑铃状缺陷在正向偏置电压下表现为比类型Ⅰ哑铃状缺陷更亮的两瓣状,在负向偏置电压下仍然表现为亮的两瓣状,亮度相比正向偏置电压下有所减弱。通过与正常干净区域大能量范围内的电子态密度谱对比,鉴定出块状FeSe中的四种本征缺陷分别为Fe空位、SeFe反位缺陷、表层Se空位和可能的底层Se空位。我们还用环形暗场扫描透射电子显微镜对剥离的三层FeSe薄片进行了测量,通过缺陷处的明暗衬度定性地验证了上述四种本征缺陷。缺陷类型的确定为后续复杂理论计算和超导配对对称性问题的解释奠定了基础。(3)块状FeSe超导体中的电子向列序研究。在77K和4.5 K两个温度下分别选取了无杂质区域对块状FeSe的本征电子向列相进行了研究。除了典型的沿着Fe格子a、b轴方向上的[100]电子向列相,我们还发现了沿着Fe格子对角方向上的[110]电子向列相。通过对原子的精确定位,提取出了不同温度下[110]电子向列相谱图。在77K下,[110]电子向列相谱图表现为同一符号;在4.5 K下,[110]电子向列相谱图形成不同符号纳米尺度的畴结构。有趣的是,4.5 K下[110]电子向列序在[-50,50]meV能量范围内形成了一个能隙,与非弹性中子散射实验观测到的Neel自旋涨落行为比较类似。我们也对块状FeSe的[100]电子向列相进行了研究。在77K下,[100]电子向列相比较弱;而在4.5 K下,[100]电子向列相比较稳健。[100]电子向列相与[110]电子向列相随着温度此消彼长的变化趋势说明它们存在竞争关系。我们的结果为探索FeSe电子向列相起源提供了重要的线索。
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