王枫教授团队最新Nature 范德华异质结中可调Luttinger液体系统成像

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【研究背景】

朗道费米液体理论其核心概念建立在费米子准粒子激发的基础之上，在描述二维和三维相互作用电子系统方面取得了显著成功。然而，这一理论框架在处理一维受限相互作用电子系统时遇到了挑战，取而代之的是基本激发表现为玻色子性质的Luttinger液体理论。值得注意的是，一维电子相互作用强度及其导致的Luttinger液体行为可通过调控电子密度实现连续变化。在高电子密度条件下，孤立的一维电子链可以很好地通过弱相互作用Luttinger液体理论来描述（此处电子间相互作用相对较弱）。该理论的一个显著特征是自旋—电荷分离，其中低能激发由等离子体和自旋子来描述。然而，当系统进入低密度极限时，一维电子系统会过渡到一个对准长程Wigner晶化高度敏感的区域，这主要源于增强的电子间相互作用。在这一区域中，自旋—电荷分离呈现出本质上不同的图像：电荷模式被描述为电子晶格声子，而自旋模式则由最近邻电子之间的反铁磁交换耦合所决定。此时，自旋交换相互作用受到强烈抑制，热波动占据主导地位，使得系统表现为自旋不相干的Luttinger液体。在中等电子密度区域，自旋交换相互作用可能诱导出一种独特的磁弹耦合形式。在这种情况下，电子晶格发生二聚化，形成价键自旋单态对，从而降低系统的总磁能（即自旋—派尔斯效应），这与Su-Schrieffer-Heeger模型颇为相似。随着电子密度的进一步增加，当自旋和电荷能量变得可比拟时，电子晶体最终演化为标准的线性Luttinger液体。鉴于一维系统中晶体序具有代数特性，从低密度到高密度的演变实质上是一个连续的交叉过程。一维电子链阵列由于链内和链间相互作用的复杂耦合，展现出更为丰富多样的物理现象。理论预测，依据链间相互作用强度的变化，系统可能呈现多种新奇的量子相，包括二维电子晶体、电子向列液晶，甚至是表现出非阿贝尔分数量子霍尔效应的滑动Luttinger液体。

近几十年来，研究者们致力于实验探索Luttinger液体。弱相互作用的Luttinger液体已在一维金属、半导体纳米线、拓扑边缘态以及孪晶界缺陷中被观测到，其中自旋—电荷分离和隧穿概率的幂律标度行为已得到实验验证。然而，在较低密度下表征强相互作用的一维电子系统面临更大挑战，因为这些系统对不可避免的微弱无序和杂散场十分敏感。悬浮的半导体碳纳米管为探索低密度区域提供了可靠的实验平台，碳纳米管电输运和扫描单电子晶体管（SET）测量中已观察到Wigner晶化的特征。但是，即使是这些纳米管中的少电子Wigner晶体也会受到无序的强烈扭曲，这阻碍了对准长程序的研究，以及从强相互作用Wigner晶体到弱相互作用Luttinger液体的交叉过渡研究。由于缺乏合适的实验平台，实验表征耦合Luttinger液体阵列面临更大的挑战。有研究提出，高温超导体的条纹相和扭转WTe ₂ 中的各向异性莫尔超晶格可能提供耦合的一维电子链，但对这些材料的微观描述仍有待深入研究。

【成果介绍】

鉴于此，加州大学伯克利分校王枫、Hongyuan Li、Michael F. Crommie、Michael P. Zaletel、Steven G. Louie等人发表了题为“Imaging tunable Luttinger liquid systems in van der Waals heterostructures”的工作在Nature期刊上。该研究表明，双层WS ₂ 中的层堆叠畴壁（DWs）为探索可调控相互作用强度的一维Luttinger液体中的自旋和轨道量子行为提供了理想平台。堆叠畴壁可以形成孤立结构（产生单一的一维电子链）或自组装的周期性Luttinger液体阵列。畴壁的优势在于它们嵌入在二维范德瓦尔斯异质结构中，这种结构具有低结构无序性，便于电子器件的制备和表征。使用扫描隧道显微镜（STM），直接观察到了基于畴壁的Luttinger液体在不同相互作用区域的演化，揭示了新的量子现象。研究发现，在低电子密度下，孤立的畴壁呈现几乎完美的一维维格纳晶体，被稀疏缺陷钉扎。在这一区域，密度矩阵重整化群（DMRG）计算表明，自旋相互作用呈指数衰减，在我们的实验温度下受热激发主导，导致自旋不相干Luttinger液体行为。随着电子密度增加，我们实验观察到二聚化的Wigner晶体，这与理论预测的反铁磁自旋链与电子电荷晶格之间增强的磁弹耦合一致。我们在这一区域的DMRG计算表明，这种二聚化与振荡价键序的增强敏感性相关。在更高密度下，实验和计算均显示观察到的Wigner晶体演变为弱相互作用的线性Luttinger液体。对于低电子密度区域的周期性畴壁阵列，实验观察到源于相位锁定的一维Wigner晶体各向异性二维电子晶格行为。随着密度增加，出现了一种新的电子向列液晶相。

【图文导读】

图 1. 在双层 WS ₂ 中堆叠 DW。a. 可栅极调控的双层WS ₂ 器件STM测量示意图。b. 双层WS ₂ 中堆叠畴壁的代表性STM图像。

图 2. 一维Wigner晶体的隧道电流测量。a. 三重畴壁组中心畴壁的CBE隧穿电流图。b. 表格列出了a图所示图像中的电子间距及对应的r _s 值。

图 3. 一维 Wigner–Friedel 交叉。a. 三重畴壁组中心畴壁的CBE隧穿电流图随背栅电压VBG从8.5 V增加到14.5 V的演化。b. a图中畴壁归一化CBE隧穿电流的二维图。c. b图数据的快速傅里叶变换（FFT）。d. 密度矩阵重整化群（DMRG）计算的一维空间电荷分布随电子密度n的变化。e. d图结果的FFT。可以观察到2kF和4kF处的色散峰。

图 4. 一维 DW 阵列中的电子晶体到近晶相的转变。a-h. 周期性一维畴壁阵列的CBE隧穿电流图。i-p. a-h图像的二维快速傅里叶变换（FFT）图。

【总结展望】

总之，本文证明了由范德瓦尔斯异质结构中的差异单轴应变引起的层堆叠畴壁为探索Luttinger液体物理提供了巨大机遇。尽管本文在此以简单的二维半导体WS ₂ 作为模型，但类似的孤立畴壁和周期性畴壁阵列可以在任何具有单轴异质应变的二维双层材料中实现。在新型范德瓦尔斯异质结构的畴壁中，可能会出现多种奇异的Luttinger液体现象，例如在二维电荷密度波材料、二维磁性材料和二维超导体中。

【文献信息】

上 海 昂 维 科 技 有 限 公 司 现 提 供 二 维