当材料内部电子相互作用时，会产生新的物理行为，如莫特绝缘体！

当材料内部的电子相互作用时，会产生新的物理行为，如莫特（Mott）绝缘体行为、非传统超导行为和量子自旋液体行为。当电子被限制在较低维度（如二维平面）时，这些效应可能会变得更强。受这些观察结果的启发，加州大学伯克利分校、劳伦斯·伯克利国家实验室、斯坦福大学和世界各地其他大学的科学家开展了一项研究，研究了二维1T-TaSe2的独特行为，其研究成果发表在《自然物理学》上。

指出这种材料中的电子关联，导致了坚固的莫特绝缘体状态，并伴随着不寻常的轨道织构。开展这项研究的研究人员之一迈克尔·F·克洛米(Michael F.Crommie)说：长期以来，人们一直认为三维（3D）材料1T-TaSe2和1T-TaS2表现出由电子-电子相互作用产生的新行为。然而，理解这类材料的一个挑战是：它们是由二维（2D）层堆叠而成，层之间的耦合使层内发生的事情变得模糊不清。

为了克服这一挑战，并希望发现新的行为，Crommie和同事们决定将1T-TaSe2的晶体变薄到单层厚度，这样不同层之间的相互作用就不再是问题了。这将能让研究人员通过一次向后添加一个层来隔离层间耦合的作用，同时监控材料行为的变化。为了遵循这个游戏计划，研究生长了1T-TaSe2的单层和几层堆栈，并利用扫描隧道显微镜(STM)和角度分辨光电发射(ARPES)的实验技术表征了内部电子行为。

这使研究人员能够确定单层1T-TaSe2是一种称为莫特绝缘体的新型绝缘体，随着堆叠中添加更多的层，这种行为会通过层间耦合而消失。劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级光源(ALS)研究小组的一部分，由物理学家沈志勋和莫成坤领导，用一种称为分子束外延的方法生长了1T-TaSe2的单层和几层样品。这种方法主要包括将原子束中的钽和硒沉积到衬底上，衬底被加热以诱导形成原子薄的晶体。

首先使用ARPES对原子薄晶体进行了探测，这是一种将X射线照射到材料上，并测量被踢出电子的能量和动量的方法。然后，样本被带到加州大学伯克利分校，研究小组再使用扫描隧道显微镜(STM)对其进行了表征。在扫描隧道显微镜中，一根锋利的金属针扫描晶体表面，并以不同的能量拉出电子，以便直接成像电子在原子尺度上是如何排列的。这项涉及多个机构团队的合作研究工作取得了一系列令人振奋的结果。

首先，Crommie和同事们收集的观察结果确定，单层1T-TaSe2形成了一个新的二维莫特绝缘体系统。其次系统表现出的一些独特行为，提供了有价值的见解。研究确立了单层1T-TaSe2作为一种新二维莫特绝缘体，这促使这种材料中的电子将自己排列成以前从未见过的新空间图案或纹理。同时还澄清了1T-TaSe2中层间耦合的作用，并确定这降低了它的绝缘性，减少了电子-电子相互作用的影响。

除了加深目前对1T-TaSe2材料及其性质的理解外，Crommie和同事们收集的这些发现，还可能为发现独特的新物质状态铺平道路。研究人员目前正计划开展进一步的研究，研究1T-TaSe2材料的其他性质或行为。探索在这种新的二维莫特绝缘体中可能出现物质的其他奇异状态，例如量子自旋液体状态和非传统的超导电性，研究将试图通过将其融入新的电气设备来表征它并进一步操纵它的特性。

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参考期刊《自然物理学》

DOI: 10.1038/s41567-019-0744-9

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