近日，南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授与李建新教授、于顺利副教授合作，首次在1T-TaS₂表面实现了伴随着长程有序电荷密度波（charge density wave, CDW）的金属态，相关成果以“Realization of a Metallic State in 1T-TaS₂ with Persisting Long-range Order of Charge Density Wave”为题，于 2019年11月13日发表在《Physical Review Letters》（Phys. Rev. Lett. 123, 206405）。南京大学物理学院博士研究生朱心阳和汪士为论文的共同第一作者，李绍春教授、李建新教授和于顺利副教授为论文的共同通讯作者。南京大学温锦生教授提供了1T-TaS₂单晶样品。
作为铜氧化物高温超导体的母体电子结构，Mott绝缘体物理一直被凝聚态物理领域广泛关注和研究。在Mott绝缘体中，库仑排斥能U、单电子带宽W和能带填充数n的共同作用导致了Mott绝缘体-金属相变。1T-TaS₂ 是一类独特的过渡金属硫族化合物，在低温下发生电荷密度波相变而形成公度的大卫星（David star）结构，从而在费米能附近形成一条窄能带。发生CDW相变后，中等的库仑排斥能U就可以使1T-TaS₂打开一个Mott能隙，形成Mott绝缘体。因此，1T-TaS₂具有电荷密度波和Mott绝缘相交织在一起的基态。最近的理论工作还表明在该体系中可能存在量子自旋液体态。掺杂可以使Mott绝缘体的Mott能隙坍塌，实现金属化，甚至还会发生超导相变。然而，在1T-TaS₂中Mott绝缘体-金属转变的本质非常难以捉摸，主要原因是由于Mott绝缘体与CDW态之间存在着复杂的关联，甚至对于金属化过程中Mott能隙的坍塌过程还不清楚。长期以来，人们普遍认为1T-TaS₂的金属化总是伴随着CDW长程序的破坏发生的，也就是金属相应该出现在CDW态的畴界处。
研究人员通过表面蒸镀碱金属的方法对1T-TaS₂的表面进行了电子掺杂，并利用高分辨扫描显微镜的谱学技术直接表征了从Mott绝缘体到金属转变过程中电子态的演化。出乎意料的是，在金属化过程中，长程有序的CDW始终保持不变，没有被破坏。这种Mott绝缘体的金属化与以往报道的需要破坏CDW长程序的金属化过程不同。研究中还发现，表面碱金属掺杂造成了上下Hubbard能带的谱权重转移，同时在Mott能隙中出现附加的激发态。随着掺杂量的增加，附加激发态的填充最终导致系统的金属化转变。特别需要强调的是，Mott能隙内的附加激发态位于下Hubbard带附近，这与电子掺杂的常规Mott绝缘体行为（附加激发态应该位于上Hubbard带附近）完全相反。研究人员认为，由于吸附在大卫星中心的K⁺离子带有正电荷，它会减小吸附了K⁺离子的大卫星上的有效库仑排斥能U。考虑到这个效应，他们在理论上提出了位置相关的Hubbard模型，基于该模型的数值计算所得到的局域态密度与实验结果吻合，从而对附加激发态出现在下Hubbard带附近给出了理论解释。而且，这种理论模型并未调节任何与CDW有关的参数，没有破坏表面CDW的长程有序。
这项工作为实现1T-TaS₂中Mott绝缘体-金属转变提供了一个新的途径，并且不需要破坏CDW的长程序。从根本上说，CDW的长程序和Mott绝缘体金属化之间可能并不存在竞争关系，修正了过去对二者之间关联性的认识。
该研究获得了固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心、国家自然科学基金，科技部重点研发计划的经费资助。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.206405

图 1: (a) 在不同K原子覆盖度的1T-TaS₂表面获得的dI/dV谱；(b) 1T-TaS₂谱中的三种能隙；(c) 三种能隙的大小随K原子覆盖度增加的演化过程

图 2: (a) 低覆盖度下1T-TaS₂表面K原子的吸附位置；(b) 高覆盖度下（金属化表面）K原子的吸附位置；(c) 从(b)中的白色正方形区域提取的K原子吸附位置；(d) STM图像(b)的傅立叶变换。

图 3: (a) 常规的电子掺杂Mott绝缘体的Hubbard模型；(b) 集团微扰理论计算的局域态密度，蓝色虚线表示半填充未掺杂的系统，掺杂以后覆盖K⁺离子和未覆盖K⁺离子的谱线分别用红色虚线和黑色实线表示，箭头标注了附加激发态的位置
（物理学院 科学技术处）