量子相变是物理学的重要科学问题之一。近年来，在二维材料莫尔超晶格体系中观测到多种关联电子态，比如超导态、关联绝缘态、奇异金属态等。电子之间的库仑相互作用的强弱以及其相比于电子动能的大小是这些关联电子态出现、消失和在不同的量子态之间发生相变的重要因素。比如，可以通过调节掺杂的载流子浓度或者改变电子能带宽度等方法来调控金属-绝缘态相变。然而，在传统的强关联材料体系中，实验上对于量子相变的可调控的参数比较有限，参数可调控的范围也较小，这些都限制了对关联绝缘态和其附近超导态或反常金属态等量子态之间相变机制的研究。
在这篇工作中，南京大学的王雷教授和美国哥伦比亚大学的合作者制备了高质量的转角双层WSe₂器件（tWSe₂），利用电学输运测试的方法研究了其中的金属-绝缘态相变和半填充附近的奇异金属态。在这个体系中，电子浓度和能带结构都可以通过外部栅压精确调控而不引入额外的无序扰动。由于tWSe₂中自旋轨道耦合和层间杂化作用较强，以及在半填充处出现的关联绝缘态，使得其可以作为研究三角晶格单带哈伯德模型德理想平台。值得一提的是，此前也是王雷教授小组在tWSe₂体系半填充处观测到了关联绝缘态[Nature Materials19, 861-866（2020）]。延续之前的工作，他们利用静电掺杂和电位移场精确将绝缘态调控到金属态，从而可以在整个相空间系统性地研究tWSe₂输运性质。
在最新的工作中，作者首先利用载流子浓度和电位移场调控，发现关联绝缘态有良好定义的边界，测量热激活能隙表明这里的带隙可以连续平滑变化到零，表明在边界处发生的是二级相变（图1）。随后研究了关联绝缘态附近掺杂调控的金属态（图2），发现了电阻随温度变化反常的线性行为，然后作者研究了更大掺杂范围内电阻随温度变化的相图（图3），分析了电阻和温度的关系，发现这样的量子临界行为只存在于靠近关联绝缘态两边区域，并且在高温下不同于铜氧化物超导体的反常饱和现象，而在低温下其耗散与普朗克极限相当。为了能够与非常规超导体中量子临界行为对比，作者进一步研究了相变区域随磁场变化的关系，同样也发现了随磁场变化的线性依赖关系，证明了在量子临界区域磁场和温度对于决定散射率同等的重要性。最后作者研究了相图随电位移场变化（图4），剩余电阻的分析表明在绝缘态中存在强的量子波动。总体而言，转角WSe₂为研究在三角晶格中掺杂以及可控带隙的金属-绝缘态量子相变提供了理想平台，为探索自旋液体以及强关联引起的绝缘态开辟了新的方向。
该工作以南京大学的王雷教授和美国哥伦比亚大学的Pasupathy和Dean教授作为共同通讯作者发表在2021年9月15日的Nature期刊上[Nature597,345–349，2021]。

图1. 转角WSe₂样品中连续的金属-绝缘态转变。a.器件示意图；b.实空间莫尔超晶格结构; c.金属-绝缘态转变随电位移场和载流子浓度调控相图；d, e分别对应于c图中虚线所示的关联绝缘态能隙的变化。

图2. 转角WSe₂样品中掺杂导致的金属-绝缘态相变。a.样品电阻随温度和掺杂浓度变化相图；b.微分电阻相图；c, d.关联绝缘态附近电阻随温度变化曲线。

图3. 转角WSe₂样品中的量子临界相图。a.电阻随温度以及掺杂浓度的变化关系；b.对a图中电阻随温度变化关系分类；c.选取的代表性电阻与温度的变化关系拟合。

图4. 电位移场驱动的量子临界行为。a.在金属-绝缘态相变范围内，对应的不同电位移场下的半填充态处的电阻与温度的关系；b.绝缘态带隙与载流子浓度以及电位移场的关系。c.与b图中相同的掺杂范围内，线性系数αL随电位移场和填充系数变化关系。d.不同电位移场下，电阻与温度的关系。e.剩余电阻随掺杂浓度以及电位移场的变化。f.在半填充处，能隙与剩余电阻的关系。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6