Metaal-isolatorovergang (MIT) aangedreven door interacties tussen veel lichamen is een belangrijk fenomeen in de fysica van de gecondenseerde materie. Exotische fasen ontstaan ​​altijd rond de metaal-isolator overgangspunten waar kwantumfluctuaties ontstaan ​​door een competitie tussen spin, opladen, orbitaal, en rooster vrijheidsgraden. Tweedimensionale (2D) materialen zijn een grote klasse van materialen. Hun eenvoudige structuur, lage dimensionaliteit, en de zeer afstembare draaggolfdichtheid maken ze een ideaal platform voor het verkennen van exotische fasen. Echter, de interacties tussen veel lichamen zijn normaal gesproken zwak in de meeste 2D-materialen, Vandaar, de correlatiegerelateerde fenomenen trekken gedurende een lange periode weinig aandacht in de studies van 2D-materialen. Onlangs, mensen ontdekten dat de interacties tussen veel lichamen kunnen worden verbeterd in 2D-hetrostructuren of kunstmatig gevouwen 2D-structuren. Correlatie-gerelateerde verschijnselen werden gevonden in veel interessante systemen, zoals LaAlO ₃ /SrTiO ₃ , verdraaid dubbellaags grafeen, enzovoort.

Zhang Yan's groep in het International Center for Quantum Materials (ICQM) aan de Universiteit van Peking meldt de ontdekking van een exotische metaal-isolatorovergang in een aan het oppervlak gedoteerd overgangsmetaal dichalcogenide 2H-MoTe ₂ gebruikmakend van de hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie (ARPES) met hoge resolutie en in-situ oppervlaktealkalimetaalafzetting. Ze ontdekten dat de metaal-isolatorovergang kan worden verklaard door een locatie van polaronen vanwege de sterke elektron-fononkoppeling die wordt versterkt aan het monsteroppervlak. Dit werk getiteld "Metal-Insulator Transition and Emergent Gapped Phase in the Surface-Doped 2-D Semiconductor 2H-MoTe ₂ " werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven [Fys. ds. Lett. 126, 106602 (2021)] op 12 maart 2021. Zhang Yan is de corresponderende auteur en Han Tingting, een promovendus IKKB is de eerste auteur.

De experimenten werden uitgevoerd in een zelfgeconstrueerd ARPES-systeem in Peking University en Beamline BL03U in Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). Door gebruik te maken van de oppervlaktedepositietechniek, De groep van Zhang Yan creëerde een 2D-metaal-halfgeleiderinterface tussen de oppervlakte- en bulklagen in 2H-MoTe ₂ . Over het algemeen, wanneer dragers worden gevuld in de geleidingsbanden van een halfgeleider, de chemische potentiaal stijgt en de geleidende banden verschuiven star naar hogere bindingsenergie. Echter, aan het oppervlak van 2H-MoTe ₂ , de onderzoekers ontdekten dat de geleidingsbanden meerdere overgangen ondergaan waarbij de drager dotering over de metallische toestand doet, gapped fase, isolator staat, en slecht-metallische staat. Een dergelijke evolutie van elektronische structuur kan niet worden verklaard door de verandering van chemisch potentieel of oppervlaktedegradatie, suggereert het bestaan ​​van een exotische metaal-isolatorovergang aan het oppervlak van 2H-MoTe ₂ .

Verder onderzoek wees uit dat het oppervlak van 2H-MoTe ₂ vertoont een ingewikkeld fasediagram, die lijkt op de fasediagrammen van een kwantumfaseovergang aangedreven door interacties met veel lichamen. In de tussentijd, de gedetailleerde spectrumanalyse lost het bestaan ​​van replicabanden op die normaal worden gezien als een vingerafdruk van sterke elektron-fononkoppeling. Gecombineerd met de waargenomen energierenormalisatie van spectra en de evolutie van banddispersie, de onderzoekers concluderen dat de elektron-fononkoppeling sterk versterkt is op het oppervlak van 2H-MoTe ₂ . Elektronen zijn gekleed door rooster-excitaties, polaronen vormen. De polarons lokaliseren dan als gevolg van onzuiverheid of wanordeverstrooiing, die de waargenomen metaal-isolatorovergang aandrijft.

Dit werk laat zien hoe een gecompliceerde overgang van metaal naar isolator zou kunnen plaatsvinden op het oppervlak van een eenvoudige tweedimensionale halfgeleider. Aan de ene kant, de resultaten benadrukken de oppervlakte-gedoteerde 2H-MoTe ₂ als sterk kandidaatmateriaal voor het realiseren van polaronische isolator, polaronische uitgebreide staat, en hoge Tc supergeleiding. Anderzijds, de experimenten tonen aan dat de afzetting van alkalimetaal aan het oppervlak de interacties tussen veel lichamen in tweedimensionale halfgeleiders kan versterken, wat een nieuwe weg opent voor het verkennen van de correlatiegerelateerde verschijnselen in tweedimensionale materialen. Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China, het National Key Research and Development Program van China.