[論文レビュー] Pseudogap and weak multifractality in disordered Mott charge-density-wave insulator

Jianhua Gao, Jae Whan Park+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

2D Materials and Applications参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/STS）を用いてSe置換1T-TaS2を調査し、不純物が電子状態におけるグローバルな準ギャップおよび弱い多分形性を誘発し、モット-CDW絶縁体を不純物系相関金属に転移させることを明らかにした。準ギャップは局所的なSe濃度やCDWドメイン壁とは独立して形成され、フェルミ準位における局所状態密度（LDOS）の空間相関が発散する現象、および弱い多分形性波動関数が、この2次元相関系における発現的超伝導の起源である不純物系モット絶縁体状態を支持している。

ABSTRACT

The competition, coexistence and cooperation of various orders in low-dimensional materials like spin, charge, topological orders and charge-density-wave has been one of the most intriguing issues in condensed matter physics. In particular, layered transition metal dichalcogenides provide an ideal platform for studying such an interplay with a notable case of 1${T}$-TaS$_{2}$ featuring Mott-insulating ground state, charge-density-wave, spin frustration and emerging superconductivity together. We investigated local electronic states of Se-substituted 1${T}$-TaS$_{2}$ by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), where superconductivity emerges from the unique Mott-CDW state. Spatially resolved STS measurements reveal that an apparent V-shape pseudogap forms at the Fermi Level (E$_{F}$), with the origin of the electronic states splitting and transformation from the Mott states, and the CDW gaps are largely preserved. The formation of the pseudogap has little correlation to the variation of local Se concentration, but appears to be a global characteristics. Furthermore, the correlation length of local density of states (LDOS) diverges at the Fermi energy and decays rapidly at high energies. The spatial correlation shows a power-law decay close to the Fermi energy. Our statistics analysis of the LDOS indicates that our system exhibits weak multifractal behavior of the wave functions. These findings strongly support a correlated metallic state induced by disorder in our system, which provides an new insight into the novel mechanism of emerging superconductivity in the two-dimensional correlated electronic systems.

研究の動機と目的

• Se置換された1T-TaS2における発現的超伝導の微視的起源を理解すること。
• 電子相関、電荷密度波（CDW）秩序、および不純物がモット絶縁体状態においてどのように相互作用するかを調査すること。
• 準ギャップおよび金属的挙動が、局所的欠陥、CDWドメイン壁、またはグローバルな電子相関に起因するかを特定すること。
• 不純物誘発多分形性および相関金属状態が、2次元相関系における非単純超伝導を駆動するという仮説を検証すること。

提案手法

• 原子構造、電荷周期的モード、および局所的電子状態をマップするために、アンストラクト・アングストロームおよびmeV分解能を有する走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/STS）が用いられた。
• 4.3 Kで空間的に分解されたdI/dVスペクトルを取得し、局所状態密度（LDOS）をプローブし、フェルミ準位近くでの準ギャップ形成を特定した。
• 波動関数の多分形的挙動を定量化するために、LDOSフラクチュエーションの統計的解析が実施された。
• フェルミエネルギー周辺の空間相関の減衰を解析することで、LDOSの空間相関長を抽出した。
• タングステン5dオビタルに1.5 eVの局所的クーロンU補正を施した密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子構造をモデル化し、実験的観察を検証した。
• 実験結果を不純物系モット絶縁体および多分形波動関数の理論モデルと比較することで、それらが超伝導に与える関連性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Se置換1T-TaS2における準ギャップは、局所的なSe濃度やCDWドメイン壁と相関しているか？
• RQ2 フェルミエネルギー近傍における局所状態密度（LDOS）の空間相関構造は何か？ これは金属的状態か絶縁体的状態を示唆するか？
• RQ3 電子波動関数がどの程度多分形的特性を示すか？ これは電子状態の性質にどのような含意を持つか？
• RQ4 本系における超伝導の発現は、競合するCDWや金属的ドメイン壁ネットワークではなく、不純物系モット絶縁体状態に起因しているか？
• RQ5 モット絶縁体系における不純物が、準ギャップを示す相関金属状態を生成し、超伝導性が強化されるメカニズムは何か？

主な発見

• Se置換1T-TaS2では、フェルミ準位にV字型の準ギャップが形成され、これは局所的Se濃度とは無関係にグローバルな絶縁体-金属転移を示している。
• CDWギャップはほとんど保持されており、モットギャップの消失がCDW秩序のフラクチュエーションやドメイン壁ネットワークによって駆動されているわけではないことが示された。
• 局所状態密度（LDOS）の空間相関長はフェルミエネルギーで発散し、E_F近傍でべき乗則に従って減衰するため、長距離量子コherenecが存在することを示している。
• 波動関数は弱い多分形的挙動を示し、統計的解析によりLDOSフラクチュエーションの非ユニバーサルスケーリングが確認された。
• 準ギャップ形成は、孤立した金属的クラスターや特定のS-Se配置と相関していないため、周期的超構造に基づくモデルとは矛盾する。
• 結果は、発現的超伝導の起源として不純物系モット絶縁体状態が強く支持されており、多分形性と超伝導性の増強を結びつける理論的提案と整合的である。