[논문 리뷰] Visualizing 1D zigzag Wigner crystallization at domain walls in the Mott insulator TaS$_2$

Anuva Aishwarya, Sean Howard외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 액체 헬륨 온도에서의 저온 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여, 모트 절연체 TaS₂의 전하 밀도 파동 도메인 벽에서 형성된 1차원 점자형 위그너 결정을 직접 시각화한다. 연구자들은 강한 쿨롱 상호작용과 감소된 실체 농도에 의해 전자가 점자형 패턴으로 국소화되는 것을 관찰하였으며, 이는 이전에 달성할 수 없었던 더 높은 온도에서 1차원 위그너 결정이 나타나는 것을 확인한다. 특징적인 노이즈 서명은 미세한 양자 양상의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

In a certain regime of low carrier densities and strong correlations, electrons can crystallize into a periodic arrangement of charge known as Wigner crystal. Such phases are particularly interesting in one dimension (1D) as they display a variety of charge and spin ground states which may be harnessed in quantum devices as high-fidelity transmitters of spin information. Recent theoretical studies suggest that the strong Coulomb interactions in Mott insulators and other flat band systems, may provide an attractive higher temperature platform for Wigner crystallization, but due to materials and device constraints experimental realization has proven difficult. In this work we use scanning tunneling microscopy at liquid helium temperatures to directly image the formation of a 1D Wigner crystal in a Mott insulator, TaS$_2$. Charge density wave domain walls in TaS$_2$ create band bending and provide ideal conditions of low densities and strong interactions in 1D. STM spectroscopic maps show that once the lower Hubbard band crosses the Fermi energy, the charges rearrange to minimize Coulomb energy, forming zigzag patterns expected for a 1D Wigner crystal. The zigzag charge patterns show characteristic noise signatures signifying charge or spin fluctuations induced by the tunneling electrons, which is expected for this more fragile condensed state. The observation of a Wigner crystal at orders of magnitude higher temperatures enabled by the large Coulomb energy scales combined with the low density of electrons, makes TaS$_2$ a promising system for exploiting the charge and spin order in 1D Wigner crystals.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계를 가진 2차원 물질에서 낮은 실체 농도와 강한 전자 상호작용 조건 하에서 1차원 위그너 결정의 형성을 연구하기 위해.
• 큰 쿨롱 에너지 척도를 가진 모트 절연체인 TaS₂가 큰 쿨롱 에너지 척도 덕분에 실험적으로 접근 가능한 온도에서 위그너 결정을 유지할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 밴드 굽힘으로 인해 전자 농도가 감소하는 조건이 형성되어 1차원 위그너 결정 형성에 유리한 환경을 제공하는 TaS₂의 도메인 벽에서 전자 구조와 전하 정렬을 규명하기 위해.
• 스펙트로스코픽 STM를 사용하여 관측된 전하 패턴의 성격과 그 역학적 서명을 규명하기 위해.

제안 방법

• 원자 스케일의 공간 해상도와 낮은 열 노이즈를 확보하기 위해 액체 헬륨 온도(4.2 K)에서 스캐닝 터널링 현미경(STM) 측정을 수행하였다.
• 국소 전자 구조를 매핑하고 패전 허브 밴드가 패전 에너지 수준을 가로질러 있는지 확인하기 위해 공간 해상도를 가진 미분 전도도(dI/dV) 분광법을 사용하였다.
• TaS₂의 전하 밀도 파동(CDW) 상에서 도메인 벽을 타겟으로 하여, 밴드 굽힘이 강화되고 전자 농도가 감소하는 조건을 제공하여 위그너 결정 형성을 촉진하였다.
• dI/dV 맵에서의 공간 상관관계 분석을 통해 1차원 위그너 결정 질서와 일치하는 정기적인 점자형 전하 패턴을 확인하였다.
• 터널링 전류에서의 노이즈 분광법을 활용하여 위그너 결정의 미세한 양자 상태와 관련된 동적 변동을 탐지하였다.
• 밴드 구조 및 쿨롱 에너지 최소화의 이론적 모델링을 통해 관측된 점자형 패턴이 최소한의 쿨롱 반발력 상태로 해석되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 전자 농도와 강한 상관관계 조건 하에서 모트 절연체에서 1차원 위그너 결정의 형성이 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 TaS₂의 전하 밀도 파동 도메인 벽이 밴드 굽힘과 감소된 실체 농도 덕분에 1차원 위그너 결정을 안정화시키기에 적합한 환경을 제공하는가?
• RQ3 1차원 위그너 결정의 공간적 및 분광적 서명은 무엇이며, 다른 전하 정렬 상태와 어떻게 다를까?
• RQ4 위그너 결정 상에서 어떤 역학적 서명이 관측되며, 그것이 그 양자 안정성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 쿨롱 에너지 척도가 큰 물질, 예를 들어 TaS₂에서는 더 높은 온도에서 위그너 결정이 안정화될 수 있는가?

주요 결과

• STM의 dI/dV 맵에서 TaS₂의 도메인 벽에서 명확한 점자형 전하 밀도 패턴이 직접 시각화되었으며, 이는 1차원 위그너 결정에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• 점자형 패턴의 형성은 패전 허브 밴드가 패전 에너지 수준을 가로지르는 것과 동시에 발생하여, 전하 정렬 상태의 기저 상태로의 전이를 나타낸다.
• 관측된 전하 패턴은 터널링 전류에서 특징적인 노이즈를 보였으며, 이는 일반적으로 미세한 양자 상에서 관찰되는 전하 또는 스핀의 동적 변동을 시사한다.
• TaS₂의 큰 쿨롱 에너지 척도 덕분에 기존의 1차원 시스템보다 수 개체 수준 높은 온도에서 위그너 결정 상태가 안정화되었다.
• 도메인 벽 환경는 상관관계가 강한 모트 절연체에서 1차원 위그너 결정을 실현하고 연구하기 위한 천연적이고 조절 가능한 플랫폼을 제공한다.