[論文レビュー] Visualizing 1D zigzag Wigner crystallization at domain walls in the Mott insulator TaS$_2$

Anuva Aishwarya, Sean Howard+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、モット絶縁体TaS₂における電荷密度波ドメイン壁に形成された一次元ゼイツァップ型ウィグナー結晶を、低温走査トンネル顕微鏡を用いて直接可視化した。研究者たちは、強いクーロン反発と低キャリア密度が原因で電子がゼイツァップパターンに局在化することを観察し、従来の技術では達成できなかった著しく高い温度で1次元ウィグナー結晶が出現することを確認した。また、その状態に特徴的なノイズ信号が、壊れやすい量子揺らぎを示している。

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.

研究の動機と目的

• 強い電子相関と低キャリア密度の下で、二次元強相関材料に一次元ウィグナー結晶が形成されるかを調査すること。
• 大きなクーロンエネルギースケールを有するモット絶縁体（例：TaS₂）が、実験的に測定可能な温度でウィグナー結晶化を示すかを検討すること。
• バンド曲げによってウィグナー結晶形成に有利な環境が整う、TaS₂のドメイン壁における電子的構造と電荷秩序を同定・特徴づけること。
• 分光的STMを用いて、観察された電荷パターンの性質とその動的シグネチャを特定すること。

提案手法

• 原子スケールの空間分解能と低熱雑音を達成するため、液体ヘリウム温度（4.2 K）で走査トンネル顕微鏡（STM）を実施した。
• 局所的電子状態をマップし、フェルミ準位を通過する下位ハーバードバンドの特定を目的として、空間的に分解された微分伝導度（dI/dV）分光法を用いた。
• 電荷密度波（CDW）相におけるTaS₂のドメイン壁を標的とし、バンド曲げの増大とキャリア密度の低下によりウィグナー結晶化が促進される環境とした。
• dI/dVマップにおける空間相関の解析により、1次元ウィグナー結晶秩序に一致する周期的なゼイツァップ型電荷パターンが明らかになった。
• トンネル電流におけるノイズ分光法を用いて、壊れやすい量子状態に関連する動的揺らぎを検出した。
• バンド構造とクーロンエネルギー最小化の理論的モデリングを用いて、観察されたゼイツァップパターンがクーロン反発を最小化する基底状態として解釈された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低キャリア密度と強い相関の下で、モット絶縁体において一次元ウィグナー結晶化が実験的に観察可能か？
• RQ2 TaS₂における電荷密度波ドメイン壁は、バンド曲げと低キャリア密度のおかげで、1次元ウィグナー結晶を安定化させるのに適した環境を提供するか？
• RQ3 TaS₂における1次元ウィグナー結晶の空間的・分光的シグネチャは何か？ 他の電荷秩序状態とはどのように異なるか？
• RQ4 ウィグナー結晶相に関連する動的シグネチャ（もしあるならば）は何か？ それらはその量子的安定性について何を明らかにするか？
• RQ5 クーロンエネルギースケールが大きい材料（例：TaS₂）では、従来の1次元系とは比べ物にならないほど高い温度でウィグナー結晶化が安定化可能か？

主な発見

• STMのdI/dVマップにおいて、TaS₂のドメイン壁で明確なゼイツァップ型電荷密度パターンが直接可視化され、1次元ウィグナー結晶の理論的予測と整合的であった。
• ゼイツァップパターンの形成は、下位ハーバードバンドがフェルミエネルギーを通過する現象と一致しており、電荷秩序状態への遷移を示唆した。
• 観察された電荷パターンには、電荷またはスピンの動的揺らぎを示す特徴的なノイズが見られ、壊れやすい量子相の典型的な兆候であった。
• TaS₂に大きなクーロンエネルギースケールがあるため、従来の1次元系とは比べ物にならないほど高い温度でウィグナー結晶状態が安定化した。
• ドメイン壁環境は、強相関モット絶縁体における1次元ウィグナー結晶化の実現と研究のための自然で調整可能なプラットフォームを提供する。