[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）对硒掺杂的1T-TaS2进行研究，结果表明，无序诱导了电子态中的全局赝能隙和弱多分形性，使莫特-电荷密度波（CDW）绝缘体转变为无序关联金属。赝能隙的形成与局部硒浓度或CDW畴壁无关，且在费米能级附近局域态密度（LDOS）的空间关联性发散，结合弱多分形波函数，支持了无序莫特绝缘体是该二维关联体系中涌现超导性的起源。

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.

研究动机与目标

• 理解硒掺杂的1T-TaS2中涌现超导性的微观起源。
• 研究电子关联、电荷密度波（CDW）序与无序在莫特绝缘态中的相互作用。
• 确定赝能隙和金属性行为是否源于局部缺陷、CDW畴壁或全局电子关联。
• 检验假设：无序诱导的多分形性和关联金属态驱动二维关联体系中的非传统超导性。

提出的方法

• 采用亚埃和微电子伏特级分辨率的扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）技术，对原子结构、电荷调制和局域电子态进行表征。
• 在4.3 K下采集空间分辨的dI/dV谱，以探测局域态密度（LDOS）并识别费米能级附近的赝能隙形成。
• 通过LDOS涨落的统计分析，量化波函数的多分形行为。
• 通过分析费米能级附近空间关联性的衰减，提取LDOS的空间关联长度。
• 采用含局域库仑U修正（Ta 5d轨道为1.5 eV）的密度泛函理论（DFT）计算，模拟电子结构并验证实验观测结果。
• 将实验结果与无序莫特绝缘体和多分形波函数的理论模型进行比较，评估其在超导性中的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 硒掺杂的1T-TaS2中的赝能隙是否与局部硒浓度或CDW畴壁相关？
• RQ2 费米能级附近的局域态密度（LDOS）的空间关联结构如何？其是否表明金属态或绝缘态？
• RQ3 电子波函数在多大程度上表现出多分形特征？这对其电子态本质有何含义？
• RQ4 该体系中超导性的出现是否由无序莫特绝缘体机制驱动，而非竞争的CDW或金属畴壁网络？
• RQ5 在莫特绝缘体体系中，无序如何导致具有赝能隙和增强超导性的关联金属态？

主要发现

• 在硒掺杂的1T-TaS2中，费米能级处形成V形赝能隙，表明全局绝缘体到金属的转变与局部硒浓度无关。
• CDW能隙基本保持不变，表明莫特能隙的熔化并非由CDW序涨落或畴壁网络驱动。
• 局域态密度（LDOS）的空间关联长度在费米能级发散，并在E_F附近呈幂律衰减，表明存在长程量子相干性。
• 波函数表现出弱多分形行为，统计分析证实LDOS涨落具有非普遍标度特性。
• 赝能隙的形成与孤立的金属簇或特定S-Se构型无关，与基于周期性超结构的模型相矛盾。
• 结果强烈支持无序莫特绝缘体机制是涌现超导性的起源，与理论预测中多分形性增强超导性的观点一致。