[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用低温扫描隧道显微镜，直接观测到在莫特绝缘体TaS₂的电荷密度波畴壁处形成的准一维锯齿形维格纳晶体。研究人员发现，电子在强库仑相互作用和载流子密度降低的驱动下局域成锯齿形排列，证实了在一维维格纳晶体在远高于以往实现温度的条件下稳定存在，其特征噪声信号表明存在脆弱的量子涨落。

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.

研究动机与目标

• 研究在低载流子密度和强电子关联条件下，强关联二维材料中一维维格纳晶体的形成机制。
• 探讨由于具有较大的库仑能标，像TaS₂这样的莫特绝缘体是否能在实验可实现的温度下实现维格纳晶体现象。
• 识别并表征在TaS₂畴壁处的电子结构和电荷有序性，该处因能带弯曲而有利于一维维格纳晶体的形成。
• 利用谱学扫描隧道显微镜确定所观测电荷图案的性质及其动力学特征。

提出的方法

• 在液氦温度（4.2 K）下进行扫描隧道显微镜测量，以实现原子级空间分辨率和低热噪声。
• 采用空间分辨的微分电导率（dI/dV）谱学方法，绘制局域电子结构，并识别下 Hubbard 带与费米能级的交叉。
• 将电荷密度波（CDW）相中的畴壁作为能带弯曲增强和电子密度降低的区域，以促进维格纳晶体的形成。
• 对dI/dV图中的空间关联性进行分析，揭示了与一维维格纳晶体序一致的周期性锯齿形电荷图案。
• 采用隧道电流中的噪声谱学方法，探测与维格纳晶体脆弱量子态相关的动态涨落。
• 通过能带结构和库仑能量最小化的理论建模，将观测到的锯齿形图案解释为库仑排斥能最小化的基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低电子密度和强关联条件下，是否能实验观测到莫特绝缘体中的一维维格纳晶体现象？
• RQ2 TaS₂中的电荷密度波畴壁是否因能带弯曲和载流子密度降低，而提供稳定一维维格纳晶体的合适环境？
• RQ3 一维维格纳晶体在TaS₂中的空间和谱学特征是什么？其与其它电荷有序态有何不同？
• RQ4 该维格纳晶体相是否伴随任何动力学特征？这些特征揭示了其量子稳定性的哪些信息？
• RQ5 在具有大库仑能标的材料（如TaS₂）中，是否能将维格纳晶体现象稳定在远高于以往的温度？

主要发现

• 在TaS₂的畴壁处，STM的dI/dV图中直接观测到清晰的锯齿形电荷密度图案，与一维维格纳晶体的理论预测一致。
• 锯齿形图案的形成与下 Hubbard 带穿过费米能级相吻合，表明系统已进入电荷有序的基态。
• 观测到的电荷图案表现出隧道电流中的特征噪声，表明存在电荷或自旋的动态涨落，典型地对应于脆弱的量子相。
• 由于TaS₂中具有较大的库仑能标，该维格纳晶体态在远高于传统一维体系的温度下仍能稳定存在。
• 畴壁环境为在关联莫特绝缘体中实现和研究一维维格纳晶体现象，提供了一个天然且可调的平台。