在二维双层转角WSe2中实现具有强局域化电子的一维莫尔链

基于双层转角石墨烯和过渡金属硫化物的二维莫尔体系提供了一个研究部分填充平带中新奇强关联量子物态的理想平台[1,2]。一个自然的问题是：是否有可能将二维关联莫尔物理推广到一维？这就需要在二维莫尔体系中选择性地掺杂某条一维莫尔链，但这一实验操作面临巨大挑战，目前的实验技术尚难以实现。近期，北京师范大学何林教授课题组利用扫描隧道显微镜(STM)的针尖操纵技术，成功在双层转角WSe2 (tWSe2)体系中构筑了一维莫尔链，结合背栅电压和STM针尖偏压，他们成功实现了对电子的选择性填充，操控并成像了一维莫尔链中的局域强关联电子态。

实验上，何林教授课题组制备了高质量的双层WSe2转角结构(图1a-c)，随后利用STM针尖脉冲使上层WSe2在局域范围内发生旋转，从而在其边缘引入了清晰的一维畴界(图1d)。畴界处约4°的局域晶格旋转为选择性填充其一维莫尔链中的电子态提供了可能(图1i)。他们发现，当STM针尖位于两个相邻的莫尔位点之间时，将会触发多个电子级联充电，产生显著的充电能隙(∆E ≈ 90 meV) (图2)。这一现象无法用单粒子模型解释，揭示了一维莫尔链中相邻莫尔中的电子存在强关联效应。进一步结合背栅电压和STM针尖偏压，他们直接成像并操控了一维莫尔链中关联电子的充放电态。这一结果为在二维体系中探究一维莫尔链的关联电子态开辟了新路径，为研究一维Hubbard模型提供了新的平台。

相关成果近日以“Realizing one-dimensional moiré chains with strong electron localization in two-dimensional twisted bilayer WSe2”为题刊发在《PNAS》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上[3]。北京师范大学何林教授课题组的博士后任雅宁（2024年获得博新计划资助）为第一作者，何林教授为通讯作者，何林教授课题组的博士生任慧莹也参与了该项工作。

这项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国博士后科学基金会以及北京师范大学的经费支持。

图1. (a) 用于STM研究的石墨烯/tWSe2异质结器件示意图。(b) 样品表面测得的大范围STM图像。(c) 放大的STM图像，显示出周期约为4.4 nm的莫尔超晶格。(d) 施加针尖脉冲电压后的STM图像。图像中展现了两个不同的区域。在区域I中，莫尔图案完全消失。在区域II中，仍然存在莫尔图案。(e-h) 区域I和区域II中的原子分辨STM图像及其快速傅里叶变换(FFT)图像。(i) 一维莫尔链两侧WSe2晶格显著旋转的示意图。

图2. (a, b) 沿一维莫尔链的STS谱图。(c) 不同针尖高度时的STS谱。(d) 1D莫尔链上针尖诱导的充电效应示意图。 (e) 图a中黑色虚线框的STS谱放大图。随着负偏压增加，出现了充电现象，在A点，出现了约90 mV的充电能隙。

参考文献：

[1] L. Balents, C. R. Dean, D. K. Efetov, & A. F. Young, Superconductivity and strong correlations in moiré flat bands. Nat. Phys. 16, 725-733 (2020).

[2] E. Y. Andrei, & A. H. MacDonald,Graphene bilayers with a twist. Nat. Mater. 19, 1265-1275 (2020).

[3] Y.-N. Ren, H.-Y. Ren, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. He, “One-dimensional moiré chains with strong electron localization in two-dimensional twisted bilayer WSe2”. PNAS 121, e2405582121 (2024).

URL: https://doi.org/10.1073/pnas.2405582121