量子相变是物理学的重要科学问题之一。近年来，在二维材料莫尔超晶格体系中观测到多种关联电子态，比如超导态、关联绝缘态、奇异金属态等。南京大学物理学院王雷教授与美国哥伦比亚大学联合制备出了高质量的转角双层WSe2器件（tWSe2），利用电学输运测试的方法研究了其中的金属-绝缘态相变和半填充附近的奇异金属态，从而为探索自旋液体以及强关联引起的绝缘态开辟了新的方向。该研究成果近期发表于国际顶尖期刊 Nature（《自然》）杂志上。

南京大学的王雷教授和美国哥伦比亚大学的合作者在这篇工作中，制备了高质量的转角双层WSe2器件（tWSe2），利用电学输运测试的方法研究了其中的金属-绝缘态相变和半填充附近的奇异金属态。在这个体系中，电子浓度和能带结构都可以通过外部栅压精确调控而不引入额外的无序扰动。由于tWSe2中自旋轨道耦合和层间杂化作用较强，以及在半填充处出现的关联绝缘态，使得其可以作为研究三角晶格单带哈伯德模型的理想平台。此前，王雷教授小组在tWSe2体系半填充处观测到了关联绝缘态【Nature Materials 19, 861-866（2020）】。延续之前的工作，他们利用静电掺杂和电位移场精确将绝缘态调控到金属态，从而可以在整个相空间系统性地研究tWSe2输运性质。该工作以南京大学的王雷教授和美国哥伦比亚大学的Pasupathy和Dean教授作为共同通讯作者发表在2021年9月15日的Nature期刊上【Nature 597, 345–349，2021】。

在这项最新的工作中，作者首先利用载流子浓度和电位移场调控，发现关联绝缘态有良好定义的边界，测量热激活能隙表明这里的带隙可以连续平滑变化到零，表明在边界处发生的是二级相变（图一）。

随后研究了关联绝缘态附近掺杂调控的金属态（图二），发现了电阻随温度变化反常的线性行为，然后作者研究了更大掺杂范围内电阻随温度变化的相图（图三），分析了电阻和温度的关系，发现这样的量子临界行为只存在于靠近关联绝缘态两边区域，并且在高温下不同于铜氧化物超导体的反常饱和现象，而在低温下其耗散与普朗克极限相当。

为了能够与非常规超导体中量子临界行为对比，作者进一步研究了相变区域随磁场变化的关系，同样也发现了随磁场变化的线性依赖关系，证明了在量子临界区域磁场和温度对于决定散射率同等的重要性。最后作者研究了相图随电位移场变化（图四），剩余电阻的分析表明在绝缘态中存在强的量子波动。总体而言，转角WSe2为研究在三角晶格中掺杂以及可控带隙的金属-绝缘态量子相变提供了理想平台，为探索自旋液体以及强关联引起的绝缘态开辟了新的方向。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6

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原标题：《量子领域新突破！南大教授《自然》发表论文》