杜瑞瑞合作团队在Kitaev自旋液体材料阿尔法相的三氯化钌电子态研究中取得新进展

阿尔法相的三氯化钌（α-RuCl₃）作为最接近Kitaev量子自旋液体模型的候选材料正得到广泛关注与研究。近日，北京大学物理学院量子材料科学中心杜瑞瑞课题组与合作者利用扫描隧道显微镜系统对α-RuCl₃/石墨烯异质结中α-RuCl₃的电子态进行了系统研究，在层状α-RuCl₃中观测到从莫特-哈伯德绝缘体（Mott-Hubbard insulator-MI）到电荷转移绝缘体体（Charge transfer Insulator-CTI）的转变。并且发现，当α-RuCl₃从MI进入CTI后会出现一种新型非公度电荷序（incommensurate charge order）。理论分析认为，CTI相中的电荷跃迁所导致的铁电极化与异质结界面电场的相互作用是形成非常规电荷序的直接原因。2024年9月3日，相关研究成果以《层状Kitaev材料α-RuCl₃中的非共度电荷序以及隐藏的偶极子序》（Incommensurate Charge Super-modulation and Hidden Dipole Order in Layered Kitaev Material α-RuCl₃）为题发表在《自然•通讯》（Nature Communications）上。（https://doi.org/10.1038/s41467-024-52019-9）

21世纪初理论物理学家Alexei Kitaev在研究容错量子计算时发现非阿贝尔任意子能够实现拓扑量子计算，并提出了存在非阿贝尔任意子激发的Kitaev蜂窝晶格模型。该模型基态为量子自旋液体（Quantum spin liquid），因此又被称为Kitaev自旋液体模型。研究发现，层状范德华材料α-RuCl₃的晶格具备Kitaev模型的参数指征，被认为是研究Kitaev物理最理想的平台之一。过去一系列基于α-RuCl₃的磁性谱学及热输运实验都给出了其存在分数化量子激发（Majorana费米子及具有非阿贝统计的Majorana束缚态）的实验证据，极大地激发了研究热情。然而，关键实验结果仍存在争议。同时，由于Kitaev材料中的量子激发呈现电中性，严格制约了对该系统进行电学测量、调控，更可能阻碍以后Kitaev材料开发基于电学平台的量子技术。随着越来越多的理论物理学家开始思考相关电学测量与调控理论并提出一系列可行的实验方案，Kitaev材料的电学性质在实验物理领域也逐渐被关注。α-RuCl₃的电子学性质，尤其是如何实现其Mott绝缘体性质的调制也成为了该体系的一项研究重点。

杜瑞瑞课题组基于其低温矢量磁体扫描隧道显微镜研究平台，在该领域较早开始关注α-RuCl₃的Mott性质，与合作团队对其电子态性质开展实验研究，前期已经取得了一系列研究成果。包括在表面电子态测量中发现了其体态的Mott能隙在2eV左右，远远超过之前光学测量中推测的1.2eV，并发现少数层的α-RuCl₃薄膜在石墨或者石墨烯衬底上呈现出从大Mott能隙向小电荷能隙的非常规Mott相变（Physical Review B , 2023, 107: 195107）；在单层α-RuCl₃与石墨构成的异质结中，发现了α-RuCl₃的细微晶格应变能够通过调制异质结中的电荷转移实现α-RuCl₃绝缘体-金属的Mott相变（Physical Review B , 2024, 109: 035106）。

本项工作的主要发现为α-RuCl₃/石墨异质结界面的极化电场会使得临近α-RuCl₃层中Cl3p轨道得到有效调制进入Mott能隙，从而诱导α-RuCl₃从MI到CTI的转变，对前期观测到的非常规Mott相变有了更清晰的理解。此外，工作还发现当α-RuCl₃进入MTI相后，电子会在不同轨道自由度中得到重新分布，从而导致α-RuCl₃出现铁电极化现象。由于界面极化场及薄膜中铁电偶极矩的相互作用，使得在临近异质结界面的α-RuCl₃中观测到了一种全新的非公度电荷序。此电荷序的出现，反映了在α-RuCl₃中存在强的电荷-自旋以及轨道自由度的内在关联，这种多自由度的关联也对以电子通道探测α-RuCl₃奇异的自旋量子激发提供了理论依据以及可能途径。

图1 异质结结构中α-RuCl₃薄膜的非常规Mott相变（a）单层α-RuCl₃晶体结构；（b）异质结的STM图像；（c）和（d）dI/dV谱线测量中的非常规Mott相变

图2 α-RuCl₃中的非公度电荷序。（a）—（h）隧穿电导图中不同衬底偏压下的电荷序表象；（i）STM表面成像下的晶格调制；（j）对电荷序的快速傅里叶变换；（k）电荷序的波矢分析

图3 从Mott绝缘体到电荷转移绝缘体。（a）隧穿电导成像下的轨道纹理测量；（b）Cl3p轨道进入Mott能隙；（c）从Mott态到电荷转移绝缘体转变下电子轨道的变化

图4 铁电极化在异质结界面场下的不同相图。（a）铁电偶极子在界面电场强度下的演化；（b）—（d）不同相下的偶极子序；（e）非公度偶极子序所引发的非公度电荷序

该论文第一作者为北京量子科学研究院郑晓虎，通讯作者为杜瑞瑞、郑晓虎和中国人民大学物理学系刘正鑫，共同作者还包括中国科学院物理研究所张翠伟（博士生）、石友国，北京量子科学研究院的周花雪、杨崇立以及Katsumi Tanigak。该工作得到国家重点研发计划、量子科学与技术创新计划、以及国家自然科学基金委，北京怀柔综合极端条件实验装置微纳加工实验室的支持。