近日，上海科技大學物質學院顏世超課題組在過渡金屬硫化物的電子結構機理研究方面取得重要進展。研究人員利用低溫掃描隧道顯微科技發現1T-TaS2類資料費米能級附近存在電子窄帶，並揭示了電子窄帶對這類資料的電子結構的重要作用。近期該結果以“Roles of the Narrow Electronic Band near the Fermi Level in 1T-TaS2-Related Layered Materials”為題發表於國際知名期刊Physical Review Letters。
在複雜量子資料中，費米麵附近的電子窄帶能够誘導出新奇的物態，比如超導、磁性和關聯電子態等。與普通能帶的電子相比，處於窄帶的電子動能顯著降低。當窄帶處於費米能級附近時，電子間的庫侖排斥作用會超過電子的動能，使系統進入關聯電子態。在層狀資料中，具有窄帶的層狀資料相互堆疊，它們之間的層間耦合也會對電子窄帶產生調製。電子關聯作用和層間相互作用使得具有窄帶的層狀資料具有非常複雜的物理性質。
過渡金屬硫族化合物1T-TaS2具有二維層狀結構。理論計算表明，低溫下（低於180 K）其費米級附近存在金屬性窄帶，然而光電子能譜和掃描隧道顯微實驗卻顯示其單晶資料低溫下在費米能級附近存在能隙。對於此現象，科學家們先後提出了電子關聯作用、層間相互作用等不同機理來解釋該能隙的產生，但迄今為止還沒有確定的定論。
為了解决1T-TaS2這類資料中複雜電子結構機理問題，上科大物質學院顏世超課題組對1T-TaS2和4Hb-TaS2資料開展了系統的掃描隧道顯微學研究。4Hb-TaS2是由1T-TaS2層和1H-TaS2層交替疊加形成的層狀資料。在4Hb-TaS2中，由於1H-TaS2層的存在，相鄰的1T-TaS2層之間的層間相互作用被顯著减弱。囙此，4Hb-TaS2資料為研究1T-TaS2層的電子特性提供了一個非常好的平臺。
圖.1T-TaS2和4Hb-TaS2單晶資料的結構圖、高分辨電子顯微圖和掃描隧道顯微圖。
研究人員發現，與1T-TaS2的絕緣態不同，4Hb-TaS2中的1T-TaS2層在費米能級附近存在一個窄帶。該窄帶與之前緊束縛理論計算得到的1T-TaS2中的窄帶特性一致，但表現出略微的空穴摻雜。同時研究人員發現4Hb-TaS2中1T-TaS2層的窄帶與1T-TaS2單晶的絕緣能隙處的電子態具有相同的空間分佈特徵。這表明1T-TaS2的絕緣能隙處的電子態與4Hb-TaS2中1T-TaS2層的電子窄帶同源，1T-TaS2單晶資料的絕緣能隙是這個窄帶由於層間相互作用形成的成鍵態和反鍵態。
該工作不僅從實驗上證實了1T-TaS2層在費米麵附近具有窄帶，且表明該窄帶對這類資料的電子性質起著非常重要的作用。該工作對於理解4Hb-TaS2中超導態的性質和單層1T-TaS2的性質奠定了基礎。
中科院合肥固體物理研究所孫玉平研究組為該研究提供了高品質的單晶樣品；上海科技大學電鏡中心為樣品結構表徵提供了高品質的電鏡數據；上海科技大學李軍課題組對4Hb-TaS2的超導特性進行了輸運量測。上海科技大學是該研究的第一完成單位，顏世超課題組助理研究員文陳昊平為文章的第一作者。顏世超教授和孫玉平教授為文章的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、國家重點研發基金、上海市科委和上海科技大學啟動經費等項目的資助。
文章連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.256402？ft=1
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