La transición metal-aislante (MIT) impulsada por interacciones de muchos cuerpos es un fenómeno importante en la física de la materia condensada. Las fases exóticas siempre emergen alrededor de los puntos de transición metal-aislante donde las fluctuaciones cuánticas surgen de una competencia entre espín, cargar, orbital, y grados de libertad de celosía. Los materiales bidimensionales (2D) son una gran clase de materiales. Su estructura simple, baja dimensionalidad, y la densidad de portadores altamente sintonizable los convierten en una plataforma ideal para explorar fases exóticas. Sin embargo, las interacciones de muchos cuerpos son normalmente débiles en la mayoría de los materiales 2D, por eso, los fenómenos relacionados con la correlación atraen poca atención en los estudios de materiales 2D durante un largo período. Recientemente, la gente descubrió que las interacciones de muchos cuerpos se pueden mejorar en las heteroestructuras 2D o en las estructuras 2D con pliegues artificiales. Se encontraron fenómenos relacionados con la correlación en muchos sistemas interesantes, como LaAlO ₃ / SrTiO ₃ , grafeno bicapa retorcido, etc.

El grupo de Zhang Yan en el Centro Internacional de Materiales Cuánticos (ICQM) de la Universidad de Pekín informa sobre el descubrimiento de una transición exótica de metal-aislante en un dicalcogenuro de metal de transición dopado en la superficie 2H-MoTe ₂ utilizando la espectroscopia de fotoelectrones de resolución en ángulo de alta resolución (ARPES) y la deposición de metales alcalinos en la superficie in situ. Descubrieron que la transición metal-aislante podría explicarse por la ubicación de los polarones debido al fuerte acoplamiento electrón-fonón que se mejora en la superficie de la muestra. Este trabajo titulado "Transición de aislante metálico y fase con brecha emergente en el semiconductor 2-D dopado en superficie 2H-MoTe ₂ "fue publicado en Cartas de revisión física [Phys. Rev. Lett. 126, 106602 (2021)] el 12 de marzo de 2021. Zhang Yan es el autor correspondiente y Han Tingting, un estudiante de doctorado en ICQM es el primer autor.

Los experimentos se llevaron a cabo en un sistema ARPES autoconstruido en la Universidad de Pekín y Beamline BL03U en la Instalación de Radiación Sincrotrón de Shanghai (SSRF). Al utilizar la técnica de deposición superficial, El grupo de Zhang Yan creó una interfaz de semiconductores de metal 2D entre la superficie y las capas a granel en 2H-MoTe ₂ . Generalmente, cuando los portadores se llenan en las bandas de conducción de un semiconductor, el potencial químico aumenta y las bandas conductoras se desplazan rígidamente hacia una energía de enlace más alta. Sin embargo, en la superficie de 2H-MoTe ₂ , los investigadores encontraron que las bandas de conducción experimentan múltiples transiciones con el portador dopando a través del estado metálico, fase interrumpida, estado del aislador, y mal estado metálico. Tal evolución de la estructura electrónica no puede explicarse por el cambio del potencial químico o la degradación de la superficie, sugiriendo la existencia de una exótica transición metal-aislante en la superficie de 2H-MoTe ₂ .

Un estudio adicional encontró que la superficie de 2H-MoTe ₂ exhibe un diagrama de fase complicado, que se asemeja a los diagramas de fase de una transición de fase cuántica impulsada por interacciones de muchos cuerpos. Mientras tanto, el análisis detallado del espectro resuelve la existencia de bandas de réplica, que normalmente se considera una huella de un fuerte acoplamiento electrón-fonón. Combinado con la renormalización de energía observada de los espectros y la evolución de la dispersión de la banda, los investigadores concluyen que el acoplamiento electrón-fonón está fuertemente mejorado en la superficie de 2H-MoTe ₂ . Los electrones están vestidos por excitaciones de celosía, formando polarones. Los polarones luego se localizan debido a la dispersión de impurezas o desórdenes, que impulsa la transición observada metal-aislante.

Este trabajo demuestra cómo podría ocurrir una complicada transición metal-aislante en la superficie de un semiconductor bidimensional simple. Por un lado, los resultados destacan el 2H-MoTe dopado en superficie ₂ como un material candidato fuerte para realizar aislantes polarónicos, estado extendido polarónico, y superconductividad de alta Tc. Por otra parte, Los experimentos muestran que la deposición superficial de metales alcalinos puede mejorar las interacciones de muchos cuerpos en semiconductores bidimensionales. lo que abre una nueva vía para explorar los fenómenos relacionados con la correlación en materiales bidimensionales. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China.