从左到右：新加坡国立大学研究员陆炅副教授、邱志展博士和韩艺轩先生是多学科研究团队的一员，他们使用一种奇特的量子材料的新方法可视化了难以捉摸的电子孔晶体。图片来源：新加坡国立大学

当电子数量与材料中的宿主晶格位点匹配时，电子之间的强烈相互作用会导致它们将自己排列成有序的模式，形成所谓的电子晶体。这种现象很吸引人，因为电子开始集体作用，这对于量子模拟很有用。

如果电子和它们的正对应物（称为空穴）在一个系统中共存，它们就可以创造出具有无与伦比的特性的更奇特的量子态，例如一种特殊类型的逆流超流体，其中电子空穴沿相反方向流动而没有阻力和能量耗散。

然而，在不快速重组的情况下将电子和空穴晶体保持在一起是具有挑战性的。为了解决这个问题，科学家们经常将它们分成不同的层或宿主。

虽然这种方法已经显示了多层结构中的电子-空穴状态，但在单一天然材料中发现这些状态仍然是一个有争议的话题。这是因为没有足够的坚实的实验证据，并且很难找到能够保持电子-空穴晶体在一起而不相互抵消的奇异量子材料。

为了解决这个问题，新加坡国立大学的一个研究团队取得了突破，通过在一种奇特的量子材料中创建并直接可视化电子空穴晶体，这种材料被称为莫特绝缘体，由α-氯化钌（III）（α-RuCl）制成3).

这一发现为探索由共存电子和空穴实现的量子激子态开辟了新的可能性，这可能为计算技术的新进展铺平道路，包括内存计算和量子计算。

该团队由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所（I-FIM）的陆炯副教授和NUS I-FIM主任Kostya S. Novoselov教授领导。该研究于2024年6月3日发表在Nature Materials上。

这些史无前例的发现是通过一种称为扫描隧道显微镜（STM）的技术实现的。

STM 是一种强大的工具，它使用量子隧穿在原子水平上创建真实空间图像。但是，它只能研究导电材料，而不能研究绝缘体。

这一限制可以通过将石墨烯与α-RuCl相结合的创新设置来解决，莫特绝缘子。

G/α-RuCl的vdW异质结3用于STM研究。图片来源：Nature Materials（2024）。DOI： 10.1038/s41563-024-01910-3

石墨烯作为由单层碳原子制成的最薄的导电膜，允许电子穿过并揭示其下方莫特绝缘体的电子结构。此外，石墨烯作为一种可调节的电子源，可实现 α-RuCl 的非侵入性和可调掺杂3.

通过STM进行的真实空间成像揭示了在两个能级上两种不同的有序模式，分别称为α-RuCl的下哈伯德带和上哈伯德带能量3，每个都有完全不同的周期和对称性。

通过静电门控调整系统中的载流子密度，研究人员可以直接可视化这些有序的转变。栅极可调谐跃迁的直接可视化强烈表明，这些有序的性质是由电子和空穴组成的晶体造成的，当每个晶胞的电子和空穴数量通过门控改变时，这些晶体会自发地重组。

“通常，当莫特绝缘体被掺杂时，电子之间的强烈相互作用会导致多余的载流子排列成有序的模式。因此，在掺杂的莫特绝缘体中看到新的电荷订购也就不足为奇了。然而，观察到两种不同的顺序同时出现是相当出乎意料的，“卢炯副教授说。

“我们的工作将这一令人惊讶的发现归因于在电子和空穴共存的情况下形成电子-空穴晶体。

在原子水平上直接看到电子空穴晶体，可以以令人难以置信的清晰度揭示它们的形状和结构，从而提供了在过去的介观研究中只能推测性地推断出的见解。这些观察结果突出表明，电子-空穴晶体可能分布不均匀，因为一种类型比另一种类型多。

“展望未来，我们希望探索如何以新的方式使用电信号来控制这些晶体。在掺杂的莫特绝缘体中发现电子空穴晶体可能会导致制造可以在不同状态之间快速切换的材料的新方法，这有可能促进强大计算机的发展。它还开辟了创造新材料的可能性，这些材料可能具有模拟量子物理学等应用，“卢副教授补充道。

更多信息：Zhizhan Qiu 等人，Mott 绝缘体中电子-空穴晶体的证据，《Nature Materials》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41563-024-01910-3

期刊信息： Nature Materials