研究者在MoSe2镜像畴界中，发现Hubbard型库伦阻塞效应

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近日，华中科技大学付英双教授团队与南京大学李建新教授团队等合作，利用光谱成像扫描隧道显微镜测量发现，在单层和双层MoSe2镜像畴界中存在一种Hubbard型的库伦阻塞效应。这种新型效应驱动一维畴界的电子态进入两种不同类型的关联绝缘基态，这两种基态中包含的电子数具有不同奇偶性。研究者通过扫描隧道显微镜针尖向畴界施加脉冲，发现能够可控调节畴界中的电子数量，实现两种基态之间的可逆切换。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

首先，研究人员通过分子束外延技术，在石墨烯衬底上生长出具有一维镜像畴界的单层与双层MoSe₂薄膜。通过扫描隧道显微镜测量发现，一维镜像畴界具有金属态，并且由于一维畴界的长度有限，电子态会受到量子限制效应，导致出现分立能级。

图1 MoSe₂畴界的形貌和电子结构。 (a) 畴界的扫描隧道显微镜像。单层和双层畴界分别用黄色和黑色箭头标出。(b) DFT计算畴界的电子态密度(红色曲线)和实验测量的扫描隧道谱(黑色曲线)。插图:畴界原子结构的俯视图和侧视图。黑色箭头表示畴界位置。(c) 单层畴界放大后的扫描隧道显微镜像。(d) 沿(c)中黑线的二维电导图。(b)中的扫描隧道谱为(d)中矩形区域的平均值。

研究发现了两类具有不同基态的畴界，研究者根据它们在费米面上下的两个分立能级在实空间的相位振荡关系，将它们分别定义为同相态畴界和反相态畴界。施加适当的针尖脉冲，可以实现同一个畴界在两种状态之间的相互转换。

图2 同一根畴界的不同基态。 (a-c) 图1(c)所示同一根畴界的二维电导图，显示出不同的基态。每个离散能级的节点数（白色箭头所示）用红色数字标记。

通过构建理论模型，研究者发现上述两种状态均来源于由库伦效应驱动的关联绝缘态，而且库伦作用的强度由畴界长度决定。当费米面处于两个不同波矢的量子阱态之间时，其能级间隔增大，变成库伦能与量子阱受限能级间隔之和；当费米面处于一个量子阱态时，该能级被库伦能自旋劈裂，形成单电子占据，劈裂大小即为库伦能。

利用针尖脉冲，可以调节畴界上的电子填充数目，从而实现两类关联绝缘态以及相应自旋状态的可控调控。第一性原理计算发现，针尖脉冲注入畴界的电子通过晶格驰预的类极化子方式稳定下来。

由于该库伦能不同于经典的长程作用，而属于短程的Hubbard型库伦作用，并与经典库伦阻塞效应有相似的表达式，研究者将其称为Hubbard型库伦阻塞效应。