近日，上海交通大学李政道研究所青年学者严智明与英国圣安德鲁斯大学Peter Wahl教授团队和Phil D. C. King 教授团队、意大利CNR-SPIN的Silvia Picozzi教授团队、德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所Andrew Mackenzie教授团队在Nature Communications上共同发表题为 “Avoided metallicity in a hole-doped Mott insulator on a triangular lattice” 的研究论文，揭示了被掺杂的莫特绝缘表面可通过电荷歧化（charge disproportionation）形成一种与块体中的莫特绝缘态截然不同的绝缘基态。
掺杂莫特绝缘体可导致高温超导和电荷、自旋以及轨道序等涌现态的形成。然而，能够很好理解其进化的物理学却知之甚少。在该论文中，严智明等人通过扫描隧道显微（STM）、角分辨光电子能谱学（ARPES）和密度泛函理论（DFT）研究了反铁磁金属材料铜铁矿（delafossite）PdCrO2的莫特绝缘CrO2表面，其固有的极性突变为表面掺杂提供了一条干净的途径（图一a）。
图一：a，PdCrO2两个极性表面（Pd 和 CrO2）发生的表面掺杂效应示意图；b-d，从两个极性表面获得的STM（b）和ARPES（c-d）数据。
通过实验，严智明等人观测到PdCrO2的Pd和CrO2两个极性面存在的证据（图一、b-d），并在CrO2表面观测到一个邻近费米能级（EF）、大小约500meV的绝缘能隙（图二），这与预期有所不同。
图二、a-e，PdCrO2两个极性面的ARPES实验数据；f-g，在 CrO2面出现大小约500meV的能隙的ARPES（f）和STM/S（g）实验证据；h， CrO2面在低能量、低电流时的STM表面形貌图；插图，对应高能量时的表面形貌图。i，对应（h）的傅里叶变换。
去进一步探索该能隙的起源，严智明等人在低偏压、低隧穿电流条件下对CrO2表面进行STM表征，并发现在邻近EF时，该面出现一个短程有序态（见图二、h-i）。基于实验发现，论文合作者Srdjan Stavrić博士采用了周期性为√7×√7的超级晶胞（晶胞中 4个Cr原子自旋向上，3个Cr原子自旋向下）来建模并对CrO2的表面电子结构进行计算。结果显示，通过电荷歧化（charge disproportionation），该短程有序态的形成会使表面出现两种不同类型的Cr原子（CrA和CrB），两者有着不同的Bader电荷、自旋磁矩和垂直位移（图三）。
图三、a，块状PdCrO2的投射态密度（PDOS）。计算时采用了周期性为√7×√7的超级晶胞，其中 4个Cr原子自旋向上，3个Cr原子自旋向下；b，计算结果显示，经过松弛，部分Cr原子的垂直位移高达~0.1Å，同时表面存在两种不同类型的Cr原子；c，CrO2表面的PDOS。EF处的态来自亚表面Pd层，而Cr态的间隙约为0.2 eV；插图，较窄能量范围内CrA和CrB的PDOS。
另外，在微弱外力的干扰下，该短程有序态会随着时间演化，从而展示其像玻璃一样的特性（图四）。
图四、a-d，时间相关的STM形貌图数据展示出CrO2面的短程有序态在微弱外力的干扰下随着时间的演化；e-g，对应的差分图像；h，显示基态演化时间特征的方差-时间图
上海交通大学李政道研究所严智明为论文的共同第一作者（STM实验）兼共同通讯作者，其他共同第一作者包括圣安德鲁斯大学博士后Gesa-R. Siemann（ARPES实验）和CNR-SPIN博士后Srdjan Stavrić（理论计算），其他共同通讯作者包括英国圣安德鲁斯大学Peter Wahl教授和Phil D. C. King教授、和意大利CNR-SPIN Silvia Picozzi 教授。本工作得到上海市科委和上海交通大学的资助。
