La transition métal-isolant (MIT) entraînée par les interactions à plusieurs corps est un phénomène important en physique de la matière condensée. Des phases exotiques émergent toujours autour des points de transition métal-isolant où les fluctuations quantiques résultent d'une compétition entre spin, charger, orbital, et degrés de liberté du réseau. Les matériaux bidimensionnels (2D) sont une grande classe de matériaux. Leur structure simple, faible dimensionnalité, et la densité de porteurs hautement réglable en font une plate-forme idéale pour explorer des phases exotiques. Cependant, les interactions à plusieurs corps sont normalement faibles dans la plupart des matériaux 2D, Par conséquent, les phénomènes liés à la corrélation attirent peu l'attention dans les études de matériaux 2D pendant une longue période. Récemment, les gens ont découvert que les interactions à plusieurs corps peuvent être améliorées dans les hétérostructures 2D ou les structures 2D plissées artificiellement. Des phénomènes liés à la corrélation ont été trouvés dans de nombreux systèmes intéressants, comme LaAlO 3 /SrTiO 3 , graphène bicouche torsadé, etc.

Le groupe de Zhang Yan au Centre international des matériaux quantiques (ICQM) de l'Université de Pékin rapporte la découverte d'une transition métal-isolant exotique dans un dichalcogénure de métal de transition dopé en surface 2H-MoTe 2 utilisant la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire à haute résolution (ARPES) et le dépôt de métaux alcalins en surface in situ. Ils ont découvert que la transition métal-isolant pouvait s'expliquer par une localisation des polarons due au fort couplage électron-phonon qui est amélioré à la surface de l'échantillon. Ce travail intitulé "Transition métal-isolant et phase émergente à écartement dans le semi-conducteur 2-D dopé en surface 2H-MoTe 2 " a été publié dans Lettres d'examen physique [Phys. Rév. Lett. 126, 106602 (2021)] le 12 mars, 2021. Zhang Yan est l'auteur correspondant et Han Tingting, un doctorant en ICQM en est le premier auteur.

Les expériences ont été menées dans un système ARPES auto-construit à l'Université de Pékin et sur la ligne de faisceau BL03U dans l'installation de rayonnement synchrotron de Shanghai (SSRF). En utilisant la technique de dépôt de surface, Le groupe de Zhang Yan a créé une interface métal-semi-conducteur 2D entre les couches de surface et de masse en 2H-MoTe 2 . Généralement, lorsque des porteurs sont remplis dans les bandes de conduction d'un semi-conducteur, le potentiel chimique augmente et les bandes conductrices se déplacent de manière rigide vers une énergie de liaison plus élevée. Cependant, à la surface du 2H-MoTe 2 , les chercheurs ont découvert que les bandes de conduction subissent de multiples transitions avec le dopage du porteur à travers l'état métallique, phase interrompue, état de l'isolant, et mauvais état métallique. Une telle évolution de la structure électronique ne peut pas être expliquée par le changement de potentiel chimique ou la dégradation de surface, suggérant l'existence d'une transition métal-isolant exotique à la surface du 2H-MoTe 2 .

Une étude plus approfondie a révélé que la surface du 2H-MoTe 2 présente un diagramme de phase compliqué, qui ressemble aux diagrammes de phase d'une transition de phase quantique entraînée par des interactions à plusieurs corps. Pendant ce temps, l'analyse spectrale détaillée résout l'existence de bandes de réplique qui est normalement considérée comme une empreinte digitale d'un fort couplage électron-phonon. Combiné avec la renormalisation énergétique observée des spectres et l'évolution de la dispersion des bandes, les chercheurs concluent que le couplage électron-phonon est fortement amélioré à la surface du 2H-MoTe 2 . Les électrons sont habillés par des excitations de réseau, formant des polarons. Les polarons se localisent alors par diffusion d'impuretés ou de désordre, qui entraîne la transition métal-isolant observée.

Ce travail démontre comment une transition métal-isolant compliquée pourrait se produire à la surface d'un simple semi-conducteur bidimensionnel. D'un côté, les résultats mettent en évidence le 2H-MoTe dopé en surface 2 comme matériau candidat fort pour la réalisation d'isolant polaronique, état étendu polaronique, et la supraconductivité à haute Tc. D'autre part, les expériences montrent que le dépôt de métal alcalin en surface peut améliorer les interactions à plusieurs corps dans les semi-conducteurs bidimensionnels, qui ouvre une nouvelle voie pour explorer les phénomènes liés à la corrélation dans les matériaux bidimensionnels. Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le programme national clé de recherche et de développement de la Chine.