α-RuCl3作为最接近Kitaev量子自旋液体模型的候选材料正得到广泛关注与研究。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）联合北京大学、中国人民大学等单位利用扫描隧道显微镜系统对α-RuCl3/石墨烯异质结中α-RuCl3的电子态进行了系统研究，在层状α-RuCl3中观测到从莫特-哈伯德绝缘体到电荷转移绝缘体的相变。并且发现当α-RuCl3从MI进入CTI后会出现一种新型非公度电荷序（。理论分析认为CTI相中的电荷跃迁所导致的铁电极化与异质结界面电场的相互作用是形成非常规电荷序的直接原因。2024年9月03日，相关研究成果以“Incommensurate Charge Super-modulation and Hidden Dipole Order in Layered Kitaev Material α-RuCl3”为题发表在《自然通讯》上。

20世纪初，Alexei Kitaev在研究容错量子计算时发现非阿贝尔任意子能够实现拓扑量子计算，并提出了存在非阿贝尔任意子激发的Kitaev蜂窝晶格模型。该模型基态为量子自旋液体，因此又被称为Kitaev自旋液体模型。研究发现层状范德华材料α-RuCl3的晶格具备Kitaev模型的参数指征，被认为是研究Kitaev物理最理想的平台之一。过去一系列基于α-RuCl3的磁性谱学及热输运实验都给出了其存在分数化量子激发(Majorana费米子及具有非阿贝统计的Majorana束缚态)的实验证据，极大的激发了对该材料的研究热情。然而关键实验结果仍存在争议。且Kitaev材料中的量子激发呈现电中性，不能直接通过电学方法实现观测与调控，严格制约电学测量技术在该体系中的应用，更会阻碍Kitaev材料以后基于电学平台开发量子技术。随着越来越多的理论物理学家开始思考相关电学测量与调控理论并提出一系列可行的实验方案，Kitaev材料的电学性质在实验物理领域也逐渐被关注。α-RuCl3的电子学性质，尤其是如何实现其Mott绝缘体性质的调制也成为了该体系的一项研究重点。

量子院Katsumi Tanigaki教授领导的拓扑和二维材料团队联合合作者在该领域较早开始关注α-RuCl3的Mott性质，并基于扫描隧道显微镜（STM/STS）对其电子性质开展实验研究，前期已经取得了一系列研究成果。包括在表面电子态测量中发现了其体态的Mott能隙在2 eV左右，远远超过之前光学测量中推测的1.2 eV，为强Mott态。同时发现少数层的α-RuCl3薄膜在石墨或者石墨烯衬底上呈现出从大Mott能隙向小电荷能隙的非常规Mott转变（Physical Review B, 2023, 107: 195107）；在单层α-RuCl3与石墨构成的异质结中发现了α-RuCl3的细微晶格应变能够通过调制异质结中的电荷转移实现α-RuCl3绝缘体-金属的Mott相变（Physical Review B, 2024, 109: 035106）。

本项工作的主要发现为α-RuCl3/石墨异质结界面的极化电场会使得临近α-RuCl3层中Cl3p轨道得到有效调制并进入Mott能隙中，从而诱导α-RuCl3从MI到CTI的转变，对前期观测到的非常规Mott相变有了更清晰的理解。同时又发现当α-RuCl3进入CTI相后，电子会在不同轨道自由度中得到重新分布，从而导致α-RuCl3出现铁电极化现象。由于界面极化场及薄膜中铁电偶极矩的相互作用，使得在临近异质结界面的α-RuCl3中观测到了一种全新的非公度电荷序。此电荷序的出现反映了在α-RuCl3中存在强的电荷-自旋以及轨道自由度的内在关联，这种多自由度的关联不仅对以电子通道探测α-RuCl3奇异的自旋量子激发提供了理论依据以及可能途径，更有可能导致Kitaev材料中出现拓扑超导行为。

 

该论文第一作者为量子院助理研究员郑晓虎，通讯作者为量子院郑晓虎、人民大学物理学院刘正鑫教授以及北京大学量子材料科学中心杜瑞瑞教授，共同作者还包括物理所博士研究生张翠伟、石友国研究员、量子院助理研究员周花雪、杨崇立以及Katsumi Tanigaki教授。该工作得到国家重点研发计划、量子科学与技术创新计划、以及国家自然科学基金委，北京怀柔综合极端条件实验装置微纳加工实验室的支持。