北京
在没有相互作用或者只存在弱相互作用的体系中，能带理论能够很好地描述材料的电子结构，并据此区分金属（部分填充）和绝缘体（全空或全满）。然而，这种理解并不完整，因为多体相互作用可能导致能带理论的失效，典型案例即为Mott绝缘体。在能带理论中，半填充的能带应表现为金属态。然而，由于强电子-电子相互作用，实际上呈现为绝缘态，即Mott绝缘体。
图1 α-Nb₃Cl₈中的单轨道成分的半填充平带
从Mott绝缘体出发，可以引发许多有趣的强关联物理现象，如高温超导、量子自旋液体和巨磁阻效应等。理解Mott物理的最基础模型是单带Hubbard模型，该模型仅考虑由单轨道构成的单带上的电子。然而，实际Mott绝缘体材料中的低能激发通常很复杂，使得实验验证和理论分析都面临挑战和争议。因此，寻找具有最简单自由度的Mott绝缘体对Mott物理的理论和实验研究具有重要意义。
图2 角分辨光电子能谱和光致发光谱实验确定费米能级处的带隙
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX7组钱天研究员、T03组翁红明研究员、HM01组石友国研究员、L04组李运良副研究员、T06组蒋坤特聘研究员、SF10组孟胜研究员、A06组杨槐馨研究员、中国人民大学雷和畅教授等合作，指导博士生高顺业、张帅、王翠香、闫少华等，在“呼吸型”Kagome结构的范德瓦尔斯材料Nb3Cl8中明确发现了这类Mott绝缘体，可用单带Hubbard模型完美描述。
图4 电子结构从高温α相到低温β相的变化
在高温相（α相），层间耦合可以忽略不计。不考虑电子关联效应的单粒子近似下的理论计算显示，在费米能级处存在一支半填充的平带。在平带中电子动能被强烈抑制，在电子？电子相互作用下平带劈裂成上下Hubbard带，费米能级位于它们之间。由于这支源自单轨道的半填充能带孤立于其他能带， α-Nb 3Cl 8是单带Hubbard模型的理想实现。随着温度的降低，体态发生结构相变（β相），层间耦合显著增强，导致Hubbard带发生成键？反键劈裂，从顺磁态转变成非磁态，但系统的绝缘行为仍然由Mott物理主导。这一发现为研究Mott物理及其诱导的关联电子态提供了简单而重要的模型系统，有助于增强我们对相关物理现象的理解，并具有未来技术应用的潜力。
该研究工作近期发表在【Physical Review X 13, 041049 (2023)】上，高顺业、张帅、王翠香、闫少华为共同一作，钱天、翁红明、石友国和雷和畅为通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等项目以及怀柔综合极端条件实验装置、上海光源、合肥强磁场的支持。
编辑：7号机
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