2023年6月21日，武汉量子技术研究院付英双研究员和华中科技大学、美国伦斯勒理工大学合作的最新研究成果在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志在线发表，文章题为《在单层过渡金属卤化物中操纵单电子》（Manipulating single excess electrons in monolayer transition metal dihalide）。

极化子作为单个电子和晶格畸变相互作用而形成的准粒子，在电荷输运、巨磁电阻、高温超导以及热电和多铁效应等物理过程中具有重要作用。目前其研究主要通过量子电输运、角分辨光电子能谱以及电子共振谱等宏观测量手段。在微观尺度上通过具有原子级分辨扫描隧道显微谱学研究单个极化子的性质对于理解电－声物理作用机制具有重要作用，但是很难实现。这是由于极化子通常出现在极性较大的绝缘性离子晶体中，但是其大的能隙使得离子晶体不导电，从而无法用扫描隧道谱手段研究。基于此，研究人员创新性使用分子束外延方法在高定向热解石墨（HOPG）衬底上长出了具有较大极性的过渡金属二卤化物CoCl₂单层薄膜。HOPG衬底与单层薄膜相互作用很弱，既不影响单层膜的本征性质又允许电子隧穿从而可以用扫描隧道谱表征。研究团队在单层CoCl₂中发现了多种极化子，具有不同的微观形貌，晶格占位以及极化子态特征。他们通过施加不同极性和大小的偏压，实现了不同种类极化子有效和可控的操纵，包括单个极化子的产生、移动、擦除以及不同类型的相互转化（图1，图2）。第一性原理计算给出了不同种极化子的稳定结构和与实验一致的微观形貌。最后，根据大量的实验统计，他们发现这些操纵的驱动机制是扫描隧道显微镜针尖电场效应和电子的非弹性隧穿效应的共同作用（图3）。他们还将这种单极化子的操纵推广到其他过渡金属二卤化物体系FeCl₂中，证明极化子在该类材料中普遍存在，这对在微观尺度下研究单极化子提供了思路。

图1：极化子的产生、擦擦、移动和转化。

图2：通过操纵单极化子摆成的“华中科技大学”英文缩写“HUST”。

图3：极化子的操纵机制。

付英双团队近年来致力于单电子控制关联效应的研究，本工作是继他们通过单电子调控发现Hubbard类型的库伦阻塞效应【National Science Review 10, nwac210 (2023)】]，和通过摩尔条纹调控单分子电荷转移【Nature Communications 13, 6388 (2022)】后的又一重要进展。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39360-1