物理所等在三維單晶中實現(xiàn)電子體系的Anderson局域化

　　半個多世紀前，P. W. Anderson提出無序能引起電子和自旋的局域化。Anderson局域化對物理學領域的若干概念和現(xiàn)象有著廣泛而深刻的影響，如量子霍爾效應、量子臨界點、隨機矩陣理論、無序金屬中電子相互作用等。盡管最初針對電子提出，Anderson局域化本質上是一種波的局域現(xiàn)象，并首先在光子、聲子、冷原子、機械波、物質波以及低維電子等系統(tǒng)中實現(xiàn)。對于三維電子體系，早期大量工作集中在重摻雜半導體中的金屬-絕緣體（MIT）轉變，但其MIT轉變主要與雜質的分立能級向能帶轉變相關，即出現(xiàn)簡并半導體，并不是研究Anderson局域化的理想體系。近來，德國M. Wuttig小組首次在GeSb2Te4多晶中發(fā)現(xiàn)僅由無序導致的MIT轉變，其電子的局域化源于Ge/Sb子晶格中空位的無序分布。但由于其晶粒尺寸較?。?0~20 nm），不便于深入研究晶格無序對于電子局域化的影響。為研究無序對電子體系的影響，在三維單晶中實現(xiàn)電子體系的Anderson局域化，是一個重要的研究課題。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室A02組博士生應天平、T03組博士生顧躍強（導師戴希研究員），研究員陳小龍、副研究員金士鋒，西安交通大學研究員張偉等，通過對金屬母相Fe7Se8進行電子摻雜，并同時誘導系統(tǒng)中鐵的無序占位，成功獲得了厘米級單晶形態(tài)的LixFe7Se8，并觀察到了電子的Anderson局域化現(xiàn)象。首先，Li摻入后粉晶衍射數(shù)據(jù)上母體的超結構峰消失，結構恢復到簡單NiAs結構，表明Li摻雜進入Fe位并破壞了Fe原子的有序排列（圖1a），該現(xiàn)象進一步被x射線單晶衍射、TEM及磁性測量證實。其次，隨著無序度的增加，LixFe7Se8體系發(fā)生MIT轉變，并在低溫電輸運上表現(xiàn)出三維變程躍遷，表明費米面上存在局域態(tài)電子（圖1b）。需要指出電阻率曲線直至2K均未見由T-1/4到T-1/2的變化，即未觀察到 Efros-Shklovskii能隙打開。再次，Anderson絕緣體與其它絕緣體最顯著的區(qū)別在于費米面處存在大量局域化的電子，比熱和紅外光譜數(shù)據(jù)證實LixFe7Se8絕緣樣品存在很大的態(tài)密度（圖 1c、d）。最后，定量分析載流子濃度、遷移率及初步的態(tài)密度計算均支持LixFe7Se8為Anderson絕緣體，并且在MIT轉變點附近，其載流子濃度和局域化長度的關系明顯偏離Mott判據(jù)。

　　以上現(xiàn)象可以通過DOS隨不同無序程度的演化示意圖解釋（圖2）。Fe7Se8中摻入Li具有兩個作用：電子摻雜及引入Fe/Li/空位占位無序。電子摻雜將略微抬高費米面；無序則在帶尾產(chǎn)生局域態(tài)，并形成遷移率邊。當遷移率邊越過費米面時，隨即發(fā)生MIT轉變。圖3給出了更為普適的載流子濃度與無序程度相圖，有助于人們發(fā)現(xiàn)更多的Anderson絕緣體。該圖說明，適中的載流子濃度以及較高的無序程度容易誘導出Anderson絕緣體。這是首次在大塊單晶中實現(xiàn)電子體系Anderson局域化的報道，該成果為研究無序及MIT轉變研究提供了一個新的研究平臺，對該體系的研究將加深人們對無序材料中電子行為的認識。

　　相關研究結果發(fā)表在近期的Science Advances上【Anderson localization of electrons in single crystals: LixFe7Se8. Sci. Adv. 2, e1501283 (2016)】。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金委（51532010，51472266，91422303，51202286)、科技部和中科院先導B項目（XDB07020100）以及ICDD的資助。

　　文章鏈接

    圖1. (a) Li的引入對Fe7Se8超結構峰的抑制。(b) 電阻率隨溫度變化曲線，其低溫電輸運行為符合3D變程躍遷（variable range hopping）機制。(c) 索末菲系數(shù)γ隨不同Li摻雜量的變化。(d) Li0.89Fe7Se8的光電導譜實部。

    圖2. 態(tài)密度隨無序程度的變化關系示意圖。左圖為未摻雜金屬相，中間為MIT發(fā)生的臨界點，右圖為Anderson絕緣體。

圖3. 載流子濃度與無序程度的相圖，橫縱坐標分別為無序程度和載流子濃度。