Leta 1934 je teoretični fizik Eugene Wigner predlagal obstoj nove vrste kristala.
Če bi gostoto negativno nabitih elektronov lahko ohranili pod določeno ravnjo, bi lahko subatomske delce zadrževali v ponavljajočem se vzorcu in ustvarili elektronski kristal; ta ideja je postala znana kot Wignerjev kristal.
Vendar je veliko lažje reči kot narediti. Elektroni so sitni in jih je izredno težko prisiliti, da ostanejo na mestu. Vendar je to zdaj dosegla skupina fizikov – tako, da so med dvema 2D polprevodniškimi volframovimi plastmi zaprli majhne lasnice.
Navadni kristali, kot so diamanti ali kremen, nastanejo iz mreže atomov, ki tvorijo fiksno, tridimenzionalno, ponavljajočo se mrežno strukturo. Po Wignerjevi ideji bi bili elektroni lahko razporejeni na podoben način, da tvorijo trdno kristalno fazo, vendar le, če bi bili elektroni mirujoči.
Če je gostota elektronov dovolj majhna, Coulomova odbojnost med elektroni z enakim nabojem ustvari potencialno energijo, ki mora prevladovati v kinetični energiji, tako da elektroni ostanejo mirujoči. To je težava.
'Elektroni so kvantno mehanski. Tudi če z njimi ničesar ne storite, oni ves čas spontano oklevajo, '' je dejal fizik Keen Fay Mak z univerze Cornell.
“Kristal elektronov bi se dejansko nagnil k taljenju, ker je tako težko obdržati elektrone v fiksni strukturi.”
Zato se poskusi ustvarjanja Wignerjevih kristalov zanašajo na nekakšno elektronsko past, kot so močna magnetna polja ali enoelektronski tranzistorji, vendar fiziki še niso uspeli popolne kristalizacije. Leta 2018 so znanstveniki MIT-a, ki so poskušali ustvariti vrsto izolatorja, namesto tega ustvarili Wignerjev kristal, vendar so njihovi rezultati pustili prostor za razlago.
(Oddelek za fiziko UCSD).
Pasti MIT je bila grafenska struktura, znana kot moiré superrattice, kjer se dve dvodimenzionalni mreži prekrivata z rahlim zasukom in se pojavijo večji, pravilni vzorci, kot je prikazano na zgornji sliki.
Zdaj se je Cornellova ekipa, ki jo je vodil fizik Yang Xu, lotila bolj ciljno usmerjenega pristopa z lastno moire super rešetko. Za svoja dva polprevodniška sloja so uporabili volframov disulfid (WS2) in volframov diselenid (WSe2), posebej pridelane na univerzi Columbia.
Ko so te plasti naložene, so tvorile šesterokotni vzorec, ki znanstvenikom omogoča nadzor nad povprečno gibljivostjo elektronov na katerem koli območju moiréja.
Naslednji korak je bil, da smo elektrone previdno postavili na določena mesta v rešetki z uporabo izračunov za določitev stopnje polnjenja, pri katerem bi različni položaji elektronov tvorili kristale.
Zadnja težava je bila, kako dejansko ugotoviti, ali so njihove napovedi pravilne z opazovanjem Wignerjevih kristalov ali njihove odsotnosti.
“Če želite ustvariti elektronski kristal, morate ustvariti prave pogoje, hkrati pa se odzivajo na zunanje vplive,” je dejal Mack.
„Potrebujete dober način za njihovo raziskovanje. Ne pretiravajte jih s preučevanjem. '
Ta problem je bil rešen z uporabo izolacijskih plasti heksagonalnega borovega nitrida. Optični senzor je bil postavljen zelo blizu (vendar se ne dotika) vzorca, na razdalji le enega nanometra, ločen s plastjo borovega nitrida. To je preprečilo električno komunikacijo med sondo in vzorcem, hkrati pa ohranilo dovolj bližine za visoko občutljivost zaznavanja.
Znotraj moireve superrešetke so elektroni razporejeni v različnih kristalnih konfiguracijah, vključno s trikotnimi Wignerjevimi kristali, progastimi fazami in dimeri.
Ta dosežek je pomemben ne le za preučevanje elektronskih kristalov. Pridobljeni podatki kažejo neizkoriščen potencial moiréevih superrešetk za raziskave na področju kvantne fizike.
“Naša študija,” so v svojem prispevku zapisali raziskovalci, “postavlja temelje za uporabo moiréevih superrešetk za modeliranje kvantnih večtelesnih problemov, ki jih opisuje dvodimenzionalni razširjeni Hubbardov model ali spinski modeli z naboji na dolgi razdalji – medsebojni naboj in izmenjava.”
Raziskava je objavljena v reviji Nature.
Viri: Foto: Izolacijska stanja v superrešetki, v kateri so elektroni. (Xu et al., Nature, 2020).
