In een materiaal gemaakt van twee dunne kristallagen die lichtjes gedraaid zijn ten opzichte van elkaar, onderzoekers van ETH hebben het gedrag van sterk op elkaar inwerkende elektronen bestudeerd. Als je dat doet, ze vonden een aantal verrassende eigenschappen.

Veel moderne technologieën zijn gebaseerd op speciale materialen, zoals de halfgeleiders die belangrijk zijn voor computers, waarbinnen elektronen min of meer vrij kunnen bewegen. Hoe vrij die elektronen precies zijn, wordt bepaald door hun kwantumeigenschappen en de kristalstructuur van het materiaal. Meestal bewegen ze onafhankelijk van elkaar. Onder bepaalde omstandigheden, echter, sterke interacties tussen de elektronen kunnen aanleiding geven tot bepaalde verschijnselen. supergeleiders, waarin elektronen paren om elektrische stroom te geleiden zonder weerstand, zijn een bekend voorbeeld.

Aan het Instituut voor Quantum Elektronica in Zürich, ETH-hoogleraar Ataç Imamoğlu onderzoekt materialen met sterk interagerende elektronen. Hij wil het gedrag van de elektronen in die materialen beter begrijpen en zoekt naar onverwachte eigenschappen die interessant kunnen zijn voor toekomstige toepassingen. In een "gedraaid" materiaal, hij en zijn medewerkers hebben nu enkele verrassende ontdekkingen gedaan met betrekking tot het gedrag van elektronen, zoals ze rapporteren in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Moiré patroon in een kristal

Om op een gecontroleerde manier sterke interacties tussen elektronen te creëren, De onderzoeksgroep van Imamoğlu gebruikte flinterdunne plakjes gemaakt van lagen van een molybdeendiselenidekristal van slechts één atoom dik. Dergelijke plakjes zijn ook bekend als tweedimensionale materialen, omdat elektronen erin slechts vrij in één vlak kunnen bewegen. Die eigenschap alleen al brengt al een groot aantal verrassende eigenschappen met zich mee, zoals die worden waargenomen in grafeen, die ook tot de klasse van tweedimensionale materialen behoort.

Dingen worden nog interessanter, echter, wanneer twee van dergelijke plakjes op elkaar worden gelegd met hun kristalrichtingen licht gedraaid. Dit leidt tot een effect dat bekend is van de televisie:als iemand een stropdas of jurk draagt ​​van een geruite of gestreepte stof, soms verschijnen er vreemde patronen op het scherm. Deze worden ook wel moiré-patronen genoemd.

Iets soortgelijks gebeurt in de materialen van Imamoğlu. Door de twist tussen de twee schijfjes ontstaat een soort moiré-kristalrooster dat neerkomt op een fictief kristal met atomen die verder uit elkaar staan ​​dan normaal. Zo'n kristal heeft een veel zwakkere invloed op de beweging van de elektronen, wat betekent dat de interacties tussen de elektronen in vergelijking belangrijker worden.

Verrassende eigenschappen

"Denken 'meer is beter, ' we hebben bovendien een dunne laag van een ander materiaal tussen de molybdeendiselenide-plakjes geplaatst, " zegt Yuya Shimazaki, leidende postdoc in de groep van Imamoğlu. Dat plakje boornitride zorgt ervoor dat, hoewel de twee gedraaide plakjes heel dicht bij elkaar liggen, elektronen kunnen er niet heen en weer tunnelen. Door een elektrische spanning op het materiaal aan te leggen, kan men dan precies bepalen hoeveel elektronen er in aanwezig zijn. Eindelijk, om uit te zoeken hoe de elektronen in dit sandwichmateriaal bewegen, de onderzoekers verlichtten het met laserlicht, waardoor de elektronen worden opgewonden.

"Ons materiaal stelt ons in staat om de elektronen met optische middelen te bestuderen, " legt Imamoğlu uit. "Dat is een groot voordeel ten opzichte van andere 2D-materialen zoals grafeen." veel verbijsterende eigenschappen van de elektronen kunnen worden afgeleid. Wat de natuurkundigen het meest verraste, was het gedrag van hun materiaal toen het net zoveel elektronen bevatte als er roosterplaatsen waren in de moiré-patronen van de twee plakjes.

In dat geval zogenaamde Mott-isolatortoestanden, waarin precies één elektron een roosterplaats inneemt, verscheen in beide plakjes. Die toestand was nogal eigenaardig omdat de Mott-isolatortoestanden elkaar stabiliseerden, zodanig dat zelfs sterke externe elektrische velden ze niet konden verplaatsen en er dus geen stroom vloeide. "Dat is de eerste keer dat dergelijk gedrag werd waargenomen, " zegt Imamoglu.

Ideaal materiaal voor toekomstig onderzoek

Het nieuwe materiaal maakt de weg vrij voor een reeks verdere opwindende onderzoeken. Het is ideaal voor gecontroleerde experimenten met sterk op elkaar inwerkende elektronen. Door de boornitridelaag en de hoek tussen de molybdeendiselenideschijfjes kunnen de onderzoekers de eigenschappen van het materiaal en de sterkte van de interacties veranderen. Hierdoor kunnen ze complexe fysische processen bestuderen die moeilijk te realiseren zijn in andere materialen.