Nieuw fysiek gedrag, zoals Mott isolatiegedrag, onconventionele supergeleiding en kwantumspinvloeistofgedrag, treedt op wanneer elektronen in een materiaal met elkaar interageren. Wanneer elektronen beperkt zijn tot lagere dimensies zoals 2D-vlakken, deze effecten kunnen nog sterker worden.

Geïnspireerd door deze observaties, onderzoekers van UC Berkeley, het Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanford universiteit, en andere universiteiten over de hele wereld hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar het unieke gedrag van tweedimensionale 1T-TaSe ₂ . hun papier, te zien in Natuurfysica , geeft aan dat elektronencorrelaties in dit materiaal resulteren in een robuuste Mott-isolatortoestand die gepaard gaat met een ongebruikelijke orbitale textuur.

"Er is lang aangenomen dat het grootste deel (d.w.z. 3-D) materialen 1T-TaSe ₂ en 1T-TaS ₂ vertonen nieuw gedrag dat voortkomt uit elektron-elektron interacties, "Michael F. Crommie, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een uitdaging om deze klasse materialen te begrijpen, echter, is dat ze zijn gemaakt van stapels 2D-lagen en de koppeling tussen de lagen vertroebelt het beeld van wat er binnen de lagen gebeurt."

Om deze uitdaging te overwinnen en in de hoop nieuw gedrag te ontdekken, Crommie en zijn collega's besloten een kristal van 1T-TaSe . te verdunnen ₂ tot enkellaagse dikte, zodat interacties tussen de verschillende lagen niet langer een probleem zouden zijn. Dit zou hen in staat stellen om de rol van tussenlaagkoppeling te isoleren door lagen één voor één weer toe te voegen, terwijl veranderingen in het gedrag van het materiaal worden gevolgd.

"Om dit spelplan te volgen, we groeiden enkele lagen en stapels met enkele lagen van 1T-TaSe ₂ en gekarakteriseerd hoe de elektronen binnenin zich gedragen door gebruik te maken van de experimentele technieken van scanning tunneling microscopie (STM) en hoek-opgeloste foto-emissie (ARPES), Crommie legde uit. "Hierdoor konden we bepalen dat eenlaags 1T-TaSe ₂ is een nieuw type isolator genaamd een Mott-isolator, en dat dit gedrag wordt gedoofd door tussenlaagkoppeling naarmate er meer lagen aan een stapel worden toegevoegd."

Een deel van het onderzoeksteam van de Advanced Light Source (ALS) van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), onder leiding van natuurkundigen Zhi-Xun Shen en Sung-Kwan Mo, groeide enkellaagse en enkele laagmonsters van 1T-TaSe ₂ met behulp van een methode die moleculaire bundelepitaxie wordt genoemd. Deze methode bestaat in wezen uit het afzetten van tantaal en selenium uit atoomstralen op een substraat dat wordt verwarmd om de vorming van atomair dunne kristallen te induceren.

"De atomair dunne kristallen werden voor het eerst ondervraagd bij de ALS door Shen en Mo's groepen met behulp van ARPES, een methode waarbij röntgenstralen op het materiaal schijnen en de energie en het momentum van de elektronen worden gemeten die eruit worden geschopt, Crommie legde uit. "De monsters werden vervolgens naar de campus van UC Berkeley gebracht en gekarakteriseerd door mijn onderzoeksgroep met behulp van STM. In STM, een scherpe metalen naald scant het kristaloppervlak en trekt elektronen naar buiten met verschillende energieën om direct in beeld te brengen hoe elektronen zich op atomaire schaal rangschikken."

Deze gezamenlijke onderzoeksinspanning waarbij teams van meerdere instellingen betrokken waren, leidde tot een reeks opwindende resultaten. Eerst, de waarnemingen verzameld door Crommie en zijn collega's bepaalden dat enkele lagen van 1T-TaSe ₂ vormen een nieuw 2D Mott-isolatiesysteem. Tweede, ze gaven waardevol inzicht in een deel van het unieke gedrag van het systeem.

"Ons werk zorgt voor eenlaagse 1T-TaSe ₂ als een nieuwe 2-D Mott-isolator, "Yi Chen, zei een van de co-eerste auteurs van het artikel. "Dit resulteert erin dat de elektronen in dit materiaal zichzelf rangschikken in nieuwe ruimtelijke patronen, of texturen, die nog nooit eerder zijn gezien. We hebben ook de rol van tussenlaagkoppeling in 1T-TaSe . verduidelijkt ₂ en stelde vast dat dit het minder isolerend maakt en de effecten van elektron-elektron-interacties vermindert."

Naast het verdiepen van het huidige begrip van 1T-TaSe ₂ materialen en hun eigenschappen, de bevindingen verzameld door Crommie en zijn collega's kunnen de weg vrijmaken voor de ontdekking van unieke nieuwe toestanden van materie. De onderzoekers zijn nu van plan om verder onderzoek uit te voeren naar andere eigenschappen of gedragingen van 1T-TaSe ₂ materialen.

"We zijn verheugd om andere exotische toestanden van materie te verkennen die kunnen voorkomen in deze nieuwe 2-D Mott-isolator, zoals kwantumspinvloeistoftoestanden en onconventionele supergeleiding, Crommie zei. "We zullen proberen het te karakteriseren en zijn eigenschappen verder te manipuleren door het in nieuwe elektrische apparaten op te nemen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk