Als rusteloze kinderen poseren voor een familieportret, elektronen zullen niet lang genoeg stil blijven staan ​​om in een vaste opstelling te blijven.

Cornell-onderzoekers stapelden tweedimensionale halfgeleiders op elkaar om een ​​moiré-superroosterstructuur te creëren die elektronen opsluit in een herhalend patroon, uiteindelijk het vormen van het lang veronderstelde Wigner-kristal.

Nutsvoorzieningen, een door Cornell geleide samenwerking heeft een manier ontwikkeld om tweedimensionale halfgeleiders te stapelen en elektronen te vangen in een herhalend patroon dat een specifiek en lang gehypothetiseerd kristal vormt.

De krant van het team, "Gecorreleerde isolerende staten bij fractionele vullingen van Moiré-superroosters, " gepubliceerd op 11 november in Natuur . De hoofdauteur van het artikel is postdoctoraal onderzoeker Yang Xu.

Het project is voortgekomen uit het gedeelde lab van Kin Fai Mak, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, en Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering, co-senior auteurs van het papier. Beide onderzoekers zijn lid van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science; ze kwamen naar Cornell via het initiatief Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) van de provoost.

Een kristal van elektronen werd voor het eerst voorspeld in 1934 door theoretisch natuurkundige Eugene Wigner. Hij stelde voor dat wanneer de afstoting die het gevolg is van negatief geladen elektronen - Coulomb-afstoting genoemd - de kinetische energie van de elektronen domineert, een kristal zou vormen. Wetenschappers hebben verschillende methoden geprobeerd om die kinetische energie te onderdrukken, zoals het plaatsen van elektronen onder een extreem groot magnetisch veld, ongeveer een miljoen keer dat van het aardmagnetisch veld. Volledige kristallisatie blijft ongrijpbaar, maar het Cornell-team ontdekte een nieuwe methode om dit te bereiken.

"Elektronen zijn kwantummechanisch. Zelfs als je er niets mee doet, ze wiebelen spontaan de hele tijd, "Zei Mak. "Een kristal van elektronen zou eigenlijk de neiging hebben om gewoon te smelten omdat het zo moeilijk is om de elektronen vast te houden in een periodiek patroon."

Dus de oplossing van de onderzoekers was om een ​​echte val te bouwen door twee halfgeleider monolagen te stapelen, wolfraamdisulfide (WS2) en wolfraamdiselenide (WSe2), geteeld door partners van Columbia University. Elke monolaag heeft een iets andere roosterconstante. Wanneer samen gekoppeld, ze creëren een moiré superroosterstructuur, dat er in wezen uitziet als een zeshoekig raster. De onderzoekers plaatsten vervolgens elektronen op specifieke plaatsen in het patroon. Zoals ze in een eerder project ontdekten, de energiebarrière tussen de plaatsen vergrendelt de elektronen op hun plaats.

"We kunnen de gemiddelde bezetting van de elektronen op een specifieke moiré-site controleren, ' zei Mak.

Gezien het ingewikkelde patroon van een moiré-superrooster, gecombineerd met de schokkerige aard van elektronen en de noodzaak om ze in een zeer specifieke opstelling te plaatsen, de onderzoekers wendden zich tot Veit Elser, hoogleraar natuurkunde en co-auteur van het artikel, die de bezettingsgraad berekende waarmee verschillende opstellingen van elektronen uit zichzelf zullen kristalliseren.

Echter, de uitdaging van Wigner-kristallen is niet alleen om ze te maken, maar ze observeren, te.

"Je moet precies de juiste omstandigheden treffen om een ​​elektronenkristal te maken, en op hetzelfde moment, ze zijn ook kwetsbaar, ' zei Mak. 'Je hebt een goede manier nodig om ze te onderzoeken. Je wilt ze niet echt van streek maken terwijl je ze onderzoekt."

Het team bedacht een nieuwe optische detectietechniek waarbij een optische sensor dicht bij het monster wordt geplaatst, en de hele structuur is ingeklemd tussen isolerende lagen van hexagonaal boornitride, gemaakt door medewerkers van het National Institute for Materials Science in Japan. Omdat de sensor ongeveer twee nanometer van het monster verwijderd is, het verstoort het systeem niet.

De nieuwe techniek stelde het team in staat om talrijke elektronenkristallen met verschillende kristalsymmetrieën te observeren, van Wigner-kristallen met driehoekig rooster tot kristallen die zichzelf uitlijnen in strepen en dimeren. Door het zo te doen, het team demonstreerde hoe zeer eenvoudige ingrediënten complexe patronen kunnen vormen, zolang de ingrediënten maar lang genoeg stilzitten.