Materialen met een overmaat aan elektronen zijn typisch geleiders. Echter, moiré-patronen - interferentiepatronen die doorgaans optreden wanneer een object met een zich herhalend patroon over een ander object met een vergelijkbaar patroon wordt geplaatst - kunnen elektrische geleidbaarheid onderdrukken, een onderzoek onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft gevonden.

In het labortorium, de onderzoekers bedekten een enkele monolaag van wolfraamdisulfide (WS ₂ ) op een enkele monolaag van wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) en lijnde de twee lagen tegen elkaar uit om grootschalige moiré-patronen te genereren. De atomen in zowel de WS ₂ en WSe ₂ lagen zijn gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster met een periodiciteit, of terugkerende intervallen, van veel minder dan 1 nanometer. Maar wanneer de twee roosters zijn uitgelijnd op 0 of 60 graden, het composietmateriaal genereert een moirépatroon met een veel grotere periodiciteit van ongeveer 8 nanometer. De geleidbaarheid van dit 2D-systeem hangt af van het aantal elektronen dat in het moirépatroon is geplaatst.

"We ontdekten dat wanneer het moirépatroon gedeeltelijk gevuld is met elektronen, het systeem vertoont verschillende isolerende toestanden in tegenstelling tot geleidende toestanden die op grond van conventioneel begrip worden verwacht, " zei Yongtao Cui, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan UC Riverside, die het onderzoeksteam leidde. "De vullingspercentages bleken eenvoudige breuken te zijn zoals 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, enzovoort. Het mechanisme voor dergelijke isolerende toestanden is de sterke interactie tussen elektronen die de mobiele elektronen beperkt tot lokale moiré-cellen. Dit begrip kan helpen bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om de geleidbaarheid te regelen en om nieuwe supergeleidermaterialen te ontdekken."

Studieresultaten verschijnen vandaag in Natuurfysica.

De moirépatronen gegenereerd op het composietmateriaal van WS ₂ en WSe ₂ kan worden voorgesteld met putten en richels die op dezelfde manier zijn gerangschikt in een honingraatpatroon.

"WS ₂ en WSe ₂ een kleine mismatch hebben wat betreft de roostergrootte, waardoor ze ideaal zijn voor het maken van moirépatronen, ' zei Cui. 'Verder, koppeling tussen elektronen wordt sterk, wat betekent dat de elektronen 'met elkaar praten' terwijl ze over de richels en de putten bewegen."

Typisch, wanneer een klein aantal elektronen in een 2D-laag zoals WS . wordt geplaatst ₂ of WSe ₂ , ze hebben genoeg energie om vrij en willekeurig te reizen, waardoor het systeem een ​​geleider wordt. Cui's lab ontdekte dat wanneer moiré-roosters worden gevormd met zowel WS ₂ en WSe ₂ , resulterend in een periodiek patroon, de elektronen beginnen te vertragen en van elkaar af te stoten.

"De elektronen willen niet dicht bij elkaar blijven, " zei Xiong Huang, de eerste auteur van het artikel en een doctoraalstudent in Cui's Microwave Nano-Electronics Lab. "Als het aantal elektronen zodanig is dat één elektron elke moiré-zeshoek inneemt, de elektronen blijven op hun plaats en kunnen niet meer vrij bewegen. Het systeem gedraagt ​​zich dan als een isolator."

Cui vergeleek het gedrag van dergelijke elektronen met sociale afstand tijdens een pandemie.

"Als de zeshoeken kunnen worden voorgesteld als huizen, alle elektronen zijn binnen, één per huis, en niet in de buurt rondlopen, " zei hij. "Als we niet één elektron per zeshoek hebben, maar in plaats daarvan 95% bezetting van zeshoeken hebben, wat betekent dat sommige nabijgelegen zeshoeken leeg zijn, dan kunnen de elektronen nog een beetje door de lege cellen bewegen. Dan is het materiaal geen isolator. Het gedraagt ​​zich als een slechte dirigent."

Zijn lab was in staat om het aantal elektronen in de WS . te verfijnen ₂ - WSe ₂ roostercomposiet om de gemiddelde bezetting van de zeshoeken te veranderen. Zijn team ontdekte dat er zich isolerende toestanden voordeden wanneer de gemiddelde bezettingsgraad minder dan één was. Bijvoorbeeld, voor een bezetting van een derde, de elektronen bezetten elke andere zeshoek.

"Met behulp van de analogie van sociale afstand, in plaats van een scheiding van 6 voet, je hebt nu een scheiding van, zeggen, 10 voet, " zei Cui. "Dus, wanneer een elektron een zeshoek inneemt, het dwingt alle aangrenzende zeshoeken leeg te zijn om te voldoen aan de strengere regel van sociale afstand. Als alle elektronen deze regel volgen, ze vormen een nieuw patroon en beslaan een derde van de totale zeshoeken waarin ze weer de bewegingsvrijheid verliezen, leidend tot een isolerende toestand."

De studie toont aan dat soortgelijk gedrag ook kan optreden voor andere bezettingsfracties zoals 1/4, 1/2, en 1/6, met elk corresponderend met een ander beroepenpatroon.

Cui legde uit dat deze isolerende toestanden worden veroorzaakt door sterke interacties tussen de elektronen. Dit, hij voegde toe, is de Coulomb-afstoting, de afstotende kracht tussen twee positieve of twee negatieve ladingen, zoals beschreven door de wet van Coulomb.

Hij voegde eraan toe dat in 3D-materialen, Van sterke elektroneninteracties is bekend dat ze aanleiding geven tot verschillende exotische elektronische fasen. Bijvoorbeeld, ze dragen waarschijnlijk bij aan de vorming van onconventionele supergeleiding bij hoge temperaturen.

"De vraag waar we nog steeds geen antwoord op hebben, is of 2D-structuren, het soort dat we in onze experimenten gebruikten, kan supergeleiding op hoge temperatuur produceren, ' zei Cui.

Volgende, zijn groep gaat werken aan het karakteriseren van de sterkte van de elektroneninteracties.

"De interactiesterkte van de elektronen bepaalt grotendeels de isolatietoestand van het systeem, " zei Cui. "We zijn ook geïnteresseerd in het kunnen manipuleren van de sterkte van de elektroneninteractie."