Natuurkundigen proberen al tientallen jaren de grondtoestanden van 2D-elektronensystemen te bepalen bij extreem lage dichtheden en temperaturen. De eerste theoretische voorspellingen voor deze grondtoestanden werden naar voren gebracht door natuurkundigen Felix Bloch in 1929 en Eugene Wigner in 1934, die beiden suggereerden dat interacties tussen elektronen zouden kunnen leiden tot grondtoestanden die nog nooit eerder waren waargenomen.

Onderzoekers van Princeton University doen al enkele jaren onderzoek op dit gebied van de natuurkunde. Hun meest recente werk, te zien in Physical Review Letters , verzamelde bewijs van een nieuwe staat die was voorspeld door Wigner, bekend als een ongeordende Wigner-vaste stof (WS).

"De fase voorspeld door Wigner, een geordende reeks elektronen (het zogenaamde Wigner-kristal of WS), fascineert wetenschappers al tientallen jaren", vertelde Mansour Shayegan, hoofdonderzoeker van het onderzoek, aan Phys.org. "De experimentele realisatie ervan is buitengewoon uitdagend, omdat er monsters met zeer lage dichtheden en met geschikte parameters (grote effectieve massa en kleine diëlektrische constante) nodig zijn om de rol van interactie te verbeteren."

Om met succes een WS of quantum WS in een laboratoriumomgeving te produceren, hebben onderzoekers extreem zuivere en hoogwaardige monsters nodig. Dit betekent dat de stoffen die ze in hun experimenten gebruiken een minimaal aantal onzuiverheden moeten hebben, omdat deze onzuiverheden elektronen kunnen aantrekken en hen ertoe aanzetten zichzelf willekeurig te herschikken.

Omdat het zeer uitdagend is om aan de vereisten voor het produceren van deze toestanden te voldoen, waren eerdere onderzoeken naar kwantum-WS-systemen, waarin elektron-elektron-interacties domineren over de zogenaamde Fermi-energie, ongelooflijk schaars. De eerste kwantum WS werd in 1999 waargenomen door Jongsoo Yoon aan de Princeton University en enkele van de onderzoekers die betrokken waren bij de recente studie, met behulp van een GaAs/AlGaAs 2D heterostructuur.

In hun nieuwe studie gebruikte het team een ​​schoon en zeer zuiver 2D AlAs (aluminiumarsenide) monster met een anisotrope (d.w.z. verschillend wanneer gemeten in verschillende richtingen) effectieve massa en Fermi Sea. Met name voldeed hun monster zeer goed aan de vereisten voor de realisatie van een anisotrope 2D WS.

"Ons monster is een bijna ideaal platform voor het observeren van een kwantum WS bij nul magnetisch veld," zei Shayegan. "Nu blijkt dat de 2D-elektronen in AlAs een extra bonus bieden, namelijk een anisotrope energiebanddispersie die leidt tot een anisotrope effectieve massa. Wat we hebben gevonden is dat deze anisotropie zich kan manifesteren in de eigenschappen van de WS, zoals de weerstand en de-pinning drempel langs verschillende in-plan richtingen.

Het materiaal dat Shayegan en zijn collega's in hun experimenten gebruiken, bestaat uit een hoogwaardige AlAs-kwantumbron, met zeer weinig onzuiverheden en dus weinig wanorde. In deze kwantumput zijn elektronen opgesloten binnen 2 dimensies.

"We kunnen poortspanning gebruiken om de dichtheid van de elektronen in ons monster af te stemmen", vertelde Md Shafayat Hossain, hoofdauteur van het artikel, aan Phys.org. "We gebruikten een combinatie van elektrisch transport (d.w.z. metingen van soortelijke weerstand) en DC-biasspectroscopie (d.w.z. meting van differentiële weerstand als functie van source-drain DC-bias) om de anisotrope 2D ongeordende Wigner-vaste stof te bestuderen."

Metingen van de soortelijke weerstand en differentiële weerstand van het monster van het team toonden aan dat ze in feite een nieuwe kwantum WS hadden waargenomen bij een magnetisch veld van nul, met behulp van een anisotroop materiaalsysteem. Uiteindelijk stelde dit hen in staat om de effecten van anisotropie op de ongrijpbare maar fascinerende WS-toestand te ontdekken.

"De waargenomen vaste stof van Wigner vertoont verschillende effectieve glijmogelijkheden in verschillende richtingen," zei Hossain. "Dit komt tot uiting via verschillende de-pinning drempelspanningen langs verschillende richtingen waargenomen in onze experimenten."

De anisotrope WS-toestand die door dit team van onderzoekers is waargenomen, is waarschijnlijk een geheel nieuwe kwantumtoestand. Dit betekent dat er tot nu toe zeer weinig bekend is over de eigenschappen en kenmerken ervan.

In de toekomst zouden deze recente bevindingen dus kunnen inspireren tot nieuwe theoretische en experimentele studies die gericht zijn op een beter begrip van deze nieuw geïdentificeerde kwantumtoestand met een intrinsieke anisotropie (d.w.z. met verschillende waarden wanneer gemeten in verschillende richtingen). Deze studies zouden bijvoorbeeld kunnen proberen de karakteristieke roostervorm van de staat te bepalen.

"Op basis van onze experimentele bevindingen kan het verschillende elektronische gedrag langs verschillende richtingen van anisotrope WS's ook van nut zijn in elektronische apparaten," zei Hossain. "Dergelijke apparaten kunnen anders reageren, afhankelijk van de richting van de aangelegde spanning."

Uiteindelijk zou de anisotrope WS die door dit team van onderzoekers is ontdekt, de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van nieuwe soorten anisotrope kwantumapparaten. In hun volgende werk zullen Shayegan, Hossain en hun collega's de microgolfresonanties onderzoeken van de staat die ze hebben ontdekt, omdat deze meer details kunnen geven over de staat en zijn anisotropie.

"We zullen bijvoorbeeld vragen:vertoont de WS resonanties, vergelijkbaar met wat is gezien in het geval van door magnetische velden geïnduceerde WS's, bij zeer kleine vullingen (hoge magnetische velden)?" voegde Shayegan toe. "Het observeren van resonanties zou zeer nuttig zijn omdat ze sterk bewijs zouden leveren voor de WS-fase. Ook het observeren van resonanties waarvan de frequenties afhankelijk zijn van de oriëntatie van het aangelegde elektrische veld met betrekking tot de oriëntatie van het WS-kristal zou fascinerend zijn en licht werpen over de rol van anisotropie." + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen kolossale 3D elektrische anisotropie van MoAlB eenkristal

© 2022 Science X Network