Een recent experiment beschreven in het tijdschrift Nature is een uitdaging voor ons beeld van hoe elektronen zich gedragen in kwantummaterialen. Met behulp van gestapelde lagen van een materiaal dat wolfraamditelluride wordt genoemd, hebben onderzoekers waargenomen dat elektronen in twee dimensies zich gedroegen alsof ze zich in een enkele dimensie bevonden - en in het proces hebben ze gecreëerd wat de onderzoekers beweren een nieuwe elektronische toestand van materie is.

"Dit is echt een hele nieuwe horizon", zegt Sanfeng Wu, assistent-professor natuurkunde aan de Princeton University en de senior auteur van het artikel. "We waren in staat om met dit experiment een nieuwe elektronische fase te creëren - in feite een nieuw type metaaltoestand."

Ons huidige begrip van het gedrag van op elkaar inwerkende elektronen in metalen kan worden beschreven door een theorie die goed werkt met twee- en driedimensionale systemen, maar afbrokkelt bij het beschrijven van de interactie van elektronen in een enkele dimensie.

"Deze theorie beschrijft de meerderheid van de metalen die we kennen," zei Wu. "Er staat dat elektronen in metaal, hoewel ze sterk op elkaar inwerken, zich als vrije elektronen zouden moeten gedragen, behalve dat ze verschillende waarden kunnen hebben in sommige karakteristieke grootheden, zoals de massa en het magnetische moment."

In eendimensionale systemen maakt deze "Fermi-vloeistoftheorie" echter plaats voor een andere theorie, "de Luttinger-vloeistoftheorie", om de interactie tussen elektronen te beschrijven.

"Luttinger-vloeistoftheorie biedt een basisbeginpunt om op elkaar inwerkende elektronen in één dimensie te begrijpen", zei Wu. "Elektronen in een eendimensionaal rooster zijn zo sterk met elkaar gecorreleerd dat ze zich in zekere zin niet meer gaan gedragen als vrije elektronen."

De Fermi-vloeistoftheorie werd voor het eerst naar voren gebracht door de Nobelprijswinnaar L.D. Landauer. De theorie van Luttinger ging door een lang proces van verfijning voordat het algemeen aanvaard werd door natuurkundigen. Een theoretisch model werd voor het eerst voorgesteld door de Japanse Nobelprijswinnaar Shinichiro Tomonaga in de jaren 1950, zei Wu, en werd later in 1963 onafhankelijk geformuleerd door J.M. Luttinger.

Luttinger bood echter een ontoereikende oplossing en dus nam de wiskundige en natuurkundige Elliott Lieb van Princeton, tegenwoordig de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde, emeritus, de uitdaging aan in 1965, en kwam uiteindelijk met een correcte oplossing. Een andere natuurkundige en Nobelprijswinnaar, F. Duncan Haldane, hoogleraar natuurkunde aan de Sherman Fairchild Universiteit van Princeton, gebruikte het model vervolgens in 1981 om de interactie-effecten van eendimensionale metalen te begrijpen. Haldane bedacht de term "Luttinger-vloeistoffen" en legde de basis voor de moderne theorie van Luttinger-vloeistoffen als een algemene beschrijving voor eendimensionale metalen.

Lange tijd stonden deze twee theorieën - de Fermi-vloeistoftheorie en de Luttinger-vloeistoftheorie - centraal in ons begrip van het gedrag van elektronen in de fysica van de gecondenseerde materie, afhankelijk van hun dimensionaliteit.

Maar er zijn aanwijzingen dat de interacties van elektronen veel complexer zijn dan deze eenvoudige classificatie. Philip Anderson, een andere Nobelprijswinnaar en natuurkundige van Princeton, stelde in de jaren negentig voor dat er bepaalde "exotische" gevallen zouden kunnen zijn waarin het gedrag van elektronen in tweedimensionale systemen, in zeldzame gevallen, ook de voorspellingen van de vloeistoftheorie van Luttinger zou kunnen volgen. Met andere woorden, hoewel de elektronen in tweedimensionale systemen typisch worden verklaard door de Fermi-vloeistoftheorie, vroeg Anderson zich af of die elektronen zich contra-intuïtief zouden kunnen gedragen als een Luttinger-vloeistof, alsof ze zich in een eendimensionaal systeem bevinden.

Dit was grotendeels hypothetisch. Er waren geen experimenten die verband konden houden met deze exotische gevallen, zei Wu.

Tot nu toe.

Door experimenten ontdekten Wu en zijn team dat elektronen in een speciaal gecreëerde tweedimensionale materiaalstructuur, wanneer ze werden afgekoeld tot zeer lage temperaturen, zich plotseling begonnen te gedragen zoals voorspeld door de vloeistoftheorie van Luttinger. Met andere woorden, ze gedroegen zich als gecorreleerde elektronen in een eendimensionale staat.

De onderzoekers voerden hun experiment uit met behulp van een materiaal genaamd wolfraam ditelluride (WTe₂ ), een gelaagd halfmetaal. Een halfmetaal is een verbinding met intermediaire eigenschappen die het tussen metalen en isolatoren plaatsen. Princeton-onderzoekers Leslie Schoop, assistent-professor scheikunde, en Robert Cava, de Russell Wellman Moore hoogleraar scheikunde, en hun teams creëerden wolfraamditelluride-kristallen van de hoogste kwaliteit. Wu's team creëerde vervolgens enkele atomaire lagen van dit materiaal en stapelde er twee verticaal op elkaar voor het onderzoek.

"We stapelden monolagen wolfraamditelluride op elkaar en gebruikten een hoekverdraaiing van 5 of 6 graden", zegt Pengjie Wang, co-eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeksmedewerker. Hierdoor ontstond een groot rechthoekig rooster, een moirépatroon genaamd, dat lijkt op een gewoon Frans textielontwerp.

Het team was oorspronkelijk van plan om te observeren hoe de draaihoek de andere soorten kwantumverschijnselen in het wolfraamditelluride zou beïnvloeden. Maar wat ze vonden verbaasde hen.

"In het begin waren we in de war door de resultaten," zei Wang. "Maar het bleek te kloppen."

De onderzoekers merkten op dat de elektronen, in plaats van vrij te handelen, zich sterk begonnen samen te voegen tot een lineaire reeks die indicatief was voor elektronen in een eendimensionaal systeem.

"Wat je hier hebt, is echt een tweedimensionale metaaltoestand die niet wordt beschreven door de standaard Fermi-vloeistoftheorie", zei Wu. "Voor de eerste keer vinden we een volledig nieuwe elektronische fase van materie in twee dimensies beschreven door de Luttinger-vloeistoftheorie."

Guo Yu, co-eerste auteur van het artikel en een afgestudeerde student in elektrotechniek en computertechniek, beschreef de eigenschappen van het materiaal als opmerkelijk omschakelbaar tussen ofwel uniform in alle richtingen (isotroop) of sterk variërend in fysische eigenschappen wanneer gemeten in verschillende richtingen ( anisotroop).

"Wat uniek is voor ons gedraaide dubbellaagse wolfraam ditelluride-systeem, is dat, in tegenstelling tot de meeste andere monolaagmaterialen en hun moiré-superroosters die isotroop zijn, het moiré-patroon in ons monster zeer anisotroop is, cruciaal voor het hosten van de eendimensionale fysica," Yu zei.

Een nieuwe metaalfase klinkt misschien alsof er tal van praktische toepassingen zijn, maar Wu waarschuwde dat dit voorlopig onderzoek is. Voordat dergelijke toepassingen kunnen worden gerealiseerd, zei hij, moet er extra werk worden verricht.

Toch is Wu optimistisch over de toekomst. "Dit kan helpen een heel nieuw venster te openen om naar nieuwe kwantumfasen van materie te kijken," zei hij. "De komende jaren zullen we veel nieuwe bevindingen uit dit onderzoek zien komen." + Verder verkennen

Gedrag van 'gevangen' elektronen in een eendimensionale wereld waargenomen in het lab