Halfgeleider-moiré-superroosters zijn fascinerende materiaalstructuren waarvan is gebleken dat ze veelbelovend zijn voor het bestuderen van gecorreleerde elektronentoestanden en kwantumfysica-fenomenen. Deze structuren, bestaande uit kunstmatige atoomarrays gerangschikt in een zogenaamde moiré-configuratie, zijn zeer afstembaar en worden gekenmerkt door sterke elektroneninteracties.

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onlangs een studie uitgevoerd die deze materialen en hun onderliggende fysica verder onderzoekt. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , introduceert een nieuw theoretisch raamwerk dat de studie van moiré-superroosters met een lange periode zou kunnen informeren, die worden gekenmerkt door zwak op elkaar inwerkende elektronen die zich in verschillende potentiële putten bevinden.

"Onze groep werkt al vijf jaar aan tweedimensionale halfgeleider-moiré-materialen", vertelde Liang Fu, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "In deze systemen bewegen elektronen in een periodiek potentieel landschap (het moiré-superrooster) en interageren ze met elkaar via Coulomb-afstoting."

Het belangrijkste voordeel van halfgeleidende moiré-superroosters is dat ze gemakkelijk in experimentele omgevingen kunnen worden gemanipuleerd. In het bijzonder kunnen natuurkundigen de dichtheid van elektronen in hen controleren om de eigenschap van hun grondtoestand met veel elektronen te veranderen.

"De meeste eerdere onderzoeken hebben zich geconcentreerd op het geval van het bevatten van één of minder dan één elektron per moiré-eenheidscel", zei Fu. "We hebben besloten het multi-elektronenregime te verkennen en te kijken of er iets nieuws is."

Het voorspellen van het gedrag van multi-elektronenmaterialen kan een hele uitdaging zijn. De belangrijkste reden hiervoor is dat deze systemen vaak verschillende energieschalen bevatten die met elkaar concurreren.

"Kinetische energie bevoordeelt een elektronenvloeistof, terwijl interactie en potentiële energie de voorkeur geven aan een vaste elektron", legt Aidan Reddy, eerste auteur van het artikel, uit. "Het leuke van moiré-materialen is dat de relatieve sterkte van verschillende energieschalen kan worden afgestemd door de moiré-periode te variëren. Door gebruik te maken van deze afstembaarheid hebben we een theoretisch raamwerk ontwikkeld om moiré-systemen met een lange periode te bestuderen, waarbij elektronen zich op verschillende potentiaal bevinden putten zijn zwak gekoppeld."

Het theoretische raamwerk dat door dit team van onderzoekers wordt geïntroduceerd, richt zich op het gedrag van individuele atomen in het moiré-superrooster. Reddy, Fu en hun collega Trithep Devakul ontdekten dat deze relatief eenvoudige aanpak nog steeds zou kunnen helpen licht te werpen op verschillende interessante kwantumfysica-fenomenen.

Met behulp van hun raamwerk onthulden de onderzoekers nieuwe fysica die kon worden waargenomen in op halfgeleiders gebaseerde moiré-superroosters met meerdere elektronen. Bij een vulfactor n=3 (dat wil zeggen wanneer elk moiré-atoom in een superrooster drie elektronen bevat) ontdekten ze bijvoorbeeld dat Coulomb-interacties leidden tot de vorming van een zogenaamd 'Wigner-molecuul'. Bovendien hebben ze onder specifieke omstandigheden (d.w.z. als hun grootte vergelijkbaar is met de moiréperiode) aangetoond dat deze Wigner-moleculen een unieke structuur kunnen vormen die bekend staat als een opkomend Kagome-rooster.

De interessante zelfgeorganiseerde elektronenconfiguraties die in het artikel van dit onderzoeksteam worden geschetst, zouden binnenkort verder kunnen worden onderzocht in vervolgstudies. Bovendien zouden deze nieuw ontdekte configuraties als inspiratie kunnen dienen voor andere natuurkundigen, waardoor ze de ladingsvolgorde en het kwantummagnetisme kunnen bestuderen in een regime dat vrij onbekend is voor conventionele materialen.

"Het meest opvallende inzicht van ons werk is dat elektronen, bij speciale vulfactoren, zichzelf organiseren in opvallende configuraties (Wigner-moleculen) als gevolg van een evenwicht tussen de energieschalen die een rol spelen. Onze voorspelling van Wigner-vaste stof is experimenteel bevestigd", zegt Trithep. toegevoegd.

Op de korte termijn zijn de onderzoekers van plan de kwantumfaseovergang tussen vaste elektronen van Wigner en vloeibare elektronen te bestuderen.

Meer informatie: Aidan P. Reddy et al, Kunstmatige atomen, Wigner-moleculen en een opkomend Kagome-rooster in Moiré-superroosters van halfgeleiders, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501

Hongyuan Li et al, Wigner moleculaire kristallen uit multi-elektronen Moiré kunstmatige atomen, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk