Natuurkundigen in Regensburg en Marburg hebben de onderlinge interactie van elektronen in een atomair dunne vaste stof op maat gemaakt door deze eenvoudig te bedekken met een kristal met een zorgvuldig uitgekozen roosterdynamiek.

In een kubieke centimeter van een vaste stof, er zijn meestal 10 ²³ elektronen. In dit enorme veellichamensysteem, schijnbaar eenvoudige paarsgewijze elektron-elektron interactie kan extreem complexe correlaties en exotisch gedrag veroorzaken, zoals supergeleiding. Dit kwantumfenomeen verandert een vaste stof in een perfecte geleider, die dissipatieloze elektrische stromen voert. Gebruikelijk, dit gedrag is een normaal kenmerk van specifieke vaste stoffen. Nog, de ontdekking van atomair dunne gelaagde materialen, zoals grafeen - een monolaag van grafiet - of overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's), heeft een nieuw creatief laboratorium geopend om elektron-elektron-interacties op maat te maken en faseovergangen vorm te geven. Bijvoorbeeld, door grafeenlagen onder bepaalde hoeken te stapelen, supergeleidend gedrag kan worden gecreëerd. Nog, theorie heeft ook voorspeld dat het koppelen van elektronen met gekwantiseerde trillingen van het kristalrooster, fononen genaamd, een kritische invloed kan hebben op de manier waarop elektronen met elkaar omgaan.

Natuurkundigen uit Regensburg onder leiding van Rupert Huber in samenwerking met de groep van Ermin Malic aan de Philipps University in Marburg hebben nu een nieuw idee bedacht om de interactie tussen elektronen te verfijnen door te koppelen aan polaire kristalroostervibraties van een naburige laag. Dit scenario kan worden gerealiseerd door TMDC-monolagen eenvoudig te bedekken met een afdeklaag van gips, een materiaal dat veel wordt gebruikt in gipsafgietsels.

Om de koppelingssterkte tussen elektronen en fononen te meten, natuurkundigen exciteerden eerst elektronen in de halfgeleidende TMDC-monolaag met een ultrakorte laserpuls, het achterlaten van overeenkomstige gaten op hun oorspronkelijke plaatsen. Elektronen en gaten dragen tegengestelde ladingen en zijn dus aan elkaar gebonden door hun Coulomb-aantrekkingskracht - net zoals elektronen zijn gebonden aan de kern in het waterstofatoom - en zogenaamde excitonen vormen. Door hun atoomachtige energiestructuur met daaropvolgende ultrakorte lichtpuls in het infrarood te observeren, het is mogelijk om de interactie tussen de twee deeltjes te kalibreren.

De verrassende bevinding was dat zodra de TMDC-lagen waren bedekt met een dunne gipskap, de structuur van de excitonen werd aanzienlijk gewijzigd. "De loutere ruimtelijke nabijheid van de gipslaag is voldoende om de interne structuur van de excitonen sterk te koppelen aan polaire roostertrillingen van gips, " zegt Philipp Merkl, de eerste auteur van de studie.

Hoewel dit koppelingsmechanisme elektronen en fononen in verschillende atomair dunne lagen verbindt, ze interageren zo sterk dat ze in wezen opgaan in nieuwe gemengde deeltjes. Toen de onderzoekers het ontdekten, ze begonnen te spelen met dit nieuwe kwantumeffect:door een in wezen inerte derde atomair dunne laag als afstandhouder tussen de TMDC en het gips te plaatsen, ze slaagden erin om de ruimtelijke afstand tussen de elektronen en de fononen met atomaire precisie aan te passen.

"Deze strategie stelde ons in staat om de koppelsterkte met nog hogere precisie af te stemmen, " overeenkomstige auteur Dr. Chaw-Keong Yong voegt toe. "Deze bevindingen zouden nieuwe wegen kunnen openen om elektronische correlaties in tweedimensionale materialen aan te passen. In de toekomst, dit zou door de mens gemaakte faseovergangen in kunstmatig gestapelde heterostructuren en nieuwe fysieke kwantumeigenschappen mogelijk kunnen maken, die toepassingen zouden kunnen vinden in toekomstige verliesvrije elektronica en kwantuminformatie-apparaten."