1934-ben Eugene Wigner elméleti fizikus javasolta egy új típusú kristály létezését.
Ha a negatív töltésű elektronok sűrűségét egy bizonyos szint alatt lehet tartani, akkor a szubatomi részecskék ismétlődő mintázatban tarthatók, ezáltal létrehozva egy elektronikus kristályt; ez az ötlet Wigner kristály néven vált ismertté.
Sokkal könnyebb mondani, mint megtenni. Az elektronok nyűgösek, és rendkívül nehéz rávenni őket, hogy a helyükön maradjanak. Fizikusok egy csoportja azonban ezt most elérte – azzal, hogy egy kis 2D-s félvezető volfrámréteg közé csavarogtatott kis hajtűket.
Az olyan általános kristályok, mint a gyémánt vagy a kvarc, atomrácsból képződnek, rögzített, háromdimenziós, ismétlődő hálózati struktúrát képezve. Wigner elképzelése szerint az elektronokat hasonló módon lehet elrendezni, hogy szilárd kristályos fázist képezzenek, de csak akkor, ha az elektronok álló helyzetben vannak.
Ha az elektronsűrűség elég alacsony, akkor az azonos töltésű elektronok közötti Coulomb-taszítás olyan potenciális energiát hoz létre, amelynek dominálnia kell a kinetikus energiát, az elektronokat álló helyzetben hagyva. Ez a nehézség.
„Az elektronok kvantummechanikusak. Még ha nem is csinálsz velük semmit, akkor spontán haboznak állandóan. “- mondta Keen Fay Mak fizikus a Cornell Egyetemről.
“Az elektronok kristálya valójában hajlamos lenne megolvadni, mert olyan nehéz az elektronokat rögzíteni egy periodikus struktúrában.”
Ezért a Wigner kristályok létrehozásának kísérletei egyfajta elektroncsapdára támaszkodnak, például hatalmas mágneses mezőkre vagy egyelektronos tranzisztorokra, de a fizikusoknak még nem sikerült teljes kristályosodniuk. 2018-ban az MIT tudósai megpróbáltak egyfajta szigetelőt létrehozni, hanem létrehoztak egy Wigner kristályt, de eredményeik teret engedtek az értelmezésnek.
(UCSD Fizikai Tanszék).
A MIT csapda egy moiré szuperrács néven ismert grafénszerkezet volt, ahol két kétdimenziós rács enyhe csavarással átfedi egymást, és nagyobb, szabályos mintázatok jelennek meg, amint azt a fenti kép mutatja.
Most Cornell csapata, Yang Xu fizikus vezetésével, célzottabb megközelítést alkalmazott saját moire szuperrácsával. Két félvezető rétegükhöz speciálisan a Columbia Egyetemen termesztett volfrám-diszulfidot (WS2) és volfrám-diszelenidet (WSe2) használtak.
Felhelyezésükkor ezek a rétegek hatszögletű mintát képeztek, lehetővé téve a tudósok számára, hogy az adott moaré-területen szabályozzák az átlagos elektronmobilitást.
A következő lépés az elektronok óvatos elhelyezése volt a rács meghatározott helyein, számítások segítségével meghatározták a töltés mértékét, amelynél a különböző elektronhelyek kristályokat képeznek.
Az utolsó probléma az volt, hogy a Wigner-kristályok megfigyelésével vagy hiányukkal valójában hogyan lehet kideríteni, hogy jóslataik helyesek-e.
“Elektronikus kristály létrehozásához meg kell teremteni a megfelelő feltételeket, és ugyanakkor reagálniuk kell a külső hatásokra” – mondta Mack.
– Jó módszerre van szükségük a kutatásukhoz. Ne zavarja őket túlságosan azáltal, hogy megvizsgálja őket.
Ezt a problémát hatszögletű bór-nitrid szigetelő rétegeinek felhasználásával oldották meg. Az optikai érzékelőt nagyon közel (de nem érinti) helyezte a mintára, csak egy nanométer távolságra, amelyet egy bór-nitrid réteg választ el. Ez megakadályozta az elektromos kommunikációt a szonda és a minta között, miközben elegendő közelséget tartott fenn a nagy érzékelési érzékenységhez.
A moire szuperrács belsejében az elektronok különféle kristálykonfigurációkban vannak elrendezve, beleértve a háromszög alakú Wigner kristályokat, a csíkfázisokat és a dimereket.
Ez az eredmény nemcsak az elektronikus kristályok tanulmányozása szempontjából fontos. A kapott adatok a moiré szuperrácsok kiaknázatlan potenciálját mutatják be a kvantumfizika területén végzett kutatásokhoz.
“Vizsgálatunk” – írták a kutatók cikkükben – megalapozzák a moiré szuperrácsok használatát a kvantum többtestű problémák modellezésére, amelyeket a kétdimenziós kiterjesztett Hubbard-modell vagy a nagy hatótávolságú töltés – töltés és csere kölcsönhatású spin modellek írnak le.
A kutatás a Nature folyóiratban jelent meg.
Források: Fotó: Az elektronokat befogadó szuperrács szigetelő állapotai. (Xu és mtsai., Nature, 2020).
