Forskere opdager en unik orbital tekstur i enkeltlag af 3-D materiale

Ny fysisk adfærd, såsom Mott isolerende adfærd, ukonventionel superledningsevne og kvante -spin væskeadfærd, opstår, når elektroner inde i et materiale interagerer med hinanden. Når elektroner er begrænset til lavere dimensioner såsom 2-D-plan, disse effekter kan blive endnu stærkere.

Inspireret af disse observationer, forskere ved UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanford University, og andre universiteter verden over har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger den unikke adfærd ved todimensionel 1T-TaSe ₂ . Deres papir, fremhævet i Naturfysik , angiver, at elektronkorrelationer i dette materiale resulterer i en robust Mott -isolatortilstand, der ledsages af usædvanlig kredsløbstekstur.

"Det har længe været antaget, at hovedparten (dvs. 3-D) materialer 1T-TaSe ₂ og 1T-TaS ₂ udviser ny adfærd, der stammer fra elektron-elektron-interaktioner, "Michael F. Crommie, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "En udfordring i at forstå denne klasse af materialer, imidlertid, er, at de er lavet af stakke af 2-D-lag, og koblingen mellem lagene skyer billedet for, hvad der sker i lagene. "

For at overvinde denne udfordring og i håb om at afdække ny adfærd, Crommie og hans kolleger besluttede at tynde en krystal af 1T-TaSe ₂ ned til enkeltlagstykkelse, så interaktioner mellem de forskellige lag ikke længere ville være et problem. Dette ville give dem mulighed for at isolere rollen som mellemlagskobling ved at tilføje lag tilbage i et ad gangen, mens de overvåger ændringer i materialets adfærd.

"For at følge denne spilplan, vi voksede enkeltlag og få-lags stakke af 1T-TaSe ₂ og karakteriserede, hvordan elektronerne indeni opfører sig ved at bruge de eksperimentelle teknikker til scanning af tunnelmikroskopi (STM) og vinkelopløst fotoemission (ARPES), "Crommie forklarede." Dette gjorde det muligt for os at bestemme den 1-lags 1T-TaSe ₂ er en ny type isolator kaldet en Mott -isolator, og at denne adfærd slukkes ved mellemlagskobling, efterhånden som flere lag tilføjes til en stak. "

En del af forskergruppen ved Advanced Light Source (ALS) ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), ledet af fysikerne Zhi-Xun Shen og Sung-Kwan Mo, voksede enkeltlags- og fålagsprøver af 1T-TaSe ₂ ved hjælp af en metode kaldet molekylær stråle epitaxy. Denne metode består hovedsageligt i at deponere tantal og selen fra atomstråler på et substrat, der opvarmes for at fremkalde dannelse af atomtynde krystaller.

"De atomtynde krystaller blev først afhørt ved ALS af Shen og Mo's grupper ved hjælp af ARPES, en metode, der involverer at skinne røntgenstråler på materialet og måle energien og momentumet for de elektroner, der sparkes ud, "Crommie forklarede." Prøverne blev derefter bragt ned til UC Berkeley -campus og karakteriseret ved, at min forskningsgruppe brugte STM. I STM, en skarp metalnål scanner krystaloverfladen og trækker elektroner ud ved forskellige energier for direkte at kunne forestille sig, hvordan elektroner indretter sig i atomskala. "

Denne forskningsindsats, der involverede teams på flere institutioner, førte til en række spændende resultater. Først, observationer indsamlet af Crommie og hans kolleger bestemte, at enkelte lag 1T-TaSe ₂ danne et nyt 2-D Mott-isolatorsystem. Sekund, de gav værdifuld indsigt i nogle af systemets unikke adfærd.

"Vores arbejde etablerer et-lags 1T-TaSe ₂ som en ny 2-D Mott-isolator, "Yi Chen, sagde en af ​​de første forfattere af papiret. "Dette resulterer i, at elektronerne i dette materiale indretter sig i nye rumlige mønstre, eller teksturer, der aldrig før er set. Vi præciserede også rollen som mellemlagskobling i 1T-TaSe ₂ og fastslog, at dette gør det mindre isolerende og reducerer virkningerne af elektron-elektron-interaktioner. "

Udover at uddybe den nuværende forståelse af 1T-TaSe ₂ materialer og deres egenskaber, fundene indsamlet af Crommie og hans kolleger kunne bane vejen for opdagelsen af ​​unikke nye materielle tilstande. Forskerne planlægger nu at udføre yderligere undersøgelser, der undersøger andre egenskaber eller adfærd ved 1T-TaSe ₂ materialer.

"Vi er begejstrede for at udforske andre eksotiske tilstande af stof, der kan forekomme i denne nye 2-D Mott-isolator, såsom kvante -centrifugeringsvæske og ukonventionel superledning, "Crommie sagde." Vi vil forsøge at karakterisere det og manipulere dets egenskaber yderligere ved at inkorporere det i nye elektriske enheder. "

© 2020 Science X Network