Forskere fanger elektroner for at skabe undvigende krystal

Som urolige børn, der poserer til et familieportræt, elektroner vil ikke holde stille længe nok til at forblive i nogen form for fast arrangement.

Cornell-forskere stablede todimensionale halvledere for at skabe en moiré-supergitterstruktur, der fanger elektroner i et gentaget mønster, i sidste ende danner den længe hypotetiserede Wigner-krystal.

Nu, et Cornell-ledet samarbejde har udviklet en måde at stable todimensionale halvledere og fange elektroner i et gentaget mønster, der danner en specifik og lang hypotetiseret krystal.

Holdets papir, "Korrelerede isolerende stater ved fraktionelle fyldninger af Moiré Superlattices, "udgivet 11. november i Natur . Papirets hovedforfatter er postdoktorforsker Yang Xu.

Projektet voksede ud af Kin Fai Maks fælles laboratorium, lektor i fysik ved College of Arts and Sciences, og Jie Shan, professor i anvendt og teknisk fysik i College of Engineering, papirets med-seniorforfattere. Begge forskere er medlemmer af Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science; de kom til Cornell gennem provostens initiativ Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano).

En krystal af elektroner blev første gang forudsagt i 1934 af den teoretiske fysiker Eugene Wigner. Han foreslog, at når den frastødning, der skyldes negativt ladede elektroner - kaldet Coulomb -frastødninger - dominerer elektronernes kinetiske energi, en krystal ville dannes. Forskere har forsøgt forskellige metoder til at undertrykke den kinetiske energi, såsom at sætte elektroner under et ekstremt stort magnetfelt, omtrent en million gange jordens magnetfelt. Komplet krystallisation forbliver undvigende, men Cornell -teamet opdagede en ny metode til at opnå det.

"Elektroner er kvantemekaniske. Selvom du ikke gør noget ved dem, de joker spontant rundt hele tiden, "Sagde Mak." En krystal af elektroner ville faktisk have en tendens til bare at smelte, fordi det er så svært at holde elektronerne fast i et periodisk mønster. "

Så forskernes løsning var at bygge en egentlig fælde ved at stable to halvledermonolag, wolframdisulfid (WS2) og wolframdiselenid (WSe2), dyrket af partnere på Columbia University. Hvert enkeltlag har en lidt anden gitterkonstant. Når de er parret sammen, de skaber en moiré supergitterstruktur, som i det væsentlige ligner et sekskantet gitter. Forskerne placerede derefter elektroner på bestemte steder i mønsteret. Som de fandt i et tidligere projekt, energibarrieren mellem lokaliteterne låser elektronerne på plads.

"Vi kan styre elektronernes gennemsnitlige belægning på et bestemt moiré -sted, "Sagde Mak.

I betragtning af det indviklede mønster af en moiré -supergitter, kombineret med elektronernes rystende karakter og behovet for at sætte dem i et meget specifikt arrangement, forskerne henvendte sig til Veit Elser, professor i fysik og medforfatter af papiret, hvem beregnede forholdet mellem belægning, hvormed forskellige arrangementer af elektroner selvkrystalliseres.

Imidlertid, udfordringen ved Wigner -krystaller er ikke kun at skabe dem, men observerer dem, også.

"Du skal ramme de helt rigtige betingelser for at skabe en elektronkrystal, og på samme tid, de er også skrøbelige, "Sagde Mak." Du har brug for en god måde at undersøge dem på. Du vil ikke rigtig forstyrre dem væsentligt, mens du undersøger dem. "

Teamet udtænkte en ny optisk sensing teknik, hvor en optisk sensor er placeret tæt på prøven, og hele strukturen er klemt inde mellem isolerende lag af sekskantet bornitrid, skabt af samarbejdspartnere på National Institute for Materials Science i Japan. Fordi sensoren er adskilt fra prøven med cirka to nanometer, det forstyrrer ikke systemet.

Den nye teknik gjorde det muligt for teamet at observere talrige elektronkrystaller med forskellige krystalsymmetrier, fra trekantede gitter Wigner-krystaller til krystaller, der selvjusteres til striber og dimerer. Ved at gøre det, teamet demonstrerede, hvordan meget enkle ingredienser kan danne komplekse mønstre - så længe ingredienserne sidder stille længe nok.