Moiré -mønstre letter opdagelsen af ​​nye isolerende faser

Materialer med overskydende elektroner er typisk ledere. Imidlertid, moiré -mønstre - interferensmønstre, der typisk opstår, når et objekt med et gentaget mønster placeres over et andet med et lignende mønster - kan undertrykke elektrisk ledningsevne, en undersøgelse ledet af fysikere ved University of California, Riverside, har fundet.

I laboratoriet, forskerne lagde et enkelt enkeltlag wolframdisulfid (WS ₂ ) på et enkelt enkeltlag wolframdiselenid (WSe ₂ ) og justerede de to lag mod hinanden for at generere moiré-mønstre i stor skala. Atomer i både WS ₂ og WSe ₂ lag er arrangeret i et todimensionalt honningkagegitter med en periodicitet, eller tilbagevendende intervaller på meget mindre end 1 nanometer. Men når de to gitter er justeret på 0 eller 60 grader, kompositmaterialet genererer et moiré -mønster med en meget større periodicitet på omkring 8 nanometer. Ledningsevnen for dette 2-D-system afhænger af, hvor mange elektroner der er placeret i moiré-mønsteret.

"Vi fandt ud af, at når moirémønsteret delvist er fyldt med elektroner, systemet udviser flere isolerende tilstande i modsætning til ledende tilstande, der forventes af konventionel forståelse, "sagde Yongtao Cui, en adjunkt i fysik og astronomi ved UC Riverside, der ledede forskergruppen. "Fyldprocenten viste sig at være simple fraktioner som 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, og så videre. Mekanismen for sådanne isolerende tilstande er den stærke interaktion mellem elektroner, der begrænser de mobile elektroner til lokale moiré -celler. Denne forståelse kan bidrage til at udvikle nye måder at kontrollere ledningsevne og til at opdage nye superledermaterialer. "

Undersøgelsesresultater vises i dag i Naturfysik.

Moiré -mønstrene genereret på WS's kompositmateriale ₂ og WSe ₂ kan forestilles at være med brønde og kamme arrangeret på samme måde i et bikagemønster.

"WS ₂ og WSe ₂ har et lille mismatch, hvad angår gitterstørrelse, gør dem ideelle til fremstilling af moiré -mønstre, "Sagde Cui." Yderligere, koblingen mellem elektroner bliver stærk, hvilket betyder, at elektronerne 'taler til hinanden', mens de bevæger sig rundt på tværs af kamme og brønde. "

Typisk, når et lille antal elektroner placeres i et 2-D lag såsom WS ₂ eller WSe ₂ , de har nok energi til at rejse frit og tilfældigt, gør systemet til en leder. Cuis laboratorium fandt ud af, at når moirégitter dannes ved hjælp af både WS ₂ og WSe ₂ , hvilket resulterer i et periodisk mønster, elektronerne begynder at bremse og frastøde fra hinanden.

"Elektronerne vil ikke holde sig tæt på hinanden, "sagde Xiong Huang, den første forfatter til papiret og en ph.d.-studerende i Cui's Microwave Nano-Electronics Lab. "Når antallet af elektroner er sådan, at en elektron optager hver moiré sekskant, elektronerne forbliver låst på plads og kan ikke længere bevæge sig frit. Systemet opfører sig derefter som en isolator. "

Cui sammenlignede sådanne elektroners adfærd med social afstand under en pandemi.

"Hvis sekskanterne kan forestilles at være hjem, alle elektronerne er indendørs, en pr hjem, og bevæger sig ikke i nabolaget, "sagde han." Hvis vi ikke har en elektron pr. sekskant, men i stedet have 95% belægning af sekskanter, hvilket betyder, at nogle nærliggende sekskanter er tomme, så kan elektronerne stadig bevæge sig lidt rundt gennem de tomme celler. Det er, når materialet ikke er en isolator. Det opfører sig som en dårlig dirigent. "

Hans laboratorium var i stand til at finjustere antallet af elektroner i WS ₂ - WSe ₂ gitterkomposit for at ændre den gennemsnitlige belægning af sekskanterne. Hans team fandt isolerende tilstande opstået, når den gennemsnitlige belægning var mindre end en. For eksempel, for en belægning på en tredjedel, elektronerne optog hver anden sekskant.

"Ved hjælp af den sociale distancelogi, i stedet for en afstand på 6 fod, du har nu en adskillelse af, sige, 10 fod, "Sagde Cui." Således når en elektron indtager en sekskant, det tvinger alle nærliggende sekskanter til at være tomme for at overholde den strengere social distanceringsregel. Når alle elektroner følger denne regel, de danner et nyt mønster og indtager en tredjedel af de samlede sekskanter, hvor de igen mister friheden til at bevæge sig, fører til en isolerende tilstand. "

Undersøgelsen viser, at lignende adfærd også kan forekomme for andre belægningsfraktioner, såsom 1/4, 1/2, og 1/6, hver med et andet erhvervsmønster.

Cui forklarede, at disse isolerende tilstande skyldes stærke vekselvirkninger mellem elektronerne. Det her, han tilføjede, er Coulomb frastødning, frastødningskraften mellem to positive eller to negative ladninger, som beskrevet af Coulombs lov.

Han tilføjede, at i 3D-materialer, stærke elektroninteraktioner vides at give anledning til forskellige eksotiske elektroniske faser. For eksempel, de bidrager sandsynligvis til dannelsen af ​​utraditionel høj temperatur superledning.

"Det spørgsmål, vi stadig ikke har noget svar på, er, om 2-D strukturer, den slags, vi brugte i vores eksperimenter, kan producere høj temperatur superledning, "Sagde Cui.

Næste, hans gruppe vil arbejde med at karakterisere styrken i elektroninteraktionerne.

"Elektronernes interaktionsstyrke bestemmer i høj grad systemets isoleringstilstand, "Cui sagde." Vi er også interesserede i at kunne manipulere styrken i elektroninteraktionen. "