Bevis på en ny type forstyrret kvante Wigner Solid

Fysikere har forsøgt at bestemme grundtilstanden for 2D-elektronsystemer ved ekstremt lave tætheder og temperaturer i mange årtier nu. De første teoretiske forudsigelser for disse grundtilstande blev fremsat af fysikerne Felix Bloch i 1929 og Eugene Wigner i 1934, som begge foreslog, at interaktioner mellem elektroner kunne føre til grundtilstande, som aldrig var blevet observeret før.

Forskere ved Princeton University har gennemført undersøgelser inden for dette område af fysik i flere år nu. Deres seneste arbejde, omtalt i Physical Review Letters , samlet beviser for en ny tilstand, der var blevet forudsagt af Wigner, kendt som et uordnet Wigner-faststof (WS).

"Den fase, der er forudsagt af Wigner, en ordnet række af elektroner (den såkaldte Wigner-krystal eller WS), har fascineret videnskabsmænd i årtier," fortalte Mansour Shayegan, hovedforsker for undersøgelsen, til Phys.org. "Den eksperimentelle realisering er ekstremt udfordrende, da den kræver prøver med meget lave tætheder og med passende parametre (stor effektiv masse og lille dielektrisk konstant) for at øge interaktionens rolle."

For at kunne producere en WS- eller kvante-WS i laboratoriemiljøer har forskere brug for ekstremt rene prøver af høj kvalitet. Det betyder, at de stoffer, de bruger i deres forsøg, skal have et minimalt antal urenheder, da disse urenheder kan tiltrække elektroner og få dem til at omarrangere sig tilfældigt.

Da det er meget udfordrende at opfylde kravene til at producere disse tilstande, har tidligere undersøgelser, der undersøger kvante-WS-systemer, hvor elektron-elektron-interaktioner dominerer over den såkaldte Fermi-energi, været utroligt sparsomme. Den første kvante-WS blev observeret i 1999 af Jongsoo Yoon ved Princeton University og nogle af forskerne involveret i den nylige undersøgelse ved at bruge en GaAs/AlGaAs 2D-heterostruktur.

I deres nye undersøgelse brugte holdet en ren og meget ren 2D AlAs (aluminiumarsenid) prøve med en anisotropisk (dvs. forskellig, når den blev målt i forskellige retninger) effektiv masse og Fermi Sea. Navnlig opfyldte deres prøve kravene til realisering af en anisotropisk 2D WS meget godt.

"Vores prøve er en næsten ideel platform til at observere et kvante-WS ved nul magnetfelt," sagde Shayegan. "Nu viser det sig, at 2D-elektronerne i AlAs giver en ekstra bonus, nemlig en anisotropisk energibåndspredning, som fører til en anisotropisk effektiv masse. Det, vi fandt, er, at denne anisotropi kan manifestere sig i WS'ens egenskaber, såsom dens modstand og afpinningstærskel langs forskellige retninger i planet.

Materialet brugt af Shayegan og hans kolleger i deres eksperimenter består af en højkvalitets AlAs kvantebrønd med meget få urenheder og dermed lav uorden. I denne kvantebrønd er elektroner begrænset inden for 2 dimensioner.

"Vi kan bruge gate-spænding til at justere tætheden af ​​elektronerne i vores prøve," sagde Md Shafayat Hossain, hovedforfatter af papiret, til Phys.org. "Vi brugte en kombination af elektrisk transport (dvs. målinger af resistivitet) og DC bias spektroskopi (dvs. måling af differentiel modstand som en funktion af source-drain DC bias) til at studere det anisotrope 2D uordnede Wigner faststof."

Målinger af holdets prøves resistivitet og differentielle modstand viste, at de faktisk havde observeret et nyt kvante-WS ved et magnetfelt nul ved hjælp af et anisotropt materialesystem. I sidste ende gav dette dem mulighed for at afdække virkningerne af anisotropi på den undvigende, men fascinerende WS-tilstand.

"Det observerede Wigner-stof viser forskellige effektive glideegenskaber langs forskellige retninger," sagde Hossain. "Dette manifesteres via forskellige de-pinning tærskelspændinger langs forskellige retninger observeret i vores eksperimenter."

Den anisotrope WS-tilstand observeret af dette hold af forskere er sandsynligvis en helt ny kvantetilstand. Det betyder, at der indtil videre er meget lidt kendt om dets egenskaber og karakteristika.

I fremtiden kunne disse nylige fund således inspirere til nye teoretiske og eksperimentelle undersøgelser, der sigter mod bedre at forstå denne nyligt identificerede kvantetilstand med en iboende anisotropi (dvs. med forskellige værdier, når de måles i forskellige retninger). Disse undersøgelser kunne for eksempel forsøge at bestemme statens karakteristiske gitterform.

"Baseret på vores eksperimentelle resultater kan den forskellige elektroniske adfærd langs forskellige retninger af anisotropiske WS'er også være nyttige i elektroniske enheder," sagde Hossain. "Sådanne enheder kan reagere forskelligt afhængigt af retningen af ​​den påførte spænding."

I sidste ende kan den anisotrope WS, der blev afsløret af dette hold af forskere, bane vejen for udviklingen af ​​nye typer anisotropiske kvanteanordninger. I deres næste værker vil Shayegan, Hossain og deres kolleger undersøge mikrobølgeresonanserne i den tilstand, de afslørede, da disse kunne give flere detaljer om staten og dens anisotropi.

"For eksempel vil vi spørge:viser WS resonanser, svarende til hvad der er set i tilfælde af magnetfelt-inducerede WS'er, ved meget små fyldninger (høje magnetfelter)?" Shayegan tilføjede. "At observere resonanser ville være meget nyttigt, da de ville give stærke beviser for WS-fasen. Også at observere resonanser, hvis frekvenser afhænger af orienteringen af ​​det påførte elektriske felt i forhold til orienteringen af ​​WS-krystallen, ville være fascinerende og ville kaste lys om rollen som anisotropi." + Udforsk yderligere

Forskere udvikler kolossal 3D elektrisk anisotropi af MoAlB enkeltkrystal

© 2022 Science X Network