Udforskning af ny fysik, der opstår fra elektroninteraktioner i halvledermoiré-supergitter

Halvledermoiré-supergitter er fascinerende materialestrukturer, der har vist sig at være lovende til at studere korrelerede elektrontilstande og kvantefysiske fænomener. Disse strukturer, der består af kunstige atomarrays arrangeret i en såkaldt moiré-konfiguration, er meget afstembare og karakteriseret ved stærke elektroninteraktioner.

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) udførte for nylig en undersøgelse, der yderligere udforskede disse materialer og deres underliggende fysik. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , introducerer en ny teoretisk ramme, der kunne informere studiet af moiré-supergitter med stor periode, som er kendetegnet ved svagt interagerende elektroner, der befinder sig i forskellige potentielle brønde.

"Vores gruppe har arbejdet på todimensionelle halvledermoiré-materialer i fem år," fortalte Liang Fu, medforfatter af papiret, til Phys.org. "I disse systemer bevæger elektroner sig i et periodisk potentiallandskab (moiré-supergitteret) og interagerer med hinanden gennem Coulomb-frastødning."

Den primære fordel ved halvledende moiré-supergitter er, at de nemt kan manipuleres i eksperimentelle omgivelser. Specifikt kan fysikere kontrollere tætheden af ​​elektroner i dem for at ændre egenskaben af ​​deres mange-elektron grundtilstand.

"De fleste tidligere undersøgelser har fokuseret på tilfældet med at indeholde en eller mindre end en elektron pr. moiré-enhedscelle," sagde Fu. "Vi besluttede at udforske multi-elektron-regimet og se, om der er noget nyt."

Det kan være meget udfordrende at forudsige opførselen af ​​multielektronmaterialer. Hovedårsagen til dette er, at disse systemer ofte indeholder forskellige energiskalaer, som konkurrerer med hinanden.

"Kinetisk energi favoriserer en elektronvæske, mens interaktion og potentiel energi favoriserer elektronfaststof," forklarede Aidan Reddy, første forfatter af papiret. "Det fine ved moiré-materialer er, at den relative styrke af forskellige energiskalaer kan indstilles ved at variere moiré-perioden. Ved at udnytte denne afstemningsevne udviklede vi en teoretisk ramme til at studere moiré-systemer med stor periode, hvor elektroner opholder sig på forskellige potentialer. brønde er svagt koblet."

Den teoretiske ramme introduceret af dette team af forskere fokuserer på individuelle atomers adfærd i moiré-supergitteret. Reddy, Fu og deres kollega Trithep Devakul fandt ud af, at denne relativt simple tilgang stadig kunne være med til at kaste lys over forskellige interessante kvantefysiske fænomener.

Ved hjælp af deres rammer afslørede forskerne ny fysik, der kunne observeres i multi-elektron halvleder-baserede moiré supergitter. For eksempel, ved en fyldningsfaktor n=3 (dvs. når hvert moiré'-atom i et supergitter indeholder tre elektroner) fandt de ud af, at Coulomb-interaktioner førte til dannelsen af ​​et såkaldt "Wigner-molekyle." Derudover viste de under specifikke omstændigheder (dvs. hvis deres størrelse er sammenlignelig med moiré-perioden), at disse Wigner-molekyler kunne danne en unik struktur kendt som et emergent Kagome-gitter.

De interessante selvorganiserede elektronkonfigurationer, der er skitseret i dette forskningsholds papir, kan snart udforskes yderligere i opfølgende undersøgelser. Derudover kunne disse nyligt afdækkede konfigurationer tjene som inspiration for andre fysikere, hvilket giver dem mulighed for at studere ladningsrækkefølge og kvantemagnetisme i et regime, der er ret ukendt for konventionelle materialer.

"Den mest bemærkelsesværdige indsigt i vores arbejde er, at elektroner ved særlige fyldningsfaktorer selvorganiserer sig i slående konfigurationer (Wigner-molekyler) på grund af en balance mellem energiskalaerne i spil. Vores forudsigelse af Wigner solid er blevet bekræftet eksperimentelt," Trithep tilføjet.

På kort sigt planlægger forskerne at studere kvantefaseovergangen mellem Wigner-elektronfaststoffer og elektronvæsker.

Flere oplysninger: Aidan P. Reddy et al., Artificial Atoms, Wigner Molecules, and an Emergent Kagome Lattice in Semiconductor Moiré Superlattices, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501

Hongyuan Li et al, Wigner Molecular Crystals from Multi-electron Moiré Artificial Atoms, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network