Et materiale med et særligt twist:2-D molybdæn diselenid krystal

I et materiale lavet af to tynde krystallag, der er let snoet i forhold til hinanden, forskere ved ETH har undersøgt adfærden af ​​stærkt interagerende elektroner. Ved at gøre sådan, de fandt en række overraskende egenskaber.

Mange moderne teknologier er baseret på specielle materialer, såsom halvledere, der er vigtige for computere, indeni, hvori elektroner kan bevæge sig mere eller mindre frit. Præcis hvor frie disse elektroner er, bestemmes af deres kvanteegenskaber og materialets krystalstruktur. Det meste af tiden bevæger de sig uafhængigt af hinanden. Under visse betingelser, imidlertid, stærke vekselvirkninger mellem elektronerne kan give anledning til særlige fænomener. Superledere, hvor elektroner parrer sig for at lede elektrisk strøm uden modstand, er et velkendt eksempel.

På Institute for Quantum Electronics i Zürich, ETH-professor Ataç Imamoğlu undersøger materialer med stærkt interagerende elektroner. Han ønsker at forstå elektronernes adfærd i disse materialer bedre og leder efter uventede egenskaber, der kan være interessante for fremtidige anvendelser. I et "snoet" materiale, han og hans samarbejdspartnere har nu gjort nogle overraskende opdagelser vedrørende elektronernes adfærd, som de rapporterer i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Moiré mønster i krystal

At skabe stærke interaktioner mellem elektroner på en kontrolleret måde, Imamoğlus forskergruppe brugte oblattynde skiver lavet af lag af en molybdændiselenidkrystal, der kun var et atom tyk. Sådanne skiver er også kendt som todimensionelle materialer, da elektroner i dem kun kan bevæge sig frit i ét plan. Denne egenskab alene frembringer allerede et væld af overraskende egenskaber, såsom dem, der er observeret i grafen, som også tilhører klassen af ​​todimensionelle materialer.

Tingene bliver endnu mere interessante, imidlertid, når to sådanne skiver lægges oven på hinanden med deres krystalretninger let snoet. Dette fører til en effekt kendt fra fjernsynet:hvis nogen bærer et slips eller en kjole lavet af et ternet eller stribet stof, underlige mønstre vises nogle gange på skærmen. Disse er også kendt som moiré-mønstre.

Noget lignende sker i Imamoğlus materialer. Vridningen mellem de to skiver skaber en slags moiré-krystalgitter, der svarer til en fiktiv krystal med atomer, der er længere fra hinanden end normalt. Sådan en krystal har en meget svagere indflydelse på elektronernes bevægelse, betyder, at interaktionerne mellem elektronerne bliver vigtigere ved sammenligning.

Overraskende egenskaber

"At tænke 'mere er bedre' ' vi indsatte desuden et tyndt lag af et andet materiale mellem molybdændiselenidskiverne, " siger Yuya Shimazaki, førende postdoc i Imamoğlus gruppe. Den skive bornitrid sikrer, at selvom de to snoede skiver er meget tæt på hinanden, elektroner kan ikke tunnelere frem og tilbage mellem dem. Ved at påføre en elektrisk spænding på materialet kan man så kontrollere nøjagtigt, hvor mange elektroner der er til stede inde i det. Endelig, for at finde ud af, hvordan elektronerne bevæger sig inde i dette sandwichmateriale, forskerne belyste det med laserlys, dermed spændende elektronerne.

"Vores materiale giver os mulighed for at studere elektronerne med optiske midler, Imamoğlu forklarer. "Det er en stor fordel i forhold til andre 2D-materialer såsom grafen." Fra lyssignalerne udsendt af de exciterede elektroner, mange forbløffende egenskaber af elektronerne kan udledes. Det, der mest overraskede fysikerne, var opførselen af ​​deres materiale, da det indeholdt lige så mange elektroner, som der var gittersteder i moiré-mønstrene i de to skiver.

I så fald siger den såkaldte Mott-isolator, hvor præcis én elektron optager et gittersted, optrådte i begge skiver. Den tilstand var ret ejendommelig, da Mott-isolatorstaterne stabiliserede hinanden, sådan, at selv stærke ydre elektriske felter ikke kunne flytte dem, og der gik derfor ingen strøm. "Det er første gang, en sådan adfærd blev observeret, " siger Imamoğlu.

Ideelt materiale til fremtidige undersøgelser

Det nye materiale baner vejen for en række yderligere spændende undersøgelser. Den er ideel til kontrollerede eksperimenter med stærkt interagerende elektroner. Forskerne kan ændre materialets egenskaber og styrken af ​​vekselvirkningerne gennem bornitridlaget og vinklen mellem molybdændiselenidskiverne. Dette giver dem mulighed for at studere komplekse fysiske processer, som er svære at realisere i andre materialer.