Forskere skræddersyr interaktionen af ​​elektroner i et atomisk tyndt fast stof

Fysikere i Regensburg og Marburg har skræddersyet den gensidige interaktion mellem elektroner i et atomisk tyndt fast stof ved blot at dække det med en krystal med håndplukket gitterdynamik.

I en kubikcentimeter af et fast stof, der er typisk 10 ²³ elektroner. I dette massive system med mange krop, tilsyneladende simpel parvis elektron-elektron interaktion kan forårsage ekstremt komplekse korrelationer og eksotisk adfærd, såsom superledning. Dette kvantefænomen forvandler et fast stof til en perfekt leder, som fører dissipationsfri elektriske strømme. Som regel, denne adfærd er et normalt træk ved specifikke faste stoffer. Endnu, opdagelsen af ​​atomare tynde lagmaterialer, såsom grafen - et monolag af grafit - eller overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er), har åbnet et nyt kreativt laboratorium for at skræddersy elektron-elektron-interaktioner og forme faseovergange. For eksempel, ved at stable grafenlag under bestemte vinkler, superledende adfærd kan skabes. Endnu, teori har også forudsagt, at kobling af elektroner med kvantiserede vibrationer af krystalgitteret kaldet fononer kan have en kritisk indflydelse på den måde, elektroner interagerer med hinanden.

Fysikere fra Regensburg ledet af Rupert Huber i samarbejde med Ermin Malics gruppe ved Philipps University i Marburg er nu kommet med en ny idé til at finjustere interaktionen mellem elektroner ved at koble til polære krystalgittervibrationer i et nabolag. Dette scenarie kan realiseres ved blot at dække TMDC monolag med et dæklag af gips, et materiale, der almindeligvis anvendes i gipsafstøbninger.

For at måle koblingsstyrken mellem elektroner og fononer, fysikere exciterede først elektroner i det halvledende TMDC-monolag med en ultrakort laserpuls, efterlader tilsvarende huller på deres oprindelige steder. Elektroner og huller bærer modsatte ladninger og er dermed bundet til hinanden af ​​deres Coulomb-tiltrækning – ligesom elektroner er bundet til kernen i brintatomet – og danner såkaldte excitoner. Ved at observere deres atomlignende energistruktur med efterfølgende ultrakort lyspuls i det infrarøde, det er muligt at kalibrere interaktionen mellem de to partikler.

Det overraskende fund var, at når TMDC-lagene var dækket med en tynd gipshætte, strukturen af ​​excitonerne blev væsentligt modificeret. "Den blotte rumlige nærhed af gipslaget er tilstrækkelig til stærkt at koble excitonernes indre struktur til polære gittervibrationer af gips, " siger Philipp Merkl, undersøgelsens første forfatter.

Selvom denne koblingsmekanisme forbinder elektroner og fononer i forskellige atomare tynde lag, de interagerer så stærkt, at de i det væsentlige smelter sammen til nye blandede partikler. Da forskerne opdagede det, de begyndte at lege med denne nye kvanteeffekt:Ved at placere et i det væsentlige inaktivt tredje atomisk tyndt lag som afstandsstykke mellem TMDC og gipsen, det lykkedes dem at justere den rumlige afstand mellem elektronerne og fononerne med atomær præcision.

"Denne strategi gjorde det muligt for os at finjustere koblingsstyrken med endnu højere præcision, ", tilføjer den tilsvarende forfatter Dr. Chaw-Keong Yong. "Disse resultater kan åbne nye veje til at skræddersy elektroniske korrelationer i todimensionelle materialer. I fremtiden, dette kunne muliggøre menneskeskabte faseovergange i kunstigt stablede heterostrukturer og nye fysiske kvanteegenskaber, som kunne finde applikationer i potentiel tabsfri elektronik og kvanteinformationsenheder."