V roku 1934 teoretický fyzik Eugene Wigner navrhol existenciu nového typu kryštálu.
Ak by sa hustota záporne nabitých elektrónov mohla udržať pod určitou úrovňou, mohli by sa subatomárne častice udržiavať v opakujúcom sa vzore, čím by sa vytvoril elektronický kryštál; táto myšlienka sa stala známou ako Wignerov krištáľ.
Oveľa ľahšie sa to však hovorí, ako robí. Elektróny sú úzkostlivé a je veľmi ťažké dosiahnuť, aby zostali na svojom mieste. Skupina fyzikov to však teraz dokázala – uzavretím vrtiacich sa vláseniek medzi dvojicu 2D polovodivých vrstiev volfrámu.
Bežné kryštály, ako napríklad diamanty alebo kremeň, sú tvorené z mriežky atómov, ktoré vytvárajú pevnú, trojrozmernú opakujúcu sa sieťovú štruktúru. Podľa Wignerovej myšlienky mohli byť elektróny usporiadané podobným spôsobom tak, aby vytvorili pevnú kryštalickú fázu, ale iba za predpokladu, že elektróny boli nehybné.
Ak je elektrónová hustota dostatočne nízka, Coulombovo odpudzovanie medzi elektrónmi rovnakého náboja vytvára potenciálnu energiu, ktorá musí dominovať nad kinetickou energiou, pričom elektróny zostávajú nehybné. To je ťažkosť.
„Elektróny sú kvantovo mechanické. Aj keď s nimi nič neurobíte, neustále spontánne váhajú, '' uviedol fyzik Keen Fay Mak z Cornellovej univerzity.
„Kryštál elektrónov by mal v skutočnosti tendenciu topiť sa, pretože je ťažké udržať elektróny v periodickej štruktúre.“
Preto sa pokusy o vytvorenie Wignerových kryštálov spoliehajú na akýsi lapač elektrónov, ako sú silné magnetické polia alebo jednoelektrónové tranzistory, ale fyzikom sa zatiaľ úplná kryštalizácia nepodarilo. V roku 2018 namiesto toho vedci z MIT, ktorí sa pokúšali vytvoriť typ izolátora, vytvorili Wignerov kryštál, ale ich výsledky ponechali priestor na interpretáciu.
(Katedra fyziky UCSD).
Lapačom MIT bola grafénová štruktúra známa ako molaté superlattice, kde sa dve dvojrozmerné mriežky navzájom mierne prekrývajú a objavujú sa väčšie pravidelné vzory, ako je to znázornené na obrázku vyššie.
Teraz Cornellov tím pod vedením fyzika Yang Xu zaujal cielenejší prístup s vlastnou molatovou superlaticou. Pre svoje dve polovodičové vrstvy použili disulfid volfrámu (WS2) a diselenid volfrámu (WSe2) špeciálne pestovaný na Kolumbijskej univerzite.
Keď sa tieto vrstvy prekrývajú, vytvorili tieto vrstvy šesťuholníkový vzor, ktorý vedcom umožňoval riadiť priemernú mobilitu elektrónov v ktorejkoľvek danej oblasti moaré.
Ďalším krokom bolo opatrné umiestnenie elektrónov na konkrétnych miestach mriežky pomocou výpočtov na určenie stupňa plnenia, pri ktorom by rôzne miesta elektrónov tvorili kryštály.
Posledným problémom bolo, ako vlastne zistiť, či sú ich predpovede správne, sledovaním Wignerových kryštálov alebo ich absencie.
„Ak chcete vytvoriť elektronický kryštál, musíte vytvoriť správne podmienky, ktoré súčasne reagujú na vonkajšie vplyvy,“ uviedol Mack.
„Potrebuješ dobrý spôsob, ako ich preskúmať. Neobťažujte ich príliš tým, že ich preskúmate. “
Tento problém bol vyriešený použitím izolačných vrstiev hexagonálneho nitridu bóru. Optický snímač bol umiestnený veľmi blízko (ale nedotýkal sa) vzorky vo vzdialenosti iba jedného nanometra a bol oddelený vrstvou nitridu bóru. To zabraňovalo elektrickej komunikácii medzi sondou a vzorkou pri zachovaní dostatočnej blízkosti pre vysokú citlivosť detekcie.
Vo vnútri superlattice moaru sú elektróny usporiadané v rôznych kryštalických konfiguráciách, vrátane trojuholníkových Wignerových kryštálov, fázových pruhov a dimérov.
Tento úspech je dôležitý nielen pre štúdium elektronických kryštálov. Získané údaje demonštrujú nevyužitý potenciál moaré superplatieb pre výskum v oblasti kvantovej fyziky.
„Naša štúdia,“ napísali vedci vo svojom príspevku, „kladie základ pre použitie moaré superlattic na modelovanie kvantových problémov viacerých tiel, ktoré sú popísané dvojrozmerným rozšíreným Hubbardovým modelom alebo modelmi spin s interakciami náboj – náboj a výmena na veľké vzdialenosti.“
Výskum je publikovaný v časopise Nature.
Zdroje: Foto: Izolačné stavy v superlattice, v ktorej sa nachádzajú elektróny. (Xu a kol., Nature, 2020).
