Modelele lui Moiré facilitează descoperirea unor faze izolatoare noi neașteptate

Formarea modelului moire de către doi faguri în fagure. Credit: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside

Un studiu condus de UC Riverside a observat faze izolatoare neașteptate prin plasarea electronilor în monostraturi stivuite de semiconductori 2D.

Materialele care au exces de electroni sunt de obicei conductoare. Cu toate acestea, modelele moire (tiparele de interferență care apar de obicei atunci când un obiect cu un model repetitiv este așezat deasupra altuia cu un model similar) pot suprima conductivitatea electrică, a descoperit un studiu condus de fizicienii universitari din California, Riverside.

În laborator, cercetătorii au suprapus un singur strat de disulfură de tungsten (WS)2) într-un singur strat de diselenidă de tungsten (WSe2) și a aliniat cele două straturi împreună pentru a genera modele de moire pe scară largă. Atomii din WS2 și WSe2 straturile sunt aranjate într-o rețea bidimensională de tip fagure cu o periodicitate sau intervale recurente de mult mai puțin de 1 nanometru. Dar când cele două rețele sunt aliniate la 0 sau 60 de grade, materialul compozit generează un model moire cu o periodicitate mult mai mare de aproximativ 8 nanometri. Conductivitatea acestui sistem 2D depinde de câți electroni sunt așezați în modelul moire.

„Am constatat că atunci când modelul moire este parțial umplut cu electroni, sistemul prezintă mai multe stări izolatoare în comparație cu stările conductoare așteptate de la înțelegerea convențională”, a spus Yongtao Cui, profesor asistent de fizică și astronomie la UC Riverside, care a condus cercetarea echipă. „Procentele de umplere s-au dovedit a fi fracții simple, cum ar fi 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, etc. Mecanismul acestor stări izolatoare este interacțiunea puternică dintre electroni care restricționează electronii în mișcare. Această înțelegere poate ajuta la dezvoltarea de noi modalități de control al conductivității și descoperirea de noi materiale supraconductoare. “

Rezultatele studiului au fost publicate la 15 februarie 2021 a Fizica naturii.

Modele de ocupație gelozie Moire

Modele de ocupare pentru diferite niveluri de ocupare a electronilor în rețeaua moire. Credit: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside

Modelele moare generate în materialul compozit WS2 și WSe2 ne putem imagina că este cu fântâni și lanțuri montane dispuse în mod similar într-un model de fagure.

„WS2 și WSe2 au o ușoară nepotrivire în dimensiunea zăbrelelor, deci sunt ideale pentru a produce modele de moare ”, a spus Cui. „În plus, cuplarea dintre electroni devine puternică, ceea ce înseamnă că electronii„ vorbesc între ei „pe măsură ce se mișcă prin creste și puțuri”.

De obicei, atunci când un număr mic de electroni sunt așezați într-un strat 2D ca WS2 sau WSe2, au suficientă energie pentru a călători liber și aleatoriu, transformând sistemul într-un conductor. Laboratorul lui Cui a descoperit că atunci când se formează rețele moiré folosind ambele WS2 și WSe2, rezultând un model periodic, electronii încep să încetinească și să se respingă reciproc.

„Electronii nu vor să rămână aproape unul de altul”, a spus Xiong Huang, primul autor al lucrării și doctorand la laboratorul de nanoelectronică cu microunde al lui Cui. “Când numărul de electroni este astfel încât un electron să ocupe fiecare hexagon moire, electronii se blochează la locul lor și nu se mai pot mișca liber. Atunci sistemul se comportă ca un izolator.”

Cui a comparat comportamentul acestor electroni cu distanțarea socială în timpul unei pandemii.

Xiong Huang și Yongtao Cui

Fotografia prezintă Xiong Huang (stânga) și Yongtao Cui. Credit: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside

„Dacă vă puteți imagina că hexagonele sunt case, toți electronii sunt înăuntru, unul pe casă și nu se mișcă în cartier”, a spus el. „Dacă nu avem un electron pe hexagon, dar în schimb avem 95% din el, adică unele hexagone din apropiere sunt goale, electronii se pot mișca încă puțin prin celulele goale. Atunci materialul nu este un izolator Se comportă ca un dirijor sărac. “

Laboratorul său a reușit să regleze numărul de electroni din WS2– WSe2 compus din zăbrele pentru a schimba ocuparea medie a hexagonelor. Echipa sa a găsit state izolante atunci când ocuparea medie era mai mică de una. De exemplu, pentru o treime de ocupație, electronii au ocupat toți ceilalți hexagoni.

„Cu analogia de distanțare socială, în loc de o separare de 6 picioare, acum aveți o separare de, să zicem, 10 picioare”, a spus Cui. „Prin urmare, atunci când un electron ocupă un hexagon, forțează toate hexagonele vecine să fie goale pentru a respecta cea mai strictă regulă de distanțare socială. Când toți electronii respectă această regulă, ei formează un nou model și ocupă o treime din totalul hexagonelor în care își pierd libertatea de a se mișca din nou, ceea ce duce la o stare de izolare.

Studiul arată că comportamente similare pot apărea și pentru alte fracțiuni de angajare, cum ar fi 1/4, 1/2 și 1/6, și fiecare corespunde unui model de angajare diferit.

Cui a explicat că aceste stări de izolare sunt cauzate de interacțiuni puternice între electroni. Acesta, a adăugat el, este repulsia lui Coulomb, forța respingătoare dintre două sarcini pozitive sau două negative, așa cum este descris în legea lui Coulomb.

El a adăugat că în materialele 3D, interacțiunile electronice puternice sunt cunoscute pentru a da naștere la diferite faze electronice exotice. De exemplu, acestea contribuie probabil la formarea supraconductivității neconvenționale la temperaturi ridicate.

„Întrebarea pentru care încă nu avem un răspuns este dacă structurile 2D, de tipul pe care le-am folosit în experimentele noastre, pot produce superconductivitate la temperaturi ridicate”, a spus Cui.

Grupul său va lucra apoi la caracterizarea puterii interacțiunilor electronice.

„Forța de interacțiune a electronilor determină în mare măsură starea de izolare a sistemului”, a spus Cui. „De asemenea, suntem interesați să putem manipula forța interacțiunii electronice”.

Referință: „Stări de izolare corelate în umpluturile WS fracționate2/ WSe2 moiré lattice ”de Xiong Huang, Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Chong Wang, Zhipeng Li, Zhen Lian, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Satoshi Okamoto, Di Xiao, Su-Fei Shi și Yong-Tao Cui, 15 februarie 2021, Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01171-w

Cui și Huang au fost finanțate prin subvenții de la National Science Foundation, o Hellman Fellowship și o SHINES Seed Fellowship.

Cercetării i s-au alăturat Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Zhipeng Li, Zhen Lian și Su-Fei Shi la Institutul Politehnic Rensselaer din New York; Chong Wang și Di Xiao la Universitatea Carnegie Mellon din Pennsylvania; Takashi Taniguchi și Kenji Watanabe la Institutul Național de Știința Materialelor din Japonia; și Satoshi Okamoto la Oak Ridge National Laboratory din Tennessee. Huang, T. Wang, Miao și C. Wang contribuie în mod egal la studiu.

Lucrarea de cercetare este intitulată „Stări de izolare corelate în umpluturile fracționate ale WS2/ WSe2 Moar? Rețea “.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.