I ett material tillverkat av två tunna kristallskikt som är lite vridna i förhållande till varandra, forskare vid ETH har studerat beteendet hos starkt interagerande elektroner. Gör så, de hittade ett antal överraskande egenskaper.

Många moderna tekniker är baserade på speciella material, t.ex. halvledarna som är viktiga för datorer, inuti vilken elektroner kan röra sig mer eller mindre fritt. Exakt hur fria dessa elektroner är bestäms av deras kvantegenskaper och materialets kristallstruktur. För det mesta rör de sig oberoende av varandra. Under vissa förutsättningar, dock, starka interaktioner mellan elektronerna kan ge upphov till särskilda fenomen. Superledare, där elektroner kopplas ihop för att leda elektrisk ström utan motstånd, är ett välkänt exempel.

På Institute for Quantum Electronics i Zürich, ETH-professorn Ataç Imamoğlu undersöker material med starkt interagerande elektroner. Han vill förstå elektronernas beteende i dessa material bättre och letar efter oväntade egenskaper som kan vara intressanta för framtida applikationer. I ett "vridet" material, han och hans medarbetare har nu gjort några överraskande upptäckter när det gäller beteendet hos elektroner, som de rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Moiré -mönster i en kristall

För att skapa starka interaktioner mellan elektroner på ett kontrollerat sätt, Imamoğlus forskargrupp använde skivtunna skivor gjorda av lager av en molybden-diselenidkristall endast en atom tjock. Sådana skivor är också kända som tvådimensionella material eftersom elektroner i dem bara kan röra sig fritt i ett plan. Bara den funktionen ger redan en mängd överraskande egenskaper, såsom de som observerats i grafen, som också tillhör klassen tvådimensionella material.

Saker blir ännu mer intressanta, dock, när två sådana skivor läggs ovanpå varandra med sina kristallriktningar något vridna. Detta leder till en effekt som är känd från tv:om någon bär slips eller klänning av ett rutigt eller randigt tyg, konstiga mönster visas ibland på skärmen. Dessa är också kända som moiré -mönster.

Något liknande händer i Imamoğlus material. Vridningen mellan de två skivorna skapar ett slags moiré-kristallgitter som uppgår till en fiktiv kristall med atomer som är längre ifrån varandra än vanligt. En sådan kristall har ett mycket svagare inflytande på elektronernas rörelse, vilket betyder att interaktionerna mellan elektronerna blir viktigare i jämförelse.

Överraskande egenskaper

"Att tänka" mer är bättre, 'vi satte också in ett tunt lager av ett annat material mellan molybden -diselenidskivorna, "säger Yuya Shimazaki, ledande postdoc i Imamoğlus grupp. Den skivan bornitrid säkerställer att, även om de två tvinnade skivorna ligger väldigt nära varandra, elektroner kan inte tunnla fram och tillbaka mellan dem. Genom att applicera en elektrisk spänning på materialet kan man sedan styra exakt hur många elektroner som finns i det. Till sist, för att ta reda på hur elektronerna rör sig inuti detta smörgåsmaterial, forskarna belyste det med laserljus, alltså spännande elektronerna.

"Vårt material tillåter oss att studera elektronerna med optiska medel, "Imamoğlu förklarar." Det är en stor fördel jämfört med andra 2-D-material som grafen. "Från de ljussignaler som avges av de upphetsade elektronerna, många förvirrande egenskaper hos elektronerna kan härledas. Det som förvånade fysikerna mest var beteendet hos deras material när det innehöll lika många elektroner som det fanns gallerställen i de två skivornas moirémönster.

I så fall anger den så kallade Mott-isolatorn, där exakt en elektron upptar en gitterplats, dök upp i båda skivorna. Det tillståndet var ganska märkligt eftersom Mott -isolatorstaterna stabiliserade varandra, så att även starka externa elektriska fält inte kunde flytta dem och därmed ingen ström flödade. "Det är första gången ett sådant beteende observerades, säger Imamoğlu.

Idealiskt material för framtida utredningar

Det nya materialet banar väg för en rad ytterligare spännande undersökningar. Den är idealisk för kontrollerade experiment med starkt interagerande elektroner. Forskarna kan ändra materialets egenskaper och styrkan i interaktionerna genom bornitridskiktet och vinkeln mellan molybden -diselenidskivorna. Detta gör att de kan studera komplexa fysiska processer som är svåra att förverkliga i andra material.