Som rastlösa barn som poserar för ett familjeporträtt, elektroner kommer inte att hålla stilla tillräckligt länge för att stanna i någon form av fast arrangemang.

Cornell-forskare staplade tvådimensionella halvledare för att skapa en moiré-supergitterstruktur som fångar elektroner i ett upprepande mönster, slutligen bildar den långhypotesiserade Wigner-kristallen.

Nu, ett Cornell-ledd samarbete har utvecklat ett sätt att stapla tvådimensionella halvledare och fånga elektroner i ett upprepande mönster som bildar en specifik och långhypoteserad kristall.

Lagets tidning, "Korrelerade isolerande tillstånd vid fraktionella fyllningar av Moiré Superlattices, " publicerad 11 november in Natur . Uppsatsens huvudförfattare är postdoktorn Yang Xu.

Projektet växte fram ur Kin Fai Maks gemensamma labb, docent i fysik vid College of Arts and Sciences, och Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik vid College of Engineering, tidningens medförfattare. Båda forskarna är medlemmar i Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science; de kom till Cornell genom provostens Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) initiativ.

En kristall av elektroner förutspåddes först 1934 av den teoretiske fysikern Eugene Wigner. Han föreslog att när repulsionen som är ett resultat av negativt laddade elektroner – kallade Coulomb-repulsioner – dominerar elektronernas kinetiska energi, en kristall skulle bildas. Forskare har provat olika metoder för att undertrycka den kinetiska energin, som att placera elektroner under ett extremt stort magnetfält, ungefär en miljon gånger så mycket som jordens magnetfält. Fullständig kristallisering förblir svårfångad, men Cornell-teamet upptäckte en ny metod för att uppnå det.

"Elektroner är kvantmekaniska. Även om du inte gör något med dem, de kikar spontant runt hela tiden, " sa Mak. "En kristall av elektroner skulle faktiskt ha en tendens att bara smälta eftersom det är så svårt att hålla elektronerna fixerade i ett periodiskt mönster."

Så forskarnas lösning var att bygga en verklig fälla genom att stapla två halvledarmonoskikt, volframdisulfid (WS2) och volframdiselenid (WSe2), odlat av partners vid Columbia University. Varje monolager har en något annorlunda gitterkonstant. När de paras ihop, de skapar en moiré supergitterstruktur, som i huvudsak ser ut som ett sexkantigt rutnät. Forskarna placerade sedan elektroner på specifika platser i mönstret. Som de hittade i ett tidigare projekt, energibarriären mellan platserna låser elektronerna på plats.

"Vi kan kontrollera den genomsnittliga beläggningen av elektronerna på en specifik moiré-plats, " sa Mak.

Med tanke på det invecklade mönstret av ett moiré-supergitter, kombinerat med elektronernas skakiga natur och behovet av att placera dem i ett mycket specifikt arrangemang, forskarna vände sig till Veit Elser, professor i fysik och medförfattare till artikeln, som beräknade förhållandet mellan beläggning med vilket olika arrangemang av elektroner kommer att självkristallisera.

Dock, utmaningen med Wigner-kristaller är inte bara att skapa dem, men observerar dem, för.

"Du måste träffa precis rätt förutsättningar för att skapa en elektronkristall, och på samma gång, de är också ömtåliga, " sa Mak. "Du behöver ett bra sätt att undersöka dem. Du vill egentligen inte störa dem nämnvärt när du undersöker dem."

Teamet tog fram en ny optisk avkänningsteknik där en optisk sensor placeras nära provet, och hela strukturen är inklämd mellan isolerande lager av hexagonal bornitrid, skapad av medarbetare vid National Institute for Materials Science i Japan. Eftersom sensorn är separerad från provet med cirka två nanometer, det stör inte systemet.

Den nya tekniken gjorde det möjligt för teamet att observera många elektronkristaller med olika kristallsymmetrier, från triangulära gitter Wigner-kristaller till kristaller som självinriktade sig till ränder och dimerer. Genom att göra så, teamet visade hur mycket enkla ingredienser kan bilda komplexa mönster – så länge som ingredienserna sitter stilla tillräckligt länge.