Material som har överskott av elektroner är vanligtvis ledare. Dock, moirémönster – interferensmönster som vanligtvis uppstår när ett föremål med ett repetitivt mönster placeras över ett annat med ett liknande mönster – kan undertrycka elektrisk ledningsförmåga, en studie ledd av fysiker vid University of California, Riverside, har funnit.

I labbet, forskarna överlagrade ett enda monolager av volframdisulfid (WS ₂ ) på ett enda monolager av volframdiselenid (WSe ₂ ) och riktade de två skikten mot varandra för att generera storskaliga moirémönster. Atomerna i båda WS ₂ och WSe ₂ lager är arrangerade i ett tvådimensionellt bikakegitter med en periodicitet, eller återkommande intervaller, mycket mindre än 1 nanometer. Men när de två gittren är inriktade i 0 eller 60 grader, kompositmaterialet genererar ett moirémönster med en mycket större periodicitet på cirka 8 nanometer. Konduktiviteten hos detta 2D-system beror på hur många elektroner som är placerade i moirémönstret.

"Vi fann att när moirémönstret är delvis fyllt med elektroner, systemet uppvisar flera isolerande tillstånd i motsats till ledande tillstånd som förväntas av konventionell förståelse, sa Yongtao Cui, en biträdande professor i fysik och astronomi vid UC Riverside, som ledde forskargruppen. "Fyllningsprocenten visade sig vara enkla fraktioner som 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, och så vidare. Mekanismen för sådana isolerande tillstånd är den starka interaktionen mellan elektroner som begränsar de mobila elektronerna till lokala moiréceller. Denna förståelse kan hjälpa till att utveckla nya sätt att kontrollera konduktivitet och att upptäcka nya supraledarematerial."

Studieresultat visas idag i Naturfysik.

Moirémönstren som genereras på kompositmaterialet av WS ₂ och WSe ₂ kan tänkas vara med brunnar och åsar anordnade på liknande sätt i ett bikakemönster.

"WS ₂ och WSe ₂ har en liten obalans när det gäller gitterstorlek, vilket gör dem idealiska för att producera moirémönster, " sade Cui. "Vidare, kopplingen mellan elektroner blir stark, vilket betyder att elektronerna "pratar med varandra" medan de rör sig över åsarna och brunnarna."

Vanligtvis, när ett litet antal elektroner placeras i ett 2D-lager som WS ₂ eller WSe ₂ , de har tillräckligt med energi för att resa fritt och slumpmässigt, gör systemet till en ledare. Cuis labb fann att när moiré-gitter bildas med både WS ₂ och WSe ₂ , resulterar i ett periodiskt mönster, elektronerna börjar sakta ner och stöta bort från varandra.

"Elektronerna vill inte stanna nära varandra, sa Xiong Huang, uppsatsens första författare och doktorand i Cuis Microwave Nano-Electronics Lab. "När antalet elektroner är sådant att en elektron upptar varje moiré-hexagon, elektronerna förblir låsta på plats och kan inte röra sig fritt längre. Systemet beter sig då som en isolator."

Cui liknade beteendet hos sådana elektroner med social distansering under en pandemi.

"Om hexagonerna kan tänkas vara hem, alla elektroner är inomhus, en per hem, och inte röra sig i grannskapet, " sa han. "Om vi ​​inte har en elektron per hexagon, men istället har 95 % beläggning av hexagoner, vilket betyder att några närliggande hexagoner är tomma, då kan elektronerna fortfarande röra sig lite genom de tomma cellerna. Det är då materialet inte är en isolator. Den beter sig som en dålig konduktör."

Hans labb kunde finjustera antalet elektroner i WS ₂ - WSe ₂ gitterkomposit för att ändra den genomsnittliga beläggningen av hexagonerna. Hans team fann att isolerande tillstånd inträffade när den genomsnittliga beläggningen var mindre än en. Till exempel, för en beläggning av en tredjedel, elektronerna ockuperade varannan hexagon.

"Genom att använda analogin om social distansering, istället för en separation på 6 fot, du har nu en separation av, säga, 10 fötter, sa Cui. när en elektron upptar en hexagon, det tvingar alla angränsande hexagoner att vara tomma för att följa den strängare regeln om social distansering. När alla elektroner följer denna regel, de bildar ett nytt mönster och upptar en tredjedel av de totala hexagonerna där de återigen förlorar friheten att röra sig, leder till ett isolerande tillstånd."

Studien visar att liknande beteenden också kan förekomma för andra beläggningsfraktioner som 1/4, 1/2, och 1/6, var och en motsvarar ett annat yrkesmönster.

Cui förklarade att dessa isolerande tillstånd orsakas av starka interaktioner mellan elektronerna. Detta, han lade till, är Coulomb-avstötningen, den frånstötande kraften mellan två positiva eller två negativa laddningar, som beskrivs av Coulombs lag.

Han tillade att i 3D-material, starka elektroninteraktioner är kända för att ge upphov till olika exotiska elektroniska faser. Till exempel, de bidrar sannolikt till bildandet av okonventionell högtemperatursupraledning.

"Frågan vi fortfarande inte har något svar på är om 2D-strukturer, den typ vi använde i våra experiment, kan producera supraledning vid hög temperatur, sa Cui.

Nästa, hans grupp kommer att arbeta med att karakterisera styrkan i elektroninteraktionerna.

"Elektronernas interaktionsstyrka bestämmer till stor del systemets isoleringstillstånd, " sade Cui. "Vi är också intresserade av att kunna manipulera styrkan i elektroninteraktionen."