Fysiker har försökt bestämma grundtillstånden för 2D-elektronsystem vid extremt låga densiteter och temperaturer i många decennier nu. De första teoretiska förutsägelserna för dessa grundtillstånd lades fram av fysikerna Felix Bloch 1929 och Eugene Wigner 1934, som båda föreslog att interaktioner mellan elektroner kunde leda till grundtillstånd som aldrig tidigare observerats.

Forskare vid Princeton University har genomfört studier inom detta fysikområde i flera år nu. Deras senaste arbete, presenterat i Physical Review Letters , samlade bevis på ett nytt tillstånd som hade förutspåtts av Wigner, känt som ett oordnat Wigner-fastämne (WS).

"Fasen som förutspåtts av Wigner, en ordnad uppsättning elektroner (den så kallade Wigner-kristallen eller WS), har fascinerat forskare i decennier", säger Mansour Shayegan, huvudutredare för studien, till Phys.org. "Dess experimentella genomförande är extremt utmanande, eftersom det kräver prover med mycket låga densiteter och med lämpliga parametrar (stor effektiv massa och liten dielektricitetskonstant) för att förstärka interaktionens roll."

För att framgångsrikt producera en WS eller quantum WS i en laboratoriemiljö behöver forskare extremt rena och högkvalitativa prover. Det betyder att de ämnen de använder i sina experiment måste ha ett minimalt antal föroreningar, eftersom dessa föroreningar kan locka till sig elektroner och få dem att ordna om sig själva slumpmässigt.

Eftersom att tillfredsställa kraven för att producera dessa tillstånd är mycket utmanande, har tidigare studier som undersökt kvant-WS-system, där elektron-elektroninteraktioner dominerar över den så kallade Fermi-energin, varit otroligt få. Den första kvant-WS observerades 1999 av Jongsoo Yoon vid Princeton University och några av forskarna som var involverade i den senaste studien, med hjälp av en GaAs/AlGaAs 2D-heterostruktur.

I sin nya studie använde teamet ett rent och mycket rent 2D AlAs (aluminiumarsenid)-prov med en anisotropisk (dvs olika mätt i olika riktningar) effektiv massa och Fermi Sea. Deras prov uppfyllde särskilt kraven för realisering av en anisotropisk 2D WS mycket väl.

"Vårt prov är en nästan idealisk plattform för att observera ett kvant-WS vid noll magnetfält," sa Shayegan. "Nu visar det sig att 2D-elektronerna i AlAs ger en extra bonus, nämligen en anisotropisk energibandspridning som leder till en anisotropisk effektiv massa. Vad vi fann är att denna anisotropi kan visa sig i egenskaperna hos WS såsom dess resistans. och de-pinning tröskel längs olika riktningar i planet.

Materialet som Shayegan och hans kollegor använder i sina experiment består av en högkvalitativ AlAs-kvantbrunn, med mycket få föroreningar och därmed låg oordning. I denna kvantbrunn är elektroner instängda inom 2 dimensioner.

"Vi kan använda grindspänning för att justera densiteten hos elektronerna i vårt prov," sa Md Shafayat Hossain, huvudförfattare till tidningen, till Phys.org. "Vi använde en kombination av elektrisk transport (d.v.s. mätningar av resistivitet) och DC-biasspektroskopi (dvs. mätning av differentiell resistans som en funktion av source-drain DC-bias) för att studera det anisotropa 2D-ordnade Wigner-fastämnet."

Mätningar av lagets provs resistivitet och differentialresistans visade att de faktiskt hade observerat ett nytt kvantum WS vid ett noll magnetfält, med hjälp av ett anisotropt materialsystem. I slutändan tillät detta dem att avslöja effekterna av anisotropi på det svårfångade men fascinerande WS-tillståndet.

"Den observerade Wigner solid visar olika effektiva glidegenskaper längs olika riktningar," sa Hossain. "Detta manifesteras via olika depinningströskelspänningar längs olika riktningar som observerats i våra experiment."

Det anisotropa WS-tillståndet som observerats av detta team av forskare är sannolikt ett helt nytt kvanttillstånd. Det betyder att man hittills inte vet mycket om dess egenskaper och egenskaper.

I framtiden kan dessa nya fynd alltså inspirera till nya teoretiska och experimentella studier som syftar till att bättre förstå detta nyligen identifierade kvanttillstånd med en inneboende anisotropi (dvs med olika värden när de mäts i olika riktningar). Dessa studier skulle till exempel kunna försöka fastställa statens karaktäristiska gitterform.

"Baserat på våra experimentella fynd kan det olika elektroniska beteendet längs olika riktningar av anisotropa WS också vara till nytta i elektroniska enheter," sa Hossain. "Sådana enheter kan reagera olika beroende på riktningen för den applicerade spänningen."

I slutändan kan den anisotropa WS som avslöjats av detta team av forskare bana väg för utvecklingen av nya typer av anisotropa kvantenheter. I sina nästa verk kommer Shayegan, Hossain och deras kollegor att undersöka mikrovågsresonanserna i det tillstånd de upptäckte, eftersom dessa kan ge mer information om staten och dess anisotropi.

"Vi kommer till exempel att fråga:visar WS resonanser, liknande vad som har setts i fallet med magnetfältsinducerade WSs, vid mycket små fyllningar (höga magnetiska fält)?" tillade Shayegan. "Att observera resonanser skulle vara till stor hjälp eftersom de skulle ge starka bevis för WS-fasen. Att observera resonanser vars frekvenser beror på orienteringen av det applicerade elektriska fältet med avseende på orienteringen av WS-kristallen skulle vara fascinerande och skulle kasta ljus om rollen av anisotropi." + Utforska vidare

Forskare utvecklar kolossal 3D elektrisk anisotropi av MoAlB enkristall

© 2022 Science X Network