Konstnärsillustration av mönstret, känt som moiré efter det franska tyget, som utvecklas i det tvinnade, skiktade materialet skapat av teamet. Detta mönster är nyckeln till att producera de upptäckta ovanliga kvantelektronbeteendena. Kredit:J.F. Podevin för Princeton University Department of Physics.
Ett nyligen utfört experiment som beskrivs i tidskriften Nature utmanar vår bild av hur elektroner beter sig i kvantmaterial. Med hjälp av staplade lager av ett material som kallas volframditellurid har forskare observerat elektroner i två dimensioner som beter sig som om de vore i en enda dimension - och i processen har de skapat vad forskarna hävdar är ett nytt elektroniskt tillstånd av materia.
"Detta är verkligen en helt ny horisont", säger Sanfeng Wu, biträdande professor i fysik vid Princeton University och senior författare till tidningen. "Vi kunde skapa en ny elektronisk fas med det här experimentet – i princip en ny typ av metalliskt tillstånd."
Vår nuvarande förståelse av beteendet hos interagerande elektroner i metaller kan beskrivas av en teori som fungerar bra med två- och tredimensionella system, men som går sönder när vi beskriver interaktionen mellan elektroner i en enda dimension.
"Denna teori beskriver majoriteten av de metaller vi känner till," sa Wu. "Den anger att elektroner i metall, även om de interagerar starkt, bör bete sig som fria elektroner, förutom att de kan ha olika värden i vissa karakteristiska storheter, såsom massan och magnetiskt moment."
I endimensionella system ger dock denna "Fermi-vätsketeori" plats för en annan teori, "Luttinger-vätsketeorin", för att beskriva interaktionen mellan elektroner.
"Luttingers flytande teori ger en grundläggande utgångspunkt för att förstå interagerande elektroner i en dimension", sa Wu. "Elektroner i ett endimensionellt gitter är så starkt korrelerade med varandra att de på sätt och vis inte börjar agera som fria elektroner."
Fermi-vätsketeorin lades först fram av Nobelpristagaren L.D. Landå. Luttingers teori gick igenom en lång process av förfining innan den blev allmänt accepterad av fysiker. En teoretisk modell föreslogs först av den japanske nobelpristagaren Shinichiro Tomonaga på 1950-talet, sa Wu, och formulerades självständigt av J.M. Luttinger senare 1963.
Luttinger tillhandahöll dock en otillräcklig lösning och så Princeton-matematikern och fysikern Elliott Lieb, idag Eugene Higgins professor i fysik, emeritus, antog utmaningen 1965 och gav så småningom en korrekt lösning. En annan fysiker och nobelpristagare, F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysik, använde sedan modellen 1981 för att förstå interaktionseffekterna av endimensionella metaller. Haldane myntade termen "Luttinger-vätskor" och lade grunden till den moderna teorin om Luttinger-vätskor som en allmän beskrivning av endimensionella metaller.
Under lång tid har dessa två teorier – Fermi-vätsketeorin och Luttinger-vätsketeorin – varit centrala för vår förståelse av elektronernas beteende i den kondenserade materiens fysik, enligt deras dimensionalitet.
Men det har förekommit antydningar om att interaktioner mellan elektroner är mycket mer komplexa än denna enkla klassificering. Philip Anderson, en annan Nobelpristagare och Princeton-fysiker, föreslog på 1990-talet att det kunde finnas vissa "exotiska" fall där elektronernas beteende i tvådimensionella system, vid sällsynta tillfällen, också kunde följa förutsägelserna från Luttingers vätsketeorin. Med andra ord, även om elektronerna i tvådimensionella system vanligtvis förklaras av Fermi-vätsketeorin, undrade Anderson om dessa elektroner kontraintuitivt kunde bete sig som en Luttinger-vätska, som om de var i ett endimensionellt system.
Detta var till stor del hypotetiskt. Det fanns inga experiment som kunde kopplas till dessa exotiska fall, sa Wu.
Tills nu.
Forskare skapade en enhet gjord av volfram (W) och tellurid (Te) i två kristallina lager staplade ovanpå varandra och vridna i förhållande till varandra med bara några grader. Den resulterande tvinnade dubbelskiktiga volframditelluriden uppvisade konstiga och oväntade egenskaper. Kredit:Pengjie Wang
Genom experiment upptäckte Wu och hans team att elektroner i en speciellt skapad tvådimensionell materialstruktur, när de kyldes till mycket låga temperaturer, plötsligt började bete sig som förutspått av Luttingers vätsketeori. Med andra ord, de agerade som korrelerade elektroner i ett endimensionellt tillstånd.
Forskarna utförde sitt experiment med ett material som kallas volframditellurid (WTe2 ), en skiktad halvmetall. En halvmetall är en förening som har mellanliggande egenskaper som placerar den mellan metaller och isolatorer. Princeton-forskarna Leslie Schoop, biträdande professor i kemi, och Robert Cava, Russell Wellman Moore-professorn i kemi, och deras team skapade volfram-ditelluridkristaller av högsta kvalitet. Wus team skapade sedan enstaka atomlager av detta material och staplade två av dem vertikalt för studien.
"Vi staplade monolager av volframditellurid ovanpå varandra och använde en vinkelvridning på antingen 5 eller 6 grader", säger Pengjie Wang, medförfattare till uppsatsen och en postdoktorand forskningsassistent. Detta skapade ett stort rektangulärt galler som kallas moirémönster, som liknar en vanlig fransk textildesign.
Teamet hade ursprungligen tänkt att observera hur vridningsvinkeln skulle påverka de andra typerna av kvantfenomen i volframditelluriden. Men vad de hittade förvånade dem.
"Först var vi förvirrade av resultaten," sa Wang. "Men det visade sig vara rätt."
Forskarna observerade att elektronerna, istället för att agera fritt, började samlas kraftigt i en linjär uppsättning som indikerar elektroner i ett endimensionellt system.
"Vad du har här är verkligen ett tvådimensionellt metalliskt tillstånd som inte beskrivs av Fermi standardvätsketeorin," sa Wu. "För första gången hittar vi en helt ny elektronisk fas av materia i två dimensioner som beskrivs av Luttinger-vätsketeorin."
Guo Yu, medförfattare på tidningen och doktorand i elektro- och datorteknik, beskrev materialets egenskaper som anmärkningsvärt växlande mellan antingen enhetliga i alla riktningar (isotropiska) eller kraftigt varierande i fysikaliska egenskaper när de mäts i olika riktningar ( anisotrop).
"Det som är unikt för vårt vridna dubbelskiktiga volfram-ditelluridsystem är att, till skillnad från de flesta andra monolagermaterial och deras moiré-supergitter som är isotropa, är moirémönstret i vårt prov mycket anisotropt, avgörande för att vara värd för den endimensionella fysiken," Yu sa.
En ny metallisk fas kan låta som att den skulle ha många praktiska tillämpningar, men Wu varnade för att detta är preliminär forskning. Innan sådana ansökningar kan förverkligas, sade han, måste ytterligare arbete utföras.
Ändå är Wu optimistisk inför framtiden. "Detta kan hjälpa till att öppna ett helt nytt fönster för att titta på nya kvantfaser av materia," sa han. "Under de kommande åren kommer vi att se många nya rön som kommer ut från den här forskningen." + Utforska vidare
