Halvledarmoiré-supergitter är fascinerande materialstrukturer som har visat sig vara lovande för att studera korrelerade elektrontillstånd och kvantfysikfenomen. Dessa strukturer, som består av artificiella atomer arrangerade i en så kallad moiré-konfiguration, är mycket avstämbara och kännetecknas av starka elektroninteraktioner.
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) genomförde nyligen en studie som ytterligare utforskade dessa material och deras underliggande fysik. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , introducerar ett nytt teoretiskt ramverk som skulle kunna informera om studiet av moiré-supergitter med stor period, som kännetecknas av svagt interagerande elektroner som finns i olika potentiella brunnar.
"Vår grupp har arbetat med tvådimensionella halvledarmoiré-material i fem år," sa Liang Fu, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "I dessa system rör sig elektroner i ett periodiskt potentiallandskap (moiré-supergittret) och interagerar med varandra genom Coulomb-repulsion."
Den främsta fördelen med halvledande moiré-supergitter är att de lätt kan manipuleras i experimentella miljöer. Specifikt kan fysiker kontrollera tätheten av elektroner inom dem för att ändra egenskaperna hos deras många-elektroners grundtillstånd.
"De flesta tidigare studier har fokuserat på fallet med att innehålla en eller mindre än en elektron per moiréenhetscell," sa Fu. "Vi bestämde oss för att utforska multielektronregimen och se om det finns något nytt."
Att förutsäga beteendet hos multielektronmaterial kan vara mycket utmanande. Den främsta anledningen till detta är att dessa system ofta innehåller olika energiskalor som konkurrerar med varandra.
"Kinetisk energi gynnar en elektronvätska, medan interaktion och potentiell energi gynnar elektronfasta", förklarade Aidan Reddy, första författare till tidningen. "Det fina med moirématerial är att den relativa styrkan hos olika energiskalor kan ställas in genom att variera moiréperioden. Med utnyttjande av denna avstämningsförmåga utvecklade vi ett teoretiskt ramverk för att studera moirésystem med stor period, där elektroner finns på olika potential brunnar är svagt kopplade."
Den teoretiska ram som introducerats av detta team av forskare fokuserar på beteendet hos enskilda atomer i moiré-supergittret. Reddy, Fu och deras kollega Trithep Devakul fann att detta relativt enkla tillvägagångssätt fortfarande kunde bidra till att belysa olika intressanta kvantfysikfenomen.
Med hjälp av sitt ramverk avslöjade forskarna ny fysik som kunde observeras i multielektronhalvledarbaserade moiré-supergitter. Till exempel, vid en fyllnadsfaktor n=3 (dvs när varje moiré'-atom i ett supergitter innehåller tre elektroner) fann de att Coulomb-interaktioner ledde till bildandet av en så kallad "Wigner-molekyl". Dessutom, under specifika omständigheter (dvs. om deras storlek är jämförbar med moiréperioden), visade de att dessa Wigner-molekyler kunde bilda en unik struktur känd som ett framväxande Kagome-gitter.
De intressanta självorganiserade elektronkonfigurationerna som beskrivs i denna forskargrupps artikel kan snart utforskas ytterligare i uppföljningsstudier. Dessutom skulle dessa nyupptäckta konfigurationer kunna tjäna som inspiration för andra fysiker, vilket gör det möjligt för dem att studera laddningsordning och kvantmagnetism i en regim som är ganska främmande för konventionella material.
"Den mest anmärkningsvärda insikten i vårt arbete är att, vid speciella fyllnadsfaktorer, elektroner självorganiserar sig till slående konfigurationer (Wigner-molekyler) på grund av en balans mellan energiskalorna på spel. Vår förutsägelse av Wigner solid har bekräftats experimentellt," Trithep lagt till.
På kort sikt planerar forskarna att studera kvantfasövergången mellan Wigners elektronfasta ämnen och elektronvätskor.
Mer information: Aidan P. Reddy et al, Artificiella atomer, Wigner Molecules, and an Emergent Kagome Lattice in Semiconductor Moiré Superlattices, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501
Hongyuan Li et al, Wigner Molecular Crystals from Multi-electron Moiré Artificial Atoms, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
