Fysiker i Regensburg och Marburg har skräddarsytt den ömsesidiga interaktionen mellan elektroner i ett atomärt tunt fast ämne genom att helt enkelt täcka det med en kristall med handplockad gitterdynamik.

I en kubikcentimeter av ett fast ämne, det är vanligtvis 10 ²³ elektroner. I detta enorma många kroppssystem, till synes enkel parvis elektron-elektroninteraktion kan orsaka extremt komplexa korrelationer och exotiskt beteende, såsom supraledning. Detta kvantfenomen förvandlar ett fast ämne till en perfekt ledare, som leder avledningsfria elektriska strömmar. Vanligtvis, detta beteende är ett normalt drag hos specifika fasta ämnen. Än, upptäckten av atomärt tunna skiktade material, såsom grafen - ett monolager av grafit - eller övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), har öppnat ett nytt kreativt labb för att skräddarsy elektron-elektron-interaktioner och forma fasövergångar. Till exempel, genom att stapla grafenlager under specifika vinklar, supraledande beteende kan skapas. Än, teorin har också förutspått att koppling av elektroner med kvantiserade vibrationer i kristallgittret som kallas fononer kan kritiskt påverka hur elektroner interagerar med varandra.

Fysiker från Regensburg ledda av Rupert Huber i samarbete med Ermin Malics grupp vid Philipps University i Marburg har nu kommit på en ny idé att finjustera interaktionen mellan elektroner genom att koppla till polära kristallgittervibrationer i ett närliggande lager. Detta scenario kan realiseras genom att helt enkelt täcka TMDC-monoskikt med ett täckskikt av gips, ett material som vanligtvis används i gipsavgjutningar.

För att mäta kopplingsstyrkan mellan elektroner och fononer, fysiker exciterade först elektroner i det halvledande TMDC-monoskiktet med en ultrakort laserpuls, lämnar motsvarande hål kvar på sina ursprungliga platser. Elektroner och hål bär motsatta laddningar och är därmed bundna till varandra genom sin Coulomb-attraktion – precis som elektroner är bundna till kärnan i väteatomen – och bildar så kallade excitoner. Genom att observera deras atomliknande energistruktur med efterföljande ultrakort ljuspuls i det infraröda, det är möjligt att kalibrera interaktionen mellan de två partiklarna.

Det överraskande fyndet var att när TMDC-skikten väl täcktes med en tunn gipshatt, strukturen av excitonerna modifierades väsentligt. "Bara den rumsliga närheten av gipsskiktet är tillräcklig för att starkt koppla excitonernas inre struktur till polära gittervibrationer hos gips, säger Philipp Merkl, studiens första författare.

Även om denna kopplingsmekanism förbinder elektroner och fononer i olika atomärt tunna lager, de interagerar så starkt att de i huvudsak smälter samman till nya blandade partiklar. När forskarna upptäckte det, de började leka med den här nya kvanteffekten:Genom att placera ett väsentligen inert tredje atomärt tunt lager som en distans mellan TMDC och gips, de lyckades justera det rumsliga avståndet mellan elektronerna och fononerna med atomär precision.

"Denna strategi gjorde det möjligt för oss att finjustera kopplingsstyrkan med ännu högre precision, ", tillägger motsvarande författare Dr. Chaw-Keong Yong. "Dessa resultat kan öppna nya vägar för att skräddarsy elektroniska korrelationer i tvådimensionella material. I framtiden, detta skulle kunna möjliggöra konstgjorda fasövergångar i artificiellt staplade heterostrukturer och nya fysikaliska kvantegenskaper, som skulle kunna hitta tillämpningar i blivande förlustfri elektronik och kvantinformationsenheter."