På senare år har elektronikingenjörer har experimenterat med nya material som skulle kunna användas för att studera elektroniska korrelationsfenomen. Van der Waals (vdW) moirématerial är särskilt lovande för att undersöka dessa fenomen. VdW-material är sammansatta av starkt bundna tvådimensionella (2D) lager som är bundna i den tredje dimensionen genom svagare spridningskrafter.

Termen moiré, å andra sidan, hänvisar till ett specifikt mönster som produceras när ett ogenomskinligt mönster med mellanrum placeras på ett liknande mönster. Studier har nyligen avslöjat robusta och korrelerade isoleringstillstånd vid både heltals- och fraktionella fyllningsfaktorer för halvledande material med ett moirémönster.

Forskare vid Cornell University och National Institute for Materials Science i Japan har nyligen genomfört en studie som utforskar de termodynamiska egenskaperna hos dessa robusta korrelerade tillstånd. Deras papper, publiceras i Naturens nanoteknik , visade slutligen att kapacitansen (dvs. förmågan hos ett system att lagra elektrisk laddning) kan spela en nyckelroll vid undersökning av korrelerade tillstånd hos halvledarmoirématerial.

Denna senaste studie baserades delvis på en tidigare forskningsinsats av samma team, som avslöjade närvaron av ett överflöd av elektronkristaller i halvledarmoirématerial. Ett av huvudmålen med lagets nya studie var att bättre förstå dessa elektronkristalltillstånd genom att samla in termodynamiska mätningar.

"Vår studie hämtar också inspiration från teoretiska beräkningar av vår vän Veit Elser, som är medförfattare i tidningen, "Kinn Fai Mak, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Veit beräknade kapacitansen för en parallell plattkondensator som har provet som en platta och en metallisk gate som en annan platta."

Vanligtvis, kapacitansen för en parallellplattkondensator som den som undersökts av Elser skulle bara definieras av dess geometri (t.ex. avståndet mellan de två plattorna). Förvånande, dock, hans beräkningar antydde att kapacitansen när provplattan är i en fasblandning av elektronkristaller faktiskt kan vara oändlig.

"Det här kan bli stort, eftersom det avsevärt kan förbättra enhetens förmåga att lagra laddning, " sa Mak.

För att testa denna idé experimentellt, Mak och hans kollegor mätte kapacitansen för en parallell kondensator som har provet av intresse (dvs. moiréprovet) som en platta och en tunn metallplåt som den andra plattan.

"De två plattorna var åtskilda av ett experimentellt variabelt avstånd, ", sa Mak. "Kapacitansen är intimt kopplad till den elektroniska kompressibiliteten (en termodynamisk kvantitet) hos provet, vilket är ett mått på hur kompressibla elektronerna är när de utsätts för ett yttre elektriskt fält."

Teamet mätte noggrant hur kompressibla elektronerna i deras prov var när de exponerades för ett externt elektriskt fält som en funktion av elektrondensitet och temperatur. Detta gjorde det möjligt för dem att härleda ytterligare två termodynamiska mätningar (dvs. den elektroniska entropin och specifik värmekapacitet) från befintliga data, använda välkända och etablerade regler för termodynamiska relationer.

"En av de viktigaste prestationerna i vår studie var en betydande förbättring av den uppmätta kapacitansen jämfört med det geometriska värdet, " sa Mak. "Såvitt vi vet, detta är förmodligen den största förbättringen som rapporterats hittills. På grund av provstörningar, dock, den observerade förbättringen är långt ifrån oändlig som förutspåtts av Veits ursprungliga beräkningar. Man skulle kunna tänka sig ytterligare kapacitansförbättring med bättre prover i framtiden."

De senaste fynden som samlats in av detta team av forskare kan få viktiga konsekvenser för utvecklingen av elektroniska enheter. Faktiskt, deras arbete visar att kapacitansen hos halvledarmoiré-supergitter kan förbättras avsevärt, vilket innebär att laddningslagringen för enheter gjorda av dessa material skulle kunna förbättras.

Dessutom, teamet samlade värdefulla kvantitativa mätningar av de termodynamiska egenskaperna hos elektronkristalltillstånden i halvledarmoiré-supergitter. I framtiden, dessa mätningar kan hjälpa till att bättre förstå naturen hos dessa exotiska tillstånd av materia.

"Termodynamisk mätning är en viktig färdighet inom fysik, eftersom det hjälper till att förstå naturen hos många framväxande kvanttillstånd av materia, ", tillade Mak. "Det finns så många exotiska tillstånd som nyligen upptäckts i moirématerial (t.ex. supraledning, korrelerade isolatorer, elektronkristaller, kvantanomal Hall-effekt, etc.). Att utföra termodynamiska studier på dessa tillstånd kommer säkerligen att hjälpa till att förstå några av mysterierna inom detta forskningsområde. I allmänhet, Kapacitansmätning är ett mycket användbart diagnostiskt verktyg för kvantfrågor."

© 2021 Science X Network