NUS-fysiker har upptäckt att monolager vanadindiselenid (VSe₂ ) har samexisterande laddningsordnade tillstånd med två distinkta drivmekanismer.

Laddningsdensitetsvågor (CDW) är statiska moduleringar av elektrondensitet - som vanligtvis sker med ett periodiskt intervall av några få gitterkonstanter i kristallina material. Konventionella CDW förekommer inom parallella områden av den elektroniska ("Fermi") ytan och åtföljs av en periodisk (Peierls) modulering av det underliggande atomgittret.

Även om de är kända i nästan ett sekel, fortsätter CDW att få stor uppmärksamhet inom den kondenserade materiens fysikgemenskap. Förekomsten och avstämningsmöjligheten av CDW i ultratunna tvådimensionella (2D) material är särskilt intressanta eftersom dessa material också kan vara värd för andra nya tillstånd (t.ex. magnetism och supraledning) och kan vara användbara för elektroniska applikationer. Laddningsordningen i ultratunna material med enkla eller få lager av atomer är också av grundläggande intresse, på grund av den ökade betydelsen av elektron-elektron-interaktioner.

Vanadindiselenid (VSe₂ ) i sin monolagerform är en prototypisk övergångsmetalldikalkogenid. Den har en konventionell triangulär CDW med en periodicitet på fyra gånger dess gitterkonstant, 4a (där a är gitterkonstanten). Men grundtillståndet för monolager VSe₂ är omgiven av kontroverser, med kontrasterande rapporter om ordnade tillstånd av strukturellt, elektroniskt och magnetiskt ursprung. Fastställande av arten och ursprunget för laddningsordern i monolager VSe₂ är viktigt med tanke på dess användning i potentiella tillämpningar och för att förstå effekterna av stark koppling och korrelationer i ultratunna material.

Forskargruppen under ledning av professor Andrew WEE och biträdande professor Anjan SOUMYANARAYANAN båda från Institutionen för fysik, National University of Singapore gjorde betydande framsteg i att reda ut arten och ursprunget för laddningsordningen som finns i monolager VSe₂ . Deras scanning tunneling microscopy (STM) experiment fastställer att medan CDW i dubbellager (BL)-VSe₂ är nära besläktad med bulkmaterialet, blir det kvalitativt distinkt i monolager VSe₂ . Systematiska studier över olika substrat och temperaturer visar att monolager VSe₂ är värd för två kontrasterande enkelriktade CDW, med periodiciteter på 4a respektive 2,8a (se figur). Deras beräkningar visar att medan 4a CDW kan förklaras med den konventionella Peierls-mekanismen, kan 2.8a CDW inte förklaras inom detta ramverk. Istället visade forskarna att denna okonventionella CDW kan härröra från starka elektron-elektroninteraktioner. Denna forskning är ett samarbete med University of Amsterdam och Indian Institute of Science.

Biträdande professor Soumyanarayanan sa:"Våra resultat har etablerat monolager VSe₂ som det första materialet som är värd för två samexisterande CDW, var och en med en distinkt drivmekanism. Detta arbete tar upp kontroversen kring det mycket omdiskuterade grundtillståndet för monolager VSe₂ . Det banar vidare vägen för användningen av framväxande interaktioner för att realisera och skräddarsy ordnade tillstånd i ultratunna filmer och heterostrukturer, mot okonventionella elektroniska enheter."

Forskningen publicerades i ACS Nano . + Utforska vidare

Slopande elektroner i en laddningstäthetsvåg