Vuonna 1934 teoreettinen fyysikko Eugene Wigner ehdotti uuden tyyppisen kiteen olemassaoloa.
Jos negatiivisesti varautuneiden elektronien tiheys voidaan pitää tietyn tason alapuolella, subatomiset hiukkaset voidaan pitää toistuvana kuviona, mikä luo elektronisen kiteen; tämä idea tuli tunnetuksi Wigner-kristallina.
Paljon helpompaa sanoa kuin tehdä. Elektronit ovat hankalia ja on erittäin vaikeaa saada heidät pysymään paikoillaan. Ryhmä fyysikkoja on kuitenkin nyt saavuttanut tämän – liittämällä heiluttavia pieniä hiusneuloja 2D-puolijohtavien volframikerrosten väliin.
Tavalliset kiteet, kuten timantit tai kvartsi, muodostetaan atomien ristikosta, jotka muodostavat kiinteän, kolmiulotteisen, toistuvan verkkorakenteen. Wignerin ajatuksen mukaan elektronit voitaisiin järjestää samalla tavalla kiinteän kiteisen faasin muodostamiseksi, mutta vain jos elektronit olisivat paikallaan.
Jos elektronitiheys on tarpeeksi pieni, Coulombin hylkääminen elektronien välillä samalla varauksella luo potentiaalienergian, jonka pitäisi hallita kineettistä energiaa, jättäen elektronit paikallaan. Tämä on vaikeus.
“Elektronit ovat kvanttimekaanisia. Vaikka et tekisikään heidän kanssaan mitään, he epäröivät koko ajan spontaanisti '', kertoi fyysikko Keen Fay Mak Cornellin yliopistosta.
“Elektronikidellä olisi taipumus sulaa, koska on niin vaikeaa pitää elektroneja kiinteinä jaksollisessa rakenteessa.”
Siksi yritykset luoda Wigner-kiteitä riippuvat eräänlaisesta elektronilukosta, kuten voimakkaista magneettikentistä tai yksielektronitransistoreista, mutta fyysikot eivät ole vielä onnistuneet täydellisessä kiteyttämisessä. Vuonna 2018 MIT-tutkijat, jotka yrittivät luoda erään tyyppisen eristimen, loivat Wigner-kiteen, mutta niiden tulokset jättivät tilaa tulkinnalle.
(UCSD: n fysiikan laitos).
MIT-ansa oli grafeenirakenne, joka tunnetaan nimellä moiré-superhila, jossa kaksi kaksiulotteista ruudukkoa menee päällekkäin pienellä kierteellä ja ilmestyvät suuremmat, säännölliset kuviot, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty.
Cornellin tiimi, jota johtaa fyysikko Yang Xu, on nyt omaksunut kohdennetumman lähestymistavan omalla moiré-superlaitteellaan. Kaksi puolijohdekerrosta varten he käyttivät volframidisulfidia (WS2) ja volframidiselenidiä (WSe2), jotka oli erityisesti kasvatettu Columbian yliopistossa.
Päällekkäin nämä kerrokset muodostivat kuusikulmaisen kuvion, jonka avulla tutkijat pystyivät hallitsemaan keskimääräistä elektronien liikkuvuutta millä tahansa moiré-alueella.
Seuraava askel oli sijoittaa elektronit varovasti tiettyihin kohtiin hilaa käyttäen laskutoimituksia sen täyttymisasteen määrittämiseksi, jossa eri elektronipaikat muodostavat kiteitä.
Viimeinen ongelma oli, kuinka todellisuudessa nähdä, ovatko heidän ennustuksensa oikeita tarkkailemalla Wigner-kiteitä tai niiden puuttumista.
“Sähköisen kiteen luomiseksi sinun on luotava oikeat olosuhteet, ja samalla ne reagoivat ulkoisiin vaikutuksiin”, Mack sanoi.
'Tarvitset hyvän tavan tutkia niitä. Älä häiritse niitä liikaa tutkimalla heitä. '
Tämä ongelma ratkaistiin käyttämällä eristekerroksia kuusikulmaista boorinitridiä. Optinen anturi asetettiin hyvin lähelle (mutta ei koskematta) näytettä vain yhden nanometrin etäisyydelle, erotettuna boorinitridikerroksella. Tämä esti sähkönsiirron koettimen ja näytteen välillä säilyttäen samalla riittävän läheisyyden korkeaa havaitsemisherkkyyttä varten.
Moiré-superhilan sisällä elektronit sijaitsevat eri kiteissä, mukaan lukien kolmiomaiset Wigner-kiteet, raitafaasit ja dimeerit.
Tämä saavutus on tärkeä paitsi elektronisten kiteiden tutkimisen kannalta. Saadut tiedot osoittavat moiré-superpintojen hyödyntämättömän potentiaalin tutkimukseen kvanttifysiikan alalla.
“Tutkimuksemme”, tutkijat kirjoitti paperissaan, “luo perustan moiré-superlattioiden käytölle monikehoisten kvanttiongelmien mallintamiseen, joita kuvaavat kaksiulotteinen laajennettu Hubbard-malli tai spin-mallit, joissa on pitkän kantaman lataus- lataus- ja vaihdon vuorovaikutus.”
Tutkimus on julkaistu Nature-lehdessä.
Lähteet: Valokuva: Eristävät tilat superverkossa, joka sisältää elektronit. (Xu et ai., Nature, 2020).
