Moiré vzory usnadňují objevení neočekávaných nových fází izolace

Vytvoření moaré vzoru přes dvě voštinové mřížky. Fotografický kredit: Microwave Nanoelectronics Lab, UC Riverside

Studie provedená UC Riverside pozorovala neočekávané fáze izolace umístěním elektronů na skládané monovrstvy 2D polovodičů.

Materiály s přebytečnými elektrony jsou obvykle vodiče. Studie fyziků na Kalifornské univerzitě v Riverside však může potlačit elektrickou vodivost – vzory moaré – interferenční vzory, které se obvykle objevují, když je objekt s opakujícím se vzorem umístěn nad jiný s podobným vzorem.

V laboratoři vědci položili jednu monovrstvu disulfidu wolframu (WS)2) na jedné monovrstvu diselenidu wolframu (WSe2) a obě vrstvy navzájem srovnali, aby vytvořily velkoplošné moaré vzory. Atomy v obou WS2 a WSe2 Vrstvy jsou uspořádány v dvourozměrné voštinové mřížce s periodicitou nebo opakujícími se intervaly mnohem menšími než 1 nanometr. Když jsou však dvě mřížky zarovnány na 0 nebo 60 stupňů, kompozit vytvoří moaré vzor s mnohem větší periodicitou asi 8 nanometrů. Vodivost tohoto 2D systému závisí na tom, kolik elektronů je umístěno ve vzorci moaré.

„Zjistili jsme, že když je moaré vzor částečně naplněn elektrony, systém má několik stavů izolace, na rozdíl od vodivých stavů očekávaných konvenčním porozuměním,“ řekl Yongtao Cui, odborný asistent fyziky a astronomie na UC Riverside, který vedl výzkumný tým. “Bylo zjištěno, že procenta plnění jsou jednoduché zlomky jako 1/2, 1/3, 1/4, 1/6 atd.” Mechanismem pro takové izolační stavy je silná interakce mezi elektrony, která omezuje mobilní elektrony v lokálních moaré buňkách. Toto porozumění může pomoci vyvinout nové způsoby řízení vodivosti a objevování nových supravodivých materiálů. “

Výsledky studie byly zveřejněny 15. února 2021 v Přírodní fyzika.

Vzor posádky moaré mřížky

Okupační vzor pro různé úrovně obsazení elektronů v moaré mřížce. Fotografický kredit: Microwave Nanoelectronics Lab, UC Riverside

Moiré vzory vytvořené na kompozitním materiálu WS2 a WSe2 Lze si představit, že studny a hřebeny jsou uspořádány podobně jako voštinový vzor.

„WS2 a WSe2 mají mírný nesoulad, pokud jde o velikost mřížky, což je činí ideálními pro vytváření vzorů moaré, “řekl Cui. „Rovněž vazba mezi elektrony zesiluje, což znamená, že elektrony„ spolu mluví “, když se pohybují přes hřebeny a jámy.“

Typicky, když je malý počet elektronů umístěn ve 2D vrstvě, jako je WS2 nebo WSe2Máte dostatek energie k volnému a náhodnému pohybu, což ze systému dělá žebřík. Laboratoř společnosti Cuis zjistila, že při tvorbě mřížkových roštů s oběma WS2 a WSe2což má za následek periodický vzorec, elektrony se začínají zpomalovat a navzájem se odpuzovat.

„Elektrony nechtějí zůstat blízko u sebe,“ řekl Xiong Huang, hlavní autor článku a doktorand v Cuiově mikrovlnné nanoelektronické laboratoři. “Pokud je počet elektronů takový, že jeden elektron zabírá každý moaré šestiúhelník, elektrony zůstávají na svém místě a již se nemohou volně pohybovat.” Systém se poté chová jako izolátor. “

Cui přirovnal chování těchto elektronů k sociálnímu distancování se během pandemie.

Xiong Huang a Yongtao Cui

Fotografie ukazují Xiong Huang (vlevo) a Yongtao Cui. Fotografický kredit: Microwave Nanoelectronics Lab, UC Riverside

„Pokud si můžete představit šestiúhelníky jako domy, pak jsou všechny elektrony uvnitř, jeden pro každý dům, a nepohybujte se po sousedství,“ řekl. “Pokud nemáme jeden elektron na šestiúhelník, ale 95% šestiúhelníků je obsazeno, což znamená, že některé blízké šestiúhelníky jsou prázdné, mohou se elektrony stále trochu pohybovat prázdnými buňkami.” Materiál pak není izolátor. Funguje to jako špatný vodič. “

Jeho laboratoř dokázala doladit počet elektronů ve WS2– WSe2 Síť pro změnu průměrné obsazenosti šestiúhelníků. Jeho tým zjistil, že k izolačním podmínkám došlo, když průměrná obsazenost byla menší než jedna. Například při obsazení jedné třetiny elektrony zabírají každý druhý šestiúhelník.

„Díky analogii se společenskou distancí máte nyní vzdálenost 6 stop místo 6 stop,“ řekl Cui. “Takže když elektron obsadí šestiúhelník, všechny sousední šestiúhelníky se stanou prázdnými, aby splňovaly přísnější pravidlo sociální distancování.” Když se všechny elektrony řídí tímto pravidlem, vytvářejí nový vzor a zaujímají třetinu celkových šestiúhelníků, ve kterých opět ztrácejí svobodu pohybu, což vede k izolačnímu stavu. “

Studie ukazuje, že podobné chování může nastat také u dalších skupin osob, jako je 1/4, 1/2 a 1/6, přičemž každá odpovídá jinému vzoru zaměstnání.

Cui vysvětlil, že tyto izolační stavy jsou způsobeny silnými interakcemi mezi elektrony. Toto je Coulombův odpor, odpudivá síla mezi dvěma kladnými nebo dvěma zápornými náboji, jak je popsáno v Coulombově zákoně.

Dodal, že v 3D materiálech je známo, že silné elektronové interakce vedou k různým exotickým elektronovým fázím. Například pravděpodobně přispívají k tvorbě nekonvenční vysokoteplotní supravodivosti.

„Otázka, na kterou stále nemáme odpověď, je, zda 2D struktury, jako jsou ty, které jsme použili v našich experimentech, mohou vytvářet vysokoteplotní supravodivost,“ řekl Cui.

Dále jeho skupina bude pracovat na charakterizaci síly elektronových interakcí.

„Síla interakce mezi elektrony do značné míry určuje stav izolace systému,“ řekl Cui. „Rovněž nás zajímá možnost ovlivňovat sílu interakce elektronů.“

Odkaz: „Korelované stavy izolace s částečnými výplněmi WS2/ WSe2 Moiré Grid “, autor: Xiong Huang, Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Chong Wang, Zhipeng Li, Zhen Lian, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Satoshi Okamoto, Di Xiao, Su-Fei Shi a Yong-Tao Cui, 15. února 2021. Přírodní fyzika.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01171-w

Cui a Huang byli financováni z grantů National Science Foundation, Hellman Fellowship a SHINES Seed Grant.

Byli zapojeni do výzkumu Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Zhipeng Li, Zhen Lian a Su-Fei Shi na Rensselaer Polytechnic Institute v New Yorku. Chong Wang a Di Xiao na Carnegie Mellon University v Pensylvánii; Takashi Taniguchi a Kenji Watanabe z Národního ústavu materiálových věd v Japonsku; a Satoshi Okamoto v Národní laboratoři Oak Ridge v Tennessee. Huang, T. Wang, Miao a C. Wang přispěli ke studii stejně.

Výzkumná práce má název „Korelované stavy izolace v lomových výplních WS2/ WSe2 Moire? Mřížka. “

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.