Когда материал становится квантовым, электроны замедляются и образуют кристалл

Смещающийся, мерцающий рисунок, который вы можете увидеть, когда вы ставите два немного смещенных оконных экрана, называется муаром. Аналогичный эффект интерференции возникает, когда ученые укладывают друг на друга двумерные кристаллы с несовпадающими расстояниями между атомами. Муаровые сверхрешетки обладают экзотическими физическими свойствами, которых нет в слоях, из которых состоят узоры. Эти свойства коренятся в квантовой природе электронов.

Исследователи обнаружили новое свойство муаровых сверхрешеток, образованных в кристаллах из диселенида вольфрама/дисульфида вольфрама (WSe₂/WS₂₎. В этих двумерных кристаллах взаимодействия между электронами становятся настолько сильными, что электроны «замораживаются» и образуют упорядоченный массив.

ВСе_2/WS₂ муаровые сверхрешетки оказываются оптимальной площадкой для настройки взаимодействия между электронами. Чем сильнее эти взаимодействия, тем более заметна квантово-механическая природа твердых материалов. Это позволяет формировать экзотические состояния материи, такие как нетрадиционная сверхпроводимость.

Исследователи использовали лазеры для «наблюдения» за движением электронов без артефактов, которые мешают другим методам измерения. Они открыли редкое квантовое состояние вещества, никогда прежде не наблюдавшееся в муаровых сверхрешетках. Понимание и управление квантовым движением электронов позволит ученым создавать микроэлектронные устройства будущего и надежные кубиты для квантовых вычислений.

В твердых телах энергетические уровни, занимаемые электронами, образуют энергетические зоны. Муаровые сверхрешетки изменяют атомную периодичность, наблюдаемую электронами, и, следовательно, энергетические зоны. Эффекты муара могут приводить к «плоским» полосам, в которых энергетические уровни сжимаются, заставляя электроны снижать свою кинетическую энергию и, таким образом, сильнее ощущать взаимное отталкивание.

Группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) использовала новую оптическую технику для наблюдения за движением электронов, изменяя количество электронов, вводимых в образец. Когда вводился только один носитель на элементарную ячейку муара, ожидалось, что электроны будут двигаться свободно и, таким образом, проводить электричество. Вместо этого образец стал изолирующим. Этот результат иллюстрирует состояние изолятора Мотта, в котором электроны взаимодействуют так сильно, что избегают попадания в одну и ту же ячейку. Если каждая ячейка занята, то электроны перестают двигаться.

Настоящим сюрпризом стало то, что было введено меньше электронов, так что была занята только половина или треть ячеек. Ученые ожидали, что при таких низких плотностях электроны будут меньше ощущать свое присутствие и будут иметь высокую подвижность. Однако образец оказался изолятором. В ВСе₂/WS₂, электроны настолько сильно взаимодействуют, что даже избегают сидеть на соседних узлах. Это редкое явление известно как вигнеровский электронный кристалл.

Исследователи LBNL также продемонстрировали, что в WSe₂/WS₂, свет с соответствующей поляризацией взаимодействует с электронами со спином вверх и вниз по отдельности, что позволяет избирательно изменять энергию электронов в зависимости от их спина. При этом они наблюдали спиновые возбуждения, сохраняющиеся на порядки дольше, чем зарядовые. Это открывает двери для будущих исследований экзотических спиновых состояний, таких как квантовая спиновая ликвидность.

Соответствующее исследование ранее было опубликовано в 2020 году в журнале Природа.