Erforschung neuer Physik, die aus Elektronenwechselwirkungen in Halbleiter-Moiré-Superlattices entsteht.

4. Februar 2024 feature

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von Ingrid Fadelli , Phys.org

Semiconductor Moiré-Superlattices sind faszinierende Materialstrukturen, die sich als vielversprechend für die Erforschung korrelierter Elektronenzustände und Phänomene der Quantenphysik erwiesen haben. Diese Strukturen, bestehend aus künstlich angeordneten Atomarrays in einer sogenannten Moiré-Konfiguration, sind stark veränderbar und durch starke Elektronenwechselwirkungen gekennzeichnet.

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich eine Studie durchgeführt, um diese Materialien und ihre zugrunde liegende Physik weiter zu erforschen. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, stellt einen neuen theoretischen Rahmen vor, der die Untersuchung von Moiré-Superlattices mit großer Periode ermöglichen könnte, in denen schwach wechselwirkende Elektronen in verschiedenen Potentialbrunnen vorhanden sind.

'Unsere Gruppe arbeitet seit fünf Jahren an zweidimensionalen Halbleiter-Moiré-Materialien', sagte Liang Fu, Mitautor des Papiers, gegenüber Phys.org. 'In diesen Systemen bewegen sich Elektronen in einem periodischen Potenzialgefüge (dem Moiré-Superlattice) und wechselwirken miteinander durch Coulomb-Abstoßung.'

Der Hauptvorteil von halbleitenden Moiré-Superlattices besteht darin, dass sie leicht in experimentellen Einstellungen manipuliert werden können. Insbesondere können Physiker die Dichte der Elektronen darin kontrollieren, um die Eigenschaft ihres vielelektronischen Grundzustandes zu verändern.

'Die meisten früheren Studien haben sich auf den Fall konzentriert, dass sich ein oder weniger als ein Elektron pro Moiré-Einheitszelle befindet', sagte Fu. 'Wir haben uns entschieden, das Regime der vielelektronischen Systeme zu erforschen und zu sehen, ob es etwas Neues gibt.'

Die Vorhersage des Verhaltens von vielelektronischen Materialien kann sehr herausfordernd sein. Der Hauptgrund dafür ist, dass diese Systeme oft verschiedene Energieskalen enthalten, die miteinander konkurrieren.

'Die kinetische Energie bevorzugt eine Elektronenflüssigkeit, während die Wechselwirkungs- und potenzielle Energie einen Elektronenfestkörper bevorzugen', erklärte Aidan Reddy, Erstautor des Papiers. 'Das Schöne an Moiré-Materialien ist, dass die relative Stärke verschiedener Energieskalen durch Variation der Moiré-Periode eingestellt werden kann. Unter Ausnutzung dieser Anpassungsfähigkeit haben wir einen theoretischen Rahmen entwickelt, um große Moiré-Systeme zu untersuchen, in denen Elektronen, die auf verschiedenen Potentialbrunnen sitzen, schwach gekoppelt sind.'

Der von diesem Forscherteam vorgestellte theoretische Rahmen konzentriert sich auf das Verhalten einzelner Atome im Moiré-Superlattice. Reddy, Fu und ihr Kollege Trithep Devakul fanden heraus, dass dieser relativ einfache Ansatz dennoch dazu beitragen kann, Licht auf verschiedene interessante Phänomene der Quantenphysik zu werfen.

Mit ihrem Rahmen enthüllten die Forscher neue Physik, die in Multi-Elektronen-Halbleiter-basierten Moiré-Superlattices beobachtet werden könnte. Zum Beispiel fanden sie heraus, dass bei einem Füllfaktor n=3 (d.h., wenn jedes Moiré-Atom in einem Superlattice drei Elektronen enthält) Coulomb-Wechselwirkungen zur Bildung einer sogenannten 'Wigner-Moleküle' führten. Darüber hinaus zeigten sie unter bestimmten Umständen (wenn ihre Größe mit der Moiré-Periode vergleichbar ist), dass diese Wigner-Moleküle eine einzigartige Struktur namens ein 'Emergent Kagome-Lattice' bilden könnten.

Die interessanten selbstorganisierten Elektronenkonfigurationen, die in der Arbeit dieses Forscherteams beschrieben werden, könnten bald in weiteren Studien erforscht werden. Darüber hinaus könnten diese neu entdeckten Konfigurationen als Inspiration für andere Physiker dienen, um Ladungsordnung und Quantenmagnetismus in einem Regime zu untersuchen, das konventionellen Materialien weitgehend unbekannt ist.

'Der bemerkenswerteste Einblick unserer Arbeit besteht darin, dass sich Elektronen bei speziellen Füllfaktoren aufgrund eines Gleichgewichts der beteiligten Energieskalen in markante Konfigurationen (Wigner-Moleküle) selbst organisieren. Unsere Vorhersage eines Wigner-Kristalls wurde experimentell bestätigt', fügte Trithep hinzu.

In naher Zukunft planen die Forscher, den quantenphasenübergang zwischen Wigner-Elektronenfestkörpern und Elektronenflüssigkeiten zu untersuchen.

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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