Explorando la nueva física que surge de las interacciones electrónicas en los superretículos moiré de semiconductores

4 de febrero de 2024 feature

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han destacado los siguientes atributos al tiempo que aseguran la credibilidad del contenido:

• verificación de hechos
• publicación revisada por pares
• fuente confiable
• corrección de pruebas

por Ingrid Fadelli, Phys.org

Las superredes de moiré de semiconductor son estructuras de materiales fascinantes que se ha descubierto que son prometedoras para estudiar estados correlacionados de electrones y fenómenos de física cuántica. Estas estructuras, compuestas por matrices de átomos artificiales dispuestos en una configuración de moiré, son altamente ajustables y se caracterizan por fuertes interacciones electrónicas.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) llevaron a cabo recientemente un estudio que explora aún más estos materiales y su física subyacente. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, presenta un nuevo marco teórico que podría informar sobre el estudio de superredes de moiré de gran período, que se caracterizan por electrones de interacción débil que residen en diferentes pozos de potencial.

'Nuestro grupo ha estado trabajando en materiales de moiré de semiconductor bidimensionales durante cinco años', dijo Liang Fu, coautor del artículo, a Phys.org. 'En estos sistemas, los electrones se mueven en un paisaje potencial periódico (la superred de moiré) e interactúan entre sí a través de la repulsión de Coulomb'.

La ventaja principal de las superredes de moiré semiconductoras es que se pueden manipular fácilmente en entornos experimentales. Específicamente, los físicos pueden controlar la densidad de electrones dentro de ellas para alterar la propiedad de su estado base de muchos electrones.

'La mayoría de los estudios anteriores se han centrado en el caso de contener uno o menos de un electrón por celda unitaria de moiré', dijo Fu. 'Decidimos explorar el régimen de electrones múltiples y ver si hay algo nuevo'.

Predecir el comportamiento de materiales de electrones múltiples puede ser muy desafiante. La razón principal de esto es que estos sistemas a menudo contienen diversas escalas de energía que compiten entre sí.

'La energía cinética favorece un líquido de electrones, mientras que la interacción y la energía potencial favorecen un sólido de electrones', explicó Aidan Reddy, primer autor del artículo. 'Lo bueno de los materiales de moiré es que la fuerza relativa de diferentes escalas de energía se puede ajustar variando el período de moiré. Aprovechando esta capacidad de ajuste, desarrollamos un marco teórico para estudiar sistemas de moiré de gran período, donde los electrones que residen en diferentes pozos de potencial están débilmente acoplados'.

El marco teórico presentado por este equipo de investigadores se centra en el comportamiento de los átomos individuales en la superred de moiré. Reddy, Fu y su colega Trithep Devakul encontraron que este enfoque relativamente simple aún podía ayudar a arrojar luz sobre diversos fenómenos interesantes de física cuántica.

Utilizando su marco, los investigadores descubrieron nueva física que podría observarse en superredes de moiré de semiconductor de electrones múltiples. Por ejemplo, en un factor de llenado n=3 (es decir, cuando cada átomo de moiré en una superred contiene tres electrones), encontraron que las interacciones de Coulomb condujeron a la formación de una molécula de Wigner. Además, bajo circunstancias específicas (es decir, si su tamaño es comparable al período de moiré), demostraron que estas moléculas de Wigner podrían formar una estructura única conocida como una red emergente Kagome.

Las interesantes configuraciones de electrones autoorganizadas descritas en el artículo de este equipo de investigación pronto podrán explorarse más a fondo en estudios posteriores. Además, estas configuraciones recién descubiertas podrían servir de inspiración para otros físicos, permitiéndoles estudiar el orden de carga y el magnetismo cuántico en un régimen bastante desconocido para los materiales convencionales.

'La idea más notable de nuestro trabajo es que, en factores de llenado especiales, los electrones se autoorganizan en configuraciones sorprendentes (moléculas de Wigner) debido a un equilibrio entre las escalas de energía en juego. Nuestra predicción de sólido de Wigner ha sido confirmada experimentalmente', agregó Trithep.

A corto plazo, los investigadores planean estudiar la transición de fase cuántica entre sólidos de electrones de Wigner y líquidos de electrones.

Información de la revista: Physical Review Letters arXiv

© 2024 Science X Network