Explorer de nouvelles physiques découlant des interactions électroniques dans les super-réseaux de moiré des semi-conducteurs.

4 février 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les superstructures en moiré de semi-conducteurs sont des structures matérielles fascinantes qui se sont révélées prometteuses pour l'étude des états d'électrons corrélés et des phénomènes de physique quantique. Ces structures, composées de réseaux d'atomes artificiels arrangés dans une configuration dite moiré, sont hautement ajustables et caractérisées par des interactions électroniques fortes.

Récemment, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mené une étude approfondie sur ces matériaux et leur physique sous-jacente. Leur article, publié dans Physical Review Letters, présente un nouveau cadre théorique qui pourrait éclairer l'étude des super-réseaux moiré à périodes larges, qui sont caractérisés par des électrons interagissant faiblement résidant dans différents puits de potentiel.

« Notre groupe travaille sur les matériaux en moiré semi-conducteurs bidimensionnels depuis cinq ans », a déclaré Liang Fu, co-auteur de l'article, à Phys.org. « Dans ces systèmes, les électrons se déplacent dans un paysage de potentiel périodique (le super-réseau moiré) et interagissent les uns avec les autres par répulsion de Coulomb. »

L'avantage principal des superstructures en moiré de semi-conducteurs est qu'elles peuvent être facilement manipulées dans des environnements expérimentaux. Plus précisément, les physiciens peuvent contrôler leur densité d'électrons pour modifier les propriétés de leur état fondamental à plusieurs électrons.

« La plupart des études précédentes se sont concentrées sur le cas où il y a un électron ou moins par cellule unitaire de moiré », explique Fu. « Nous avons décidé d'explorer le régime des matériaux à plusieurs électrons pour voir s'il y a quelque chose de nouveau. »

La prédiction du comportement des matériaux à plusieurs électrons peut être très difficile. La raison principale en est que ces systèmes contiennent souvent différentes échelles d'énergie qui s'opposent les unes aux autres.

« L'énergie cinétique favorise un liquide électronique, tandis que l'interaction et l'énergie potentielle favorisent un solide électronique », explique Aidan Reddy, premier auteur de l'article. « La particularité des matériaux en moiré est que la force relative des différentes échelles d'énergie peut être ajustée en faisant varier la période du moiré. En exploitant cette ajustabilité, nous avons développé un cadre théorique permettant d'étudier les systèmes moiré à période large, où les électrons situés sur différents puits de potentiel sont faiblement couplés. »

Le cadre théorique introduit par cette équipe de chercheurs se concentre sur le comportement des atomes individuels dans le super-réseau moiré. Reddy, Fu et leur collègue Trithep Devakul ont découvert que cette approche relativement simple pouvait néanmoins contribuer à éclairer divers phénomènes intéressants de physique quantique.

À l'aide de leur cadre théorique, les chercheurs ont dévoilé une nouvelle physique qui pourrait être observée dans les superstructures en moiré de semi-conducteurs à plusieurs électrons. Par exemple, pour un facteur de remplissage n=3 (c'est-à-dire lorsque chaque atome de moiré contient trois électrons), ils ont constaté que les interactions de Coulomb conduisaient à la formation d'une soi-disant « molécule de Wigner ». De plus, dans des circonstances particulières (c'est-à-dire si leur taille est comparable à la période de moiré), ils ont montré que ces molécules de Wigner pouvaient former une structure unique appelée réseau de Kagome émergent.

Les configurations intéressantes d'électrons auto-organisées décrites dans l'article de cette équipe de recherche pourraient bientôt être explorées plus en détail dans des études complémentaires. De plus, ces configurations nouvellement découvertes pourraient servir d'inspiration à d'autres physiciens, leur permettant d'étudier l'ordre de charge et le magnétisme quantique dans un régime assez inhabituel pour les matériaux conventionnels.

« L'insight le plus remarquable de notre travail est que, à des facteurs de remplissage spéciaux, les électrons s'auto-organisent en configurations frappantes (molécules de Wigner) en raison d'un équilibre entre les échelles d'énergie en jeu. Notre prédiction de solide de Wigner a été confirmée expérimentalement », a ajouté Trithep.

À court terme, les chercheurs prévoient d'étudier la transition de phase quantique entre les solides électroniques de Wigner et les liquides électroniques.

Informations sur la revue : Physical Review Letters , arXiv

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