Esplorazione delle nuove fisica che sorgono dalle interazioni degli elettroni nelle sovrastrutture moiré semiconduttrici.

4 febbraio 2024 caratteristica

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

• verificato dai fatti
• pubblicazione ad arbitrato
• fonte affidabile
• corretta la bozza

di Ingrid Fadelli, Phys.org

Le sovra reti di moiré semiconduttrici sono affascinanti strutture materiali che si sono rivelate promettenti per lo studio degli stati correlati degli elettroni e dei fenomeni della fisica quantistica. Queste strutture, composte da matrici di atomi artificiali disposte in una configurazione moiré, sono altamente regolabili e caratterizzate da forti interazioni elettroniche.

Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente condotto uno studio che approfondisce ulteriormente questi materiali e la loro fisica sottostante. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, introduce un nuovo quadro teorico che potrebbe informare lo studio delle sovra reti di moiré a largo periodo, caratterizzate da elettroni debolmente interagenti che risiedono in diversi pozzetti di potenziale.

Il vantaggio principale delle sovra reti di moiré semiconduttive è che possono essere facilmente manipulate in ambienti sperimentali. In particolare, i fisici possono controllare la densità degli elettroni al loro interno per modificare la proprietà del loro stato fondamentale a molti elettroni.

'La maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sul caso di contenere uno o meno di un elettrone per cella unitaria di moiré', ha detto Fu Liang, coautore dell'articolo, a Phys.org. 'Abbiamo deciso di esplorare il regime di multi-elettroni e vedere se ci sono novità'.

Predire il comportamento dei materiali ad elettroni multipli può essere molto impegnativo. Il motivo principale è che questi sistemi spesso contengono diverse scale di energia che competono tra loro.

'L'energia cinetica favorisce un liquido di elettroni, mentre l'interazione e l'energia potenziale favoriscono un solido di elettroni', ha spiegato Aidan Reddy, primo autore dell'articolo. 'La cosa interessante dei materiali moiré è che la forza relativa delle diverse scale di energia può essere regolata variando il periodo di moiré. Approfittando di questa regolabilità, abbiamo sviluppato un quadro teorico per lo studio dei sistemi moiré a largo periodo, in cui gli elettroni che risiedono in diversi pozzetti di potenziale sono debolmente accoppiati'.

Il quadro teorico introdotto da questo team di ricercatori si concentra sul comportamento degli atomi individuali nella sovra rete di moiré. Reddy, Fu e il loro collega Trithep Devakul hanno scoperto che questo approccio relativamente semplice potrebbe ancora contribuire ad illuminare vari interessanti fenomeni della fisica quantistica.

Utilizzando il loro quadro, i ricercatori hanno svelato una nuova fisica che potrebbe essere osservata nelle sovra reti di moiré semiconduttrici a multi-elettroni. Ad esempio, a un fattore di riempimento n=3 (cioè quando ogni atomo di moiré in una sovra rete contiene tre elettroni), hanno scoperto che le interazioni di Coulomb portano alla formazione di una cosiddetta "molecola di Wigner". Inoltre, in circostanze specifiche (ovvero se le loro dimensioni sono confrontabili con il periodo di moiré), hanno dimostrato che queste molecole di Wigner potrebbero formare una struttura unica nota come una rete di Kagome emergente.

Le interessanti configurazioni di elettroni auto-organizzate descritte nell'articolo di questo team di ricercatori potrebbero presto essere ulteriormente esplorate in studi successivi. Inoltre, queste configurazioni di recente scoperta potrebbero servire da ispirazione per altri fisici, permettendo loro di studiare l'ordine di carica e il magnetismo quantistico in un regime del tutto sconosciuto ai materiali convenzionali.

'L'aspetto più notevole del nostro lavoro è che, a fattori di riempimento speciali, gli elettroni si auto-organizzano in configurazioni sorprendenti (molecole di Wigner) a causa dell'equilibrio tra le scale di energia in gioco. La nostra previsione di un solido di Wigner è stata confermata sperimentalmente', ha aggiunto Trithep.

A breve termine, i ricercatori pianificano di studiare la transizione di fase quantistica tra solidi di elettroni di Wigner e liquidi di elettroni.

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network