Para peneliti di ETH Zurich telah mengembangkan metode yang membuatnya lebih mudah untuk mempelajari interaksi antara elektron dalam suatu bahan. Menggunakan bahan moiré yang terdiri dari lapisan atom bengkok mereka menciptakan kisi kristal buatan dalam bahan tetangga.
Untuk mempelajari interaksi antara elektron dalam suatu materi, fisikawan telah menghasilkan sejumlah trik selama bertahun -tahun. Interaksi ini menarik, antara lain, karena mereka mengarah pada fenomena penting secara teknologi seperti superkonduktivitas. Namun, pada sebagian besar bahan, interaksi elektron sangat lemah dan, oleh karena itu, sulit dideteksi. Salah satu trik yang telah digunakan para peneliti untuk sementara waktu sekarang terdiri dari mengurangi energi mori elektron dengan secara artifisial menciptakan kisi kristal dengan konstanta kisi besar – yaitu, dengan jarak besar antara situs kisi dalam kristal. Dengan cara ini energi interaksi, yang masih kecil, menjadi relatif lebih penting, sehingga efek interaksi menjadi terlihat.
Namun, apa yang disebut bahan moiré yang digunakan untuk ini menderita kerugian yang di dalamnya tidak hanya gerakan elektron yang dimodifikasi sehubungan dengan kisi kristal biasa, tetapi juga proses fisik lain yang diperlukan untuk mempelajari materi. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Ataç Imamoglu di Institute for Quantum Electronics di ETH Zurich sekarang telah mengembangkan metode di mana bahan Moiré digunakan untuk membuat medan listrik periodik spasial pada jarak dalam semikonduktor terdekat sehingga hanya gerakan elektron dalam bahan semikonduktor yang dipengaruhi. Teknik ini, yang baru -baru ini diterbitkan dalam jurnal ilmiah Fisik Review X, akan memungkinkan di masa depan untuk mempelajari interaksi elektron dalam berbagai bahan dengan lebih mudah.
Kisi kristal bengkok
Bahan moiré diproduksi dengan menghilangkan dua lapisan material secara individual, masing -masing hanya satu atom tebal, memutarnya sedikit sehubungan satu sama lain dan kemudian menyatukannya kembali. Karena kisi -kisi kristal dari dua lapisan tidak lagi persis di atas satu sama lain, semacam efek pemukulan terjadi: sama seperti dua gelombang suara dengan frekuensi yang sedikit berbeda menyebabkan peningkatan periodik yang lambat dan penurunan volume suara, pada kisi kristal yang dipelintir, sebuah gerak elektron dapat bergerak.
“Dalam metode baru kami, kami juga menghasilkan bahan Moiré, tetapi kami menggunakannya dengan cara yang sama sekali berbeda”, kata Natasha Kiper, kandidat PhD dalam kelompok Imamoglu. Kiper dan rekan -rekannya menggunakan dua lapisan boron nitrida heksagonal (padatan yang disintesis secara artifisial yang hampir sekeras berlian) yang dipelintir kurang dari 2 derajat sehubungan satu sama lain. Twisting ini mengarah ke medan listrik periodik yang juga bertindak pada jarak di luar material. Di bawah boron nitrida yang bengkok, para peneliti menempatkan lapisan atom dari semikonduktor molybdenum diselenide. Medan listrik bekerja pada elektron di dalam molibdenum diselenide dan dengan demikian menciptakan kisi kristal buatan.
Deteksi menggunakan rangsangan
“Keuntungan besar di sini adalah bahwa medan listrik hanya bekerja pada elektron di molibdenum diselenide tetapi tidak pada rangsangan netral”, kata Kiper. Para peneliti membutuhkan rangsangan tersebut untuk mempelajari elektron. Excitons dibuat ketika elektron dalam bahan bersemangat oleh cahaya dari frekuensi tertentu. Sebagai akibatnya, elektron naik ke tingkat energi yang lebih tinggi dan meninggalkan cacat, juga disebut lubang, di tingkat energi yang lebih rendah. Elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif kemudian menarik satu sama lain dan berpasangan untuk menjadi exciton netral listrik.
Dari frekuensi cahaya di mana Excitons bersemangat, para peneliti dapat menarik kesimpulan tentang perilaku elektron. Dengan menerapkan tegangan listrik, mereka memvariasikan jumlah elektron di semikonduktor. Dari frekuensi eksitasi exciton mereka dapat, misalnya, membuktikan bahwa ketika sepertiga atau dua pertiga dari situs kisi diisi dengan elektron, mereka mengatur diri mereka dalam pola reguler. Ketika jumlah elektron meningkat lebih lanjut, sehingga lebih dari satu elektron menempati situs kisi, interaksi antara elektron menyebabkan perubahan yang terlihat jelas di negara -negara elektron. Wawasan seperti itu tentang efek interaksi yang kuat membantu fisikawan untuk memahami, misalnya, bagaimana isolator listrik tertentu dapat menjadi superkonduktor dengan menambahkan kelebihan elektron pada mereka.
Berlaku untuk berbagai bahan
“Metode baru kami juga menarik karena sangat dapat dikendalikan dan pada prinsipnya, dapat diterapkan pada banyak bahan lain”, kata Imamoglu. Dengan menambahkan lapisan bahan tambahan, kekuatan medan listrik dapat bervariasi. Selain itu, di masa depan akan dimungkinkan untuk mempelajari proses di mana elektron bergerak di antara dua lapisan. Selain putaran mereka, yang menunjukkan ke arah mana “jarum kompas” dari suatu elektron berorientasi, elektron juga akan memperoleh putaran semu yang menunjuk ke atas atau ke bawah tergantung pada lapisan di mana ia menemukan dirinya sendiri. “Kita bisa menggunakan ini untuk mempelajari proses fisik eksotis seperti yang disebut cairan spin kiral, yang hingga sekarang tidak pernah diamati secara eksperimental”, kata Imamoglu.
Referensi
Kiper N, Adlong HS, Christianen A, Kroner M, Watanabe K, Taniguchi T, Imamoglu A. Trion terbatas dan negara bagian mott-wigner dalam potensi moiré yang murni elektrostatik, tinjauan fisik x, 5 Maret 2025, doi: 10.1103/physrevx.15.011049
