1934 schlug der theoretische Physiker Eugene Wigner die Existenz eines neuen Kristalltyps vor.
Wenn die Dichte negativ geladener Elektronen unter einem bestimmten Niveau gehalten werden könnte, könnten subatomare Teilchen in einem sich wiederholenden Muster gehalten werden, wodurch ein elektronischer Kristall erzeugt wird; Diese Idee wurde als Wigner-Kristall bekannt.
Viel leichter gesagt als getan. Elektronen sind pingelig und es ist äußerst schwierig, sie an Ort und Stelle zu halten. Eine Gruppe von Physikern hat dies jedoch inzwischen erreicht – indem sie wackelnde kleine Haarnadeln zwischen zwei halbleitenden 2D-Wolframschichten eingeschlossen haben.
Übliche Kristalle wie Diamanten oder Quarz werden aus einem Atomgitter gebildet, das eine feste, dreidimensionale, sich wiederholende Netzwerkstruktur bildet. Nach Wigners Idee könnten die Elektronen auf ähnliche Weise angeordnet werden, um eine feste kristalline Phase zu bilden, jedoch nur, wenn die Elektronen stationär wären.
Wenn die Elektronendichte niedrig genug ist, erzeugt die Coulomb-Abstoßung zwischen Elektronen derselben Ladung potentielle Energie, die die kinetische Energie dominieren muss, wodurch die Elektronen stationär bleiben. Das ist die Schwierigkeit.
'Elektronen sind quantenmechanisch. Selbst wenn Sie nichts mit ihnen machen, zögern sie die ganze Zeit spontan “, sagte der Physiker Keen Fay Mak von der Cornell University.
“Ein Elektronenkristall würde tatsächlich zum Schmelzen neigen, weil es so schwierig ist, Elektronen in einer periodischen Struktur zu halten.”
Versuche, Wigner-Kristalle zu erzeugen, beruhen daher auf einer Art Elektronenfalle wie starken Magnetfeldern oder Einzelelektronentransistoren, aber Physikern ist die vollständige Kristallisation noch nicht gelungen. Im Jahr 2018 haben MIT-Wissenschaftler, die versuchten, eine Art Isolator herzustellen, stattdessen einen Wigner-Kristall geschaffen, aber ihre Ergebnisse ließen Raum für Interpretationen.
(UCSD Department of Physics).
Die MIT-Falle war eine Graphenstruktur, die als Moiré-Übergitter bekannt ist, bei der sich zwei zweidimensionale Gitter mit einer leichten Verdrehung überlappen und größere, regelmäßige Muster auftreten, wie im obigen Bild gezeigt.
Jetzt hat Cornells Team unter der Leitung des Physikers Yang Xu einen gezielteren Ansatz mit einem eigenen Moiré-Übergitter gewählt. Für ihre beiden Halbleiterschichten verwendeten sie Wolframdisulfid (WS2) und Wolframdiselenid (WSe2), die speziell an der Columbia University gezüchtet wurden.
Bei Überlagerung bildeten diese Schichten ein hexagonales Muster, das es den Wissenschaftlern ermöglichte, die durchschnittliche Elektronenmobilität in einem bestimmten Moiré-Bereich zu steuern.
Der nächste Schritt bestand darin, die Elektronen vorsichtig an bestimmten Stellen auf dem Gitter zu platzieren und mithilfe von Berechnungen den Füllungsgrad zu bestimmen, bei dem die verschiedenen Elektronenstellen Kristalle bilden würden.
Das letzte Problem bestand darin, anhand von Wigner-Kristallen oder ihrer Abwesenheit festzustellen, ob ihre Vorhersagen korrekt sind.
“Um einen elektronischen Kristall herzustellen, müssen die richtigen Bedingungen geschaffen werden, und gleichzeitig reagieren sie auf äußere Einflüsse”, sagte Mack.
„Sie brauchen einen guten Weg, um sie zu erforschen. Störe sie nicht zu sehr, indem du sie untersuchst. '
Dieses Problem wurde durch Verwendung von Isolierschichten aus hexagonalem Bornitrid gelöst. Der optische Sensor wurde sehr nahe an der Probe in einem Abstand von nur einem Nanometer platziert (aber nicht berührt), getrennt durch eine Bornitridschicht. Dies verhinderte die elektrische Kommunikation zwischen der Sonde und der Probe, während eine ausreichende Nähe für eine hohe Nachweisempfindlichkeit aufrechterhalten wurde.
Innerhalb eines Moiré-Übergitters sind Elektronen in verschiedenen Kristallkonfigurationen angeordnet, einschließlich dreieckiger Wigner-Kristalle, Streifenphasen und Dimere.
Diese Leistung ist nicht nur für die Untersuchung elektronischer Kristalle wichtig. Die erhaltenen Daten zeigen das ungenutzte Potenzial von Moiré-Übergittern für die Forschung auf dem Gebiet der Quantenphysik.
“Unsere Studie”, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit, “legt die Grundlage für die Verwendung von Moiré-Übergittern zur Modellierung von Quanten-Mehrkörperproblemen, die durch das zweidimensionale erweiterte Hubbard-Modell oder Spinmodelle mit langreichweitigen Ladungs-Ladungs- und Austausch-Wechselwirkungen beschrieben werden.”
Die Forschung wird in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quellen: Foto: Isolationszustände in einem Übergitter, in dem sich Elektronen befinden. (Xu et al., Nature, 2020).
