Em 1934, o físico teórico Eugene Wigner propôs um novo tipo de cristal.

Se a densidade de elétrons carregados negativamente pudesse ser mantida aquém de um simples nível, as partículas subatômicas poderiam ser mantidas em um padrão repetitivo para produzir um cristal de elétron; essa teoria ficou conhecida uma vez que cristal de Wigner.

Mas isso é muito mais fácil expressar do que fazer. Os elétrons estão inquietos e é extremamente difícil fazê-los parar. Ainda assim, uma equipe de físicos conseguiu agora: prender os pequenos tolos entre um par de camadas semicondutoras bidimensionais de tungstênio.

Cristais convencionais, uma vez que diamantes ou quartzo, são formados a partir de uma rede de átomos dispostos em um estrutura de grade fixa e repetitiva em três dimensões. De convénio com a teoria de Wigner, os elétrons poderiam ser dispostos de maneira semelhante para formar uma tempo de cristal sólido, mas exclusivamente se os elétrons estivessem estacionários.

Se a densidade dos elétrons for baixa o suficiente, a repulsão de Coulomb entre elétrons de mesma trouxa produz vigor potencial que deve dominar sua vigor cinética, dando origem aos elétrons assentados. cá está a dificuldade.

“Os elétrons são mecânica quântica. Mesmo que você não faça zero com eles, eles estão se movendo espontaneamente o tempo todo.” disse o físico Kin Fai Mak da Universidade Cornell.

“Um cristal de elétrons teria tendência a liquefazer porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico.”

Portanto, as tentativas de produzir cristais de Wigner são baseadas em qualquer tipo de emboscada de elétrons, uma vez que campos magnéticos poderosos ou transistores de elétron único, mas a cristalização completa ainda iludiu os físicos até agora. Em 2018, eles podem ter cientistas do MIT tentando produzir qualquer tipo de isolante em vez disso, produziu um cristal Wigner, mas seus resultados deixaram margem para versão.

(Departamento de Física da UCSD)

A emboscada do MIT era uma gráfico estrutura conhecida uma vez que superestrutura moiré, onde duas grades bidimensionais são sobrepostas com uma ligeiro torção e padrões regulares maiores aparecem, uma vez que pode ser visto na imagem de exemplo supra.

Agora a equipe de Cornell, liderada pelo físico Yang Xu, usou uma abordagem mais específica com sua própria super grade moiré. Para suas duas camadas semicondutoras, eles usaram dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2) principalmente cultivados na Universidade de Columbia.

Quando se sobrepõem, essas camadas produzem um padrão sextavado, permitindo ao equipamento controlar o uso médio de elétrons em qualquer sítio moiré específico.

O próximo passo foi colocar cuidadosamente os elétrons em locais específicos na rede, usando cálculos para mandar a proporção de ocupação na qual diferentes arranjos de elétrons formarão cristais.

O duelo final era uma vez que ver se suas previsões estavam corretas, observando os cristais de Wigner ou sua falta.

“As condições certas precisam ser criadas para produzir um cristal de elétrons e, ao mesmo tempo, eles também são frágeis”, Disse Mak.

“Você precisa de uma boa maneira de investigá-los. Você realmente não quer incomodá-los significativamente enquanto os investiga.”

Este problema foi resolvido com camadas isolantes de nitreto de boro sextavado. Um sensor óptico foi disposto muito próximo à protótipo (mas sem tocá-la), a exclusivamente um nanômetro de pausa, separado por uma estrato de nitreto de boro. Isso evitou o acoplamento elétrico entre o sensor e a protótipo, enquanto mantinha proximidade suficiente para subida sensibilidade de detecção.

Esse convénio permitiu que a equipe examinasse a protótipo de maneira limpa e fizesse a detecção. Dentro da superestrutura moiré, os elétrons estão dispostos em várias configurações de cristal, incluindo cristais triangulares de Wigner, fases de orquestra e dímeros.

Essa conquista não tem exclusivamente implicações no estudo de cristais de elétrons. As descobertas demonstram o potencial inexplorado dos superlídeos moiré para pesquisas em física quântica.

“Nosso estudo” os pesquisadores escreveram em seu item, “estabelece as bases para o uso de supergrades moiré para simular um grande número de problemas quânticos de múltiplos corpos descritos pelo protótipo bidimensional estendido de Hubbard ou modelos de spin com trouxa de longo alcance e interações de trouxa.”

A pesquisa foi publicada em Natureza.

Este item foi reescrito, traduzido de uma publicação em inglês. Clique cá para acessar a material original (em inglês)!