[ad_1]
В последние годы физики открыли материалы, способные менять свой электрический характер с металла на изолятор и даже на сверхпроводник, который представляет собой материал в состоянии без трения, позволяющем электронам течь с нулевым сопротивлением. Эти материалы, в том числе графен с «магическим углом» и другие синтезированные двумерные материалы, могут изменять электрические состояния в зависимости от приложенного напряжения или тока электронов.
Физика, лежащая в основе этих переключаемых материалов, остается загадкой, хотя физики подозревают, что она как-то связана с «электронными корреляциями» или эффектами взаимодействия между двумя отрицательно заряженными электронами. Эти отталкивания частиц практически не влияют на формирование свойств большинства материалов. Но в двумерных материалах эти квантовые взаимодействия могут оказывать доминирующее влияние. Понимание того, как электронные корреляции управляют электрическими состояниями, может помочь ученым в разработке экзотических функциональных материалов, таких как нетрадиционные сверхпроводники.
Теперь физики из Массачусетского технологического института и других стран сделали значительный шаг к пониманию корреляций электронов. В статье, появившейся сегодня в Наука, исследователи обнаруживают прямые доказательства электронных корреляций в двумерном материале, называемом трехслойным графеном ABC. Ранее было показано, что этот материал превращается из металла в изолятор и в сверхпроводник.
Исследователи впервые прямо обнаружили электронные корреляции в особом изолирующем состоянии материала. Они также количественно оценили энергетические масштабы этих корреляций или силу взаимодействия между электронами. Результаты показывают, что трехслойный графен ABC может быть идеальной платформой для изучения и, возможно, разработки других электронных корреляций, таких как те, которые управляют сверхпроводимостью.
«Лучшее понимание физики, лежащей в основе сверхпроводимости, позволит нам разрабатывать устройства, которые могут изменить наш мир, от передачи энергии с нулевыми потерями до поездов на магнитной подушке», — говорит ведущий автор Лонг Джу, доцент физики в Массачусетском технологическом институте. «Этот материал теперь является очень богатой площадкой для изучения электронных корреляций и создания еще более надежных явлений и устройств».
сверхрешетка
Трехслойный графен ABC, уложенный поверх слоя гексагонального нитрида бора, похож на более хорошо изученный двухслойный графен с магическим углом в том, что оба материала включают слои графена — материала, который естественным образом встречается в графите и может проявлять исключительные свойства. при выделении в чистом виде. Графен состоит из решетки атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, похожего на проволочную сетку. Гексагональный нитрид бора, или hBN, имеет аналогичный, но немного более крупный шестиугольный рисунок.
В трехслойном графене ABC три листа графена уложены друг на друга под одинаковым углом и слегка смещены друг от друга, как слоистые ломтики сыра. Когда трехслойный графен ABC помещается на hBN под углом скручивания, равным нулю, полученная структура представляет собой муаровый узор или «сверхрешетку», состоящую из периодических энергетических ям, конфигурация которых определяет, как электроны проходят через материал.
«Эта решетчатая структура вынуждает электроны локализоваться и создает основу для электронных корреляций, которые оказывают огромное влияние на макроскопические свойства материала», — говорит Джу.
Он и его коллеги стремились исследовать трехслойный графен ABC для прямых доказательств электронных корреляций и измерения их силы. Сначала они синтезировали образец материала, создав сверхрешетку с энергетическими ямами, каждая из которых обычно может удерживать два электрона. Они приложили достаточное напряжение, чтобы заполнить каждую лунку в решетке.
Электронный импульс
Затем они искали признаки того, что материал находится в идеальном состоянии, чтобы электронные корреляции доминировали и влияли на свойства материала. Они специально искали признаки структуры «плоских зон», где все электроны имеют почти одинаковую энергию. Команда пришла к выводу, что среда, в которой находятся электроны с широким диапазоном энергий, будет слишком шумной, чтобы крошечная энергия электронных корреляций могла оказать влияние. Более плоская и спокойная среда позволила бы проявиться этим эффектам.
Команда использовала уникальную оптическую технику, которую они разработали, чтобы подтвердить, что материал действительно имеет плоскую полосу. Затем они немного уменьшили напряжение, так что только один электрон занимал каждую яму в решетке. В этом «полузаполненном» состоянии материал считается изолятором Мотта — любопытное электрическое состояние, которое должно быть способно проводить электричество, как металл, но вместо этого из-за электронных корреляций материал ведет себя как изолятор.
Джу и его коллеги хотели посмотреть, смогут ли они обнаружить эффект этих электронных корреляций в полузаполненном моттовском изолирующем состоянии. Они смотрели, что произойдет, если они нарушат состояние, перемещая электроны. Если электронные корреляции имеют какое-либо влияние, такие возмущения электронных конфигураций встретили бы сопротивление, поскольку электроны естественным образом отталкиваются друг от друга. Например, электрон, пытающийся переместиться в соседнюю яму, будет отброшен назад электроном, уже занимающим эту яму, даже если эта яма технически может вместить дополнительный электрон.
Чтобы преодолеть это сопротивление, потребуется дополнительный импульс энергии — ровно столько, чтобы преодолеть естественное отталкивание электрона. Команда пришла к выводу, что величина этого повышения будет прямой мерой силы электронной корреляции.
Исследователи обеспечили дополнительный импульс с помощью света. Они направляли свет разных цветов или длин волн на материал и искали пик или единственную определенную длину волны, которую материал поглощал. Эта длина волны соответствовала фотону с достаточной энергией, чтобы оттолкнуть электрон в соседнюю наполовину заполненную яму.
В своем эксперименте команда действительно наблюдала пик — первое прямое обнаружение электронных корреляций в этом конкретном муаровом материале сверхрешетки. Затем они измерили этот пик, чтобы количественно определить энергию корреляции или силу силы отталкивания электрона. Они определили, что это около 20 миллиэлектронвольт, или 1/50 электронвольта.
Результаты показывают, что в основе физики этого конкретного двумерного материала лежат сильные электронные корреляции. Джу говорит, что изолирующее состояние Мотта особенно важно, поскольку оно является исходным состоянием нетрадиционной сверхпроводимости, физика которой остается иллюзорной. С помощью этого нового исследования команда продемонстрировала, что трехслойная сверхрешетка графена/hBN муара ABC является идеальной платформой для изучения и разработки более экзотических электрических состояний, включая нетрадиционную сверхпроводимость.
«Сегодня сверхпроводимость возникает только при очень низких температурах в реальных условиях», — отмечает Джу, который говорит, что оптический метод команды может быть применен к другим 2D-материалам для выявления подобных экзотических состояний. «Если мы сможем понять механизм нетрадиционной сверхпроводимости, возможно, мы сможем усилить этот эффект до более высоких температур. Этот материал формирует основу для понимания и разработки еще более надежных электрических состояний и устройств».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Фондом Саймонса и программой MIT Skoltech.
[ad_2]
Source