研究人员诱捕电子以创建难以捉摸的长假想晶体

时间：2022-05-21 12:25:05 来源：

康奈尔大学的研究人员将二维半导体堆叠在一起，形成了莫尔超晶格结构，该结构以重复的方式俘获电子，最终形成了假想已久的维格纳晶体。

就像不安的孩子冒充全家福一样，电子不会保持足够长的时间以保持任何固定的排列方式。

现在，由康奈尔（Cornell）领导的合作开发了一种堆叠二维半导体并以重复模式捕获电子的方法，该重复模式形成了特定的且假设长时间的晶体。

该小组的论文“摩尔纹超晶格的分数填充中的相关绝缘态”于2020年11月11日在《自然》杂志上发表。该论文的主要作者是博士后研究员杨旭。

该项目源于文理学院物理副教授麦建辉和工程学院应用物理与工程物理学教授杰山的共同实验室。两位研究人员都是康奈尔大学纳米科学Kavli研究所的成员。他们是通过教务长的纳米科学与微系统工程（NEXT Nano）计划来到康奈尔大学的。

电子晶体最早是由理论物理学家尤金·威格纳（Eugene Wigner）于1934年预测的。他提出，当带负电的电子所产生的排斥力（称为库仑排斥力）支配电子的动能时，就会形成晶体。科学家们尝试了各种方法来抑制动能，例如将电子置于极大的磁场下，该磁场大约是地球磁场的一百万倍。完整的结晶仍然难以捉摸，但是康奈尔团队发现了一种实现它的新方法。

电子是量子力学的。即使您不对他们采取任何措施，他们也会一直在自发地晃动。 Mak说。“电子晶体实际上往往会熔化，因为很难将电子固定在周期性的图形上。”

因此，研究人员的解决方案是通过堆叠两个由哥伦比亚大学合作伙伴生产的半导体单层，即二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）来构建一个实际的陷阱。每个单层具有略有不同的晶格常数。配对在一起时，它们会形成amoiré超晶格结构，该结构基本上看起来像六边形网格。然后，研究人员将电子放置在图案的特定位置。正如他们在较早的项目中发现的那样，位点之间的能垒将电子锁定在适当的位置。

麦说：“我们可以控制特定波纹处电子的平均占有率。”

考虑到莫尔超晶格的复杂图案，再加上电子的抖动特性，以及需要将其置于非常特殊的排列中，研究人员求助于物理学教授，该论文的合著者Veit Elser，他计算出了电子的不同排列将自行结晶的占有率。

但是，维格纳晶体的挑战不仅在于制造它们，而且还要观察它们。

马克说：“您需要满足适当的条件才能制造电子晶体，同时它们也很脆弱。”“您需要一种探测它们的好方法。您真的不想在探查它们时显着干扰它们。”

该团队设计了一种新的光学传感技术，该光学传感技术将光学传感器放置在靠近样品的位置，并将整个结构夹在六方氮化硼绝缘层之间，该绝缘层是由日本国立材料科学研究所的合作者创建的。由于传感器与样品之间的距离约为2纳米，因此不会干扰系统。

这项新技术使研究团队能够观察到许多具有不同晶体对称性的电子晶体，从三角晶格的维格纳晶体到自对准成条纹和二聚体的晶体。通过这样做，该团队演示了非常简单的成分如何形成复杂的图案-只要这些成分放置足够长的时间。

参考：Nature，DOI：“杨旭，刘松，丹尼尔·A·罗兹，渡边谦二，高谷谷口，詹姆斯·霍恩，威特·埃尔瑟，麦辉辉和杰山的“波纹状超晶格分数填充物的相关绝缘态”，Nature.DOI：2020年11月11日，DOI：
10.1038 / s41586-020-2868-6

该论文的合著者包括来自哥伦比亚大学和日本国立材料科学研究所的研究人员。

该研究和设备制造得到了美国能源部，美国海军研究办公室以及戴维和露西尔·帕卡德奖学金的支持。

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