莫尔条纹有助于发现意外的新绝缘相

由两个蜂窝状格子形成的莫尔纹。

由UC Riverside领导的研究通过将电子置于2D半导体的堆叠单层上观察到了意外的绝缘相。

具有过量电子的材料通常是导体。然而，由加利福尼亚大学河滨分校的物理学家领导的一项研究发现，莫尔条纹（干扰纹通常会在一个具有重复性图形的物体放置在另一个具有相似纹状的物体上时出现），可以抑制电导率。

在实验室中，研究人员将单层二硫化钨（WS2）覆盖在单层二硒化钨（WSe2）上，并使两层相互对齐以生成大规模的莫尔条纹。WS2和WSe2层中的原子都排列成二维蜂窝状晶格，其周期性或重复间隔小于1纳米。但是，当两个晶格以0或60度对齐时，复合材料会产生莫尔条纹，其周期更大，约为8纳米。此2D系统的电导率取决于在莫尔图案中放置多少电子。

加州大学河滨分校物理学和天文学助理教授崔永涛说：“我们发现，当摩尔纹图案部分充满电子时，该系统表现出几种绝缘状态，这与传统理解所期望的导电状态相反。”团队。“填充百分比被发现是简单的分数，例如1 / 2、1 / 3、1 / 4、1 / 6，依此类推。这种绝缘状态的机制是电子之间的强相互作用，从而限制了移动电子进入局部的莫尔电池。这种理解可能有助于开发控制电导率和发现新的超导体材料的新方法。”

研究结果于2021年2月15日在《自然物理学》上发表。

莫尔晶格中各种电子占有水平的占有方式。

可以想象在WS2和WSe2的复合材料上产生的莫尔纹图案具有类似蜂巢状排列的凹坑和凸脊。

“ WS2和WSe2在点阵尺寸方面略有不匹配，使其成为产生莫尔图案的理想之选，” Cui说。“此外，电子之间的耦合变得很强，这意味着电子在穿过脊和阱时会彼此“交谈”。

通常，当将少量电子放置在2D层（例如WS2或WSe2）中时，它们具有足够的能量自由自由地移动，从而使系统成为导体。Cui的实验室发现，当同时使用WS2和WSe2形成摩尔纹晶格并形成周期性图案时，电子开始减速并彼此排斥。

该论文的第一作者，位于崔的微波纳米电子实验室的博士研究生黄雄说：“电子不希望彼此靠近。”“当电子数量达到每个莫尔六角形占据一个电子时，电子将保持锁定位置，并且无法自由移动。然后，系统的行为就像绝缘子。”

崔将这类电子的行为比作大流行期间的社会疏远。

图为熊煌（左）和崔永涛。

他说：“如果可以将六边形想象为房屋，那么所有的电子都在室内，每个房屋一个，而不会在附近移动。”“如果我们每个六边形没有一个电子，而是有95％的六边形占有率，这意味着附近的一些六边形是空的，那么电子仍然可以在空的电池中移动一些。那时材料不是绝缘体。它的行为就像一个不良的指挥。”

他的实验室能够微调WS2-WSe2晶格复合物中的电子数量，以改变六边形的平均占有率。他的团队发现，当平均入住人数少于1时，就会出现绝缘状态。例如，对于三分之一的占有率，电子每隔六个六角形占有一个。

崔说：“使用社会距离的类比，您不再需要6英尺的间隔，而是现在有了10英尺的间隔。”因此，当一个电子占据一个六边形时，它会强制所有相邻的六边形为空，以便遵守更严格的社会隔离规则。当所有电子遵循此规则时，它们形成新的图案并占据六边形的三分之一，在这些六边形中，它们又失去了移动的自由，从而导致了绝缘状态。

研究表明，其他占用率（例如1 / 4、1 / 2和1/6）也可能发生类似的行为，每个占用率对应于不同的占用模式。

Cui解释说，这些绝缘状态是由电子之间的强相互作用引起的。他补充说，这就是库仑排斥力，即两个正电荷或两个负电荷之间的排斥力，如库仑定律所述。

他补充说，在3D材料中，强电子相互作用会引起各种奇异的电子相。例如，它们可能有助于形成非常规的高温超导性。

“我们仍然没有答案，就是我们在实验中使用的那种二维结构是否可以产生高温超导性，”崔说。

接下来，他的小组将致力于表征电子相互作用的强度。

崔说：“电子的相互作用强度在很大程度上决定了系统的绝缘状态。”“我们还对能够操纵电子相互作用的强度感兴趣。”

参考：黄雄，王天猛，苗南楠，王冲，李志鹏，连振，高谷谷口，渡边贤司，冈本聪，狄潇，苏菲菲：“ WS2 / WSe2莫尔网格的部分填充物的相关绝缘态”和崔永ao，2021年2月15日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-021-01171-w

崔和黄获得了美国国家自然科学基金会的资助，海尔曼奖学金和SHINES的种子基金的资助。

纽约天伦斯勒工业学院的王天梦，苗胜南，李志鹏，李振联和石苏菲参与了这项研究。宾夕法尼亚卡内基梅隆大学的Chong Wang和Di Xiao；日本国立材料科学研究所的谷口隆史（Takashi Taniguchi）和渡边谦二（Kenji Watanabe）；田纳西州橡树岭国家实验室的冈本聪（Satoshi Okamoto）。Huang，T。Wang，Miao和C. Wang对这项研究做出了同样的贡献。

该研究论文的标题为“ WS2 / WSe2云纹的分数填充处的相关绝缘状态？格子。”