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Feb 23, 2024

Los patrones muaré facilitan el descubrimiento de nuevas fases aislantes inesperadas

Por Universidad de California - Riverside 26 de febrero de 2021 Formación de un patrón muaré mediante dos celosías en forma de panal. Crédito: Laboratorio de Nanoelectrónica de Microondas, UC Riverside Se observa un estudio dirigido por UC Riverside

Por Universidad de California - Riverside26 de febrero de 2021

Formación de un patrón muaré mediante dos celosías alveolares. Crédito: Laboratorio de nanoelectrónica de microondas, UC Riverside

UC Riverside-led study observed unexpected insulating phases by placing electrons on stacked monolayers of 2D semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconductores.

Los materiales que tienen un exceso de electrones suelen ser conductores. Sin embargo, los patrones muaré (patrones de interferencia que suelen surgir cuando un objeto con un patrón repetitivo se coloca sobre otro con un patrón similar) pueden suprimir la conductividad eléctrica, según ha descubierto un estudio dirigido por físicos de la Universidad de California, Riverside.

En el laboratorio, los investigadores superpusieron una única monocapa de disulfuro de tungsteno (WS2) sobre una única monocapa de diseleniuro de tungsteno (WSe2) y alinearon las dos capas entre sí para generar patrones muaré a gran escala. Los átomos de las capas WS2 y WSe2 están dispuestos en una red bidimensional en forma de panal con una periodicidad, o intervalos recurrentes, de mucho menos de 1 nanómetro. Pero cuando las dos redes están alineadas a 0 o 60 grados, el material compuesto genera un patrón muaré con una periodicidad mucho mayor, de unos 8 nanómetros. La conductividad de este sistema 2D depende de cuántos electrones se colocan en el patrón muaré.

"Descubrimos que cuando el patrón muaré está parcialmente lleno de electrones, el sistema exhibe varios estados aislantes en contraposición a los estados conductores esperados según la comprensión convencional", dijo Yongtao Cui, profesor asistente de física y astronomía en UC Riverside, quien dirigió la investigación. equipo. “Se descubrió que los porcentajes de llenado eran fracciones simples como 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, etc. El mecanismo para tales estados aislantes es la fuerte interacción entre electrones que restringe los electrones móviles a células muaré locales. Esta comprensión puede ayudar a desarrollar nuevas formas de controlar la conductividad y descubrir nuevos materiales superconductores”.

Study results were published on February 15, 2021, in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Física de la Naturaleza.

Patrones de ocupación para varios niveles de ocupación de electrones en la red muaré. Crédito: Laboratorio de nanoelectrónica de microondas, UC Riverside

Se puede imaginar que los patrones muaré generados en el material compuesto de WS2 y WSe2 tienen pozos y crestas dispuestos de manera similar en un patrón de panal.

"WS2 y WSe2 tienen una ligera discrepancia en lo que respecta al tamaño de la red, lo que los hace ideales para producir patrones muaré", dijo Cui. "Además, el acoplamiento entre electrones se vuelve fuerte, lo que significa que los electrones 'se comunican entre sí' mientras se mueven a través de las crestas y los pozos".

Normalmente, cuando se coloca una pequeña cantidad de electrones en una capa 2D como WS2 o WSe2, tienen suficiente energía para viajar libre y aleatoriamente, lo que convierte al sistema en un conductor. El laboratorio de Cui descubrió que cuando se forman redes muaré utilizando WS2 y WSe2, lo que da como resultado un patrón periódico, los electrones comienzan a disminuir su velocidad y a repelerse entre sí.

"Los electrones no quieren permanecer cerca unos de otros", dijo Xiong Huang, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el Laboratorio de Nanoelectrónica de Microondas de Cui. “Cuando el número de electrones es tal que un electrón ocupa cada hexágono muaré, los electrones permanecen bloqueados en su lugar y ya no pueden moverse libremente. Entonces el sistema se comporta como un aislante”.

Cui comparó el comportamiento de esos electrones con el distanciamiento social durante una pandemia.

La foto muestra a Xiong Huang (izquierda) y Yongtao Cui. Crédito: Laboratorio de nanoelectrónica de microondas, UC Riverside

"Si se puede imaginar que los hexágonos son casas, todos los electrones están en el interior, uno por casa, y no se mueven por el vecindario", dijo. “Si no tenemos un electrón por hexágono, sino que tenemos un 95% de ocupación de los hexágonos, es decir, algunos hexágonos cercanos están vacíos, entonces los electrones aún pueden moverse un poco a través de las celdas vacías. Es entonces cuando el material no es aislante. Se comporta como un mal conductor”.

Su laboratorio pudo ajustar el número de electrones en el compuesto de red WS2-WSe2 para cambiar la ocupación promedio de los hexágonos. Su equipo descubrió que se producían estados de aislamiento cuando la ocupación promedio era inferior a uno. Por ejemplo, para una ocupación de un tercio, los electrones ocupaban cada dos hexágonos.

"Usando la analogía del distanciamiento social, en lugar de una separación de 6 pies, ahora tenemos una separación de, digamos, 10 pies", dijo Cui. “Así, cuando un electrón ocupa un hexágono, obliga a todos los hexágonos vecinos a estar vacíos para cumplir con la regla de distanciamiento social más estricta. Cuando todos los electrones siguen esta regla, forman un nuevo patrón y ocupan un tercio del total de los hexágonos en los que nuevamente pierden la libertad de moverse, lo que lleva a un estado aislante”.

El estudio muestra que también pueden ocurrir comportamientos similares para otras fracciones de ocupación, como 1/4, 1/2 y 1/6, correspondiendo cada una a un patrón de ocupación diferente.

Cui explicó que estos estados aislantes son causados ​​por fuertes interacciones entre los electrones. Esta, añadió, es la repulsión de Coulomb, la fuerza repulsiva entre dos cargas positivas o dos negativas, tal como la describe la ley de Coulomb.

Añadió que en los materiales 3D, se sabe que las fuertes interacciones electrónicas dan lugar a varias fases electrónicas exóticas. Por ejemplo, es probable que contribuyan a la formación de una superconductividad no convencional de alta temperatura.

"La pregunta para la que todavía no tenemos respuesta es si las estructuras 2D, del tipo que utilizamos en nuestros experimentos, pueden producir superconductividad a alta temperatura", dijo Cui.

A continuación, su grupo trabajará en la caracterización de la fuerza de las interacciones de los electrones.

"La fuerza de interacción de los electrones determina en gran medida el estado de aislamiento del sistema", dijo Cui. "También estamos interesados ​​en poder manipular la fuerza de la interacción de los electrones".

Referencia: “Estados aislantes correlacionados en rellenos fraccionarios de la red muaré WS2/WSe2” por Xiong Huang, Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Chong Wang, Zhipeng Li, Zhen Lian, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Satoshi Okamoto, Di Xiao, Su- Fei Shi y Yong-Tao Cui, 15 de febrero de 2021, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-021-01171-w

Cui y Huang fueron financiados por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias, una beca Hellman y una subvención inicial de SHINES.

A ellos se unieron en la investigación Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Zhipeng Li, Zhen Lian y Su-Fei Shi en el Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York; Chong Wang y Di Xiao de la Universidad Carnegie Mellon en Pensilvania; Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón; y Satoshi Okamoto del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. Huang, T. Wang, Miao y C. Wang contribuyen igualmente al estudio.

El artículo de investigación se titula “¿Estados aislantes correlacionados en rellenos fraccionarios del muaré WS2/WSe2? Enrejado."