1934年、理論物理学者のEugene Wignerは、新しいタイプの結晶の存在を提案しました。
負に帯電した電子の密度を特定のレベル未満に保つことができれば、原子以下の粒子を繰り返しパターンで保持して、電子結晶を作成することができます。 このアイデアはウィグナークリスタルとして知られるようになりました。
ただし、言うのは簡単です。 電子はうるさく、その場にとどまるのは非常に困難です。 しかし、物理学者のグループは、2D半導体タングステン層のペアの間に小刻みに動く小さなヘアピンを囲むことによってこれを達成しました。
ダイヤモンドやクォーツなどの一般的な結晶は、固定された3次元の繰り返しネットワーク構造を形成する原子の格子から形成されます。 ウィグナーの考えによれば、電子は同様の方法で配置されて固体結晶相を形成することができますが、それは電子が静止している場合に限られます。
電子密度が十分に低い場合、同じ電荷を持つ電子間のクーロン反発力は、運動エネルギーを支配しなければならない潜在的なエネルギーを生成し、電子を静止させたままにします。 これが難しさです。
'電子は量子機械的です。 あなたが彼らと何もしなくても、彼らはいつも自発的に躊躇します」とコーネル大学の物理学者キーン・フェイ・マックは言いました。
「電子を周期的な構造に固定することは非常に難しいため、電子の結晶は実際には溶ける傾向があります。」
したがって、ウィグナー結晶を作成する試みは、強力な磁場や単一電子トランジスタなどの一種の電子トラップに依存していますが、物理学者はまだ完全な結晶化に成功していません。 2018年、ある種の絶縁体を作成しようとしたMITの科学者は、代わりにウィグナークリスタルを作成しましたが、その結果には解釈の余地がありました。
(UCSD物理学科)。
MITトラップは、モアレ超格子と呼ばれるグラフェン構造で、上の画像に示すように、2つの2次元グリッドがわずかにねじれて重なり合い、より大きな規則的なパターンが表示されます。
現在、物理学者のヤン・シューが率いるコーネルのチームは、独自のモアレ超格子を使用して、より的を絞ったアプローチを取りました。 2つの半導体層には、コロンビア大学で特別に栽培された二硫化タングステン(WS2)と二セレン化タングステン(WSe2)を使用しました。
重ね合わせると、これらの層は六角形のパターンを形成し、科学者は任意のモアレ領域の平均電子移動度を制御できるようになりました。
次のステップは、計算を使用して、格子内の特定の位置に電子を注意深く配置し、さまざまな電子位置が結晶を形成する充填の程度を決定することでした。
最後の問題は、ウィグナー結晶またはそれらの欠如を観察することによって、それらの予測が正しいかどうかを実際にどのように確認するかでした。
「電子結晶を作成するには、適切な条件を作成する必要があります。同時に、外部の影響に反応します」とマック氏は述べています。
「あなたはそれらを研究するための良い方法が必要です。 それらを調べてあまり気にしないでください。」
この問題は、六角形の窒化ホウ素の絶縁層を使用することで解決されました。 光学センサーは、窒化ホウ素層によって分離された、わずか1ナノメートルの距離で、サンプルの非常に近くに配置されました(ただし、接触はしていません)。 これにより、高い検出感度を実現するのに十分な近接性を維持しながら、プローブとサンプル間の電気的通信が妨げられました。
モワール超格子内では、電子は三角形のウィグナー結晶、ストライプ相、ダイマーなど、さまざまな結晶構成で配置されています。
この成果は、電子結晶の研究だけでなく重要です。 得られたデータは、量子物理学の分野での研究のためのモアレ超格子の未開発の可能性を示しています。
「私たちの研究は、2次元の拡張ハバードモデルまたは長距離電荷を伴うスピンモデル(電荷と交換の相互作用)によって記述される量子多体問題をモデル化するためのモアレ超格子の使用の基礎を築く」と研究者らは論文に書いています。
研究はジャーナルNatureに掲載されています。
出典：写真：電子を収容する超格子の状態の分離。 (Xu et al。、Nature、2020)。
