Des chercheurs piègent des électrons pour créer un cristal insaisissable – ScienceDaily

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Comme des enfants agités posant pour un portrait de famille, les électrons ne resteront pas immobiles assez longtemps pour rester dans n’importe quel type d’arrangement fixe.

Les chercheurs de Cornell ont empilé des semi-conducteurs bidimensionnels pour créer une structure de super-réseau moiré qui piège les électrons dans un motif répétitif, formant finalement le cristal de Wigner supposé depuis longtemps.

Maintenant, une collaboration dirigée par Cornell a développé un moyen d’empiler des semi-conducteurs bidimensionnels et de piéger des électrons dans un motif répétitif qui forme un cristal spécifique et hypothétique de longue date.

L’article de l’équipe, “Correlated Insulating States at Fractional Fillings of Moiré Superlattices”, publié le 11 novembre dans La nature. L’auteur principal de l’article est le chercheur postdoctoral Yang Xu.

Le projet est né du laboratoire partagé de Kin Fai Mak, professeur agrégé de physique au College of Arts and Sciences, et de Jie Shan, professeur de physique appliquée et d’ingénierie au College of Engineering, co-auteurs principaux de l’article. Les deux chercheurs sont membres de l’Institut Kavli de Cornell pour la science à l’échelle nanométrique; ils sont venus à Cornell dans le cadre de l’initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) du prévôt.

Un cristal d’électrons a été prédit pour la première fois en 1934 par le physicien théoricien Eugene Wigner. Il a proposé que lorsque la répulsion résultant d’électrons chargés négativement – appelés répulsions de Coulomb – domine l’énergie cinétique des électrons, un cristal se formerait. Les scientifiques ont essayé diverses méthodes pour supprimer cette énergie cinétique, comme placer des électrons sous un champ magnétique extrêmement important, environ un million de fois celui du champ magnétique terrestre. La cristallisation complète reste insaisissable, mais l’équipe de Cornell a découvert une nouvelle méthode pour y parvenir.

“Les électrons sont de la mécanique quantique. Même si vous ne leur faites rien, ils bougent spontanément tout le temps”, a déclaré Mak. “Un cristal d’électrons aurait en fait tendance à simplement fondre parce qu’il est si difficile de maintenir les électrons fixés selon un schéma périodique.”

La solution des chercheurs a donc été de construire un véritable piège en empilant deux monocouches de semi-conducteurs, le disulfure de tungstène (WS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2), cultivés par des partenaires de l’Université de Columbia. Chaque monocouche a une constante de réseau légèrement différente. Lorsqu’ils sont associés, ils créent une structure de super-réseau moiré, qui ressemble essentiellement à une grille hexagonale. Les chercheurs ont ensuite placé des électrons dans des sites spécifiques du motif. Comme ils l’ont découvert dans un projet précédent, la barrière d’énergie entre les sites verrouille les électrons en place.

“Nous pouvons contrôler l’occupation moyenne des électrons sur un site de moiré spécifique”, a déclaré Mak.

Compte tenu du motif complexe d’un super-réseau moiré, combiné à la nature nerveuse des électrons et à la nécessité de les mettre dans un arrangement très spécifique, les chercheurs se sont tournés vers Veit Elser, professeur de physique et co-auteur de l’article, qui a calculé le rapport d’occupation selon lequel les différents arrangements d’électrons vont s’autocristalliser.

Cependant, le défi des cristaux Wigner n’est pas seulement de les créer, mais aussi de les observer.

“Vous devez atteindre les bonnes conditions pour créer un cristal d’électrons, et en même temps, ils sont également fragiles”, a déclaré Mak. “Vous avez besoin d’un bon moyen de les sonder. Vous ne voulez pas vraiment les perturber de manière significative tout en les sondant.”

L’équipe a mis au point une nouvelle technique de détection optique dans laquelle un capteur optique est placé à proximité de l’échantillon et la structure entière est prise en sandwich entre des couches isolantes de nitrure de bore hexagonal, créées par des collaborateurs de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon. Le capteur étant séparé de l’échantillon d’environ deux nanomètres, il ne perturbe pas le système.

La nouvelle technique a permis à l’équipe d’observer de nombreux cristaux d’électrons avec différentes symétries cristallines, des cristaux de Wigner à réseau triangulaire aux cristaux qui s’auto-alignent en rayures et dimères. Ce faisant, l’équipe a démontré comment des ingrédients très simples peuvent former des motifs complexes – à condition que les ingrédients restent suffisamment longtemps.

Les co-auteurs de l’article comprennent des chercheurs de l’Université Columbia et du National Institute for Materials Science au Japon.

La recherche et la fabrication de l’appareil ont été soutenues par le Département américain de l’énergie, le US Office of Naval Research et la bourse David et Lucille Packard.

Source de l’histoire:

Matériaux fourni par L’Université de Cornell. Original écrit par David Nutt. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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