Nel 1934, il fisico teorico Eugene Wigner propose l'esistenza di un nuovo tipo di cristallo.
Se la densità degli elettroni caricati negativamente potesse essere mantenuta al di sotto di un certo livello, le particelle subatomiche potrebbero essere mantenute in uno schema ripetitivo, creando un cristallo elettronico; questa idea divenne nota come il cristallo di Wigner.
Molto più facile a dirsi che a farsi, comunque. Gli elettroni sono pignoli ed è estremamente difficile farli rimanere al loro posto. Tuttavia, un gruppo di fisici ora ha ottenuto questo risultato, racchiudendo piccole forcine oscillanti tra una coppia di strati di tungsteno semiconduttori 2D.
Cristalli comuni come diamanti o quarzo sono formati da un reticolo di atomi che formano una struttura a rete fissa, tridimensionale e ripetitiva. Secondo l'idea di Wigner, gli elettroni potrebbero essere disposti in modo simile per formare una fase cristallina solida, ma solo se gli elettroni fossero stazionari.
Se la densità elettronica è sufficientemente bassa, la repulsione di Coulomb tra elettroni con la stessa carica crea un'energia potenziale che deve dominare l'energia cinetica, lasciando gli elettroni stazionari. Questa è la difficoltà.
'Gli elettroni sono meccanici quantistici. Anche se non fai nulla con loro, esitano spontaneamente tutto il tempo '', ha detto il fisico Keen Fay Mak della Cornell University.
“Un cristallo di elettroni avrebbe effettivamente la tendenza a fondersi perché è così difficile mantenere gli elettroni fissati in una struttura periodica”.
Pertanto, i tentativi di creare cristalli di Wigner si basano su una sorta di trappola di elettroni, come potenti campi magnetici o transistor a singolo elettrone, ma i fisici non sono ancora riusciti a cristallizzare completamente. Nel 2018, gli scienziati del MIT che cercavano di creare un tipo di isolante hanno invece creato un cristallo di Wigner, ma i loro risultati hanno lasciato spazio all'interpretazione.
(Dipartimento di Fisica UCSD).
La trappola del MIT era una struttura in grafene nota come super reticolo moiré, in cui due griglie bidimensionali si sovrappongono con una leggera torsione e compaiono modelli regolari più grandi, come mostrato nell'immagine sopra.
Ora, il team di Cornell, guidato dal fisico Yang Xu, ha adottato un approccio più mirato con il proprio super reticolo moiré. Per i loro due strati semiconduttori, hanno usato disolfuro di tungsteno (WS2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2) coltivati appositamente alla Columbia University.
Quando sovrapposti, questi strati formavano uno schema esagonale, che ha permesso agli scienziati di controllare la mobilità media degli elettroni in una data area moiré.
Il passo successivo è stato quello di posizionare con attenzione gli elettroni in posizioni specifiche sul reticolo, utilizzando calcoli per determinare il grado di riempimento in corrispondenza del quale le diverse posizioni degli elettroni avrebbero formato i cristalli.
L'ultimo problema era come vedere effettivamente se le loro previsioni sono corrette osservando i cristalli di Wigner o la loro assenza.
“Per creare un cristallo elettronico, è necessario creare le giuste condizioni e, allo stesso tempo, reagiscono alle influenze esterne”, ha detto Mack.
'Hai bisogno di un buon modo per ricercarli. Non disturbarli troppo esaminandoli.
Questo problema è stato risolto utilizzando strati isolanti di nitruro di boro esagonale. Il sensore ottico è stato posizionato molto vicino (ma senza toccare) il campione, a una distanza di un solo nanometro, separato da uno strato di nitruro di boro. Ciò ha impedito la comunicazione elettrica tra la sonda e il campione mantenendo una prossimità sufficiente per un'elevata sensibilità di rilevamento.
All'interno di un super reticolo moiré, gli elettroni sono disposti in varie configurazioni cristalline, inclusi cristalli triangolari di Wigner, fasi a strisce e dimeri.
Questo risultato è importante non solo per lo studio dei cristalli elettronici. I dati ottenuti dimostrano il potenziale non sfruttato dei superreticoli moiré per la ricerca nel campo della fisica quantistica.
“Il nostro studio”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo, “getta le basi per l'uso di superreticoli moiré per modellare problemi quantistici multi-corpo, che sono descritti dal modello bidimensionale esteso di Hubbard o da modelli di spin con interazioni carica – carica e scambio a lungo raggio”.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature.
Fonti: Foto: stati di isolamento in un super reticolo che ospita gli elettroni. (Xu et al., Nature, 2020).
