Theoretisch natuurkundige ontdekt hoe kronkelende lagen van een materiaal een mysterieus elektronenpad-afbuigend effect kunnen genereren

In 2018 veroorzaakte een ontdekking in de materiaalkunde schokgolven door de hele gemeenschap. Een team heeft aangetoond dat het stapelen van twee lagen grafeen (een honingraatachtige laag koolstof gewonnen uit grafiet) onder een precieze “magische hoek” het in een supergeleider veranderde, zegt Ritesh Agarwal van de Universiteit van Pennsylvania.

Dit leidde tot het vakgebied van de ’twistronics’, waaruit bleek dat het draaien van gelaagde materialen buitengewone materiaaleigenschappen kon ontgrendelen.

Voortbouwend op dit concept hebben Agarwal, theoretisch natuurkundige Eugene Mele van Penn en medewerkers twistronics naar nieuw terrein gebracht.

In een studie gepubliceerd in Natuuronderzochten ze spiraalvormig gestapeld wolfraamdisulfide (WS₂) kristallen en ontdekte dat, door deze lagen te verdraaien, licht gebruikt kon worden om elektronen te manipuleren. Het resultaat is analoog aan de Coriolis-kracht, die de paden van objecten in een roterend frame kromt, zoals hoe wind- en oceaanstromingen zich op aarde gedragen.

“Wat we ontdekten is dat we, door simpelweg het materiaal te draaien, konden bepalen hoe elektronen bewegen”, zegt Agarwal, Srinivasa Ramanujan Distinguished Scholar aan de School of Engineering and Applied Science. Dit fenomeen was vooral duidelijk toen het team circulair gepolariseerd licht op WS scheen₂ spiralen, waardoor elektronen in verschillende richtingen afbuigen op basis van de interne draaiing van het materiaal.

De oorsprong van de nieuwste bevindingen van het team gaat terug tot de begindagen van de COVID-19 pandemische lockdowns, toen het laboratorium werd gesloten en eerste auteur Zhurun ​​(Judy) Ji haar doctoraat aan het afronden was.

Omdat ze geen fysieke experimenten in de ruimte kon uitvoeren, verlegde ze haar focus naar meer theoretisch werk en werkte ze samen met Mele, de Christopher H. Browne Distinguished Professor of Physics aan de School of Arts & Sciences.

Samen ontwikkelden ze een theoretisch model voor elektronengedrag in verdraaide omgevingen, gebaseerd op de speculatie dat een continu gedraaid rooster een vreemd, complex landschap zou creëren waarin elektronen nieuw kwantumgedrag zouden kunnen vertonen.

‘De structuur van deze materialen doet denken aan DNA of een wenteltrap. Dit betekent dat de gebruikelijke regels van periodiciteit in een kristal – waarbij atomen in nette, zich herhalende patronen zitten – niet langer van toepassing zijn’, zegt Ji.

Toen 2021 aanbrak en de pandemische beperkingen werden opgeheven, hoorde Agarwal tijdens een wetenschappelijke conferentie dat voormalig collega Song Jin van de Universiteit van Wisconsin-Madison kristallen kweekte met een voortdurende spiraalvormige draaiing. Erkennen dat Jin spiraalvormig verwrongen WS is₂ Omdat kristallen het perfecte materiaal waren om de theorieën van Ji en Mele te testen, regelde Agarwal dat Jin een batch zou sturen. De experimentele resultaten waren intrigerend.

Mele zegt dat het effect de Coriolis-kracht weerspiegelde, een waarneming die gewoonlijk wordt geassocieerd met de mysterieuze zijwaartse afbuigingen die te zien zijn in roterende systemen. Wiskundig gezien lijkt deze kracht sterk op een magnetische afbuiging, wat verklaart waarom de elektronen zich gedroegen alsof er een magnetisch veld aanwezig was, zelfs als er geen aanwezig was. Dit inzicht was cruciaal, omdat het de verdraaiing van het kristal en de interactie met circulair gepolariseerd licht met elkaar verbond.

Agarwal en Mele vergelijken de elektronenrespons met het klassieke Hall-effect, waarbij de stroom die door een geleider vloeit, zijwaarts wordt afgebogen door een magnetisch veld. Maar hoewel het Hall-effect wordt aangedreven door een magnetisch veld, geleidden hier “de draaiende structuur en de Coriolis-achtige kracht de elektronen”, zegt Mele.

“De ontdekking ging niet alleen over het vinden van deze kracht; het ging over het begrijpen wanneer en waarom deze verschijnt en, nog belangrijker, wanneer dit niet zou moeten gebeuren.”

Een van de grootste uitdagingen, voegt Mele eraan toe, was dat, toen ze eenmaal beseften dat deze Coriolis-afbuiging in een gedraaid kristal kon optreden, het idee leek te goed te werken. Het effect verscheen zo natuurlijk in de theorie dat het moeilijk leek om uit te schakelen, zelfs in scenario’s waarin het niet zou moeten bestaan. Het kostte bijna een jaar om de exacte omstandigheden vast te stellen waaronder dit fenomeen kon worden waargenomen of onderdrukt.

Agarwal vergelijkt het gedrag van elektronen in deze materialen met ‘van een glijbaan afgaan in een waterpark. Als een elektron van een rechte glijbaan af zou gaan, zoals conventionele materiaalroosters, zou alles glad zijn. Maar als je het via een spiraalvormige glijbaan naar beneden stuurt, het is een heel andere ervaring. Het elektron voelt krachten die het in verschillende richtingen duwen en er aan de andere kant veranderd uitkomen, alsof je een beetje ‘duizelig’ bent.’

Deze “duizeligheid” is bijzonder opwindend voor het team omdat het een nieuwe mate van controle over de elektronenbeweging introduceert, puur bereikt door de geometrische draaiing van het materiaal. Bovendien onthulde het werk ook een sterke optische niet-lineariteit, wat betekent dat de reactie van het materiaal op licht aanzienlijk werd versterkt.

‘In typische materialen is de optische niet-lineariteit zwak’, zegt Agarwal, ‘maar in ons gedraaide systeem is ze opmerkelijk sterk, wat potentiële toepassingen in fotonische apparaten en sensoren suggereert.’

Een ander aspect van het onderzoek waren de moirépatronen, die het resultaat zijn van een kleine hoekafwijking tussen de lagen, wat een belangrijke rol speelt in het effect. In dit systeem is de moiré-lengteschaal, gecreëerd door de draaiing, gelijk aan de golflengte van licht, waardoor het mogelijk wordt dat licht een sterke interactie heeft met de structuur van het materiaal.

“Deze interactie tussen licht en het moirépatroon voegt een laag van complexiteit toe die de effecten die we waarnemen versterkt”, zegt Agarwal, “en deze koppeling zorgt ervoor dat het licht het elektronengedrag zo effectief kan controleren.”

Toen licht interageerde met de gedraaide structuur, observeerde het team complexe golffuncties en gedragingen die niet te zien zijn in reguliere tweedimensionale materialen. Dit resultaat sluit aan bij het concept van ‘kwantumgeometrische grootheden van hogere orde’, zoals Berry-krommingmultipolen, die inzicht geven in de kwantumtoestanden en het gedrag van het materiaal.

Deze bevindingen suggereren dat het draaien de elektronische structuur fundamenteel verandert, waardoor nieuwe wegen ontstaan ​​voor het controleren van de elektronenstroom op manieren die traditionele materialen niet kunnen.

En ten slotte bleek uit het onderzoek dat door de dikte en handigheid van de WS enigszins aan te passen₂ spiralen, zouden ze de sterkte van het optische Hall-effect kunnen verfijnen. Deze afstembaarheid suggereert dat deze gedraaide structuren een krachtig hulpmiddel kunnen zijn voor het ontwerpen van nieuwe kwantummaterialen met zeer aanpasbare eigenschappen.

“We zijn altijd beperkt geweest in de manier waarop we het elektronengedrag in materialen kunnen manipuleren. Wat we hier hebben laten zien is dat we door de draaiing te beheersen volledig nieuwe eigenschappen kunnen introduceren”, zegt Agarwal.

“We krabben eigenlijk nog maar aan het oppervlak van wat mogelijk is. Nu de spiraalstructuur een nieuwe manier biedt waarop fotonen en elektronen kunnen interageren, stappen we in iets compleet nieuws. Wat kan dit systeem nog meer onthullen?”