Kwantummaterialen bevorderen: een nieuwe benadering voor het regelen van elektronische toestanden

Een samenwerkingsteam van onderzoekers van het Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Nanjing University, Songshan Lake Materials Laboratory (SLAB) en International Partners heeft een nieuwe methode geïntroduceerd om exotische elektronische staten in tweedimensionale materialen te reguleren.

Voortbouwend op de basis die door hun eerdere werk op Twisted Van der Waals-materialen zijn gelegd, heeft het team van natuurkundigen nu een nieuwe manier ontdekt om gecorreleerde elektronische toestanden te manipuleren in gedraaide dubbele tweekaag Tungsten Diselenide (TDB-WSE₂). Deze doorbraak biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van geavanceerde kwantummaterialen en apparaten.

Door precies twee dubbellagen van WSE₂ in de buurt van een hoek van 60 graden te draaien en een loodrecht elektrisch veld toe te passen, hebben de onderzoekers controle bereikt over de interactie tussen twee verschillende elektronische banden, bekend als de K-Valley- en y-valley-banden. Deze afstemming heeft geleid tot de observatie van een “vallei-ladingsoverdrachtisolator”-een exotische toestand waar elektronenbeweging sterk gecorreleerd is en de elektrische geleidbaarheid wordt onderdrukt.

“Dit werk onthult dat we de elektronische fasen van materie kunnen regelen met behulp van de Valley -graad van vrijheid, die fungeert als een nieuwe ‘knop’ om de eigenschappen van het materiaal aan te passen,” legt Lei Wang, professor in de natuurkunde aan de Nanjing University en senior auteur van de studie. “Onze bevindingen bieden een dieper inzicht in hoe ze gecorreleerde isolerende staten kunnen engineren, wat cruciaal is voor toekomstige kwantumtechnologieën.”

Het vermogen om deze gecorreleerde toestanden te manipuleren zonder de chemische samenstelling te wijzigen of een significante aandoening te introduceren, is een belangrijke vooruitgang. Traditioneel moest het bereiken van een dergelijke controle het materiaal zelf wijzigen of grote magnetische velden toepassen. De aanpak van het team biedt een meer eenvoudige en omkeerbare methode door elektrische velden te gebruiken om de relatieve positie van de elektronische banden aan te passen en onthult een nieuwe vorm van platte band in de y-valley.

Dit onderzoek toont een continue overgang van een Mott-Hubbard-isolator naar een vallei-ladingsoverdrachtisolator door de K-Valley-band over de γ-Valley Hubbard-banden te verplaatsen met behulp van Gate Control. Dit instelbare gedrag opent de deur voor het verkennen van nieuwe kwantumfasen, met potentiële toepassingen in supergeleiders, kwantumcomputers en andere technologieën van de volgende generatie.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatiede studie Vertegenwoordigt een samenwerkingsinspanning bij verschillende internationale instellingen en onderstreept het groeiende belang van gedraaide van der Waals -materialen in onderzoek naar kwantummaterialen.

“Dit is nog maar het begin”, zegt Lede Xian, professor en groepsleider van de Max Planck Partner Group bij SLAB. “Wij geloven dat ons werk nieuwe paden opent voor het onderzoeken en gebruiken van sterk gecorreleerde materialen, die essentieel zijn voor de volgende generatie kwantumapparaten.”

“Deze ontdekking opent nieuwe mogelijkheden voor het beheersen van materie op atomair niveau”, voegt Angel Rubio, directeur van de theorie -afdeling van de MPSD toe. “We zijn verheugd om potentiële toepassingen te zien en hoe het kan worden gebruikt om unieke functionaliteiten te creëren.”

Verdere vooruitgang in Moiré Materials Engineering zou kunnen leiden tot nieuwe, instelbare eigenschappen die moeilijk te bereiken zijn via conventionele methoden, waardoor de grenzen van de materiële wetenschap worden aangedreven. “Dit is een zeer interessante situatie waarin veranderingen in het structurele register leiden tot een nieuw type gecorreleerde fenomenen”, concludeert Rubio.

Dit laatste onderzoek benadrukt de snelle vooruitgang in het veld en bouwt voort op de baanbrekende inzichten uit eerdere studies door het team over Twisted Van der Waals -materialen. Terwijl wetenschappers nieuwe controlemechanismen blijven ontdekken, blijft het potentieel voor baanbrekende toepassingen in kwantum computing, energie-efficiënte elektronica en daarbuiten enorm en veelbelovend.