![Een moiré-monster en een metalen plaat gescheiden door een afstand van de twee platen van een parallelle plaatcondensator. De twee zijn sterk Coulomb-gekoppeld op kleine afstanden, wat de capaciteit aanzienlijk zou kunnen vergroten. Krediet: Li et al. Onderzoekers bereiken laadvolgorde-verbeterde capaciteit in halfgeleider-moiré-superroosters](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/researchers-achieve-ch.jpg)
Een moiré-monster en een metalen plaat gescheiden door een afstand van de twee platen van een parallelle plaatcondensator. De twee zijn sterk Coulomb-gekoppeld op kleine afstanden, wat de capaciteit aanzienlijk zou kunnen vergroten. Krediet: Li et al.
In de afgelopen jaren hebben elektronica-ingenieurs geëxperimenteerd met nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt om elektronische correlatieverschijnselen te bestuderen. Van der Waals (vdW) moiré-materialen zijn bijzonder veelbelovend om deze verschijnselen te onderzoeken. VdW-materialen zijn samengesteld uit sterk gehechte tweedimensionale (2D) lagen die in de derde dimensie worden gebonden door zwakkere dispersiekrachten.
De term moiré daarentegen verwijst naar een specifiek patroon dat wordt geproduceerd wanneer een ondoorzichtig gelijnd patroon met openingen op een vergelijkbaar patroon wordt geplaatst. Studies hebben onlangs robuuste en gecorreleerde isolatietoestanden onthuld bij zowel integere als fractionele vulfactoren van halfgeleidende materialen met een moirépatroon.
Onderzoekers van de Cornell University en het National Institute for Materials Science in Japan hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de thermodynamische eigenschappen van deze robuuste gecorreleerde toestanden. Hun paper, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, toonde uiteindelijk aan dat capaciteit (dwz het vermogen van een systeem om elektrische lading op te slaan) een sleutelrol kan spelen bij het onderzoeken van gecorreleerde toestanden van halfgeleidermoiré-materialen.
Deze recente studie was deels gebaseerd op een eerdere onderzoeksinspanningen door hetzelfde team, dat de aanwezigheid van een overvloed aan elektronenkristallen in halfgeleider-moiré-materialen onthulde. Een van de belangrijkste doelstellingen van de nieuwe studie van het team was om deze elektronenkristaltoestanden beter te begrijpen door thermodynamische metingen te verzamelen.
“Onze studie is ook geïnspireerd op theoretische berekeningen van onze vriend Veit Elser, die een co-auteur is van de krant,” vertelde Kin Fai Mak, een van de onderzoekers die de studie uitvoerde, aan TechXplore. “Veit heeft de capaciteit berekend voor een parallelle plaatcondensator met het monster als één plaat en een metalen poort als een andere plaat.”
Gewoonlijk zou de capaciteit van een parallelle plaatcondensator, zoals degene die door Elser is onderzocht, alleen worden bepaald door zijn geometrie (bijvoorbeeld de afstand tussen de twee platen). Verrassend genoeg suggereerden zijn berekeningen echter dat de capaciteit wanneer de monsterplaat zich in een fasemengsel van elektronenkristallen bevindt, in feite oneindig zou kunnen zijn.
“Dit kan enorm zijn, omdat het de capaciteit van het apparaat om lading op te slaan aanzienlijk kan verbeteren”, zei Mak.
Om dit idee experimenteel te testen, maten Mak en zijn collega’s de capaciteit van een parallelle condensator met het monster van belang (dwz het moiré-monster) als één plaat en een dunne plaat metaal als de tweede plaat.
“De twee platen werden gescheiden door een experimenteel variabele afstand,” zei Mak. “De capaciteit is nauw verbonden met de elektronische samendrukbaarheid (een thermodynamische grootheid) van het monster, wat een maat is voor hoe samendrukbaar de elektronen zijn wanneer ze worden blootgesteld aan een extern elektrisch veld.”
Het team heeft zorgvuldig gemeten hoe samendrukbaar de elektronen in hun monster waren wanneer ze werden blootgesteld aan een extern elektrisch veld als een functie van elektronendichtheid en temperatuur. Dit stelde hen in staat om twee aanvullende thermodynamische metingen (dwz de elektronische entropie en specifieke warmtecapaciteit) af te leiden uit de bestaande gegevens, gebruikmakend van bekende en gevestigde regels voor thermodynamische relaties.
“Een van de belangrijkste resultaten van onze studie was een significante verbetering van de gemeten capaciteit in vergelijking met de geometrische waarde,” zei Mak. “Voor zover wij weten, is dit waarschijnlijk de grootste verbetering die tot nu toe is gerapporteerd. Vanwege monsterafwijkingen is de waargenomen verbetering echter verre van oneindig, zoals voorspeld door de oorspronkelijke berekeningen van Veit. Men zou zich een verdere capaciteitsverbetering kunnen voorstellen met betere monsters in de toekomst.”
De recente bevindingen van dit team van onderzoekers kunnen belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van elektronische apparaten. Hun werk toont zelfs aan dat de capaciteit van halfgeleider-moiré-superroosters aanzienlijk kan worden verbeterd, wat betekent dat de ladingsopslag van apparaten die van deze materialen zijn gemaakt, kan worden verbeterd.
Bovendien verzamelde het team waardevolle kwantitatieve metingen van de thermodynamische eigenschappen van de elektronenkristaltoestanden in halfgeleider-moiré-superroosters. In de toekomst kunnen deze metingen helpen om de aard van deze exotische toestanden van materie beter te begrijpen.
“Thermodynamische meting is een belangrijke vaardigheid in de natuurkunde, omdat het helpt de aard van veel opkomende kwantumtoestanden van materie te begrijpen”, voegde Mak eraan toe. “Er zijn recentelijk zoveel exotische toestanden ontdekt in moiré-materialen (bijv. supergeleiding, gecorreleerde isolatoren, elektronenkristallen, kwantum afwijkend Hall-effect, enz.). Het uitvoeren van thermodynamische studies over deze toestanden zal zeker helpen om enkele van de mysteries op dit gebied te begrijpen van onderzoek. In het algemeen is capaciteitsmeting een zeer nuttig diagnostisch hulpmiddel voor kwantumkwesties.”
Tingxin Li et al, Charge-order-verbeterde capaciteit in halfgeleider moiré superroosters, Natuur Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00955-8
Yang Xu et al, Gecorreleerde isolatietoestanden bij fractionele vullingen van moiré-superroosters, Natuur (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2868-6
Natuur Nanotechnologie
,
Natuur