Onderzoekers presenteren een nieuwe methode om de eigenschappen van gelaagde overgangsmetaaldichalcogenidekristallen te verfijnen

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Cao Liang van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft samen met medewerkers een extra translationele vrijheidsgraad geïntroduceerd in gelaagde overgangsmetaaldichalcogenidekristallen, waardoor het verfijnen van hun fysieke eigenschappen mogelijk wordt. .

De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Gelaagde Mott-isolatoren helpen ons te begrijpen hoe verschillende toestanden zoals Mott-isolatoren, ladingsdichtheidsgolven en supergeleiders met elkaar verbonden zijn. Door te veranderen hoe deze lagen zich opstapelen en zich gedragen onder druk en temperatuur, kunnen wetenschappers deze relaties onderzoeken.

Eén materiaal, 1T-TaS₂, is vooral interessant omdat het op complexe manieren verandert terwijl het afkoelt, en ongebruikelijk isolatiegedrag vertoont bij lage temperaturen en hoge elektronendichtheden. Zelfs na veel onderzoek is het echter nog steeds onduidelijk of deze isolerende toestand een Mott-isolator of een bandisolator is.

In deze studie introduceerden de onderzoekers een nieuwe aanpak om de koppelingssterkte tussen de lagen in gelaagde kristallen te manipuleren door opzettelijk een fractionele verkeerde uitlijning van aangrenzende lagen te introduceren. Deze gecontroleerde stapeling en koppeling tussen de lagen onthulde de dualistische isolerende aard van 1T-TaS₂ kristallen, die een verschuiving laten zien tussen 3D-bandisolerende toestanden en 2D Mott-isolerende toestanden.

Deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van de oorsprong van verborgen toestanden onder niet-evenwichtsomstandigheden en de afwijkingen in 1T-TaS₂zoals de afwezigheid van een magnetische orde op lange afstand en de onverwachte verschijning van supergeleidende toestanden.

Voor de eerste keer hebben ze aangetoond hoe de fractionele roostertranslatie tussen aangrenzende lagen in gelaagde kristallen elektronische structuren diepgaand kan wijzigen. Deze ontdekking introduceert een extra translationele vrijheidsgraad die het verfijnen van de eigenschappen van bulkkristallen mogelijk maakt.

In tegenstelling tot traditionele methoden zoals chemische doping, intercalatie en druk, is deze aanpak opmerkelijk eenvoudig en schoon, waarbij de introductie van onzuiverheden wordt vermeden terwijl de mechanische sterkte en stabiliteit van de kristallen behouden blijft.

“De uitbreiding van de ladderconfiguratie die we definiëren naar andere gelaagde kristallen met vergelijkbare structurele eigenschappen van stijfheid tussen de lagen en gladheid tussen de lagen biedt opwindende mogelijkheden om gecorreleerde toestanden te bestuderen die beperkt zijn tot 2D-systemen, vergelijkbaar met de vermindering van de dimensionaliteit in gelaagde 3D-materialen, ” zei prof. Cao Liang.