Onderzoekers stemmen de interactie van elektronen af ​​in een atomair dunne vaste stof

Natuurkundigen in Regensburg en Marburg hebben de onderlinge interactie van elektronen in een atomair dunne vaste stof op maat gemaakt door deze simpelweg te bedekken met een kristal met met de hand geselecteerde roosterdynamica.

In een kubieke centimeter van een vaste stof zijn er meestal 10²³ elektronen. In dit enorme veel-lichamenstelsel kan ogenschijnlijk simpele paarsgewijze elektron-elektron interactie extreem complexe correlaties en exotisch gedrag veroorzaken, zoals supergeleiding. Dit kwantumfenomeen verandert een vaste stof in een perfecte geleider, die elektrische stromen zonder dissipatie voert. Meestal is dit gedrag een normaal kenmerk van specifieke vaste stoffen. Toch heeft de ontdekking van atomair dun gelaagde materialen, zoals grafeen – een monolaag van grafiet – of overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s), een nieuw creatief laboratorium geopend om elektron-elektron-interacties op maat te maken en faseovergangen vorm te geven. Door bijvoorbeeld grafeenlagen onder specifieke hoeken te stapelen, kan supergeleidend gedrag worden gecreëerd. Toch heeft de theorie ook voorspeld dat het koppelen van elektronen met gekwantiseerde trillingen van het kristalrooster dat fononen wordt genoemd, een kritische invloed kan hebben op de manier waarop elektronen met elkaar interageren.

Natuurkundigen uit Regensburg onder leiding van Rupert Huber in samenwerking met de groep van Ermin Malic aan de Philipps University in Marburg hebben nu een nieuw idee bedacht om de interactie tussen elektronen te verfijnen door ze te koppelen aan polaire kristalroostertrillingen van een aangrenzende laag. Dit scenario kan worden gerealiseerd door TMDC-monolagen eenvoudig te bedekken met een afdeklaag van gips, een materiaal dat veel wordt gebruikt in gipsafgietsels.

Om de koppelingssterkte tussen elektronen en fononen te meten, hebben natuurkundigen eerst elektronen geëxciteerd in de halfgeleidende TMDC-monolaag met een ultrakorte laserpuls, waarbij overeenkomstige gaten op hun oorspronkelijke locaties achterbleven. Elektronen en gaten dragen tegengestelde ladingen en zijn dus aan elkaar gebonden door hun Coulomb-aantrekking – net zoals elektronen zijn gebonden aan de kern in het waterstofatoom – en vormen zo zogenaamde excitonen. Door hun atoomachtige energiestructuur te observeren met daaropvolgende ultrakorte lichtpulsen in het infrarood, is het mogelijk om de interactie tussen de twee deeltjes te kalibreren.

De verrassende bevinding was dat zodra de TMDC-lagen waren bedekt met een dunne gipskap, de structuur van de excitonen aanzienlijk was gewijzigd. “De louter ruimtelijke nabijheid van de gipslaag is voldoende om de interne structuur van de excitonen sterk te koppelen aan polaire roostertrillingen van gips”, zegt Philipp Merkl, de eerste auteur van de studie.

Hoewel dit koppelingsmechanisme elektronen en fononen in verschillende atomair dunne lagen met elkaar verbindt, werken ze zo sterk samen dat ze in wezen versmelten tot nieuwe gemengde deeltjes. Toen de onderzoekers het eenmaal ontdekten, begonnen ze te spelen met dit nieuwe kwantumeffect: door een in wezen inerte derde atomair dunne laag als afstandhouder tussen de TMDC en het gips te plaatsen, slaagden ze erin om de ruimtelijke afstand tussen de elektronen en de fononen met atomaire precisie aan te passen. .

“Deze strategie stelde ons in staat om de koppelingssterkte nog nauwkeuriger af te stemmen”, voegt de corresponderende auteur Dr. Chaw-Keong Yong toe. “Deze bevindingen zouden nieuwe wegen kunnen openen om elektronische correlaties in tweedimensionale materialen op maat te maken. In de toekomst zou dit door de mens gemaakte faseovergangen in kunstmatig gestapelde heterostructuren en nieuwe fysische kwantumeigenschappen mogelijk kunnen maken, die toepassingen zouden kunnen vinden in potentiële verliesloze elektronica en kwantuminformatie. apparaten. ”