Quasiperiodiciteit verandert de grondtoestandeigenschappen van 1D smalband-moiré-systemen, zo blijkt uit onderzoek

Moiré-materialen, zoals gedraaid dubbellaags grafeen, zijn materialen die over het algemeen worden gevormd door twee of meer lagen 2D-materialen op elkaar te stapelen met een klein roostermismatch. Deze kleine discrepantie creëert een uniek patroon dat bekend staat als het moirépatroon en dat geassocieerd wordt met wenselijke optische en elektronische eigenschappen.

Onderzoekers van de Universidade de Lisboa, Universidade do Porto en Universidade do Minho hebben een onderzoek uitgevoerd waarin werd onderzocht hoe de quasiperiodiciteit van eendimensionale (1D) smalbandige moiré-systemen hun eigenschappen beïnvloedt.

Hun bevindingen, gepubliceerd in Natuurfysicatonen aan dat de grondtoestandseigenschappen van deze materialen op een fundamentele manier worden veranderd door quasiperiodiciteit.

“Ons werk werd gemotiveerd door een nogal ambitieuze vraag die we willen beantwoorden met betrekking tot moiré-materialen”, vertelde Miguel Gonçalves, eerste auteur van het artikel, aan Phys.org.

“Deze materialen hebben de afgelopen zes jaar uitzonderlijke aandacht getrokken in de natuurkundegemeenschap van de gecondenseerde materie vanwege de opmerkelijke experimentele observaties van exotische fasen van materie, zoals supergeleiding en andere gecorreleerde fasen, waar elektron-elektron-interacties een cruciale rol spelen.”

Het kenmerkende patroon van moirésystemen wordt geproduceerd door de interferentie tussen enigszins niet-overeenkomende kristallijne lagen. Dit patroon kan met name worden afgestemd door de draaihoek tussen verschillende gestapelde lagen te veranderen.

“Als we uitzoomen, lijkt het moirépatroon zichzelf te herhalen en periodiek te zijn”, zegt Gonçalves. “Deze herhaling is echter alleen exact voor nauwkeurig afgestemde (evenredige) draaihoeken. Als we voor generieke hoeken inzoomen op atomaire schaal, zien we dat hoewel het moirépatroon zich ‘bijna’ herhaalt in de ruimte, dit nooit precies gebeurt. , waardoor een zogenaamd quasiperiodisch ruimtelijk profiel ontstaat, waarbij elk van de moiré-‘eenheidscellen’ enigszins verschilt van alle andere cellen.’

Eerdere theoretische studies hebben moiré-systemen diepgaand bestudeerd. Niettemin gaan de meeste van deze onderzoeken ervan uit dat deze systemen periodiciteit vertonen (dat wil zeggen dat atomen in hun rooster in een zich herhalend of regelmatig patroon zijn gerangschikt).

“Deze aanname vereenvoudigt het probleem en maakt een nauwkeurige beschrijving van een groot deel van de experimentele waarnemingen mogelijk”, legt Gonçalves uit.

“Paradoxaal genoeg is het al lang bekend dat quasiperiodiciteit de eigenschappen van de kwantumgolffunctie van het systeem diepgaand kan veranderen. Met dit in gedachten waren onze centrale vragen of de wisselwerking tussen quasiperiodiciteit en elektron-elektron-interacties zou kunnen leiden tot nieuwe toestanden van materie die niet haalbaar zijn.” in periodieke systemen en of het effect van interacties kan worden versterkt door quasiperiodiciteit.”

Het nauwkeurig beschrijven van de interacties tussen elektronenparen in materialen is al lang een uitdaging voor natuurkundigen en tot op heden bestaat er geen algemeen hulpmiddel om dit te bereiken. Het opnemen van quasiperiodiciteit in deze vergelijking maakt de taak nog ingewikkelder, omdat het onderzoekers ervan weerhoudt de translationele symmetrie van materialen te exploiteren.

“In 1D hebben we echter een krachtig hulpmiddel – bekend als de dichtheidsmatrix-renormalisatiegroepmethode – waarmee we elektron-elektroninteracties exact kunnen behandelen en voldoende grote systemen kunnen simuleren om het effect van quasiperiodiciteit te bestuderen, ” zei Gonçalves.

“Om de eerste stap te zetten in de richting van het beantwoorden van onze ambitieuze vraag, hebben we het grondtoestandfasediagram van een 1D-keten van atomen bestudeerd, waarbij elektronen van naburige atomen kunnen tunnelen met een sprongamplitude die quasiperiodiek wordt gemoduleerd.”

Het door Gonçalves en zijn collega’s bestudeerde modelsysteem bevat verschillende sleutelingrediënten die ook aanwezig zijn in 2D-moirésystemen. Deze omvatten een moirépatroon, een smalle energieband en quasiperiodiciteit.

Hoewel het modelsysteem van de onderzoekers eendimensionaal is, kan het mogelijk worden gerealiseerd in laboratoriumexperimenten met ultrakoude atomen en gevangen bevindingen. Deze experimenten kunnen helpen de nieuwe bevindingen van het team te verifiëren.

“Onze meest opvallende bevinding was dat quasiperiodiciteit het effect van interacties kan versterken en dat de wisselwerking tussen deze ingrediënten inderdaad aanleiding kan geven tot nieuwe toestanden van materie die niet kunnen worden gerealiseerd in soortgelijke, maar verder periodieke systemen”, aldus Gonçalves.

“In het bijzonder hebben we een gedetailleerde vergelijking uitgevoerd van de fasediagrammen in het vlak van interactie en sprongsterkten voor quasiperiodieke en periodieke systemen, waarbij in de laatste de sprongmodulatie precies periodiek werd gekozen.”

Interessant genoeg merkten Gonçalves en zijn collega’s op dat de fasediagrammen die ze onderzochten drastisch veranderden wanneer de springkracht een kritische waarde overschreed. Boven deze kritische waarde en bij afwezigheid van interacties gaat het 1D quasiperiodieke moirésysteem een ​​multifractale exotische fase binnen die niet kan worden bereikt in een overeenkomstig periodiek systeem.

“Meer concreet was onze cruciale nieuwe bevinding dat wanneer interacties worden aangezet binnen deze fase in het quasiperiodieke systeem, een nieuw regime – dat we ‘quasi-fractale ladingsdichtheidsgolf’ hebben genoemd – wordt gestabiliseerd, ” zei Gonçalves.

“In dit regime vertoont de grondtoestandsgolffunctie modulatie van de ladingsvolgorde met een opmerkelijk groot aantal golfvectoren. In het periodieke geval wordt daarentegen helemaal geen ladingsvolgorde waargenomen, in hetzelfde gebied van de fase diagram.”

Het recente artikel van dit team van onderzoekers duidt op het bestaan ​​van een nieuwe toestand van materie in een 1D quasiperiodiek smalband-moirésysteem. Deze ontwikkeling zou de weg kunnen vrijmaken voor verder onderzoek dat zich richt op op elkaar inwerkende quasiperiodieke systemen, wat mogelijk kan leiden tot de ontdekking van nieuwe exotische staten.

“We ontwikkelen nu technieken om de wisselwerking tussen quasiperiodiciteit en interacties buiten één dimensie te onderzoeken”, aldus Gonçalves.

“We zijn vooral geïnteresseerd in het onderzoeken van tweedimensionale moiré-materialen, waarbij we geloven dat de combinatie van deze ingrediënten kan leiden tot een nog rijkere reeks mogelijkheden die wachten om ontdekt te worden en toegevoegd aan het toch al opmerkelijke repertoire van deze materialen.”