فیزیکدانان شواهد مستقیمی از همبستگی قوی الکترون در یک ماده دو بعدی – پیدا کردند

فیزیک اساسی که این مواد قابل تعویض را هدایت می کند یک راز است، اگرچه فیزیکدانان گمان می کنند که ارتباطی با “همبستگی های الکترونی” یا اثرات برهمکنش بین دو الکترون با بار منفی دارد. این دافعه های ذرات تاثیر کمی یا بدون هیچ تاثیری در شکل دادن به خواص در اکثر مواد دارند. اما در مواد دو بعدی، این فعل و انفعالات کوانتومی می تواند تأثیر غالب باشد. درک اینکه چگونه همبستگی‌های الکترونی حالت‌های الکتریکی را به پیش می‌برند، می‌تواند به دانشمندان در مهندسی مواد کاربردی عجیب و غریب، مانند ابررساناهای نامتعارف کمک کند.

اکنون، فیزیکدانان MIT و جاهای دیگر گام مهمی در جهت درک همبستگی های الکترون برداشته اند. در مقاله ای که امروز در علوم پایهمحققان شواهد مستقیمی از همبستگی الکترون ها در یک ماده دو بعدی به نام گرافن سه لایه ABC نشان دادند. قبلاً نشان داده شده بود که این ماده از یک فلز به یک عایق به یک ابررسانا تغییر می کند.

برای اولین بار، محققان به طور مستقیم همبستگی های الکترون را در یک حالت عایق خاصی از ماده شناسایی کردند. آنها همچنین مقیاس های انرژی این همبستگی ها یا قدرت برهمکنش های بین الکترون ها را تعیین کردند. نتایج نشان می‌دهد که گرافن سه‌لایه ABC می‌تواند یک پلت فرم ایده‌آل برای کاوش و احتمالا مهندسی همبستگی‌های دیگر الکترون‌ها، مانند آن‌هایی که ابررسانایی را هدایت می‌کنند، باشد.

لانگ جو، نویسنده ارشد این مقاله، استادیار فیزیک در MIT، می‌گوید: «درک بهتر فیزیک زیربنایی ابررسانایی به ما این امکان را می‌دهد تا دستگاه‌هایی را مهندسی کنیم که می‌توانند دنیای ما را تغییر دهند، از انتقال انرژی بدون تلفات گرفته تا قطارهای معلق مغناطیسی. این ماده اکنون یک زمین بازی بسیار غنی برای کشف همبستگی های الکترون و ساختن پدیده ها و دستگاه های قوی تر است.

سوپرشبکه

یک گرافن سه لایه ABC که روی لایه ای از نیترید بور شش ضلعی چیده شده است، شبیه به گرافن دولایه با زاویه جادویی است که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است، از این نظر که هر دو ماده شامل لایه هایی از گرافن هستند – ماده ای که به طور طبیعی در گرافیت یافت می شود و می تواند استثنایی از خود نشان دهد. خواص زمانی که به شکل خالص آن جدا شود. گرافن از شبکه‌ای از اتم‌های کربن که در یک الگوی شش ضلعی، شبیه به سیم مرغ، چیده شده‌اند، ساخته می‌شود. نیترید بور شش ضلعی یا hBN دارای یک الگوی شش ضلعی مشابه و کمی بزرگتر است.

در گرافن سه لایه ABC، سه ورقه گرافن در یک زاویه روی هم چیده شده و کمی از یکدیگر فاصله دارند، مانند برش های لایه لایه پنیر. هنگامی که گرافن سه لایه ABC روی hBN با زاویه پیچش صفر درجه قرار می‌گیرد، ساختار به‌دست‌آمده یک الگوی موآر یا “ابر شبکه” است که از چاه‌های انرژی دوره‌ای تشکیل شده است، که پیکربندی آن تعیین می‌کند که الکترون‌ها چگونه در ماده جریان می‌یابند.

جو می‌گوید: «این ساختار شبکه‌ای الکترون‌ها را مجبور می‌کند تا محلی‌سازی شوند و زمینه را برای همبستگی‌های الکترونی فراهم می‌کند تا تأثیر زیادی بر ویژگی ماکروسکوپی ماده داشته باشد.

او و همکارانش به دنبال بررسی گرافن سه لایه ABC برای شواهد مستقیم از همبستگی های الکترونی و اندازه گیری قدرت آنها بودند. آنها ابتدا نمونه ای از ماده را سنتز کردند و یک ابرشبکه با چاه های انرژی ایجاد کردند که هر کدام به طور معمول می توانند دو الکترون را در خود جای دهند. آنها ولتاژ کافی برای پر کردن هر چاه در شبکه اعمال کردند.

تقویت الکترونی

آنها سپس به دنبال نشانه هایی بودند که نشان دهد ماده در حالت ایده آل برای تسلط همبستگی های الکترون و تأثیر بر خواص مواد است. آنها به طور خاص به دنبال نشانه هایی از ساختار “باند مسطح” بودند که در آن همه الکترون ها تقریباً انرژی یکسان دارند. این تیم استدلال کرد که محیطی که الکترون‌هایی با طیف وسیعی از انرژی‌ها را میزبانی می‌کند، آنقدر پر سر و صدا خواهد بود که انرژی ناچیز همبستگی‌های الکترون نمی‌تواند تأثیری داشته باشد. یک محیط صاف تر و ساکت تر اجازه می دهد تا این اثرات از بین بروند.

این تیم از یک تکنیک نوری منحصربه‌فرد استفاده کردند تا تأیید کنند که این ماده واقعاً نوار مسطحی دارد. سپس ولتاژ را اندکی تنظیم کردند، به طوری که تنها یک الکترون هر چاه را در شبکه اشغال کرد. در این حالت “نیمه پر”، ماده به عنوان عایق موت در نظر گرفته می شود – یک حالت الکتریکی عجیب که باید بتواند الکتریسیته را مانند فلز هدایت کند، اما در عوض، به دلیل همبستگی های الکترونی، ماده مانند یک عایق رفتار می کند.

جو و همکارانش می‌خواستند ببینند آیا می‌توانند اثر این همبستگی‌های الکترونی را در حالت عایق نیمه پر و مات تشخیص دهند. آنها نگاه کردند تا ببینند اگر با حرکت الکترون‌ها به اطراف وضعیت را بر هم بزنند، چه اتفاقی می‌افتد. اگر همبستگی‌های الکترونی تأثیری داشته باشند، چنین آشفتگی‌هایی در پیکربندی الکترون‌ها با مقاومت مواجه می‌شوند، زیرا الکترون‌ها به طور طبیعی یکدیگر را دفع می‌کنند. به عنوان مثال، الکترونی که تلاش می کند به یک چاه همسایه حرکت کند، توسط الکترونی که قبلاً آن چاه را اشغال کرده است، به عقب رانده می شود، حتی اگر آن چاه از نظر فنی بتواند یک الکترون اضافی را در خود جای دهد.

برای غلبه بر این مقاومت، نیاز به افزایش انرژی اضافی است – فقط به اندازه ای که بر دافعه طبیعی الکترون غلبه کند. این تیم استدلال کرد که بزرگی این تقویت معیار مستقیمی برای قدرت همبستگی الکترون خواهد بود.

محققان تقویت اضافی را با استفاده از نور فراهم کردند. آنها نوری با رنگ ها یا طول موج های مختلف به مواد می تابانند و به دنبال یک اوج یا یک طول موج خاص می گشتند که ماده جذب می کند. این طول موج مطابق با فوتونی است که انرژی کافی برای پرتاب الکترون به چاه نیمه پر همسایه دارد.

در آزمایش خود، تیم در واقع یک اوج را مشاهده کرد – اولین تشخیص مستقیم همبستگی الکترون در این ماده ابرشبکه موآر خاص. آنها سپس این پیک را برای تعیین کمیت انرژی همبستگی یا قدرت نیروی دافعه الکترون اندازه گرفتند. آنها تعیین کردند که این حدود 20 میلی‌الکترون ولت یا 1/50 الکترون ولت است.

نتایج نشان می‌دهد که همبستگی‌های الکترونی قوی زیربنای فیزیک این ماده دو بعدی خاص است. جو می‌گوید که حالت عایق موت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا این حالت مادر ابررسانایی غیر متعارف است که فیزیک آن همچنان توهم‌آمیز است. با این مطالعه جدید، تیم نشان داده است که ابرشبکه گرافن سه لایه ABC/hBN moiré یک پلت فرم ایده آل برای کشف و مهندسی حالات الکتریکی عجیب و غریب تر، از جمله ابررسانایی غیر متعارف است.

جو خاطرنشان می کند: «امروزه، ابررسانایی فقط در دماهای بسیار پایین و در یک محیط واقعی اتفاق می افتد. “اگر ما بتوانیم مکانیسم ابررسانایی نامتعارف را درک کنیم، شاید بتوانیم این اثر را تا دماهای بالاتر تقویت کنیم. این ماده پایه ای را برای درک و مهندسی حالت ها و دستگاه های الکتریکی قوی تر تشکیل می دهد.”

این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم، بنیاد سیمونز و برنامه MIT Skoltech پشتیبانی شد.