Como crianças inquietas posando para um retrato de família, os elétrons não ficarão parados por tempo suficiente para permanecer em qualquer tipo de arranjo fixo.

Os pesquisadores da Cornell empilharam semicondutores bidimensionais para criar uma estrutura de superrede moiré que captura os elétrons em um padrão repetitivo, em última análise, formando o muito hipotético cristal de Wigner.

Agora, uma colaboração liderada por Cornell desenvolveu uma maneira de empilhar semicondutores bidimensionais e prender elétrons em um padrão repetitivo que forma um cristal específico e de longa hipótese.

O papel da equipe, "Estados isolantes correlacionados em enchimentos fracionários de superredes de Moiré, "publicado em 11 de novembro em Natureza . O autor principal do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Yang Xu.

O projeto surgiu do laboratório compartilhado de Kin Fai Mak, professor associado de física na Faculdade de Artes e Ciências, e Jie Shan, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia, os co-autores seniores do artigo. Ambos os pesquisadores são membros do Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science; eles vieram para Cornell por meio da iniciativa do reitor em Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano).

Um cristal de elétrons foi previsto pela primeira vez em 1934 pelo físico teórico Eugene Wigner. Ele propôs que quando a repulsão que resulta de elétrons carregados negativamente - chamados de repulsões de Coulomb - domina a energia cinética dos elétrons, um cristal se formaria. Os cientistas tentaram vários métodos para suprimir essa energia cinética, como colocar elétrons sob um campo magnético extremamente grande, cerca de um milhão de vezes o do campo magnético da Terra. A cristalização completa permanece indefinida, mas a equipe de Cornell descobriu um novo método para alcançá-lo.

"Os elétrons são mecânicos quânticos. Mesmo que você não faça nada com eles, eles estão se mexendo espontaneamente o tempo todo, "Mak disse." Um cristal de elétrons teria na verdade a tendência de simplesmente derreter porque é muito difícil manter os elétrons fixos em um padrão periódico.

Portanto, a solução dos pesquisadores foi construir uma armadilha real empilhando duas monocamadas de semicondutores, dissulfeto de tungstênio (WS2) e disseleneto de tungstênio (WSe2), cultivado por parceiros da Universidade de Columbia. Cada monocamada tem uma constante de rede ligeiramente diferente. Quando emparelhados, eles criam uma estrutura de superrede moiré, que essencialmente se parece com uma grade hexagonal. Os pesquisadores então colocaram elétrons em locais específicos do padrão. Como eles descobriram em um projeto anterior, a barreira de energia entre os locais bloqueia os elétrons no lugar.

“Podemos controlar a ocupação média dos elétrons em um determinado local moiré, "Mak disse.

Dado o intrincado padrão de uma superrede moiré, combinado com a natureza instável dos elétrons e a necessidade de colocá-los em um arranjo muito específico, os pesquisadores se voltaram para Veit Elser, professor de física e co-autor do artigo, que calculou a razão de ocupação pela qual diferentes arranjos de elétrons se autocristalizarão.

Contudo, o desafio dos cristais Wigner não é apenas criá-los, mas observando-os, também.

"Você precisa atingir as condições certas para criar um cristal de elétron, e ao mesmo tempo, eles também são frágeis, "Mak disse." Você precisa de uma boa maneira de sondá-los. Você realmente não quer perturbá-los significativamente ao sondá-los. "

A equipe desenvolveu uma nova técnica de detecção óptica na qual um sensor óptico é colocado perto da amostra, e toda a estrutura é imprensada entre camadas isolantes de nitreto de boro hexagonal, criado por colaboradores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão. Como o sensor está separado da amostra por cerca de dois nanômetros, não perturba o sistema.

A nova técnica permitiu à equipe observar numerosos cristais de elétrons com diferentes simetrias de cristal, de cristais de Wigner de rede triangular a cristais que se auto-alinham em listras e dímeros. Ao fazê-lo, a equipe demonstrou como ingredientes muito simples podem formar padrões complexos - desde que os ingredientes fiquem parados por tempo suficiente.