Materiais com excesso de elétrons são normalmente condutores. Contudo, padrões moiré - padrões de interferência que normalmente surgem quando um objeto com um padrão repetitivo é colocado sobre outro com um padrão semelhante - podem suprimir a condutividade elétrica, um estudo liderado por físicos da Universidade da Califórnia, Riverside, encontrou.

No laboratório, os pesquisadores cobriram uma única monocamada de dissulfeto de tungstênio (WS ₂ ) em uma única monocamada de disseleneto de tungstênio (WSe ₂ ) e alinhou as duas camadas uma contra a outra para gerar padrões de moiré em grande escala. Os átomos em ambos os WS ₂ e WSe ₂ camadas são organizadas em uma estrutura em favo de mel bidimensional com uma periodicidade, ou intervalos recorrentes, de muito menos de 1 nanômetro. Mas quando as duas redes estão alinhadas a 0 ou 60 graus, o material compósito gera um padrão moiré com uma periodicidade muito maior de cerca de 8 nanômetros. A condutividade deste sistema 2-D depende de quantos elétrons são colocados no padrão moiré.

"Descobrimos que quando o padrão moiré é parcialmente preenchido com elétrons, o sistema exibe vários estados de isolamento em oposição aos estados condutores esperados do entendimento convencional, "disse Yongtao Cui, professor assistente de física e astronomia na UC Riverside, que liderou a equipe de pesquisa. "As porcentagens de enchimento foram consideradas frações simples como 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, e assim por diante. O mecanismo para esses estados de isolamento é a forte interação entre os elétrons que restringe os elétrons móveis em células moiré locais. Essa compreensão pode ajudar a desenvolver novas maneiras de controlar a condutividade e descobrir novos materiais supercondutores. "

Os resultados do estudo aparecem hoje em Nature Physics.

Os padrões moiré gerados no material compósito de WS ₂ e WSe ₂ pode ser imaginado com poços e cristas dispostos de forma semelhante em um padrão de favo de mel.

"WS ₂ e WSe ₂ tem uma pequena incompatibilidade no que diz respeito ao tamanho da rede, tornando-os ideais para a produção de padrões moiré, "Cui disse." Além disso, o acoplamento entre os elétrons se torna forte, o que significa que os elétrons 'falam uns com os outros' enquanto se movem pelas cristas e poços. "

Tipicamente, quando um pequeno número de elétrons é colocado em uma camada 2-D, como WS ₂ ou WSe ₂ , eles têm energia suficiente para viajar livre e aleatoriamente, tornando o sistema um condutor. O laboratório de Cui descobriu que quando as redes moiré são formadas usando ambos os WS ₂ e WSe ₂ , resultando em um padrão periódico, os elétrons começam a desacelerar e se repelir.

“Os elétrons não querem ficar próximos uns dos outros, "disse Xiong Huang, o primeiro autor do artigo e um estudante de doutorado no Laboratório de Nanoeletrônica de Microondas de Cui. "Quando o número de elétrons é tal que um elétron ocupa cada hexágono moiré, os elétrons ficam travados no lugar e não podem mais se mover livremente. O sistema então se comporta como um isolante. "

Cui comparou o comportamento desses elétrons ao distanciamento social durante uma pandemia.

"Se os hexágonos podem ser imaginados como casas, todos os elétrons estão dentro de casa, um por casa, e não se movendo na vizinhança, "disse ele." Se não tivermos um elétron por hexágono, mas em vez disso, tem 95% de ocupação de hexágonos, o que significa que alguns hexágonos próximos estão vazios, então os elétrons ainda podem se mover um pouco através das células vazias. É quando o material não é isolante. Ele se comporta como um mau condutor. "

Seu laboratório foi capaz de ajustar o número de elétrons no WS ₂ - WSe ₂ composto de rede para alterar a ocupação média dos hexágonos. Sua equipe descobriu que os estados de isolamento ocorriam quando a ocupação média era inferior a um. Por exemplo, para uma ocupação de um terço, os elétrons ocuparam todos os outros hexágonos.

"Usando a analogia do distanciamento social, em vez de uma separação de 6 pés, você agora tem uma separação de, dizer, 10 pés, "Cui disse." Assim, quando um elétron ocupa um hexágono, força todos os hexágonos vizinhos a ficarem vazios para cumprir a regra de distanciamento social mais estrita. Quando todos os elétrons seguem esta regra, eles formam um novo padrão e ocupam um terço do total de hexágonos nos quais eles novamente perdem a liberdade de se mover, levando a um estado de isolamento. "

O estudo mostra que comportamentos semelhantes também podem ocorrer para outras frações de ocupação, como 1/4, 1/2, e 1/6, com cada um correspondendo a um padrão de ocupação diferente.

Cui explicou que esses estados de isolamento são causados ​​por fortes interações entre os elétrons. Esse, ele adicionou, é a repulsão de Coulomb, a força repulsiva entre duas cargas positivas ou duas negativas, conforme descrito pela lei de Coulomb.

Ele acrescentou que em materiais 3-D, Sabe-se que fortes interações eletrônicas dão origem a várias fases eletrônicas exóticas. Por exemplo, eles provavelmente contribuem para a formação de supercondutividade de alta temperatura não convencional.

"A questão para a qual ainda não temos resposta é se as estruturas 2-D, o tipo que usamos em nossos experimentos, pode produzir supercondutividade em alta temperatura, "Cui disse.

Próximo, seu grupo trabalhará na caracterização da força das interações eletrônicas.

"A força de interação dos elétrons determina em grande parte o estado de isolamento do sistema, "Cui disse." Também estamos interessados ​​em ser capazes de manipular a força da interação do elétron. "