Explorando novas físicas decorrentes de interações eletrônicas em superredes moiré semicondutoras
Átomos de moiré e molécula de Wigner (a) Esquema da superrede de moiré e (b) potencial de moiré correspondente em ϕ =10°. Seus mínimos, átomos moiré, formam uma rede triangular. (c) Evolução de cada um dos estados fundamentais de alto e baixo spin do hélio e do lítio harmônicos (com dois e três elétrons respectivamente) com a constante de acoplamento de Coulomb λ. O estado fundamental geral das transições harmônicas de lítio de spin baixo para alto em λc =4,34. (d) Distribuição de densidade de carga do estado fundamental de alto spin do lítio moiré, incluindo um campo cristalino correspondente aos parâmetros do modelo contínuo (V =15meV, aM =14nm, ϕ =10°, m =0,5me) sem (esquerda) e com (à direita) Interação de Coulomb. Crédito:Cartas de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501 Superredes moiré semicondutoras são estruturas de materiais fascinantes que se mostraram promissoras para o estudo de estados de elétrons correlacionados e fenômenos da física quântica. Essas estruturas, compostas por arranjos de átomos artificiais dispostos na chamada configuração moiré, são altamente sintonizáveis e caracterizadas por fortes interações eletrônicas.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) realizaram recentemente um estudo explorando ainda mais esses materiais e sua física subjacente. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , introduz uma nova estrutura teórica que poderia informar o estudo de superredes moiré de grande período, que são caracterizadas por elétrons de interação fraca que residem em diferentes poços de potencial.
“Nosso grupo trabalha em materiais moiré semicondutores bidimensionais há cinco anos”, disse Liang Fu, coautor do artigo, ao Phys.org. "Nesses sistemas, os elétrons se movem em uma paisagem potencial periódica (a superrede moiré) e interagem entre si por meio da repulsão de Coulomb."
A principal vantagem das superredes moiré semicondutoras é que elas podem ser facilmente manipuladas em ambientes experimentais. Especificamente, os físicos podem controlar a densidade dos elétrons dentro deles para alterar a propriedade de seu estado fundamental de muitos elétrons.
"A maioria dos estudos anteriores concentrou-se no caso de conter um ou menos de um elétron por célula unitária moiré", disse Fu. “Decidimos explorar o regime multieletrônico e ver se há algo novo.”
Prever o comportamento de materiais multieletrônicos pode ser muito desafiador. A principal razão para isto é que estes sistemas contêm frequentemente várias escalas de energia que competem entre si.
"A energia cinética favorece um elétron líquido, enquanto a interação e a energia potencial favorecem o elétron sólido", explicou Aidan Reddy, primeiro autor do artigo. "O bom dos materiais moiré é que a força relativa de diferentes escalas de energia pode ser ajustada variando o período moiré. Aproveitando essa capacidade de ajuste, desenvolvemos uma estrutura teórica para estudar sistemas moiré de grande período, onde os elétrons residem em diferentes potenciais poços são fracamente acoplados."
O arcabouço teórico introduzido por esta equipe de pesquisadores concentra-se no comportamento de átomos individuais na superrede moiré. Reddy, Fu e seu colega Trithep Devakul descobriram que esta abordagem relativamente simples ainda poderia ajudar a lançar luz sobre vários fenômenos interessantes da física quântica.
Usando sua estrutura, os pesquisadores revelaram uma nova física que poderia ser observada em superredes moiré baseadas em semicondutores multieletrônicos. Por exemplo, com um fator de preenchimento n =3 (ou seja, quando cada átomo moiré em uma superrede contém três elétrons), eles descobriram que as interações de Coulomb levaram à formação da chamada "molécula de Wigner". Além disso, sob circunstâncias específicas (ou seja, se o seu tamanho for comparável ao período moiré), eles mostraram que estas moléculas de Wigner poderiam formar uma estrutura única conhecida como rede de Kagome emergente.
As interessantes configurações eletrônicas auto-organizadas descritas no artigo desta equipe de pesquisa poderão em breve ser exploradas em estudos de acompanhamento. Além disso, estas configurações recentemente descobertas poderão servir de inspiração para outros físicos, permitindo-lhes estudar a ordem das cargas e o magnetismo quântico num regime pouco familiar aos materiais convencionais.
"A visão mais notável do nosso trabalho é que, em fatores de preenchimento especiais, os elétrons se auto-organizam em configurações marcantes (moléculas de Wigner) devido a um equilíbrio entre as escalas de energia em jogo. Nossa previsão do sólido de Wigner foi confirmada experimentalmente, "Trithep adicionado.
No curto prazo, os pesquisadores planejam estudar a transição de fase quântica entre os sólidos eletrônicos de Wigner e os líquidos eletrônicos.
Mais informações: Aidan P. Reddy et al, Artificial Atoms, Wigner Molecules, and an Emergent Kagome Lattice in Semiconductor Moiré Superredes, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501 Hongyuan Li et al, Wigner Molecular Crystals from Multi-electron Moiré Artificial Atoms, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv
