Lorsque la matière devient quantique, les électrons ralentissent et forment un cristal

23 févr.2023 (Actualités Nanowerk) Le motif scintillant et décalé que vous pouvez voir lorsque vous empilez deux moustiquaires légèrement désalignés est appelé moiré. Un effet d'interférence similaire se produit lorsque les scientifiques empilent des cristaux bidimensionnels avec des espacements atomiques incompatibles. Les super-réseaux moirés affichent des propriétés physiques exotiques qui sont absentes des couches qui composent les motifs. Ces propriétés sont enracinées dans la nature quantique des électrons. Des chercheurs ont découvert une nouvelle propriété dans les super-réseaux moirés formés dans des cristaux de diséléniure de tungstène/disulfure de tungstène (WSe2/ WS2). Dans ces cristaux bidimensionnels, les interactions entre les électrons deviennent si fortes que les électrons « gèlent » et forment un réseau ordonné (Nature, « États cristallins de Mott et de Wigner généralisés dans WSe2/ WS2 super-réseaux moirés »). Schéma du super-réseau de moiré formé entre le diséléniure de tungstène et le disulfure de tungstène, rempli d'un porteur de charge par cellule unitaire de moiré. (Image : Laboratoire national Lawrence Berkeley) WSe2/ WS2 les super-réseaux moirés s'avèrent être un terrain de jeu optimal pour régler les interactions entre électrons. Plus ces interactions sont fortes, plus la nature mécanique quantique des matériaux solides est importante. Cela permet à des états exotiques de la matière comme la supraconductivité non conventionnelle de se former. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour "observer" le mouvement des électrons sans les artefacts qui affectent les autres techniques de mesure. Ils ont découvert un état quantique rare de la matière, jamais observé auparavant dans les super-réseaux moirés. Comprendre et contrôler le mouvement quantique des électrons permettra aux scientifiques de construire des dispositifs microélectroniques du futur et des qubits robustes pour l'informatique quantique. Dans les solides, les niveaux d'énergie occupés par les électrons forment des bandes d'énergie. Les super-réseaux moirés modifient la périodicité atomique vue par les électrons et donc les bandes d'énergie. Les effets de moiré peuvent conduire à des bandes "plates", dans lesquelles les niveaux d'énergie sont comprimés, ce qui amène les électrons à réduire leur énergie cinétique et donc à ressentir plus fortement leur répulsion mutuelle. Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) a utilisé une nouvelle technique optique pour observer le mouvement des électrons, tout en modifiant le nombre d'électrons injectés dans l'échantillon. Lorsqu'un seul porteur par cellule unitaire de moiré était injecté, les électrons devaient se déplacer librement et ainsi conduire l'électricité. Au lieu de cela, l'échantillon est devenu isolant. Ce résultat illustre l'état d'isolant de Mott, dans lequel les électrons interagissent si fortement qu'ils évitent d'être dans la même cellule. Si chaque cellule est occupée, les électrons cessent de bouger. La véritable surprise est venue lorsque moins d'électrons ont été injectés, de sorte que seulement la moitié ou le tiers des cellules étaient occupées. À ces faibles densités, les scientifiques s'attendaient à ce que les électrons ressentent moins leur présence et aient une grande mobilité. Cependant, l'échantillon s'est avéré être un isolant. En WSe2/ WS2, les électrons interagissent si fortement qu'ils évitent même de s'asseoir sur les sites voisins. Ce phénomène rare est connu sous le nom de cristal d'électrons de Wigner. Les chercheurs du LBNL ont également démontré que dans le WSe2/ WS2, la lumière avec une polarisation appropriée interagit avec les électrons spin-up et spin-down séparément, ce qui permet de modifier sélectivement l'énergie des électrons en fonction de leur spin. Ce faisant, ils ont observé des excitations de spin persistant des ordres de grandeur plus longtemps que les excitations de charge. Cela ouvre la porte à l'étude future d'états de spin exotiques tels que la liquidité de spin quantique.

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• La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62444.php