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Feb 23, 2024

I motivi Moiré facilitano la scoperta di nuove fasi isolanti inaspettate

Di University of California - Riverside26 febbraio 2021 Formazione di un motivo moiré da parte di due reticoli a nido d'ape. Credito: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside Osservato studio condotto dalla UC Riverside

Di University of California - Riverside26 febbraio 2021

Formazione del motivo moiré mediante due reticoli a nido d'ape. Credito: Laboratorio di nanoelettronica a microonde, UC Riverside

UC Riverside-led study observed unexpected insulating phases by placing electrons on stacked monolayers of 2D semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconduttori.

I materiali che hanno elettroni in eccesso sono tipicamente conduttori. Tuttavia, uno studio condotto da fisici dell’Università della California, Riverside, ha scoperto che i modelli moiré – modelli di interferenza che tipicamente si verificano quando un oggetto con uno schema ripetitivo viene posizionato sopra un altro con uno schema simile – possono sopprimere la conduttività elettrica.

In laboratorio, i ricercatori hanno sovrapposto un singolo monostrato di disolfuro di tungsteno (WS2) su un singolo monostrato di diseleniuro di tungsteno (WSe2) e hanno allineato i due strati uno contro l’altro per generare motivi moiré su larga scala. Gli atomi negli strati WS2 e WSe2 sono disposti in un reticolo a nido d'ape bidimensionale con una periodicità, o intervalli ricorrenti, molto inferiore a 1 nanometro. Ma quando i due reticoli sono allineati a 0 o 60 gradi, il materiale composito genera un motivo moiré con una periodicità molto maggiore di circa 8 nanometri. La conduttività di questo sistema 2D dipende da quanti elettroni sono posizionati nel motivo moiré.

"Abbiamo scoperto che quando il motivo moiré è parzialmente riempito di elettroni, il sistema mostra diversi stati isolanti rispetto agli stati conduttivi previsti dalla comprensione convenzionale", ha affermato Yongtao Cui, assistente professore di fisica e astronomia alla UC Riverside, che ha guidato la ricerca. squadra. “Le percentuali di riempimento sono risultate essere frazioni semplici come 1/2, 1/3, 1/4, 1/6 e così via. Il meccanismo per tali stati isolanti è la forte interazione tra gli elettroni che restringe gli elettroni mobili in celle moiré locali. Questa comprensione può aiutare a sviluppare nuovi modi per controllare la conduttività e scoprire nuovi materiali superconduttori”.

Study results were published on February 15, 2021, in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fisica della natura.

Modelli di occupazione per vari livelli di occupazione degli elettroni nel reticolo moiré. Credito: Laboratorio di nanoelettronica a microonde, UC Riverside

Si può immaginare che i motivi moiré generati sul materiale composito di WS2 e WSe2 siano con pozzetti e creste disposti in modo simile in uno schema a nido d'ape.

"WS2 e WSe2 presentano una leggera discrepanza per quanto riguarda le dimensioni del reticolo, il che li rende ideali per la produzione di motivi moiré", ha affermato Cui. "Inoltre, l'accoppiamento tra gli elettroni diventa forte, il che significa che gli elettroni 'parlano tra loro' mentre si muovono attraverso le creste e i pozzi."

Tipicamente, quando un piccolo numero di elettroni viene posizionato in uno strato 2D come WS2 o WSe2, hanno energia sufficiente per viaggiare liberamente e in modo casuale, rendendo il sistema un conduttore. Il laboratorio di Cui ha scoperto che quando i reticoli moiré vengono formati utilizzando sia WS2 che WSe2, risultando in uno schema periodico, gli elettroni iniziano a rallentare e a respingersi l'uno dall'altro.