Pada tahun 1934, ahli fizik teori Eugene Wigner mencadangkan adanya jenis kristal baru.
Sekiranya ketumpatan elektron bermuatan negatif dapat disimpan di bawah tahap tertentu, zarah subatom dapat ditahan dalam corak berulang, membuat kristal elektronik; idea ini mula dikenali sebagai kristal Wigner.
Namun, jauh lebih mudah dikatakan daripada dilakukan. Elektron cerewet dan sangat sukar untuk membuatnya tetap berada di tempatnya. Walau bagaimanapun, sekumpulan ahli fizik kini telah mencapainya – dengan memasukkan jepit rambut kecil yang bergoyang antara sepasang lapisan tungsten semikonduktor dua dimensi.
Kristal biasa seperti berlian atau kuarza terbentuk dari kisi atom yang membentuk struktur rangkaian tetap tiga dimensi berulang. Menurut idea Wigner, elektron dapat disusun dengan cara yang serupa untuk membentuk fasa kristal pepejal, tetapi hanya jika elektron tidak bergerak.
Sekiranya ketumpatan elektron cukup rendah, tolakan Coulomb antara elektron dengan cas yang sama menghasilkan tenaga berpotensi yang mesti menguasai tenaga kinetik, meninggalkan elektron tidak bergerak. Inilah kesukarannya.
'Elektron adalah mekanikal kuantum. Walaupun anda tidak melakukan apa-apa dengan mereka, mereka secara spontan selalu ragu-ragu sepanjang masa, '' kata ahli fizik Keen Fay Mak dari Cornell University.
“Sebiji kristal elektron sebenarnya mempunyai kecenderungan untuk mencair kerana sangat sukar untuk menjaga elektron tetap dalam struktur berkala.”
Oleh itu, percubaan untuk membuat kristal Wigner bergantung pada sejenis perangkap elektron, seperti medan magnet yang kuat atau transistor elektron tunggal, tetapi ahli fizik belum berjaya dalam penghabluran lengkap. Pada tahun 2018, para saintis MIT berusaha mencipta jenis penebat sebaliknya membuat kristal Wigner, tetapi hasilnya meninggalkan ruang untuk tafsiran.
(Jabatan Fizik UCSD).
Perangkap MIT adalah struktur graphene yang dikenal sebagai superlattice moiré, di mana dua grid dua dimensi saling bertindih antara satu sama lain dengan sedikit putaran dan corak biasa yang lebih besar muncul, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.
Sekarang, pasukan Cornell, yang diketuai oleh ahli fizik Yang Xu, telah mengambil pendekatan yang lebih disasarkan dengan superlattice moiré mereka sendiri. Untuk dua lapisan semikonduktor mereka, mereka menggunakan tungsten disulfide (WS2) dan tungsten diselenide (WSe2) yang ditanam khas di Columbia University.
Apabila ditumpangkan, lapisan-lapisan ini membentuk corak heksagon, yang membolehkan para saintis mengawal pergerakan mobiliti elektron rata-rata di kawasan moiré tertentu.
Langkah seterusnya adalah meletakkan elektron dengan teliti di lokasi tertentu di kisi, menggunakan pengiraan untuk menentukan tahap pengisian di mana pelbagai lokasi elektron akan membentuk kristal.
Masalah terakhir adalah bagaimana sebenarnya untuk melihat apakah ramalan mereka betul dengan memerhatikan kristal Wigner atau ketiadaannya.
“Untuk membuat kristal elektronik, anda perlu membuat keadaan yang tepat, dan pada masa yang sama, mereka bertindak balas terhadap pengaruh luaran,” kata Mack.
“Anda memerlukan kaedah yang baik untuk meneliti mereka. Jangan terlalu mengganggu mereka dengan memeriksanya. '
Masalah ini diselesaikan dengan menggunakan lapisan penebat boron nitrida heksagon. Sensor optik diletakkan sangat dekat (tetapi tidak menyentuh) sampel, pada jarak hanya satu nanometer, dipisahkan oleh lapisan boron nitrida. Ini menghalang komunikasi elektrik antara probe dan sampel sambil mengekalkan jarak yang cukup untuk kepekaan pengesanan yang tinggi.
Di dalam superlattice moire, elektron disusun dalam pelbagai konfigurasi kristal, termasuk kristal Wigner segitiga, fasa jalur, dan dimer.
Pencapaian ini penting bukan sahaja untuk kajian kristal elektronik. Data yang diperoleh menunjukkan potensi penggunaan superlattices moiré yang belum dimanfaatkan untuk penyelidikan dalam bidang fizik kuantum.
“Kajian kami,” para penyelidik menulis dalam makalah mereka, “meletakkan asas untuk penggunaan superlattices moiré untuk memodelkan masalah multi-badan kuantum, yang dijelaskan oleh model Hubbard dua dimensi atau model putaran dengan interaksi caj – caj dan pertukaran jarak jauh.”
Penyelidikan ini diterbitkan dalam jurnal Nature.
Sumber: Foto: Keadaan penebat dalam superlattice yang menempatkan elektron. (Xu et al., Alam, 2020).
