Exploring new physics arising from electron interactions in semiconductor moiré superlattices

सेमीकंडक्टर मोइरे सुपरलैटिस में इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन से उत्पन्न होने वाली नई भौतिकी की खोज

मोइरे परमाणु और विग्नर अणु (ए) मोइरे सुपरलैटिस का योजनाबद्ध और (बी) ϕ = 10° पर संबंधित मोइरे क्षमता। इसके मिनिमा, मोइरे परमाणु, एक त्रिकोणीय जाली बनाते हैं। (सी) कूलम्ब युग्मन स्थिरांक λ के साथ हार्मोनिक हीलियम और लिथियम (क्रमशः दो और तीन इलेक्ट्रॉनों के साथ) के प्रत्येक उच्च और निम्न-स्पिन ग्राउंड राज्यों का विकास। λc = 4.34 पर निम्न से उच्च स्पिन तक हार्मोनिक लिथियम संक्रमण की समग्र जमीनी स्थिति। (डी) सातत्य मॉडल मापदंडों (वी = 15एमईवी, एएम = 14एनएम, ϕ = 10°, एम = 0.5एमई) के अनुरूप क्रिस्टल क्षेत्र सहित मोइरे लिथियम की उच्च स्पिन ग्राउंड स्थिति का चार्ज घनत्व वितरण बिना (बाएं) और साथ में (दाएं) कूलम्ब इंटरेक्शन।

सेमीकंडक्टर मोइरे सुपरलैटिस आकर्षक सामग्री संरचनाएं हैं जिन्हें सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन राज्यों और क्वांटम भौतिकी घटनाओं के अध्ययन के लिए आशाजनक पाया गया है। तथाकथित मोइरे कॉन्फ़िगरेशन में व्यवस्थित कृत्रिम परमाणु सरणी से बनी ये संरचनाएं अत्यधिक ट्यून करने योग्य हैं और मजबूत इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन द्वारा विशेषता हैं।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) के शोधकर्ताओं ने हाल ही में इन सामग्रियों और उनके अंतर्निहित भौतिकी की खोज के लिए एक अध्ययन किया। फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित उनका पेपर एक नए सैद्धांतिक ढांचे का परिचय देता है जो बड़ी अवधि के मोइरे सुपरलैटिस के अध्ययन को सूचित कर सकता है, जो विभिन्न संभावित कुओं में रहने वाले कमजोर रूप से बातचीत करने वाले इलेक्ट्रॉनों की विशेषता है।

पेपर के सह-लेखक लियांग फू ने बताया, "हमारा समूह पांच वर्षों से द्वि-आयामी अर्धचालक मोइरे सामग्रियों पर काम कर रहा है।" "इन प्रणालियों में, इलेक्ट्रॉन एक आवधिक संभावित परिदृश्य (मोइरे सुपरलैटिस) में चलते हैं और कूलम्ब प्रतिकर्षण के माध्यम से एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं।"

सेमीकंडक्टिंग मोइरे सुपरलैटिस का प्राथमिक लाभ यह है कि उन्हें प्रयोगात्मक सेटिंग्स में आसानी से हेरफेर किया जा सकता है। विशेष रूप से, भौतिक विज्ञानी अपने कई-इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था की संपत्ति को बदलने के लिए उनके भीतर इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को नियंत्रित कर सकते हैं।

फू ने कहा, "पिछले अधिकांश अध्ययनों में प्रति मोइरे यूनिट सेल में एक या एक से कम इलेक्ट्रॉन होने के मामले पर ध्यान केंद्रित किया गया है।" "हमने बहु-इलेक्ट्रॉन शासन का पता लगाने और यह देखने का निर्णय लिया कि क्या इसमें कुछ नया है।"

बहु-इलेक्ट्रॉन सामग्रियों के व्यवहार की भविष्यवाणी करना बहुत चुनौतीपूर्ण हो सकता है। इसका मुख्य कारण यह है कि इन प्रणालियों में अक्सर विभिन्न ऊर्जा पैमाने होते हैं जो एक दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं।

पेपर के पहले लेखक एडन रेड्डी ने बताया, "गतिज ऊर्जा एक इलेक्ट्रॉन तरल का पक्ष लेती है, जबकि अंतःक्रिया और संभावित ऊर्जा इलेक्ट्रॉन ठोस का पक्ष लेती है।" "मोइरे सामग्रियों के बारे में अच्छी बात यह है कि विभिन्न ऊर्जा पैमानों की सापेक्ष शक्ति को मोइरे अवधि को अलग-अलग करके ट्यून किया जा सकता है। इस ट्यूनेबिलिटी का लाभ उठाते हुए, हमने बड़ी अवधि के मोइरे सिस्टम का अध्ययन करने के लिए एक सैद्धांतिक ढांचा विकसित किया है, जहां इलेक्ट्रॉन विभिन्न क्षमता पर रहते हैं कुएं कमजोर रूप से जुड़े हुए हैं।"

शोधकर्ताओं की इस टीम द्वारा प्रस्तुत सैद्धांतिक रूपरेखा मोइरे सुपरलैटिस में व्यक्तिगत परमाणुओं के व्यवहार पर केंद्रित है। रेड्डी, फू और उनके सहयोगी त्रिथेप देवकुल ने पाया कि यह अपेक्षाकृत सरल दृष्टिकोण अभी भी विभिन्न दिलचस्प क्वांटम भौतिकी घटनाओं पर प्रकाश डालने में मदद कर सकता है।

अपने ढांचे का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने नई भौतिकी का अनावरण किया जिसे मल्टी-इलेक्ट्रॉन सेमीकंडक्टर-आधारित मोइरे सुपरलैटिस में देखा जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक भरने वाले कारक n=3 पर (यानी, जब सुपरलैटिस में प्रत्येक मोइरे परमाणु में तीन इलेक्ट्रॉन होते हैं) तो उन्होंने पाया कि कूलम्ब इंटरैक्शन के कारण तथाकथित "विग्नर अणु" का निर्माण हुआ। इसके अलावा, विशिष्ट परिस्थितियों में (यानी, यदि उनका आकार मोइरे अवधि के बराबर है), तो उन्होंने दिखाया कि ये विग्नर अणु एक अनूठी संरचना बना सकते हैं जिसे एक उभरती कागोम जाली के रूप में जाना जाता है।

इस शोध दल के पेपर में उल्लिखित दिलचस्प स्व-संगठित इलेक्ट्रॉन विन्यास को जल्द ही अनुवर्ती अध्ययनों में और खोजा जा सकता है। इसके अलावा, ये नए उजागर विन्यास अन्य भौतिकविदों के लिए एक प्रेरणा के रूप में काम कर सकते हैं, जिससे उन्हें पारंपरिक सामग्रियों से काफी अपरिचित शासन में चार्ज ऑर्डर और क्वांटम चुंबकत्व का अध्ययन करने की इजाजत मिल सकती है।

"हमारे काम की सबसे उल्लेखनीय अंतर्दृष्टि यह है कि, विशेष भरने वाले कारकों पर, ऊर्जा के तराजू के बीच संतुलन के कारण इलेक्ट्रॉन हड़ताली विन्यास (विग्नर अणुओं) में स्वयं व्यवस्थित होते हैं। विग्नर ठोस की हमारी भविष्यवाणी प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई है , " ट्राइथेप जोड़ा गया.

निकट अवधि में, शोधकर्ता विग्नर इलेक्ट्रॉन ठोस और इलेक्ट्रॉन तरल पदार्थ के बीच क्वांटम चरण संक्रमण का अध्ययन करने की योजना बना रहे हैं।