La struttura di 1T-TaSe2 a strato singolo. Credito:Chen et al.
Nuovo comportamento fisico, come il comportamento isolante di Mott, superconduttività non convenzionale e comportamento del liquido con spin quantistico, si verifica quando gli elettroni all'interno di un materiale interagiscono tra loro. Quando gli elettroni sono confinati a dimensioni inferiori come i piani 2-D, questi effetti possono diventare ancora più forti.
Ispirato da queste osservazioni, ricercatori dell'Università di Berkeley, il Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Università di Stanford, e altre università in tutto il mondo hanno recentemente condotto uno studio che studia il comportamento unico di 1T-TaSe . bidimensionale 2 . La loro carta, in primo piano Fisica della natura , indica che le correlazioni elettroniche in questo materiale risultano in un robusto stato isolante di Mott che è accompagnato da un'insolita struttura orbitale.
"Si è creduto a lungo che la maggior parte (cioè, 3-D) materiali 1T-TaSe 2 e 1T-TaS 2 mostrano un nuovo comportamento che deriva dalle interazioni elettrone-elettrone, "Michael F. Crommie, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Una sfida nella comprensione di questa classe di materiali, però, è che sono fatti di pile di strati 2-D e l'accoppiamento tra gli strati offusca l'immagine di ciò che sta accadendo all'interno degli strati".
Per vincere questa sfida e nella speranza di scoprire nuovi comportamenti, Crommie e i suoi colleghi hanno deciso di assottigliare un cristallo di 1T-TaSe 2 fino allo spessore del singolo strato in modo che le interazioni tra i diversi strati non siano più un problema. Ciò consentirebbe loro di isolare il ruolo dell'accoppiamento interstrato aggiungendo di nuovo strati uno alla volta monitorando i cambiamenti nel comportamento del materiale.
"Per seguire questo piano di gioco, abbiamo coltivato strati singoli e pile a pochi strati di 1T-TaSe 2 e caratterizzato come si comportano gli elettroni all'interno utilizzando le tecniche sperimentali di microscopia a effetto tunnel (STM) e fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), " ha spiegato Crommie. "Questo ci ha permesso di determinare che 1T-TaSe . a strato singolo 2 è un nuovo tipo di isolante chiamato isolante Mott, e che questo comportamento viene attenuato dall'accoppiamento tra strati man mano che vengono aggiunti più strati a una pila."
Esotica trama orbitale in 1T-TaSe2 monostrato. Credito:Chen et al.
Una parte del team di ricerca presso l'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), guidato dai fisici Zhi-Xun Shen e Sung-Kwan Mo, sono cresciuti campioni a strato singolo e pochi strati di 1T-TaSe 2 utilizzando un metodo chiamato epitassia a fascio molecolare. Questo metodo consiste essenzialmente nel depositare tantalio e selenio da fasci atomici su un substrato che viene riscaldato per indurre la formazione di cristalli atomicamente sottili.
"I cristalli atomicamente sottili sono stati interrogati per la prima volta alla SLA dai gruppi di Shen e Mo utilizzando ARPES, un metodo che prevede la proiezione di raggi X sul materiale e la misurazione dell'energia e della quantità di moto degli elettroni che vengono espulsi, " Crommie ha spiegato. "I campioni sono stati quindi portati al campus della UC Berkeley e caratterizzati dal mio gruppo di ricerca utilizzando STM. In STM, un ago di metallo affilato scansiona la superficie del cristallo ed estrae gli elettroni a diverse energie per visualizzare direttamente come gli elettroni si dispongono su scala atomica".
Questo sforzo di ricerca collaborativa che ha coinvolto team di più istituzioni ha portato a una serie di risultati entusiasmanti. Primo, le osservazioni raccolte da Crommie e dai suoi colleghi hanno determinato che singoli strati di 1T-TaSe 2 formare un nuovo sistema di isolamento Mott 2-D. Secondo, hanno fornito preziose informazioni su alcuni dei comportamenti unici esibiti dal sistema.
"Il nostro lavoro stabilisce 1T-TaSe . a strato singolo 2 come nuovo isolante Mott 2-D, "Yi Chen, ha detto uno dei co-primi autori del documento. "Ciò fa sì che gli elettroni in questo materiale si dispongano in nuovi schemi spaziali, o trame, che non sono mai stati visti prima. Abbiamo anche chiarito il ruolo dell'accoppiamento interstrato in 1T-TaSe 2 e ha determinato che questo lo rende meno isolante e riduce gli effetti delle interazioni elettrone-elettrone".
Oltre ad approfondire l'attuale comprensione di 1T-TaSe 2 materiali e loro proprietà, i risultati raccolti da Crommie e dai suoi colleghi potrebbero aprire la strada alla scoperta di nuovi stati della materia unici. I ricercatori stanno ora pianificando di condurre ulteriori studi per indagare su altre proprietà o comportamenti di 1T-TaSe 2 materiali.
"Siamo entusiasti di esplorare altri stati esotici della materia che potrebbero verificarsi in questo nuovo isolante Mott 2-D, come gli stati liquidi con spin quantistico e la superconduttività non convenzionale, "Crommie ha detto. "Cercheremo di caratterizzarlo e manipolare ulteriormente le sue proprietà incorporandolo in nuovi dispositivi elettrici".
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