Come bambini irrequieti che posano per un ritratto di famiglia, gli elettroni non rimarranno fermi abbastanza a lungo da rimanere in qualsiasi tipo di disposizione fissa.

I ricercatori della Cornell hanno impilato semiconduttori bidimensionali per creare una struttura a superreticolo moiré che intrappola gli elettroni in uno schema ripetuto, alla fine formando il cristallo Wigner a lungo ipotizzato.

Ora, una collaborazione guidata da Cornell ha sviluppato un modo per impilare semiconduttori bidimensionali e intrappolare gli elettroni in uno schema ripetitivo che forma un cristallo specifico e ipotizzato da tempo.

La carta della squadra, "Stati isolanti correlati a otturazioni frazionarie di Superreticoli Moiré, " pubblicato l'11 novembre in Natura . L'autore principale del documento è il ricercatore postdottorato Yang Xu.

Il progetto è nato dal laboratorio condiviso di Kin Fai Mak, professore associato di fisica presso il College of Arts and Sciences, e Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica presso il College of Engineering, co-autori senior del documento. Entrambi i ricercatori sono membri del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science; sono venuti a Cornell attraverso l'iniziativa Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) del rettore.

Un cristallo di elettroni fu predetto per la prima volta nel 1934 dal fisico teorico Eugene Wigner. Ha proposto che quando la repulsione che deriva da elettroni caricati negativamente - chiamate repulsioni di Coulomb - domina l'energia cinetica degli elettroni, si formerebbe un cristallo. Gli scienziati hanno provato vari metodi per sopprimere quell'energia cinetica, come mettere gli elettroni sotto un campo magnetico estremamente grande, circa un milione di volte quello del campo magnetico terrestre. La cristallizzazione completa rimane sfuggente, ma il team di Cornell ha scoperto un nuovo metodo per realizzarlo.

"Gli elettroni sono quantomeccanici. Anche se non gli fai nulla, si muovono spontaneamente tutto il tempo, " Ha detto Mak. "Un cristallo di elettroni avrebbe effettivamente la tendenza a sciogliersi perché è così difficile mantenere gli elettroni fissi su uno schema periodico".

Quindi la soluzione dei ricercatori è stata quella di costruire una vera trappola impilando due monostrati di semiconduttori, disolfuro di tungsteno (WS2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2), cresciuto dai partner della Columbia University. Ogni monostrato ha una costante reticolare leggermente diversa. Quando accoppiati insieme, creano una struttura a superreticolo moiré, che sembra essenzialmente una griglia esagonale. I ricercatori hanno quindi posizionato gli elettroni in siti specifici nel modello. Come hanno scoperto in un progetto precedente, la barriera energetica tra i siti blocca gli elettroni in posizione.

"Possiamo controllare l'occupazione media degli elettroni in uno specifico sito moiré, " ha detto Mak.

Dato l'intricato motivo di un superreticolo moiré, combinato con la natura nervosa degli elettroni e la necessità di metterli in una disposizione molto specifica, i ricercatori si sono rivolti a Veit Elser, professore di fisica e coautore dell'articolo, che ha calcolato il rapporto di occupazione con cui diverse disposizioni di elettroni si autocristallizzeranno.

Però, la sfida dei cristalli Wigner non è solo crearli, ma osservandoli, pure.

"Devi trovare le condizioni giuste per creare un cristallo di elettroni, e allo stesso tempo, sono anche fragili, " Ha detto Mak. "Hai bisogno di un buon modo per sondarli. Non vuoi davvero disturbarli in modo significativo mentre li sondaggi."

Il team ha ideato una nuova tecnica di rilevamento ottico in cui un sensore ottico è posizionato vicino al campione, e l'intera struttura è racchiusa tra strati isolanti di nitruro di boro esagonale, creato da collaboratori del National Institute for Materials Science in Giappone. Poiché il sensore è separato dal campione di circa due nanometri, non disturba il sistema.

La nuova tecnica ha permesso al team di osservare numerosi cristalli di elettroni con diverse simmetrie cristalline, dai cristalli di Wigner a reticolo triangolare ai cristalli che si autoallineavano in strisce e dimeri. Facendo così, il team ha dimostrato come ingredienti molto semplici possono formare modelli complessi, purché gli ingredienti restino fermi abbastanza a lungo.