I materiali che hanno elettroni in eccesso sono tipicamente conduttori. Però, motivi moiré, schemi di interferenza che in genere si verificano quando un oggetto con uno schema ripetitivo viene posizionato su un altro con uno schema simile, possono sopprimere la conduttività elettrica, uno studio condotto da fisici dell'Università della California, lungo il fiume, ha trovato.

Nel laboratorio, i ricercatori hanno sovrapposto un singolo monostrato di disolfuro di tungsteno (WS ₂ ) su un singolo monostrato di diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ) e allineato i due strati l'uno contro l'altro per generare motivi moiré su larga scala. Gli atomi in entrambi i WS ₂ e WSe ₂ gli strati sono disposti in un reticolo a nido d'ape bidimensionale con una periodicità, o intervalli ricorrenti, di molto meno di 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 2-D dipende da quanti elettroni sono collocati nello schema 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, " disse Yongtao Cui, un assistente professore di fisica e astronomia alla UC Riverside, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Le percentuali di riempimento sono risultate essere frazioni semplici come 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, e così via. Il meccanismo di tali stati isolanti è la forte interazione tra gli elettroni che limita gli elettroni mobili nelle celle moiré locali. Questa comprensione può aiutare a sviluppare nuovi modi per controllare la conduttività e scoprire nuovi materiali superconduttori".

I risultati dello studio appaiono oggi in Fisica della natura.

I motivi moiré generati sul materiale composito di WS ₂ e WSe ₂ può essere immaginato con pozzi e creste disposti in modo simile a nido d'ape.

"WS ₂ e WSe ₂ hanno una leggera discrepanza per quanto riguarda la dimensione del reticolo, rendendoli ideali per la produzione di motivi moiré, " Cui ha detto. "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 è posto in uno strato 2-D come WS ₂ o WSe ₂ , hanno abbastanza energia per viaggiare liberamente e casualmente, rendendo il sistema un conduttore. Il laboratorio di Cui ha scoperto che quando si formano reticoli moiré usando entrambi i WS ₂ e WSe ₂ , con conseguente andamento periodico, gli elettroni iniziano a rallentare e si respingono l'uno dall'altro.

"Gli elettroni non vogliono stare vicini l'uno all'altro, " ha detto Xiong Huang, il primo autore dell'articolo e uno studente di dottorato nel Microwave Nano-Electronics Lab di Cui. "Quando il numero di elettroni è tale che un elettrone occupa ogni esagono moiré, gli elettroni rimangono bloccati in posizione e non possono più muoversi liberamente. Il sistema si comporta quindi come un isolante".

Cui ha paragonato il comportamento di tali elettroni al distanziamento sociale durante una pandemia.

"Se gli esagoni possono essere immaginati come case, tutti gli elettroni sono all'interno, uno per casa, e non muoverti nel vicinato, " disse. "Se non abbiamo un elettrone per esagono, ma invece hanno il 95% di occupazione di esagoni, il che significa che alcuni esagoni vicini sono vuoti, allora gli elettroni possono ancora muoversi un po' attraverso le celle vuote. Questo è quando il materiale non è un isolante. Si comporta come un cattivo conduttore".

Il suo laboratorio è stato in grado di mettere a punto il numero di elettroni nel WS ₂ - WSe ₂ reticolo composito per modificare l'occupazione media degli esagoni. Il suo team ha scoperto che gli stati isolanti si verificavano quando l'occupazione media era inferiore a uno. Per esempio, per un'occupazione di un terzo, gli elettroni occupavano ogni altro esagono.

"Utilizzando l'analogia del distanziamento sociale, invece di una separazione di 6 piedi, ora hai una separazione di, dire, 10 piedi, " Cui ha detto. "Così, quando un elettrone occupa un esagono, costringe tutti gli esagoni vicini a essere vuoti per rispettare la più severa regola del distanziamento sociale. Quando tutti gli elettroni seguono questa regola, formano un nuovo schema e occupano un terzo degli esagoni totali in cui perdono nuovamente la libertà di muoversi, portando a uno stato isolante."

Lo studio mostra che comportamenti simili possono verificarsi anche per altre frazioni di occupazione come 1/4, 1/2, e 1/6, ciascuno corrispondente a un diverso modello di occupazione.

Cui ha spiegato che questi stati isolanti sono causati da forti interazioni tra gli elettroni. Questo, Ha aggiunto, è la repulsione di Coulomb, la forza repulsiva tra due cariche positive o due negative, come descritto dalla legge di Coulomb.

Ha aggiunto che nei materiali 3D, è noto che forti interazioni di elettroni danno origine a varie fasi elettroniche esotiche. Per esempio, probabilmente contribuiscono alla formazione di superconduttività non convenzionale ad alta temperatura.

"La domanda per la quale non abbiamo ancora una risposta è se le strutture 2-D, il tipo che abbiamo usato nei nostri esperimenti, può produrre superconduttività ad alta temperatura, " Ha detto Cui.

Prossimo, il suo gruppo lavorerà sulla caratterizzazione della forza delle interazioni degli elettroni.

"La forza di interazione degli elettroni determina in gran parte lo stato di isolamento del sistema, " Ha detto Cui. "Siamo anche interessati a poter manipolare la forza dell'interazione degli elettroni".