I fisici hanno cercato di determinare gli stati fondamentali dei sistemi di elettroni 2D a densità e temperature estremamente basse per molti decenni ormai. Le prime previsioni teoriche per questi stati fondamentali furono avanzate dai fisici Felix Bloch nel 1929 ed Eugene Wigner nel 1934, i quali suggerirono entrambi che le interazioni tra gli elettroni potessero portare a stati fondamentali che non erano mai stati osservati prima.

I ricercatori dell'Università di Princeton conducono studi in quest'area della fisica da diversi anni. Il loro lavoro più recente, descritto in Lettere di revisione fisica , ha raccolto le prove di un nuovo stato che era stato previsto da Wigner, noto come un solido Wigner disordinato (WS).

"La fase prevista da Wigner, una serie ordinata di elettroni (il cosiddetto cristallo di Wigner o WS), ha affascinato gli scienziati per decenni", ha detto a Phys.org Mansour Shayegan, ricercatore principale dello studio. "La sua realizzazione sperimentale è estremamente impegnativa, in quanto richiede campioni con densità molto basse e con parametri appropriati (grande massa efficace e piccola costante dielettrica) per potenziare il ruolo dell'interazione."

Per produrre con successo una WS o una WS quantistica in un ambiente di laboratorio, i ricercatori hanno bisogno di campioni estremamente puri e di alta qualità. Ciò significa che le sostanze che usano nei loro esperimenti devono avere un numero minimo di impurità, poiché queste impurità possono attrarre elettroni e spingerli a riorganizzarsi in modo casuale.

Poiché soddisfare i requisiti per la produzione di questi stati è molto impegnativo, studi precedenti sui sistemi WS quantistici, in cui le interazioni elettrone-elettrone dominano sulla cosiddetta energia di Fermi, sono stati incredibilmente scarsi. La prima WS quantistica è stata osservata nel 1999 da Jongsoo Yoon dell'Università di Princeton e da alcuni dei ricercatori coinvolti nel recente studio, utilizzando un'eterostruttura 2D GaAs/AlGaAs.

Nel loro nuovo studio, il team ha utilizzato un campione 2D AlAs (arseniuro di alluminio) pulito e altamente puro con una massa effettiva anisotropa (cioè diversa se misurata lungo direzioni diverse) e il mare di Fermi. In particolare, il loro campione ha soddisfatto molto bene i requisiti per la realizzazione di un WS 2D anisotropico.

"Il nostro campione è una piattaforma quasi ideale per osservare una WS quantistica a campo magnetico zero", ha detto Shayegan. "Ora, si scopre che gli elettroni 2D in AlAs forniscono un bonus extra, vale a dire una dispersione di banda di energia anisotropa che porta a una massa effettiva anisotropa. Quello che abbiamo scoperto è che questa anisotropia può manifestarsi nelle proprietà del WS come la sua resistenza e la soglia di rimozione dei pin lungo diverse direzioni nel piano.

Il materiale utilizzato da Shayegan e dai suoi colleghi nei loro esperimenti consiste in un pozzo quantico AlAs di alta qualità, con pochissime impurità e quindi un basso disordine. In questo pozzo quantico, gli elettroni sono confinati entro 2 dimensioni.

"Possiamo utilizzare la tensione di gate per regolare la densità degli elettroni nel nostro campione", ha detto a Phys.org Md Shafayat Hossain, autore principale dell'articolo. "Abbiamo usato una combinazione di trasporto elettrico (cioè, misurazioni della resistività) e spettroscopia di polarizzazione CC (cioè, misurazione della resistenza differenziale in funzione della polarizzazione CC source-drain) per studiare il solido Wigner anisotropico 2D disordinato."

Le misurazioni della resistività e della resistenza differenziale del campione del team hanno mostrato che avevano effettivamente osservato un nuovo WS quantistico a un campo magnetico zero, utilizzando un sistema di materiale anisotropo. In definitiva, questo ha permesso loro di scoprire gli effetti dell'anisotropia sull'elusivo ma affascinante stato WS.

"Il solido Wigner osservato mostra diverse capacità di scorrimento efficaci lungo diverse direzioni", ha affermato Hossain. "Ciò si manifesta attraverso diverse tensioni di soglia di de-pinning lungo diverse direzioni osservate nei nostri esperimenti".

È probabile che lo stato anisotropico WS osservato da questo team di ricercatori sia uno stato quantistico completamente nuovo. Ciò significa che finora si conosce molto poco delle sue proprietà e caratteristiche.

In futuro, queste recenti scoperte potrebbero quindi ispirare nuovi studi teorici e sperimentali volti a comprendere meglio questo stato quantistico appena identificato con un'anisotropia intrinseca (cioè con valori diversi quando misurato in direzioni diverse). Questi studi potrebbero, ad esempio, cercare di determinare la caratteristica forma reticolare dello stato.

"Sulla base dei nostri risultati sperimentali, il diverso comportamento elettronico lungo diverse direzioni dei WS anisotropi può essere utile anche nei dispositivi elettronici", ha affermato Hossain. "Tali dispositivi potrebbero rispondere in modo diverso a seconda della direzione della tensione applicata."

In definitiva, il WS anisotropico scoperto da questo team di ricercatori potrebbe aprire la strada allo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi quantistici anisotropi. Nei loro prossimi lavori, Shayegan, Hossain e i loro colleghi analizzeranno le risonanze a microonde dello stato che hanno scoperto, poiché potrebbero fornire maggiori dettagli sullo stato e sulla sua anisotropia.

"Ad esempio, ci chiederemo:il WS mostra risonanze, simili a quanto visto nel caso dei WS indotti da campi magnetici, a riempimenti molto piccoli (alti campi magnetici)?" Shayegan ha aggiunto. "L'osservazione delle risonanze sarebbe molto utile in quanto fornirebbe una forte evidenza per la fase WS. Inoltre, osservare le risonanze le cui frequenze dipendono dall'orientamento del campo elettrico applicato rispetto all'orientamento del cristallo WS sarebbe affascinante e farebbe luce sul ruolo dell'anisotropia". + Esplora ulteriormente

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