I superreticoli moiré dei semiconduttori sono strutture materiali affascinanti che si sono rivelate promettenti per lo studio degli stati elettronici correlati e dei fenomeni della fisica quantistica. Queste strutture, costituite da array di atomi artificiali disposti in una cosiddetta configurazione moiré, sono altamente sintonizzabili e caratterizzate da forti interazioni elettroniche.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente condotto uno studio esplorando ulteriormente questi materiali e la loro fisica sottostante. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , introduce un nuovo quadro teorico che potrebbe informare lo studio dei superreticoli moiré di grande periodo, che sono caratterizzati da elettroni debolmente interagenti che risiedono in diversi pozzi di potenziale.
"Il nostro gruppo ha lavorato su materiali moiré semiconduttori bidimensionali per cinque anni", ha detto a Phys.org Liang Fu, coautore dell'articolo. "In questi sistemi, gli elettroni si muovono in un paesaggio potenziale periodico (il superreticolo moiré) e interagiscono tra loro attraverso la repulsione di Coulomb."
Il vantaggio principale dei superreticoli moiré semiconduttori è che possono essere facilmente manipolati in contesti sperimentali. Nello specifico, i fisici possono controllare la densità degli elettroni al loro interno per alterare la proprietà del loro stato fondamentale composto da molti elettroni.
"La maggior parte degli studi precedenti si erano concentrati sul caso in cui fosse presente uno o meno di un elettrone per cellula unitaria moiré", ha detto Fu. "Abbiamo deciso di esplorare il regime multielettronico e vedere se c'è qualcosa di nuovo."
Prevedere il comportamento dei materiali multielettronici può essere molto impegnativo. La ragione principale di ciò è che questi sistemi contengono spesso diverse scale energetiche in concorrenza tra loro.
"L'energia cinetica favorisce un elettrone liquido, mentre l'interazione e l'energia potenziale favoriscono un elettrone solido", ha spiegato Aidan Reddy, primo autore dell'articolo. "La cosa bella dei materiali moiré è che la forza relativa di diverse scale energetiche può essere regolata variando il periodo moiré. Sfruttando questa possibilità di regolazione, abbiamo sviluppato un quadro teorico per studiare i sistemi moiré a lungo periodo, in cui gli elettroni che risiedono su potenziali diversi i pozzi sono debolmente accoppiati."
Il quadro teorico introdotto da questo team di ricercatori si concentra sul comportamento dei singoli atomi nel superreticolo moiré. Reddy, Fu e il loro collega Trithep Devakul hanno scoperto che questo approccio relativamente semplice potrebbe ancora aiutare a far luce su vari interessanti fenomeni di fisica quantistica.
Utilizzando la loro struttura, i ricercatori hanno svelato la nuova fisica che potrebbe essere osservata nei superreticoli moiré basati su semiconduttori multielettronici. Ad esempio, con un fattore di riempimento n=3 (cioè quando ogni atomo moiré' in un superreticolo contiene tre elettroni) hanno scoperto che le interazioni di Coulomb portano alla formazione di una cosiddetta "molecola di Wigner". Inoltre, in circostanze specifiche (ad esempio, se la loro dimensione è paragonabile al periodo moiré), hanno dimostrato che queste molecole di Wigner potrebbero formare una struttura unica nota come reticolo emergente di Kagome.
Le interessanti configurazioni elettroniche auto-organizzate delineate nel documento di questo gruppo di ricerca potrebbero presto essere ulteriormente esplorate in studi di follow-up. Inoltre, queste configurazioni appena scoperte potrebbero servire da ispirazione per altri fisici, consentendo loro di studiare l'ordine di carica e il magnetismo quantistico in un regime abbastanza sconosciuto ai materiali convenzionali.
"L'intuizione più notevole del nostro lavoro è che, a fattori di riempimento speciali, gli elettroni si auto-organizzano in configurazioni sorprendenti (molecole di Wigner) a causa di un equilibrio tra le scale energetiche in gioco. La nostra previsione del solido di Wigner è stata confermata sperimentalmente," Trithep aggiunto.
Nel breve termine, i ricercatori intendono studiare la transizione di fase quantistica tra gli elettroni solidi di Wigner e gli elettroni liquidi.
Ulteriori informazioni: Aidan P. Reddy et al, Atomi artificiali, molecole di Wigner e un reticolo Kagome emergente nei superreticoli Moiré dei semiconduttori, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501
Hongyuan Li et al, Cristalli molecolari di Wigner da atomi artificiali Moiré multielettronici, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607
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