Negli ultimi anni, gli ingegneri elettronici stanno sperimentando nuovi materiali che potrebbero essere utilizzati per studiare i fenomeni di correlazione elettronica. I materiali moiré di Van der Waals (vdW) sono particolarmente promettenti per l'esame di questi fenomeni. I materiali VdW sono composti da strati bidimensionali (2D) fortemente legati che sono legati nella terza dimensione attraverso forze di dispersione più deboli.

Il termine moiré, d'altra parte, si riferisce a un motivo specifico prodotto quando un motivo rigato opaco con spazi viene posizionato su un motivo simile. Gli studi hanno recentemente svelato stati isolanti robusti e correlati a fattori di riempimento sia interi che frazionari di materiali semiconduttori con un motivo moiré.

I ricercatori della Cornell University e del National Institute for Materials Science in Giappone hanno recentemente condotto uno studio che esplora le proprietà termodinamiche di questi robusti stati correlati. La loro carta, pubblicato in Nanotecnologia della natura , alla fine ha mostrato che la capacità (cioè, la capacità di un sistema di immagazzinare carica elettrica) può svolgere un ruolo chiave nel sondare stati correlati di materiali semiconduttori moiré.

Questo recente studio era in parte basato su un precedente sforzo di ricerca dello stesso team, che ha svelato la presenza di un'abbondanza di cristalli di elettroni nei materiali semiconduttori moiré. Uno degli obiettivi principali del nuovo studio del team era comprendere meglio questi stati dei cristalli di elettroni raccogliendo misurazioni termodinamiche.

"Il nostro studio trae ispirazione anche dai calcoli teorici del nostro amico Veit Elser, chi è coautore del documento, "Kin Fai Mak, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Veit ha calcolato la capacità di un condensatore a piastre parallele che ha il campione come una piastra e un gate metallico come un'altra piastra".

Tipicamente, la capacità di un condensatore a piastre parallele come quello studiato da Elser sarebbe definita solo dalla sua geometria (ad es. la distanza tra le due piastre). Sorprendentemente, però, i suoi calcoli hanno suggerito che la capacità quando la piastra campione è in una miscela di fase di cristalli di elettroni potrebbe in effetti essere infinita.

"Questo potrebbe essere enorme, in quanto può migliorare significativamente la capacità del dispositivo di immagazzinare la carica, " ha detto Mak.

Per testare questa idea sperimentalmente, Mak e i suoi colleghi hanno misurato la capacità di un condensatore parallelo che ha il campione di interesse (cioè, il campione moiré) come una lastra e un sottile foglio di metallo come la seconda lastra.

"Le due piastre sono state separate da una distanza variabile sperimentalmente, " disse Mak. "La capacità è intimamente connessa alla compressibilità elettronica (una quantità termodinamica) del campione, che è una misura di quanto siano comprimibili gli elettroni quando sono soggetti a un campo elettrico esterno."

Il team ha misurato attentamente quanto fossero comprimibili gli elettroni nel loro campione quando esposti a un campo elettrico esterno in funzione della densità elettronica e della temperatura. Ciò ha permesso loro di derivare due ulteriori misurazioni termodinamiche (cioè, l'entropia elettronica e la capacità termica specifica) dai dati esistenti, utilizzando regole note e consolidate di relazioni termodinamiche.

"Uno dei risultati più importanti del nostro studio è stato un miglioramento significativo della capacità misurata rispetto al valore geometrico, " Mak ha detto. "Per quanto a nostra conoscenza, questo è probabilmente il più grande miglioramento segnalato fino ad oggi. A causa di disturbi del campione, però, il miglioramento osservato è lontano dall'infinito come previsto dai calcoli originali di Veit. Si potrebbe immaginare un ulteriore miglioramento della capacità con campioni migliori in futuro".

Le recenti scoperte raccolte da questo team di ricercatori potrebbero avere importanti implicazioni per lo sviluppo di dispositivi elettronici. Infatti, il loro lavoro dimostra che la capacità dei superreticoli moiré a semiconduttore può essere notevolmente migliorata, il che significa che l'accumulazione di carica dei dispositivi realizzati con questi materiali potrebbe essere migliorata.

Inoltre, il team ha raccolto preziose misurazioni quantitative delle proprietà termodinamiche degli stati dei cristalli di elettroni nei superreticoli moiré semiconduttori. Nel futuro, queste misurazioni potrebbero aiutare a comprendere meglio la natura di questi stati esotici della materia.

"La misurazione termodinamica è un'abilità importante in fisica, poiché aiuta a comprendere la natura di molti stati quantistici emergenti della materia, " Ha aggiunto Mak. "Ci sono così tanti stati esotici scoperti di recente nei materiali moiré (ad es. superconduttività, isolanti correlati, cristalli di elettroni, effetto Hall anomalo quantistico, eccetera.). La realizzazione di studi termodinamici su questi stati aiuterà sicuramente a comprendere alcuni dei misteri in questo campo di ricerca. Generalmente, la misurazione della capacità è uno strumento diagnostico molto utile per le questioni quantistiche".

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