Los materiales que tienen un exceso de electrones suelen ser conductores. Sin embargo, los patrones muaré patrones de interferencia que suelen surgir cuando un objeto con un patrón repetitivo se coloca sobre otro con un patrón similar pueden suprimir la conductividad eléctrica, según un estudio dirigido por físicos delLa Universidad de California, Riverside, ha encontrado.
En el laboratorio, los investigadores superpusieron una única monocapa de disulfuro de tungsteno WS 2 en una sola monocapa de diselenuro de tungsteno WSe 2 y alineó las dos capas entre sí para generar patrones de muaré a gran escala.Los átomos en ambos WS 2 y WSe 2 las capas están dispuestas en una celosía de panal bidimensional con una periodicidad, o intervalos recurrentes, de mucho menos de 1 nanómetro. Pero cuando las dos celosías están alineadas a 0 o 60 grados, el material compuesto genera un patrón muaré con unmayor periodicidad de aproximadamente 8 nanómetros. La conductividad de este sistema 2D depende de cuántos electrones se colocan en el patrón muaré.
"Encontramos que cuando el patrón muaré está parcialmente lleno de electrones, el sistema exhibe varios estados aislantes en contraposición a los estados conductores esperados de la comprensión convencional", dijo Yongtao Cui, profesor asistente de física y astronomía en UC Riverside, quien dirigióel equipo de investigación ". Se encontró que los porcentajes de llenado eran fracciones simples como 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, etc. El mecanismo para tales estados de aislamiento es la fuerte interacción entre electrones que restringe laelectrones móviles en células muaré locales. Esta comprensión puede ayudar a desarrollar nuevas formas de controlar la conductividad y descubrir nuevos materiales superconductores ".
Los resultados del estudio aparecen hoy en Física de la naturaleza.
Los patrones de muaré generados en el material compuesto de WS 2 y WSe 2 se puede imaginar que tiene pozos y crestas dispuestas de manera similar en un patrón de panal.
"WS 2 y WSe 2 tienen un ligero desajuste en lo que respecta al tamaño de la red, lo que los hace ideales para producir patrones de muaré ", dijo Cui. Además, el acoplamiento entre electrones se vuelve fuerte, lo que significa que los electrones 'hablan entre sí' mientras se mueven a través de las crestas y elpozos. "
normalmente, cuando se coloca una pequeña cantidad de electrones en una capa 2D como WS 2 o WSe 2 , tienen suficiente energía para viajar libre y aleatoriamente, lo que hace que el sistema sea un conductor. El laboratorio de Cui descubrió que cuando se forman celosías de muaré usando ambos WS 2 y WSe 2 dando como resultado un patrón periódico, los electrones comienzan a desacelerarse y a repelerse entre sí.
"Los electrones no quieren estar cerca unos de otros", dijo Xiong Huang, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el Laboratorio de nanoelectrónica de microondas de Cui. "Cuando el número de electrones es tal que un electrónocupa cada hexágono de muaré, los electrones permanecen bloqueados en su lugar y ya no pueden moverse libremente. El sistema se comporta entonces como un aislante ".
Cui comparó el comportamiento de tales electrones con el distanciamiento social durante una pandemia.
"Si se puede imaginar que los hexágonos son hogares, todos los electrones están adentro, uno por hogar, y no se mueven en el vecindario", dijo. "Si no tenemos un electrón por hexágono, sino que tenemos95% de ocupación de los hexágonos, lo que significa que algunos hexágonos cercanos están vacíos, entonces los electrones aún pueden moverse un poco a través de las celdas vacías. Es entonces cuando el material no es un aislante. Se comporta como un mal conductor ".
Su laboratorio pudo ajustar el número de electrones en el WS 2 - WSe 2 compuesto de celosía para cambiar la ocupación promedio de los hexágonos. Su equipo descubrió que los estados aislantes ocurrían cuando la ocupación promedio era menor que uno. Por ejemplo, para una ocupación de un tercio, los electrones ocupaban cada dos hexágonos.
"Usando la analogía del distanciamiento social, en lugar de una separación de 6 pies, ahora tiene una separación de, digamos, 10 pies", dijo Cui. "Por lo tanto, cuando un electrón ocupa un hexágono, obliga a todos los hexágonos vecinos a servacíos para cumplir con la regla de distanciamiento social más estricta. Cuando todos los electrones siguen esta regla, forman un nuevo patrón y ocupan un tercio del total de hexágonos en los que nuevamente pierden la libertad de movimiento, lo que lleva a un estado de aislamiento ".
El estudio muestra que pueden ocurrir comportamientos similares para otras fracciones de ocupación como 1/4, 1/2 y 1/6, cada una de las cuales corresponde a un patrón de ocupación diferente.
Cui explicó que estos estados aislantes son causados por interacciones fuertes entre los electrones. Esto, agregó, es la repulsión de Coulomb, la fuerza repulsiva entre dos cargas positivas o negativas, como se describe en la ley de Coulomb.
Agregó que en los materiales 3D, se sabe que las interacciones de electrones fuertes dan lugar a varias fases electrónicas exóticas. Por ejemplo, es probable que contribuyan a la formación de superconductividad no convencional a alta temperatura.
"La pregunta para la que todavía no tenemos respuesta es si las estructuras 2D, del tipo que usamos en nuestros experimentos, pueden producir superconductividad a alta temperatura", dijo Cui.
A continuación, su grupo trabajará en la caracterización de la fuerza de las interacciones entre electrones.
"La fuerza de interacción de los electrones determina en gran medida el estado de aislamiento del sistema", dijo Cui. "También estamos interesados en poder manipular la fuerza de la interacción de electrones".
Cui y Huang fueron financiados por subvenciones de la National Science Foundation, una beca Hellman y una subvención inicial de SHINES.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Iqbal Pittalwala. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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