Los materiales que tienen un exceso de electrones suelen ser conductores. Sin embargo, Los patrones de 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, un estudio dirigido por físicos de la Universidad de California, Orilla, ha encontrado.

En el laboratorio, los investigadores superpusieron una sola 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 tanto en el 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 una periodicidad mucho mayor de aproximadamente 8 nanómetros. La conductividad de este sistema 2-D depende de cuántos electrones se colocan en el patrón muaré.

"Descubrimos que cuando el patrón muaré está parcialmente lleno de electrones, el sistema exhibe varios estados aislantes en oposición a los estados conductores esperados de la comprensión convencional, "dijo Yongtao Cui, profesor asistente de física y astronomía en UC Riverside, quien dirigió el equipo de investigación. "Se encontró que los porcentajes de llenado eran fracciones simples como 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, etcétera. El mecanismo de tales estados aislantes es la fuerte interacción entre electrones que restringe los electrones 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 celosía, haciéndolos ideales para producir patrones de muaré, "Cui dijo." 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 los pozos ".

Típicamente, cuando se coloca una pequeña cantidad de electrones en una capa 2-D como WS ₂ o WSe ₂ , tienen suficiente energía para viajar libre y aleatoriamente, haciendo del sistema un conductor. El laboratorio de Cui descubrió que cuando se forman celosías muaré utilizando WS ₂ y WSe ₂ , resultando en un patrón periódico, los electrones comienzan a desacelerarse y repelerse entre sí.

"Los electrones no quieren permanecer 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 electrón ocupa cada hexágono muaré, los electrones permanecen bloqueados en su lugar y ya no pueden moverse libremente. Entonces, el sistema se comporta 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 casa, y no moverse por el barrio, ", dijo." Si no tenemos un electrón por hexágono, pero en su lugar tienen un 95% de ocupación de hexágonos, lo que significa que algunos hexágonos cercanos están vacíos, entonces los electrones todavía pueden moverse un poco a través de las celdas vacías. Ahí es cuando el material no es un aislante. Se comporta como un mal director ".

Su laboratorio pudo ajustar el número de electrones en el WS ₂ - WSe ₂ compuesto de celosía para cambiar la ocupación media de los hexágonos. Su equipo descubrió que los estados aislantes ocurrían cuando la ocupación promedio era menor a uno. Por ejemplo, para una ocupación de un tercio, los electrones ocuparon todos los demás hexágonos.

"Utilizando la analogía del distanciamiento social, en lugar de una separación de 6 pies, ahora tienes una separación de decir, 10 pies, "Cui dijo." Por lo tanto, cuando un electrón ocupa un hexágono, obliga a que todos los hexágonos vecinos estén vacíos 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 moverse, conduciendo a un estado aislante ".

El estudio muestra que también pueden ocurrir comportamientos similares para otras fracciones de ocupación como 1/4, 1/2, y 1/6, cada uno correspondiente a un patrón de ocupación diferente.

Cui explicó que estos estados de aislamiento son causados ​​por fuertes interacciones entre los electrones. Esta, él agregó, es la repulsión de Coulomb, la fuerza repulsiva entre dos cargas positivas o dos negativas, como lo describe la ley de Coulomb.

Añadió que en materiales 3-D, 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 2-D, del tipo que usamos en nuestros experimentos, puede producir superconductividad a alta temperatura, "Dijo Cui.

Próximo, su grupo trabajará en la caracterización de la fuerza de las interacciones de los 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 ".