Explorando nueva física que surge de las interacciones de electrones en superredes muaré de semiconductores

Átomos de muaré y molécula de Wigner (a) Esquema de la superred de muaré y (b) potencial de muaré correspondiente en ϕ =10°. Sus mínimos, los átomos de muaré, forman una red triangular. (c) Evolución de cada uno de los estados fundamentales de alto y bajo espín del helio y el litio armónicos (con dos y tres electrones respectivamente) con la constante de acoplamiento de Coulomb λ. El estado fundamental general del litio armónico pasa de espín bajo a alto en λc =4,34. (d) Distribución de densidad de carga del estado fundamental de alto espín del litio muaré, incluido un campo cristalino correspondiente a los parámetros del modelo continuo (V =15 meV, aM =14 nm, ϕ =10 °, m =0,5 me) sin (izquierda) y con (derecha) Interacción de Coulomb. Crédito:Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501

Las superredes de muaré de semiconductores son estructuras materiales fascinantes que han demostrado ser prometedoras para estudiar estados de electrones correlacionados y fenómenos de física cuántica. Estas estructuras, formadas por conjuntos de átomos artificiales dispuestos en la llamada configuración muaré, son altamente sintonizables y se caracterizan por fuertes interacciones electrónicas.

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) llevaron a cabo recientemente un estudio que explora más a fondo estos materiales y su física subyacente. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , introduce un nuevo marco teórico que podría informar el estudio de superredes muaré de período grande, que se caracterizan por electrones que interactúan débilmente y residen en diferentes pozos potenciales.

"Nuestro grupo ha estado trabajando en materiales semiconductores muaré bidimensionales durante cinco años", dijo a Phys.org Liang Fu, coautor del artículo. "En estos sistemas, los electrones se mueven en un paisaje potencial periódico (la superred muaré) e interactúan entre sí a través de la repulsión de Coulomb".

La principal ventaja de las superredes muaré semiconductoras es que pueden manipularse fácilmente en entornos experimentales. Específicamente, los físicos pueden controlar la densidad de los electrones dentro de ellos para alterar la propiedad de su estado fundamental de muchos electrones.

"La mayoría de los estudios anteriores se han centrado en el caso de contener uno o menos de un electrón por unidad de celda de muaré", dijo Fu. "Decidimos explorar el régimen multielectrónico y ver si hay algo nuevo."

Predecir el comportamiento de materiales multielectrónicos puede resultar un gran desafío. La razón principal es que estos sistemas a menudo contienen varias escalas de energía que compiten entre sí.

"La energía cinética favorece un electrón líquido, mientras que la interacción y la energía potencial favorecen el electrón sólido", explicó Aidan Reddy, primer autor del artículo. "Lo bueno de los materiales muaré es que la fuerza relativa de diferentes escalas de energía se puede ajustar variando el período muaré. Aprovechando esta capacidad de sintonización, desarrollamos un marco teórico para estudiar sistemas muaré de período grande, donde los electrones residen en diferentes potenciales. los pozos están débilmente acoplados."

El marco teórico presentado por este equipo de investigadores se centra en el comportamiento de los átomos individuales en la superred muaré. Reddy, Fu y su colega Trithep Devakul descubrieron que este enfoque relativamente simple aún podría ayudar a arrojar luz sobre varios fenómenos interesantes de la física cuántica.

Utilizando su marco, los investigadores revelaron nueva física que podría observarse en superredes muaré basadas en semiconductores multielectrónicos. Por ejemplo, con un factor de llenado n=3 (es decir, cuando cada átomo de muaré en una superred contiene tres electrones), descubrieron que las interacciones de Coulomb conducían a la formación de la llamada "molécula de Wigner". Además, en circunstancias específicas (es decir, si su tamaño es comparable al período muaré), demostraron que estas moléculas de Wigner podrían formar una estructura única conocida como red Kagome emergente.

Las interesantes configuraciones electrónicas autoorganizadas descritas en el artículo de este equipo de investigación pronto podrían explorarse más a fondo en estudios de seguimiento. Además, estas configuraciones recientemente descubiertas podrían servir de inspiración para otros físicos, permitiéndoles estudiar el orden de carga y el magnetismo cuántico en un régimen bastante desconocido para los materiales convencionales.

"La idea más notable de nuestro trabajo es que, en factores de llenado especiales, los electrones se autoorganizan en configuraciones llamativas (moléculas de Wigner) debido a un equilibrio entre las escalas de energía en juego. Nuestra predicción del sólido de Wigner ha sido confirmada experimentalmente", Trithep añadido.

A corto plazo, los investigadores planean estudiar la transición de fase cuántica entre los electrones sólidos y líquidos de Wigner.

Más información: Aidan P. Reddy et al, Átomos artificiales, moléculas de Wigner y una red Kagome emergente en superredes semiconductoras Moiré, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.246501

Hongyuan Li et al, Cristales moleculares de Wigner a partir de átomos artificiales de muaré multielectrónico, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.07607

Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv