Los físicos de Ratisbona y Marburgo han adaptado la interacción mutua de los electrones en un sólido atómicamente delgado simplemente cubriéndolo con un cristal que presenta dinámicas de celosía seleccionadas a mano.

En un centímetro cúbico de un sólido, normalmente hay 10 ²³ electrones. En este enorme sistema de muchos cuerpos, La interacción electrón-electrón por pares aparentemente simple puede causar correlaciones extremadamente complejas y comportamientos exóticos, como la superconductividad. Este fenómeno cuántico convierte un sólido en un conductor perfecto, que lleva corrientes eléctricas sin disipación. Generalmente, este comportamiento es un rasgo normal de sólidos específicos. Todavía, el descubrimiento de materiales estratificados atómicamente delgados, como el grafeno, una monocapa de grafito, o dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), ha abierto un nuevo laboratorio creativo para adaptar las interacciones electrón-electrón y dar forma a las transiciones de fase. Por ejemplo, apilando capas de grafeno bajo ángulos específicos, Se puede crear un comportamiento superconductor. Todavía, La teoría también ha predicho que el acoplamiento de electrones con vibraciones cuantificadas de la red cristalina llamadas fonones puede influir críticamente en la forma en que los electrones interactúan entre sí.

Los físicos de Ratisbona dirigidos por Rupert Huber en colaboración con el grupo de Ermin Malic en la Universidad Philipps en Marburgo han presentado una nueva idea para ajustar la interacción entre electrones mediante el acoplamiento a las vibraciones de la red de cristales polares de una capa vecina. Este escenario se puede realizar simplemente cubriendo las monocapas de TMDC con una capa de cobertura de yeso, un material comúnmente utilizado en moldes de yeso.

Para medir la fuerza de acoplamiento entre electrones y fonones, Los físicos primero excitaron electrones en la monocapa semiconductora de TMDC con un pulso láser ultracorto, dejando los agujeros correspondientes en sus sitios originales. Los electrones y los huecos llevan cargas opuestas y, por lo tanto, están unidos entre sí por su atracción de Coulomb, al igual que los electrones están unidos al núcleo en el átomo de hidrógeno, formando los llamados excitones. Al observar su estructura de energía similar a un átomo con un pulso de luz ultracorto posterior en el infrarrojo, es posible calibrar la interacción entre las dos partículas.

El hallazgo sorprendente fue que una vez que las capas de TMDC se cubrieron con una fina capa de yeso, la estructura de los excitones se modificó sustancialmente. "La mera proximidad espacial de la capa de yeso es suficiente para acoplar fuertemente la estructura interna de los excitones a las vibraciones de celosía polar del yeso, "dice Philipp Merkl, el primer autor del estudio.

Aunque este mecanismo de acoplamiento conecta electrones y fonones en diferentes capas atómicamente delgadas, interactúan tan fuertemente que esencialmente se fusionan en nuevas partículas mezcladas. Una vez que los investigadores lo descubrieron, empezaron a jugar con este nuevo efecto cuántico:colocando una tercera capa atómicamente delgada esencialmente inerte como espaciador entre el TMDC y el yeso, lograron ajustar la distancia espacial entre los electrones y los fonones con precisión atómica.

"Esta estrategia nos permitió ajustar la fuerza del acoplamiento con una precisión aún mayor, ", agrega el autor correspondiente, el Dr. Chaw-Keong Yong." Estos hallazgos podrían abrir nuevas vías para adaptar las correlaciones electrónicas en materiales bidimensionales. En el futuro, esto podría permitir transiciones de fase creadas por el hombre en heteroestructuras apiladas artificialmente y nuevas propiedades cuánticas físicas, que podría encontrar aplicaciones en posibles dispositivos electrónicos de información cuántica y sin pérdidas ".