研究人员捕获电子以产生难以捉摸的晶体

就像不安的孩子冒充全家福一样，电子不会保持足够长的时间以保持任何固定的排列。康奈尔大学的研究人员将二维半导体堆叠在一起，形成了莫尔超晶格结构，该结构以重复的方式俘获电子，最终形成了被假定的维格纳晶体。

现在，由康奈尔(Cornell)领导的合作开发了一种堆叠二维半导体并以重复图案捕获电子的方法，该重复图案形成了特定的且假设长时间的晶体。

该小组的论文“摩尔纹超晶格的分数填充处的相关绝缘态”发表于11月11日的《自然》杂志上。该论文的主要作者是博士后研究员杨旭。

该项目源于文理学院的物理副教授麦健辉和工程学院的应用与工程物理教授山善(是该论文的共同作者)的共享实验室。两位研究人员都是康奈尔大学纳米科学Kavli研究所的成员。他们是通过教务长的纳米科学与微系统工程(NEXT Nano)计划来到康奈尔大学的。

电子晶体是1934年由理论物理学家Eugene Wigner首次预测的。他提出，当带负电的电子所产生的排斥力(称为库仑排斥力)支配电子的动能时，就会形成晶体。科学家们尝试了各种方法来抑制动能，例如将电子置于极大的磁场下，该磁场大约是地球磁场的一百万倍。完整的结晶仍然难以捉摸，但是康奈尔团队发现了一种实现它的新方法。

“电子是量子力学的。即使您对它们不做任何事情，它们也一直在自发地摇摆着，”麦说。“电子晶体实际上会倾向于熔化，因为很难将电子固定在周期性模式上。”

因此，研究人员的解决方案是通过堆叠由哥伦比亚大学合作伙伴种植的两个半导体单层，即二硫化钨(WS2)和二硒化钨(WSe2)来构建实际陷阱。每个单层具有略有不同的晶格常数。配对在一起时，它们会形成莫尔条纹超晶格结构，该结构基本上看起来像六边形网格。然后研究人员将电子放置在图案的特定位置。正如他们在较早的项目中发现的那样，位点之间的能垒将电子锁定在适当的位置。

麦说：“我们可以控制特定波纹处电子的平均占有率。”

考虑到莫尔超晶格的复杂图案，再加上电子的抖动特性，以及需要将其置于非常特定的排列中，研究人员求助于物理学教授，该论文的合著者Veit Elser，他计算出了电子的不同排列将自行结晶的占有率。

但是，维格纳晶体的挑战不仅在于制造它们，而且还要观察它们。

马克说：“您需要在适当的条件下制造电子晶体，同时，它们也很脆弱。” “您需要一种很好的方法来对其进行探测。您真的不希望在探测它们时显着干扰它们。”

该团队设计了一种新的光学传感技术，该技术将光学传感器放置在靠近样品的位置，并将整个结构夹在六方氮化硼绝缘层之间，该绝缘层由日本国立材料科学研究所的合作者创建。因为传感器与样品之间的距离约为2纳米，所以它不会干扰系统。

这项新技术使研究小组能够观察到许多具有不同晶体对称性的电子晶体，从三角晶格维格纳晶体到自对准成条纹和二聚体的晶体。通过这样做，该团队演示了非常简单的成分如何形成复杂的图案-只要这些成分放置足够长的时间。

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