In einer Studie zu eindimensionalen Elektronenkorrelationszuständen am MTB von einschichtigem und zweischichtigem MoSe2 fand ein Forschungsteam heraus, dass zwei Arten von korrelierten Isolierzuständen, die von einem sogenannten Coulomb-Blockadeeffekt vom Hubbard-Typ angetrieben werden, durch Spitzenimpulse geschaltet werden können.
Mittels Molekularstrahlepitaxie hat dieses Team einschichtige und doppelschichtige MoSe2-Filme mit eindimensionalem MTB auf Graphensubstraten gezüchtet. Durch Rastertunnelmikroskopie wird festgestellt, dass das eindimensionale MTB metallische Zustände aufweist. Aufgrund ihrer begrenzten Länge unterliegen die eindimensionalen Zustände einem Quantenbeschränkungseffekt, was zu quantisierten diskreten Energieniveaus führt.
Sie fanden zwei Arten von MTBs mit unterschiedlichen Grundzuständen, definiert als gleichphasige bzw. außerphasige Zustände, entsprechend der räumlich modulierten Phase der zwei diskreten Ebenen, die die Fermi-Oberfläche überspannen. Interessanterweise ist es durch Anlegen von Tipp-Impulsen möglich, die beiden Zustände reversibel umzuschalten.
Sie zeigten, dass die durch die Drahtlänge bestimmten Coulomb-Energien das MTB in zwei Arten von Grundzuständen mit unterschiedlichen jeweiligen Ladungsordnungen treiben. Die Quantentopfzustände an der Fermi-Oberfläche werden durch den Coulomb-Effekt beeinflusst.
Wenn sich die Fermi-Oberfläche zwischen zwei Quantenmuldenzuständen mit unterschiedlichen Wellenvektoren befindet, d. h. dem phasenverschobenen Zustand, nimmt das Energieniveauintervall zu und wird zur Summe der Coulomb-Energie und des Intervalls der Quantenmuldenzustände.
Wenn sich ein Quantentopf genau an der Fermi-Oberfläche befindet, d. h. im gleichphasigen Zustand, wird das Energieniveau durch die Coulomb-Energie Spin-gespalten, um eine einzelne Elektronenbesetzung zu bilden, und die Teilungsgröße ist die Coulomb-Energie.
Die Elektronenfüllung von MTB wird mit dem Spitzenimpuls abgestimmt, wobei die zusätzlich injizierten Ladungen, wie durch First-Principle-Rechnungen belegt, über einen polaronischen Prozess stabilisiert werden, wodurch es möglich wird, seine Elektronenzahl und seinen Spinzustand kontrollierbar einzustellen.
Die ermittelten Coulomb-Energien hängen ausschließlich von der Drahtlänge ab, unabhängig vom Abstand des MTB zum Graphensubstrat, was zeigt, dass die Coulomb-Wechselwirkung kurzreichweitig ist. Dies unterscheidet sich vom klassischen Coulomb-Blockade-Effekt, bei dem die Coulomb-Energie von ihrer Kapazität zur Umgebung abhängt und daher eine große Reichweite hat.
Eine solche Coulomb-Energie mit kurzer Reichweite hat einen ähnlichen Ausdruck wie der klassische Coulomb-Blockade-Effekt und wird daher als Coulomb-Blockade-Effekt vom Hubbard-Typ bezeichnet.
Dieses Forschungsteam erreichte die Kontrolle über Elektronenkorrelation und Spinzustände auf atomarer Ebene und legte damit eine Grundlage für das Verständnis und die Anpassung korrelierter Physik in komplexen Systemen.
Die Studie wurde veröffentlicht in National Science Review.
Xing Yang et al., Manipulation des Coulomb-Blockade-Effekts vom Hubbard-Typ von Metalldrähten, die in einen Isolator eingebettet sind, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac210