In den letzten Jahren haben Physiker Materialien entdeckt, die ihren elektrischen Charakter von einem Metall zu einem Isolator und sogar zu einem Supraleiter umschalten können, einem Material in einem reibungsfreien Zustand, das Elektronen ohne Widerstand fließen lässt. Diese Materialien, zu denen „Magic-Winkel“-Graphen und andere synthetisierte zweidimensionale Materialien gehören, können elektrische Zustände in Abhängigkeit von der angelegten Spannung oder dem angelegten Elektronenstrom verschieben.
Die zugrunde liegende Physik, die diese schaltbaren Materialien antreibt, ist ein Rätsel, obwohl Physiker vermuten, dass dies etwas mit „Elektronenkorrelationen“ oder Effekten aus der Wechselwirkung zwischen zwei negativ geladenen Elektronen zu tun hat. Diese Partikelabstoßungen haben bei den meisten Materialien wenig bis gar keinen Einfluss auf die Gestaltung der Eigenschaften. Aber in zweidimensionalen Materialien können diese Quantenwechselwirkungen ein dominierender Einfluss sein. Das Verständnis, wie Elektronenkorrelationen elektrische Zustände steuern, kann Wissenschaftlern dabei helfen, exotische Funktionsmaterialien wie unkonventionelle Supraleiter zu entwickeln.
Jetzt haben Physiker am MIT und anderswo einen bedeutenden Schritt zum Verständnis der Elektronenkorrelationen gemacht. In einer heute erscheinenden Zeitung in Wissenschaft, zeigen die Forscher direkte Beweise für Elektronenkorrelationen in einem zweidimensionalen Material namens ABC-Trilayer-Graphen. Es wurde zuvor gezeigt, dass dieses Material von einem Metall zu einem Isolator zu einem Supraleiter wechselt.
Erstmals konnten die Forscher direkt Elektronenkorrelationen in einem speziellen Isolationszustand des Materials nachweisen. Sie quantifizierten auch die Energieskalen dieser Korrelationen oder die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Elektronen. Die Ergebnisse zeigen, dass ABC-Trilayer-Graphen eine ideale Plattform sein kann, um andere Elektronenkorrelationen zu erforschen und möglicherweise zu konstruieren, wie z. B. solche, die die Supraleitung antreiben.
„Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Physik der Supraleitung wird es uns ermöglichen, Geräte zu entwickeln, die unsere Welt verändern könnten, von der verlustfreien Energieübertragung bis hin zu Magnetschwebezügen“, sagt Hauptautor Long Ju, Assistenzprofessor für Physik am MIT. „Dieses Material ist jetzt ein sehr reichhaltiger Spielplatz, um Elektronenkorrelationen zu erforschen und noch robustere Phänomene und Geräte zu bauen.“
Übergitter
Ein dreischichtiges ABC-Graphen, das auf einer Schicht aus hexagonalem Bornitrid gestapelt ist, ähnelt dem besser untersuchten zweischichtigen Graphen mit magischem Winkel, da beide Materialien Schichten aus Graphen enthalten – ein Material, das natürlicherweise in Graphit vorkommt und außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen kann wenn es in seiner reinen Form isoliert wird. Graphen besteht aus einem Gitter aus Kohlenstoffatomen, die in einem sechseckigen Muster angeordnet sind, ähnlich wie Maschendraht. Hexagonales Bornitrid oder hBN hat ein ähnliches, etwas größeres hexagonales Muster.
Bei ABC-Trilayer-Graphen sind drei Graphenblätter im gleichen Winkel gestapelt und leicht gegeneinander versetzt, wie geschichtete Käsescheiben. Wenn ABC-Trilayer-Graphen in einem Verdrehungswinkel von null Grad auf hBN sitzt, ist die resultierende Struktur ein Moiré-Muster oder „Übergitter“, das aus periodischen Energiequellen besteht, deren Konfiguration bestimmt, wie Elektronen durch das Material fließen.
„Diese Gitterstruktur zwingt Elektronen dazu, sich zu lokalisieren, und schafft die Voraussetzungen dafür, dass Elektronenkorrelationen einen großen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften des Materials haben“, sagt Ju.
Er und seine Kollegen versuchten, ABC-Trilayer-Graphen nach direkten Beweisen für Elektronenkorrelationen zu untersuchen und ihre Stärke zu messen. Sie synthetisierten zunächst eine Probe des Materials und schufen ein Übergitter mit Energietöpfen, von denen jeder normalerweise zwei Elektronen aufnehmen kann. Sie legten gerade genug Spannung an, um jede Vertiefung im Gitter zu füllen.
Elektronenschub
Dann suchten sie nach Anzeichen dafür, dass sich das Material in einem idealen Zustand befand, in dem Elektronenkorrelationen dominieren und die Eigenschaften des Materials beeinflussen könnten. Sie suchten gezielt nach Anzeichen einer „Flachband“-Struktur, bei der alle Elektronen fast die gleiche Energie haben. Das Team argumentierte, dass eine Umgebung, die Elektronen mit einem breiten Energiebereich beherbergt, zu laut wäre, als dass die winzige Energie der Elektronenkorrelationen eine Wirkung haben könnte. Eine flachere, ruhigere Umgebung würde es ermöglichen, dass diese Effekte durchkommen.
Das Team verwendete eine einzigartige optische Technik, die es entwickelt hat, um zu bestätigen, dass das Material tatsächlich ein flaches Band hat. Dann regelten sie die Spannung leicht herunter, sodass nur noch ein Elektron jede Vertiefung im Gitter besetzte. In diesem „halbgefüllten“ Zustand wird das Material als Mott-Isolator betrachtet – ein seltsamer elektrischer Zustand, der Elektrizität wie Metall leiten sollte, aber stattdessen verhält sich das Material aufgrund von Elektronenkorrelationen wie ein Isolator.
Ju und seine Kollegen wollten sehen, ob sie den Effekt dieser Elektronenkorrelationen in einem halbgefüllten, Mott-isolierten Zustand nachweisen können. Sie untersuchten, was passieren würde, wenn sie den Zustand durch Bewegen von Elektronen stören würden. Wenn die Elektronenkorrelationen einen Effekt haben würden, würden solche Störungen der Elektronenkonfigurationen auf Widerstand stoßen, da sich Elektronen natürlicherweise gegenseitig abstoßen. Zum Beispiel würde ein Elektron, das versucht, sich zu einem benachbarten Schacht zu bewegen, von dem Elektron zurückgedrängt, das diesen Schacht bereits besetzt, selbst wenn dieser Schacht technisch gesehen ein zusätzliches Elektron aufnehmen könnte.
Um diesen Widerstand zu überwinden, wäre ein zusätzlicher Energieschub erforderlich – gerade genug, um die natürliche Abstoßung des Elektrons zu überwinden. Das Team argumentierte, dass das Ausmaß dieses Anstiegs ein direktes Maß für die Stärke der Elektronenkorrelation wäre.
Den zusätzlichen Schub lieferten die Forscher mit Licht. Sie richteten Licht verschiedener Farben oder Wellenlängen auf das Material und suchten nach einem Peak oder einer einzelnen spezifischen Wellenlänge, die das Material absorbierte. Diese Wellenlänge entsprach einem Photon mit gerade genug Energie, um ein Elektron in eine benachbarte halbgefüllte Vertiefung zu stoßen.
In ihrem Experiment beobachtete das Team tatsächlich einen Peak – der erste direkte Nachweis von Elektronenkorrelationen in diesem spezifischen Moiré-Übergittermaterial. Anschließend maßen sie diesen Peak, um die Korrelationsenergie oder die Stärke der Abstoßungskraft des Elektrons zu quantifizieren. Sie bestimmten dies auf etwa 20 Millielektronenvolt oder 1/50 eines Elektronenvolts.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Physik dieses speziellen 2D-Materials starke Elektronenkorrelationen zugrunde liegen. Laut Ju ist der isolierende Mott-Zustand besonders wichtig, da er der Ausgangszustand der unkonventionellen Supraleitung ist, deren Physik illusorisch bleibt. Mit dieser neuen Studie hat das Team gezeigt, dass das dreischichtige ABC-Graphen/hBN-Moiré-Übergitter eine ideale Plattform ist, um die exotischeren elektrischen Zustände, einschließlich der unkonventionellen Supraleitung, zu erforschen und zu konstruieren.
„Heute tritt Supraleitung nur bei sehr niedrigen Temperaturen in einer realistischen Umgebung auf“, bemerkt Ju, der sagt, dass die optische Technik des Teams auf andere 2D-Materialien angewendet werden kann, um ähnliche exotische Zustände aufzudecken. „Wenn wir den Mechanismus der unkonventionellen Supraleitung verstehen, können wir diesen Effekt vielleicht auf höhere Temperaturen verstärken. Dieses Material bildet eine Grundlage, um noch robustere elektrische Zustände und Geräte zu verstehen und zu entwickeln.“
Jixiang Yang et al., Spektroskopie-Signaturen von Elektronenkorrelationen in einem dreischichtigen Graphen/hBN-Moiré-Übergitter, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abg3036
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