Для изучения взаимодействия электронов в материале физики на протяжении многих лет придумывали множество трюков. Эти взаимодействия интересны, помимо прочего, тем, что приводят к технологически важным явлениям, таким как сверхпроводимость.

Однако в большинстве материалов электронные взаимодействия очень слабы и, следовательно, их трудно обнаружить. Один из приемов, который исследователи используют уже некоторое время, заключается в уменьшении энергии движения электронов путем искусственного создания кристаллической решетки с большой постоянной решетки, то есть с большим расстоянием между узлами решетки в кристалле. Таким образом, энергия взаимодействия, которая все еще мала, становится относительно более важной, так что эффекты взаимодействия становятся видимыми.

Однако используемые для этого так называемые муаровые материалы страдают тем недостатком, что внутри них изменяется не только движение электронов относительно обычных кристаллических решеток, но и другие физические процессы, необходимые для изучения материала.

Группа исследователей под руководством Атача Имамоглу из Института квантовой электроники Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработала метод, при котором муаровый материал используется для создания пространственно-периодического электрического поля на расстоянии в соседнем полупроводнике таким образом, что оказывается влияние только на движение электронов в полупроводниковом материале.

Эта методика, опубликованная в журнале Physical Review X, позволит в будущем легче изучать электронные взаимодействия в различных материалах.

Скрученные кристаллические решетки

Муаровые материалы производятся путем отдельного удаления двух слоев материала, каждый толщиной всего в один атом, их легкого скручивания относительно друг друга, а затем их повторного склеивания.

Поскольку кристаллические решетки двух слоев больше не располагаются точно друг над другом, возникает своего рода эффект биения: подобно тому, как две звуковые волны с немного разными частотами приводят к медленному периодическому увеличению и уменьшению громкости звука, в скрученных кристаллических решетках возникает «сверхрешетка» с гораздо большей постоянной решетки, в которой могут перемещаться электроны.

«В нашем новом методе мы также производим муаровый материал, но используем его совершенно по-другому», — говорит Наташа Кипер, аспирантка в группе Имамоглу.

Кипер и ее коллеги используют два слоя гексагонального нитрида бора (искусственно синтезированного твердого вещества, почти такого же твердого, как алмаз), которые скручены менее чем на 2 градуса относительно друг друга.

Это скручивание приводит к периодическому электрическому полю, которое также действует на расстоянии за пределами материала. Под скрученным нитридом бора исследователи помещают атомный слой полупроводника диселенида молибдена. Электрическое поле действует на электроны внутри диселенида молибдена и таким образом создает искусственную кристаллическую решетку.

Детектирование с использованием экситонов

«Большим преимуществом здесь является то, что электрическое поле действует только на электроны в диселениде молибдена, но не на нейтральные экситоны», — говорит Кипер.

Исследователям нужны эти экситоны для изучения электронов. Экситоны создаются, когда электрон в материале возбуждается светом определенной частоты. В результате электрон поднимается на более высокий энергетический уровень и оставляет дефект, также называемый дыркой, на более низком энергетическом уровне.

Затем отрицательно заряженный электрон и положительно заряженная дырка притягиваются друг к другу и объединяются в пару, образуя электрически нейтральный экситон.

Из частоты света, на которой возбуждаются экситоны, исследователи смогли сделать выводы о поведении электронов. Прикладывая электрическое напряжение, они изменяли количество электронов в полупроводнике.

Например, используя частоту возбуждения экситона, они смогли доказать, что когда одна треть или две трети узлов решетки заполнены электронами, они располагаются в регулярной структуре.

Когда число электронов было увеличено еще больше, так что более одного электрона заняли узел решетки, взаимодействия между электронами привели к четко видимому изменению состояний электронов. Такое понимание эффектов сильных взаимодействий помогает физикам понять, например, как некоторые электрические изоляторы могут стать сверхпроводниками, добавляя к ним избыточные электроны.

Применимо к разным материалам

«Наш новый метод интересен еще и тем, что он хорошо контролируем и, в принципе, может применяться ко многим другим материалам», — говорит Имамоглу.

Добавляя дополнительные слои материала, можно изменять силу электрического поля. Более того, в будущем можно будет изучать процессы, в которых электроны перемещаются между двумя слоями. В дополнение к спину, который указывает, в каком направлении ориентирована «стрелка компаса» электрона, электрон также приобретет псевдоспин, направленный вверх или вниз в зависимости от слоя, в котором он находится.

«Мы могли бы использовать это для изучения экзотических физических процессов, таких как так называемые хиральные спиновые жидкости, которые до сих пор никогда не наблюдались экспериментально», — говорит Имамоглу.