Bilim adamları, 84 yıl önce tahmin edilen Wigner kristalini "sihirli açı" grafende keşfetti
Grafen Esasen bir kurşun kalemdeki siyah pul grafit olan, ancak yalnızca tek bir atom kalınlığında olan karbon atomlarından oluşan bal peteği kristalidir ve iki boyutlu bir malzemedir. Tek katmanlı grafen, ultra düşük sıcaklıkta süper iletkenliğe sahiptir. İki grafen tabakası belirli bir açıda bükülürse ne olur?
Mart ve Nisan 2018'de, MIT bilim adamı Pablo Jarillo-Herrero liderliğindeki ekip, çift katmanlı grafenin belirli bir açıya döndürülmesi durumunda buna " Sihirli boynuz "Grafen - malzeme şu şekilde davranır Mott izolatör (Mott izolatörü). Daha sonra bu yalıtıcıya zayıf bir elektrik alanı, yani elektron katkısı uygulayın ve çift katmanlı grafen gösterecektir. Geleneksel olmayan süperiletkenlik , Yüksek sıcaklıkta süper iletken bakır okside benzer. (Bu keşif, yoğunlaştırılmış madde fiziğinde epey heyecan uyandırdı. Okuyucular, "Beklenmedik Grafen Araştırması Keşfi Yüksek Sıcaklıkta Süperiletkenliğin Gizemini Çözebilir" kitabını okuyabilirler)
Bükülmüş çift katmanlı grafende dönme etkisi: a. Çift katmanlı grafen büküldüğünde, üst tabaka döndürülerek alt levha ile hizalanamaz, böylece birim hücre genişler (kırmızı). b. Küçük bir dönüş açısı için, kısmen üst üste dizilmiş düzenlemenin periyodik olarak değiştiği "hareli desen" görünecektir. | Resim kaynağı: Doğa
geleneksel Bant teorisi Kristalin periyodik potansiyel alanında elektronların hareket ettiği ve elektronlar arasında herhangi bir etkileşim olmadığı varsayılır. Enerji bandı teorisine göre, Mott yalıtkanı bir metal hal gibi davranmalıdır, ancak elektronlar arasındaki güçlü Coulomb etkileşimi, elektronların serbest hareketini engelleyen ve onu bir yalıtım durumu olarak gösteren bir enerji boşluğu oluşturur.
Bununla birlikte, Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bu yalıtım davranışının, malzemenin bir Mott yalıtkanı olması nedeniyle olmadığını buldu. Mott izolatörleri konusunda uzman olan Philip Phillips, MIT ekibinin deneysel verilerini dikkatlice inceledikten sonra, ekibinin "sihirli açı" grafenin yalıtım davranışının Mott yalıtımı olmadığını, ancak daha derin olduğunu bulduğunu söyledi. Wigner kristal (Wigner kristali).
Bu çalışmanın baş yazarı Bikash Padhi şöyle açıkladı: Bir grafen katmanı belirli bir açıda büküldüğünde ve başka bir grafen katmanına yerleştirildiğinde, iki kat petek yapısı birbirini iptal eder ve hareli görünür. MIT ekibi enjekte edildi. Elektronlar, moiré üzerindeki ilave katkılı elektronları inceleyerek anlaşılabilecek yeni fazlar elde ettiler.Elektron yoğunluğunu artırarak, MIT ekibi, bir molar hücre 2 ila 3 elektron içeriyorsa, malzemenin davranacağını gözlemledi. Bu yalıtılmış bir durum. Bunun Mottun yalıtkanının bir örneği olduğunu düşünüyorlar. "
Sol: Altıgen kafes, her bir mol hücresinde metal iletkenliğe sahip sadece bir elektron; Orta: Petek kafes, her bir mol hücresi yalıtkan durumda 2 elektron içerir. Sağda: kagome kafesi, her bir mol hücresi yalıtkan durumda 3 elektron içerir. | Resim kaynağı: Philip Phillips, Illinois Üniversitesi, Ubana-Champaign
Phillips açıkladı: "Bükülmüş çift katmanlı grafenin iki ana nedenden ötürü bir Mott yalıtkanı oluşturmadığından şüpheleniyoruz: Birincisi, geleneksel Mott yalıtkanın iki karakteristik enerji ölçeği vardır, ancak gözlemlenen metal-yalıtkan geçişi yalnızca bir tanesidir. Ölçek: İkinci olarak, MIT ekibinin raporuna göre, bir mol hücresi bir elektron içerdiğinde, malzeme yalıtkan bir durum göstermezken, Mott yalıtkanları için durum genellikle tam tersidir.Bu fenomenler Mottness ile aynıdır. Temel bir tutarsızlık var. "
Peki, Wigner kristali nedir?
1934'te Eugene Wigner ilk kez bir elektron kristal fazı öngördü. İki veya üç boyutlu uzayda tekdüze, atıl, nötr bir arka planda hareket eden elektron gazı, kritik bir değerden daha düşük bir elektron yoğunluğuna sahipse, elektronlar arasındaki Coulomb potansiyel enerjisi kinetik enerjiden daha büyük olacaktır, bu nedenle elektronların uzaysal düzenlemesi önemli hale gelir. Potansiyel enerjiyi olabildiğince küçük hale getirmek için, üç boyutlu uzaydaki elektronlar vücut merkezli bir kübik yapı oluşturacak, iki boyutlu uzaydaki elektronlar üçgen bir kafes oluşturacak ve tek boyutlu elektronlar, eşit olarak ayrılmış bir kafes oluşturacaktır. Wigner kristallerini deneysel olarak gerçekleştirmek zordur, çünkü kuantum dalgalanmalarının gücü Coulomb itmesini aşacak ve hızla düzensizliğe yol açacaktır.
İki boyutlu uzayda üçgen kafes yapılı Wigner kristaller Şekildeki kırmızı üçgenler ve mavi kareler kristaldeki topolojik kusurları temsil eder. | Resim kaynağı: Arunas.rv
Wigner kristalini açıklamak için bir benzetme kullanabiliriz: bir grup insan hayal edin, herkes büyük bir topun içinde, kapalı bir odada etrafta koşuşturuyorlar. Küre görece küçükse, serbestçe hareket edebilirler; ancak küre büyüdükçe, birbirleriyle daha sık çarpışacaklardır, böylece nihayet belirli bir kritik noktaya ulaştıklarında, herkes yerinde sıkışıp kalacaktır. Çünkü herhangi birinin küçük bir hareketi yanındaki kişi tarafından hemen durdurulacaktır. Kristal temelde böyledir. Bu insanlar elektronlara eşdeğerdir ve kürenin boyutu, aralarındaki Coulomb itme gücüne eşittir.
Phillips, "Wigner kristalleri ilk tahmin edildiğinden beri, insanlar net örnekler arıyorlar. Bence bu, Mott izolatörlerinden daha heyecan verici."
Referans kaynağı:
https://physics.illinois.edu/news/article/27521
https://arxiv.org/pdf/1804.01101.pdf
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.8b02033
