Атомы муара и молекула Вигнера 
(а) Схема муаровой сверхрешетки и (b) соответствующий муаровый потенциал при φ = 10°. Его минимумы — муаровые атомы — образуют треугольную решетку. 
(c) Эволюция каждого из основных высоко- и низкоспиновых основных состояний гармонических гелия и лития (с двумя и тремя электронами соответственно) с кулоновской константой связи λ. Общее основное состояние гармонических переходов лития от низкого спина к высокому при λc = 4,34. 
(d) Распределение зарядовой плотности основного высокоспинового состояния муарового лития, включая кристаллическое поле, соответствующее параметрам модели континуума (V = 15 мэВ, aM = 14 нм, φ = 10°, m = 0,5me) без (слева) и с (справа) Кулоновское взаимодействие.
Фото: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.246501.

Полупроводниковые муаровые сверхрешетки представляют собой удивительные материальные структуры, которые оказались многообещающими для изучения коррелированных электронных состояний и явлений квантовой физики. Эти структуры, состоящие из массивов искусственных атомов, расположенных в так называемой муаровой конфигурации, легко настраиваются и характеризуются сильными электронными взаимодействиями.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) недавно провели исследование, дополнительно изучающее эти материалы и лежащую в их основе физику. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, представляет новую теоретическую основу, которая может помочь в изучении муаровых сверхрешеток с большим периодом, что характеризуются слабо взаимодействующими электронами, находящимися в разных потенциальных ямах.

«Наша группа работала над двумерными полупроводниковыми муаровыми материалами в течение пяти лет», — рассказал Phys.org Лян Фу, соавтор статьи. «В этих системах электроны движутся в периодическом потенциальном ландшафте (муаровой сверхрешетке) и взаимодействуют друг с другом посредством кулоновского отталкивания».

Основное преимущество полупроводниковых муаровых сверхрешеток заключается в том, что ими можно легко манипулировать в экспериментальных условиях. В частности, физики могут контролировать плотность электронов внутри них, чтобы изменить свойства их многоэлектронного основного состояния.

«Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на случае содержания одного или менее одного электрона в элементарной муаровой ячейке», — сказал Фу. «Мы решили изучить многоэлектронный режим и посмотреть, есть ли что-нибудь новое».

Прогнозирование поведения многоэлектронных материалов может быть очень сложной задачей. Основная причина этого заключается в том, что эти системы часто содержат различные энергетические масштабы, конкурирующие друг с другом.

«Кинетическая энергия благоприятствует электронной жидкости, в то время как взаимодействие и потенциальная энергия благоприятствуют электронному твердому телу», — объяснил Эйдан Редди, первый автор статьи. «Хорошая особенность муаровых материалов заключается в том, что относительную силу различных энергетических масштабов можно регулировать, варьируя период муара. Воспользовавшись этой возможностью, мы разработали теоретическую основу для изучения муаровых систем с большим периодом, в которых электроны находятся под разными потенциалами».

Теоретическая основа, представленная этой группой исследователей, сосредоточена на поведении отдельных атомов в муаровой сверхрешетке. Редди, Фу и их коллега Тритеп Девакул обнаружили, что этот относительно простой подход все же может помочь пролить свет на различные интересные явления квантовой физики.

Используя свою структуру, учёные представили новую физику, которую можно наблюдать в многоэлектронных муаровых сверхрешетках на основе полупроводников. Например, при коэффициенте заполнения n=3 (т.е. когда каждый муаровый атом в сверхрешетке содержит три электрона) они обнаружили, что кулоновские взаимодействия приводят к образованию так называемой «вигнеровской молекулы». Кроме того, при определенных обстоятельствах (т.е. если их размер сопоставим с периодом муара) они показали, что эти вигнеровские молекулы могут образовывать уникальную структуру, известную как возникающая решетка Кагоме.

Интересные самоорганизующиеся электронные конфигурации, изложенные в статье этой исследовательской группы, вскоре могут быть дополнительно изучены в последующих исследованиях. Кроме того, эти недавно открытые конфигурации могут послужить источником вдохновения для других физиков, позволяя им изучать порядок заряда и квантовый магнетизм в режиме, совершенно незнакомом обычным материалам.

«Наиболее примечательным открытием нашей работы является то, что при особых факторах заполнения электроны самоорганизуются в поразительные конфигурации (молекулы Вигнера) из-за баланса между действующими энергетическими масштабами. Наше предсказание твердого тела Вигнера было подтверждено экспериментально», Тритеп добавлен.

В ближайшем будущем исследователи планируют изучить квантовый фазовый переход между вигнеровскими электронными твердыми телами и электронными жидкостями.