Svetlost otkriva unutrašnje kretanje u elektronskim kristalima i može izazvati njihovo topljenje

Elektroni, čestice koje nose negativan električni naboj, tipično se kreću kroz materijale. Međutim, pri niskim gustinama i temperaturama, električno odbijanje između njih može prevladati njihovu tendenciju da se kreću, podstičući ih da se rasporede u uređene obrasce poznate kao Vignerovi kristali.

Nasuprot običnim kristalima, koji se sastoje od atoma raspoređenih u ponavljajućem obrascu, Vignerovi kristali su uređeni rasporedi elektrona u pravilnim obrascima nalik kristalima unutar materijala.

Preporučujemo

Ovi elektronski kristali predstavljaju dragocene platforme za testiranje fundamentalnih teorija o interakcijama čestica i proučavanje kvantnih faznih prelaza. Pouzdani metodi za njihovo kontrolisanje takođe bi mogli pomoći razvoju budućih elektronskih, optoelektronskih, spintroničkih i kvantnih uređaja.

Istraživači sa Univerziteta u Merilendu, Federalnog instituta za tehnologiju u Cirihu i drugih institucija nedavno su ispitali Vignerov kristal u jednom, atomski tankom sloju volfram-diselenida, koji pripada porodici materijala zvanih dihalkogenidi prelaznih metala. Njihov rad predstavlja novi pristup ispitivanju vibracija elektronske rešetke i manipulaciji delom njene unutrašnje dinamike.

„Otkrili smo Vignerove kristale u molibden-diselenidu pre nekoliko godina”, kažu naučnici. „Ispostavilo se da i drugi dihalkogenidi prelaznih metala imaju slična svojstva. Vignerove kristale je teško realizovati, a naše studije iz 2021. godine pokazuju da su oni iznenađujuće stabilni u 2D materijalima. Dakle, prirodno pitanje bilo je da li bismo mogli da posmatramo Vignerove kristale i u drugom materijalu, volfram-diselenidu, što bi potencijalno rešilo mnoge misterije u pogledu Vignerovih kristala u 2D materijalima”.

Realizacija, detekcija i manipulacija elektronskog kristala

Oslanjajući se na ranije osmatranje Vignerovih kristala u molibden-diselenidu, istraživači su pokušali da detektuju ove kristale u drugom dihalkogenidu prelaznih metala. Fokusirali su se na volfram-diselenid, slojeviti poluprovodni materijal često korišćen za izradu optoelektronskih uređaja.

Napravili su uređaj koji sadrži jedan sloj volfram-diselenida između dva izolaciona lista heksagonalnog bor-nitrida. Dodali su i grafitne kapije, komponente koje su im omogućile da kontrolišu broj elektrona.

Ohladili su uređaj na nisku temperaturu od 5 Kelvina (−268 stepeni Celzijusovih). Na ovoj temperaturi i kad je gustina elektrona dovoljno mala, kretanje elektrona postaje dovoljno slabo da ih njihovo međusobno električno odbijanje organizuje u Vignerov kristal.

„Kad smo sproveli ovaj eksperiment, ne samo da smo osmotrili Vignerove kristale, već i dodatne odlike u optičkim studijama”, kažu naučnici. „Zatim smo prilično dugo pokušavali da razumemo te dodatne optičke odlike i shvatili smo da potiču od fonona Vignerovog kristala — vibracija kristala. Tako je naše početno otkriće bilo donekle slučajno”.

Da bi detektovali Vignerov kristal i proučili njegove unutrašnje vibracije, istraživači su usmerili svetlost na materijal i izmerili koliko snažno reflektuje različite talasne dužine. Deo dolazeće svetlosti je stvorio eksitone koji su stupili u interakciju sa Vignerovim kristalima i lokalno poremetili uređenu elektronsku rešetku.

„Ako zamislite Vignerov kristal kao pravilnu rešetku elektrona, mi stvaramo par elektron–šupljina, poznat kao eksiton. Pošto eksiton može stupiti u interakciju sa elektronima, on će malo pomeriti elektrone unutar kristala; drugim rečima, eksiton može deformisati rešetku Vignerovog kristala“, kažu istraživači.

„Ono što otkrivamo jeste da u optici možemo videti ne samo apsorpciju od samog eksitona, već i od eksitona sa distorzijom rešetke. U fizici često kažemo da je eksiton 'odeven' distorzijom rešetke (Vignerovi fononi) — i to nazivamo Vignerov polaron”.

Analiziranjem spektra refleksije generisanih eksitona ispitane su karakteristične vibracije Vignerovih kristala u volfram-diselenidu. Zatim su upotrebljene različite tehnike za manipulaciju kristalima.

Prvo su korišćene optičke metode za kontrolu spinova Vignerovog kristala. Možete zamisliti elektrone kao male magnete — to je unutrašnje svojstvo elektrona — i njihovi magnetni momenti mogu pokazivati gore ili dole. Kad želite da manipulišete spinovima elektrona obično se koristi magnetno polje.

„Ovde možemo da usmerimo cirkularno polarizovanu svetlost na uzorak i to inicira spinove elektrona u jednom određenom smeru. Dakle, umesto da koristimo magnetno polje za promenu spinova, sad možemo koristiti svetlost za manipulaciju”, kažu naučnici.

Drugi način za manipulaciju Vignerovim kristalom jeste topljenje, ili, drugim rečima, podsticanje elektrona da izgube svoj uređeni raspored sličan kristalu i pređu u neuređenije elektronsko stanje. Prvo je povećana optička snaga radi generisanja velike populacije eksitona u materijalu.

Merenja su ukazivala da su eksitoni destabilizovali Vignerov kristal i umekšali njegove vibracije. Međutim, precizan mehanizam iza ovog procesa optičkog topljenja ostaje nejasan.

„Otkrili smo da, kad je prisutna velika populacija eksitona, Vignerov kristal postaje manje stabilan — veća je verovatnoća topljenja — i zapravo vidimo da energija fonona postaje manja”, kažu istraživači.

„Postoji mnogo različitih mogućnosti zašto se to dešava, ali jedan mogući razlog je to što eksitoni mogu da zaklone Kulonove interakcije između elektrona, što čini Vignerov kristal znatno mekšim. Tako da sad imamo metod da netermički promenimo kristalnu fazu i indukujemo fazni prelaz, potencijalno veoma velikom brzinom”.

Novi način kontrolisanja elektronskih stanja

Pomoću pristupa zasnovanog na svetlosti, istraživači su uspeli da direktno ispitaju unutrašnje vibracije Vignerovog kristala, manipulišu njegovim elektronskim spinovima i indukuju njegovo topljenje, sve bez primene spoljnog magnetnog polja. U budućnosti bi se isti metodi mogli koristiti za proučavanje Vignerovih kristala u drugim materijalima.

„Uobičajeno je da se vibracije atomskih kristala proučavaju infracrvenom ili Ramanovom spektroskopijom, ali su Vignerovi kristali toliko krhki da je veoma teško ispitati njihovu unutrašnju dinamiku. Prilično iznenađujuće, pokazali smo da se ove vibracije mogu videti optički. Ovo će nam omogućiti da dizajniramo dalje eksperimente u cilju manipulacije fononima ovih kristala i indukovanja faznih prelaza — tako se dodaje još jedan način za promenu njihovih svojstava”, kažu naučnici.

Optički pristup bi mogao otvoriti nove puteve za kontrolu elektronskih stanja, optičkih odgovora i spinskih svojstava materijala u snažnoj interakciji. Ako to bude dalje razvijano, na kraju bi moglo doprineti napretku elektronskih, optoelektronskih, spintroničkih i kvantnih tehnologija.

„Zaista smo uzbuđeni zbog ovih metoda — sad možemo optički detektovati i manipulisati Vignerove kristale. Razvijamo različite načine korišćenja optičkih signala za promenu faze kristala i razmišljamo o nekim potencijalnim primenama ovih tehnologija”.

(Telegraf Nauka/Phys.org)