Eksperimenter med vridde, lagdelte kvantematerialer gir et nytt bilde av hvordan elektroner oppfører seg

Et nylig eksperiment beskrevet i journalen Natur utfordrer bildet vårt av hvordan elektroner oppfører seg i kvantematerialer. Ved å bruke stablede lag av et materiale kalt wolframditellurid, har forskere observert elektroner i to dimensjoner som oppfører seg som om de var i en enkelt dimensjon – og i prosessen har de skapt det forskerne hevder er en ny elektronisk materietilstand.

“Dette er virkelig en helt ny horisont,” sa Sanfeng Wu, assisterende professor i fysikk ved Princeton University og seniorforfatter av papiret. “Vi var i stand til å lage en ny elektronisk fase med dette eksperimentet – i utgangspunktet en ny type metallisk tilstand.”

Vår nåværende forståelse av atferden ved samhandling elektroner i metaller kan beskrives med en teori som fungerer godt med to- og tredimensjonale systemer, men brytes ned når man beskriver interaksjonen mellom elektroner i en enkelt dimensjon.

“Denne teorien beskriver flertallet av metallene vi kjenner,” sa Wu. “Den sier at elektroner i metall, selv om de interagerer sterkt, bør oppføre seg som frie elektronerbortsett fra at de kan ha forskjellige verdier i noen karakteristiske mengder, for eksempel masse og magnetisk moment.”

I endimensjonale systemer gir imidlertid denne “Fermi-væsketeorien” plass til en annen teori, “Luttinger-væsketeorien”, for å beskrive interaksjonen mellom elektroner.

“Luttinger væsketeori gir et grunnleggende utgangspunkt for å forstå interagerende elektroner i én dimensjon,” sa Wu. “Elektroner i et endimensjonalt gitter er så sterkt korrelert med hverandre at de på en måte begynner å ikke fungere som frie elektroner.”

Fermi væsketeorien ble først fremmet av nobelprisvinneren LD Landau. Luttingers teori gikk gjennom en lang prosess med foredling før den ble allment akseptert av fysikere. En teoretisk modell ble først foreslått av den japanske nobelprisvinneren Shinichiro Tomonaga på 1950-tallet, sa Wu, og ble uavhengig formulert av JM Luttinger senere i 1963.

Luttinger ga imidlertid en utilstrekkelig løsning, og derfor tok Princeton-matematiker og fysiker Elliott Lieb, i dag Eugene Higgins-professor i fysikk, emeritus, opp utfordringen i 1965, og ga til slutt en riktig løsning. En annen fysiker og nobelprisvinner, F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysikk, brukte deretter modellen i 1981 for å forstå interaksjonseffektene av endimensjonale metaller. Haldane laget begrepet “Luttinger væsker” og la grunnlaget for den moderne teorien om Luttinger væsker som en generell beskrivelse av endimensjonale metaller.

I lang tid har disse to teoriene – Fermi væsketeorien og Luttinger væsketeorien – vært sentrale i vår forståelse av elektronenes oppførsel i kondensert materiefysikk, i henhold til deres dimensjonalitet.

Men det har vært antydninger om at interaksjonene mellom elektroner er mye mer komplekse enn denne enkle klassifiseringen. Philip Anderson, en annen nobelprisvinner og Princeton-fysiker, foreslo på 1990-tallet at det kunne være visse “eksotiske” tilfeller der elektronenes oppførsel i todimensjonale systemer, i sjeldne tilfeller, også kunne følge spådommene til Luttingers væsketeori. Med andre ord, selv om elektronene i todimensjonale systemer vanligvis forklares av Fermi-væsketeorien, lurte Anderson på om disse elektronene kontraintuitivt kunne oppføre seg som en Luttinger-væske, som om de var i et endimensjonalt system.

Dette var stort sett hypotetisk. Det var ingen eksperimenter som kunne kobles til disse eksotiske tilfellene, sa Wu.

Inntil nå.

Gjennom eksperimentering oppdaget Wu og teamet hans at elektroner i en spesiallaget todimensjonal materialstruktur, når de ble avkjølt til svært lave temperaturer, plutselig begynte å oppføre seg som forutsagt av Luttingers væsketeori. Med andre ord, de oppførte seg som korrelerte elektroner i en endimensjonal tilstand.

Forskerne utførte eksperimentet sitt ved å bruke et materiale kalt wolfram ditelluride (WTe₂), en lagdelt halvmetall. Et halvmetall er en forbindelse som har mellomliggende egenskaper som plasserer den mellom metaller og isolatorer. Princeton-forskerne Leslie Schoop, assisterende professor i kjemi, og Robert Cava, Russell Wellman Moore-professoren i kjemi, og teamene deres skapte wolfram-ditelluridkrystaller av høyeste kvalitet. Wus team laget deretter enkelt atomlag av dette materialet, og stablet to av dem sammen vertikalt for studien.

“Vi stablet monolag av wolfram ditelluride oppå hverandre og brukte en vinkelvridning på enten 5 eller 6 grader,” sa Pengjie Wang, medforfatter av artikkelen og en postdoktor. Dette skapte et stort rektangulært gitter kalt et moiré-mønster, som ligner en vanlig fransk tekstildesign.

Teamet hadde opprinnelig tenkt å observere hvordan vridningsvinkelen ville påvirke de andre typene kvantefenomener i wolfram-ditelluridet. Men det de fant forbauset dem.

“Til å begynne med ble vi forvirret over resultatene,” sa Wang. — Men det viste seg å stemme.

Forskerne observerte at elektronene, i stedet for å virke fritt, begynte å samle seg sterkt i en lineær matrise som indikerer elektroner i et endimensjonalt system.

“Det du har her er egentlig en todimensjonal metallisk tilstand som ikke er beskrevet av standard Fermi væsketeori,” sa Wu. «For første gang finner vi en helt ny elektronisk fase av materie i to dimensjoner beskrevet av Luttinger-væsken teori.”

Guo Yu, med-førsteforfatter på papiret og en doktorgradsstudent i elektro- og datateknikk, beskrev egenskapene til materialet som bemerkelsesverdig vekslebare mellom enten uniform i alle retninger (isotropisk) eller varierende sterkt i fysiske egenskaper når de måles i forskjellige retninger ( anisotropisk).

“Det som er unikt for vårt vridde tolags wolfram-ditelluridsystem er at, i motsetning til de fleste andre monolagsmaterialer og deres moiré-supergitter som er isotrope, er moiré-mønsteret i prøven vår svært anisotropisk, avgjørende for å være vert for endimensjonal fysikk,” Yu sa.

En ny metallfase kan høres ut som den ville ha mange praktiske anvendelser, men Wu advarte om at dette er foreløpig forskning. Før slike søknader kan realiseres, sa han, må det utføres ytterligere arbeid.

Ikke desto mindre er Wu optimistisk med tanke på fremtiden. “Dette kan bidra til å åpne et helt nytt vindu for å se på nye kvantefaser av materie,” sa han. “I de kommende årene vil vi se mange nye funn som kommer ut av denne forskningen.”

---

---