Comme des enfants agités qui posent pour un portrait de famille, les électrons ne resteront pas immobiles assez longtemps pour rester dans n'importe quel type d'arrangement fixe.

Les chercheurs de Cornell ont empilé des semi-conducteurs bidimensionnels pour créer une structure de super-réseau moiré qui piège les électrons dans un motif répétitif, formant finalement le cristal de Wigner longtemps hypothétique.

Maintenant, une collaboration dirigée par Cornell a développé un moyen d'empiler des semi-conducteurs bidimensionnels et de piéger les électrons dans un motif répétitif qui forme un cristal spécifique et à long terme.

Le papier de l'équipe, "États isolants corrélés aux remplissages fractionnaires des super-réseaux moirés, " publié le 11 novembre dans La nature . L'auteur principal de l'article est le chercheur postdoctoral Yang Xu.

Le projet est né du laboratoire partagé de Kin Fai Mak, professeur agrégé de physique à la Faculté des arts et des sciences, et Jie Shan, professeur de physique appliquée et d'ingénierie à la Faculté des sciences de l'ingénieur, les co-auteurs principaux de l'article. Les deux chercheurs sont membres de l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique; ils sont venus à Cornell dans le cadre de l'initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) du prévôt.

Un cristal d'électrons a été prédit pour la première fois en 1934 par le physicien théoricien Eugene Wigner. Il a proposé que lorsque la répulsion résultant d'électrons chargés négativement - appelées répulsions de Coulomb - domine l'énergie cinétique des électrons, un cristal se formerait. Les scientifiques ont essayé diverses méthodes pour supprimer cette énergie cinétique, comme mettre des électrons sous un champ magnétique extrêmement grand, environ un million de fois celle du champ magnétique terrestre. La cristallisation complète reste insaisissable, mais l'équipe Cornell a découvert une nouvelle méthode pour y parvenir.

"Les électrons sont de la mécanique quantique. Même si vous ne leur faites rien, ils secouent spontanément tout le temps, " a déclaré Mak. "Un cristal d'électrons aurait en fait tendance à fondre parce qu'il est si difficile de garder les électrons fixés selon un schéma périodique."

La solution des chercheurs a donc été de construire un véritable piège en empilant deux monocouches semi-conductrices, le disulfure de tungstène (WS2) et le diséléniure de tungstène (WSe2), développé par des partenaires de l'Université de Columbia. Chaque monocouche a une constante de réseau légèrement différente. Lorsqu'ils sont jumelés, ils créent une structure de superréseau moiré, qui ressemble essentiellement à une grille hexagonale. Les chercheurs ont ensuite placé des électrons dans des sites spécifiques du motif. Comme ils l'ont trouvé dans un projet antérieur, la barrière énergétique entre les sites verrouille les électrons en place.

"Nous pouvons contrôler l'occupation moyenne des électrons sur un site de moiré spécifique, " dit Mak.

Compte tenu du motif complexe d'un super-réseau moiré, combiné avec la nature nerveuse des électrons et la nécessité de les mettre dans un arrangement très spécifique, les chercheurs se sont tournés vers Veit Elser, professeur de physique et co-auteur de l'article, qui a calculé le rapport d'occupation par lequel différents arrangements d'électrons s'auto-cristallisent.

Cependant, le défi des cristaux Wigner n'est pas seulement de les créer, mais en les observant, trop.

"Vous devez atteindre les bonnes conditions pour créer un cristal d'électrons, et en même temps, ils sont aussi fragiles, " dit Mak. " Tu as besoin d'un bon moyen de les sonder. Vous ne voulez pas vraiment les perturber de manière significative tout en les sondant."

L'équipe a conçu une nouvelle technique de détection optique dans laquelle un capteur optique est placé à proximité de l'échantillon, et toute la structure est prise en sandwich entre des couches isolantes de nitrure de bore hexagonal, créé par des collaborateurs de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. Étant donné que le capteur est séparé de l'échantillon d'environ deux nanomètres, cela ne perturbe pas le système.

La nouvelle technique a permis à l'équipe d'observer de nombreux cristaux d'électrons avec différentes symétries cristallines, des cristaux de Wigner à réseau triangulaire aux cristaux auto-alignés en rayures et dimères. En faisant cela, l'équipe a démontré comment des ingrédients très simples peuvent former des motifs complexes, à condition qu'ils restent immobiles assez longtemps.