Les matériaux ayant un excès d'électrons sont généralement des conducteurs. Cependant, les motifs moirés—les motifs d'interférence qui surviennent généralement lorsqu'un objet avec un motif répétitif est placé sur un autre avec un motif similaire—peuvent supprimer la conductivité électrique, une étude menée par des physiciens de l'Université de Californie, Bord de rivière, a trouvé.

Dans le laboratoire, les chercheurs ont superposé une monocouche unique de disulfure de tungstène (WS 2 ) sur une monocouche de diséléniure de tungstène (WSe 2 ) et aligné les deux couches l'une contre l'autre pour générer des motifs moirés à grande échelle. Les atomes dans les deux WS 2 et WSe 2 les couches sont disposées en un réseau en nid d'abeilles bidimensionnel avec une périodicité, ou intervalles récurrents, de beaucoup moins de 1 nanomètre. Mais lorsque les deux réseaux sont alignés à 0 ou 60 degrés, le matériau composite génère un motif moiré avec une périodicité beaucoup plus grande d'environ 8 nanomètres. La conductivité de ce système 2D dépend du nombre d'électrons placés dans le motif moiré.

"Nous avons découvert que lorsque le motif moiré est partiellement rempli d'électrons, le système présente plusieurs états isolants par opposition aux états conducteurs attendus d'une compréhension conventionnelle, " dit Yongtao Cui, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'UC Riverside, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Les pourcentages de remplissage se sont avérés être des fractions simples comme 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, etc. Le mécanisme de ces états isolants est la forte interaction entre les électrons qui restreint les électrons mobiles dans les cellules moirées locales. Cette compréhension peut aider à développer de nouvelles façons de contrôler la conductivité et à découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs."

Les résultats de l'étude paraissent aujourd'hui dans Physique de la Nature.

Les motifs moirés générés sur le matériau composite de WS 2 et WSe 2 peut être imaginé avec des puits et des crêtes disposés de la même manière dans un motif en nid d'abeille.

"WS 2 et WSe 2 avoir un léger décalage en ce qui concerne la taille du réseau, ce qui les rend idéales pour produire des motifs moirés, " dit Cui. " Plus loin, le couplage entre les électrons devient fort, ce qui signifie que les électrons « se parlent » tout en se déplaçant à travers les crêtes et les puits. »

Typiquement, lorsqu'un petit nombre d'électrons sont placés dans une couche 2-D telle que WS 2 ou WS 2 , ils ont assez d'énergie pour voyager librement et au hasard, faire du système un conducteur. Le laboratoire de Cui a découvert que lorsque des réseaux moirés sont formés en utilisant les deux WS 2 et WSe 2 , résultant en un motif périodique, les électrons commencent à ralentir et à se repousser.

"Les électrons ne veulent pas rester proches les uns des autres, " a déclaré Xiong Huang, le premier auteur de l'article et un doctorant au Microwave Nano-Electronics Lab de Cui. "Lorsque le nombre d'électrons est tel qu'un électron occupe chaque hexagone moiré, les électrons restent bloqués en place et ne peuvent plus se déplacer librement. Le système se comporte alors comme un isolant."

Cui a comparé le comportement de ces électrons à une distanciation sociale pendant une pandémie.

« Si les hexagones peuvent être imaginés comme des maisons, tous les électrons sont à l'intérieur, un par foyer, et ne pas se déplacer dans le quartier, " dit-il. " Si nous n'avons pas un électron par hexagone, mais ont plutôt 95% d'occupation des hexagones, ce qui signifie que certains hexagones à proximité sont vides, alors les électrons peuvent encore se déplacer un peu à travers les cellules vides. C'est alors que le matériau n'est pas un isolant. Il se comporte comme un mauvais conducteur."

Son laboratoire a pu affiner le nombre d'électrons dans le WS 2 - WS 2 composite en treillis afin de modifier l'occupation moyenne des hexagones. Son équipe a découvert que des états isolants se produisaient lorsque l'occupation moyenne était inférieure à un. Par exemple, pour une occupation du tiers, les électrons occupaient un hexagone sur deux.

"En utilisant l'analogie de la distanciation sociale, au lieu d'une séparation de 6 pieds, vous avez maintenant une séparation de, dire, 10 pieds, " dit Cui. " Ainsi, lorsqu'un électron occupe un hexagone, il oblige tous les hexagones voisins à être vides afin de respecter la règle plus stricte de distanciation sociale. Lorsque tous les électrons suivent cette règle, ils forment un nouveau motif et occupent un tiers des hexagones totaux dans lesquels ils perdent à nouveau la liberté de se déplacer, conduisant à un état isolant.

L'étude montre que des comportements similaires peuvent également se produire pour d'autres fractions d'occupation telles que 1/4, 1/2, et 1/6, chacun correspondant à un modèle d'occupation différent.

Cui a expliqué que ces états isolants sont causés par de fortes interactions entre les électrons. Cette, il ajouta, est la répulsion de Coulomb, la force de répulsion entre deux charges positives ou deux charges négatives, tel que décrit par la loi de Coulomb.

Il a ajouté que dans les matériaux 3-D, les interactions électroniques fortes sont connues pour donner naissance à diverses phases électroniques exotiques. Par exemple, ils contribuent probablement à la formation d'une supraconductivité non conventionnelle à haute température.

"La question à laquelle nous n'avons toujours pas de réponse est de savoir si les structures 2D, le genre que nous avons utilisé dans nos expériences, peut produire une supraconductivité à haute température, " dit Cui.

Prochain, son groupe travaillera sur la caractérisation de la force des interactions électroniques.

"La force d'interaction des électrons détermine en grande partie l'état d'isolation du système, " a déclaré Cui. "Nous sommes également intéressés à pouvoir manipuler la force de l'interaction des électrons."