Explorer une nouvelle physique issue des interactions électroniques dans les super-réseaux moirés de semi-conducteurs

Atomes de moiré et molécule de Wigner (a) Schéma du super-réseau de moiré et (b) potentiel de moiré correspondant à ϕ =10°. Ses minima, atomes moirés, forment un réseau triangulaire. (c) Evolution de chacun des états fondamentaux de spin élevé et faible de l'hélium et du lithium harmoniques (avec respectivement deux et trois électrons) avec la constante de couplage coulombienne λ. L’état fondamental global du lithium harmonique passe d’un spin faible à un spin élevé à λc =4,34. (d) Distribution de la densité de charge de l'état fondamental à haut spin du lithium moiré incluant un champ cristallin correspondant aux paramètres du modèle de continuum (V =15meV, aM =14 nm, ϕ =10°, m =0,5me) sans (à gauche) et avec (à droite) Interaction coulombienne. Crédit :*Lettres d'examen physique* (2023). DOI :10.1103/PhysRevLett.131.246501

Les super-réseaux de moiré semi-conducteurs sont des structures matérielles fascinantes qui se sont révélées prometteuses pour l’étude des états électroniques corrélés et des phénomènes de physique quantique. Ces structures, constituées de réseaux d'atomes artificiels disposés dans une configuration dite moirée, sont hautement accordables et caractérisées par de fortes interactions électroniques.

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment mené une étude explorant davantage ces matériaux et leur physique sous-jacente. Leur article, publié dans Physical Review Letters , introduit un nouveau cadre théorique qui pourrait éclairer l'étude des super-réseaux moirés à grande période, caractérisés par des électrons faiblement interagissant résidant dans différents puits de potentiel.

"Notre groupe travaille depuis cinq ans sur des matériaux semi-conducteurs moirés bidimensionnels", a déclaré Liang Fu, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Dans ces systèmes, les électrons se déplacent dans un paysage potentiel périodique (le super-réseau moiré) et interagissent les uns avec les autres par répulsion coulombienne."

Le principal avantage des super-réseaux semi-conducteurs moirés est qu’ils peuvent facilement être manipulés dans des contextes expérimentaux. Plus précisément, les physiciens peuvent contrôler la densité des électrons en leur sein pour modifier la propriété de leur état fondamental à plusieurs électrons.

"La plupart des études précédentes se sont concentrées sur le cas de la présence d'un ou de moins d'un électron par cellule unitaire de moiré", a déclaré Fu. "Nous avons décidé d'explorer le régime multiélectronique et de voir s'il y a quelque chose de nouveau."

Prédire le comportement des matériaux multiélectroniques peut s’avérer très difficile. La principale raison en est que ces systèmes contiennent souvent différentes échelles d'énergie qui se font concurrence.

"L'énergie cinétique favorise un électron liquide, tandis que l'interaction et l'énergie potentielle favorisent un électron solide", a expliqué Aidan Reddy, premier auteur de l'article. "Ce qui est bien avec les matériaux moirés, c'est que la force relative des différentes échelles d'énergie peut être ajustée en faisant varier la période du moiré. Profitant de cette accordabilité, nous avons développé un cadre théorique pour étudier les systèmes moirés à grande période, dans lesquels les électrons résidant sur différents potentiels les puits sont faiblement couplés."

Le cadre théorique introduit par cette équipe de chercheurs se concentre sur le comportement des atomes individuels dans le super-réseau moiré. Reddy, Fu et leur collègue Trithep Devakul ont découvert que cette approche relativement simple pouvait encore aider à faire la lumière sur divers phénomènes intéressants de physique quantique.

En utilisant leur cadre, les chercheurs ont dévoilé une nouvelle physique qui pourrait être observée dans les super-réseaux moirés multiélectroniques à base de semi-conducteurs. Par exemple, à un facteur de remplissage n =3 (c'est-à-dire lorsque chaque atome de moiré dans un super-réseau contient trois électrons), ils ont découvert que les interactions coulombiennes conduisaient à la formation de ce qu'on appelle la « molécule de Wigner ». De plus, dans des circonstances spécifiques (c'est-à-dire si leur taille est comparable à la période de moiré), ils ont montré que ces molécules de Wigner pouvaient former une structure unique connue sous le nom de réseau de Kagome émergent.

Les intéressantes configurations électroniques auto-organisées décrites dans l’article de cette équipe de recherche pourraient bientôt être explorées plus en détail dans des études de suivi. De plus, ces configurations nouvellement découvertes pourraient servir d'inspiration à d'autres physiciens, leur permettant d'étudier l'ordre des charges et le magnétisme quantique dans un régime assez peu familier aux matériaux conventionnels.

"La découverte la plus remarquable de notre travail est que, avec des facteurs de remplissage particuliers, les électrons s'auto-organisent en configurations frappantes (molécules de Wigner) en raison d'un équilibre entre les échelles d'énergie en jeu. Notre prédiction du solide de Wigner a été confirmée expérimentalement", Trithep ajouté.

À court terme, les chercheurs prévoient d'étudier la transition de phase quantique entre les solides électroniques de Wigner et les liquides électroniques.

Plus d'informations : Aidan P. Reddy et al, Atomes artificiels, molécules de Wigner et réseau de Kagome émergent dans les super-réseaux semi-conducteurs moirés, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.246501

Hongyuan Li et al, Cristaux moléculaires Wigner provenant d'atomes artificiels moirés multi-électrons, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2312.07607

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv