Dans les années récentes, les ingénieurs électroniciens ont expérimenté de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés pour étudier les phénomènes de corrélation électronique. Les matériaux moirés de Van der Waals (vdW) sont particulièrement prometteurs pour l'examen de ces phénomènes. Les matériaux VdW sont composés de couches bidimensionnelles (2D) fortement liées qui sont liées dans la troisième dimension par des forces de dispersion plus faibles.

Le terme moiré, d'autre part, fait référence à un motif spécifique produit lorsqu'un motif réglé opaque avec des espaces est placé sur un motif similaire. Des études ont récemment dévoilé des états isolants robustes et corrélés à des facteurs de remplissage entiers et fractionnaires de matériaux semi-conducteurs avec un motif moiré.

Des chercheurs de l'Université Cornell et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon ont récemment mené une étude explorant les propriétés thermodynamiques de ces états corrélés robustes. Leur papier, Publié dans Nature Nanotechnologie , a finalement montré que la capacité (c'est-à-dire, la capacité d'un système à stocker une charge électrique) peut jouer un rôle clé dans la détection des états corrélés des matériaux semi-conducteurs moirés.

Cette étude récente était en partie basée sur un effort de recherche antérieur de la même équipe, qui a dévoilé la présence d'une abondance de cristaux d'électrons dans les matériaux semi-conducteurs moirés. L'un des principaux objectifs de la nouvelle étude de l'équipe était de mieux comprendre ces états des cristaux d'électrons en collectant des mesures thermodynamiques.

"Notre étude s'inspire également des calculs théoriques de notre ami Veit Elser, qui est co-auteur de l'article, " Kin Fai Mak, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "Veit a calculé la capacité d'un condensateur à plaques parallèles qui a l'échantillon comme une plaque et une grille métallique comme une autre plaque."

Typiquement, la capacité d'un condensateur à plaques parallèles tel que celui étudié par Elser ne serait définie que par sa géométrie (par exemple, la distance entre les deux plaques). Étonnamment, cependant, ses calculs suggèrent que la capacité lorsque la plaque échantillon est dans un mélange de phases de cristaux d'électrons pourrait en fait être infinie.

"Cela pourrait être énorme, car il peut améliorer considérablement la capacité de l'appareil à stocker la charge, " dit Mak.

Pour tester cette idée expérimentalement, Mak et ses collègues ont mesuré la capacité d'un condensateur parallèle qui a l'échantillon d'intérêt (c'est-à-dire, l'échantillon moiré) comme une plaque et une fine feuille de métal comme deuxième plaque.

"Les deux plaques étaient séparées par une distance expérimentalement variable, " Mak a déclaré. "La capacité est intimement liée à la compressibilité électronique (une quantité thermodynamique) de l'échantillon, qui est une mesure de la compressibilité des électrons lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique externe."

L'équipe a soigneusement mesuré à quel point les électrons de leur échantillon étaient compressibles lorsqu'ils étaient exposés à un champ électrique externe en fonction de la densité électronique et de la température. Cela leur a permis de dériver deux mesures thermodynamiques supplémentaires (c. l'entropie électronique et la capacité thermique massique) à partir des données existantes, en utilisant des règles reconnues et établies de relations thermodynamiques.

"L'une des réalisations les plus importantes de notre étude a été une amélioration significative de la capacité mesurée par rapport à la valeur géométrique, " dit Mak. " Au meilleur de notre connaissance, il s'agit probablement de l'amélioration la plus importante signalée à ce jour. En raison de troubles de l'échantillon, cependant, l'amélioration observée est loin d'être infinie comme prédit par les calculs originaux de Veit. On pourrait imaginer une amélioration supplémentaire de la capacité avec de meilleurs échantillons à l'avenir."

Les découvertes récentes recueillies par cette équipe de chercheurs pourraient avoir des implications importantes pour le développement d'appareils électroniques. En réalité, leurs travaux démontrent que la capacité des super-réseaux semi-conducteurs moirés peut être considérablement améliorée, ce qui signifie que le stockage de charge des dispositifs constitués de ces matériaux pourrait être amélioré.

En outre, l'équipe a rassemblé des mesures quantitatives précieuses des propriétés thermodynamiques des états des cristaux d'électrons dans les super-réseaux semi-conducteurs moirés. À l'avenir, ces mesures pourraient aider à mieux comprendre la nature de ces états exotiques de la matière.

"La mesure thermodynamique est une compétence importante en physique, car il aide à comprendre la nature de nombreux états quantiques émergents de la matière, " Mak a ajouté. " Il y a tellement d'états exotiques récemment découverts dans les matériaux moirés (par exemple, supraconductivité, isolants corrélés, cristaux d'électrons, effet Hall anormal quantique, etc.). Réaliser des études thermodynamiques sur ces états permettra certainement de comprendre certains des mystères de ce domaine de recherche. En général, La mesure de la capacité est un outil de diagnostic très utile pour les questions quantiques."

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