二硒化鎢和二硫化鎢之間形成得莫爾超晶格示意圖，每個(gè)摩爾紋晶胞填充一個(gè)電荷載流子。勞倫斯伯克利China實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)您堆疊兩個(gè)稍微錯(cuò)位得窗紗時(shí)，您可以看到得移動(dòng)、閃爍圖案稱為摩爾紋。當(dāng)科學(xué)家堆疊具有不匹配原子間距得二維晶體時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似得干涉效應(yīng)。莫爾超晶格顯示出構(gòu)成圖案得層中不存在得奇特物理特性。這些特性植根于電子得量子性質(zhì)。

研究人員在由二硒化鎢/二硫化鎢（WSe2/WS2).在這些二維晶體中，電子之間得相互作用變得如此強(qiáng)烈，以至于電子“凍結(jié)”并形成有序陣列。

莫爾超晶格被證明是調(diào)整電子之間相互作用得可靠些游樂場。這些相互作用越強(qiáng)，固體材料得量子力學(xué)性質(zhì)就越突出。這允許形成像非常規(guī)超導(dǎo)性這樣得奇異物質(zhì)狀態(tài)。

研究人員使用激光來“觀察”電子運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)出現(xiàn)困擾其他測量技術(shù)得偽影。他們發(fā)現(xiàn)了一種罕見得物質(zhì)量子態(tài)，這是以前從未在莫爾超晶格中觀察到得。了解和控制電子得量子運(yùn)動(dòng)將使科學(xué)家能夠構(gòu)建未來得微電子設(shè)備和用于量子計(jì)算得魯棒量子比特。

在固體中，電子占據(jù)得能級(jí)形成能帶。莫爾超晶格改變了電子看到得原子周期性，從而改變了能帶。摩爾紋效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致“平坦”帶，其中能級(jí)被擠壓在一起，導(dǎo)致電子降低其動(dòng)能，從而更強(qiáng)烈地感受到它們得相互排斥。

勞倫斯伯克利China實(shí)驗(yàn)室（LBNL）得一組研究人員使用一種新得光學(xué)技術(shù)來觀察電子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)改變注入樣品中得電子數(shù)量。當(dāng)每個(gè)摩爾紋晶胞只注入一個(gè)載流子時(shí)，預(yù)計(jì)電子可以自由移動(dòng)并因此導(dǎo)電。相反，樣品變得絕緣。這一結(jié)果說明了莫特絕緣體狀態(tài)，其中電子相互作用如此強(qiáng)烈，以至于它們避免在同一單元中。如果每個(gè)細(xì)胞都被占用，那么電子就會(huì)停止移動(dòng)。

當(dāng)注入得電子更少，以至于只有一半或三分之一得細(xì)胞被占據(jù)時(shí)，真正得驚喜出現(xiàn)了。在這些低密度下，科學(xué)家們預(yù)計(jì)電子會(huì)更少地感覺到它們得存在并具有高遷移率。然而，樣品變成了絕緣體。在 WSe 中2/WS2，電子相互作用如此強(qiáng)烈，以至于它們甚至避免坐在相鄰得地點(diǎn)。這種罕見得現(xiàn)象被稱為維格納電子晶體。

LBNL研究人員還證明，在WSe2/WS2，具有適當(dāng)偏振得光分別與自旋向上和自旋向下得電子相互作用，從而可以根據(jù)電子得自旋選擇性地改變電子得能量。在這樣做得過程中，他們觀察到自旋激發(fā)比電荷激發(fā)持續(xù)得時(shí)間長幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這為未來研究奇異自旋態(tài)（如量子自旋流動(dòng)性）打開了大門。

相關(guān)研究此前于上年年發(fā)表在《自然》雜志上。

更多信息：Emma C. Regan等人，Warts和WSe2 / WS2莫爾超晶格中得廣義維格納晶體態(tài)，自然（上年）。DOI： 10.1038/s41586-020-2092-4

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