研究人员定制原子级薄固体中电子的相互作用

雷根斯堡和马尔堡的物理学家通过简单地用具有手工挑选的晶格动力学的晶体覆盖它来定制原子级薄固体中电子的相互作用。在一立方厘米的固体中,通常有 10 23 个电子。在这个庞大的多体系统中,看似简单的成对电子-电子相互作用会导致极其复杂的相关性和奇异行为,例如超导性。这种量子现象将固体变成了完美的导体,它携带着无耗散的电流。通常,这种行为是特定固体的正常特征。然而,原子级薄层状材料的发现,例如石墨烯(一种单层石墨)或过渡金属二硫属化物(TMDC),开启了一个新的创意实验室,可以定制电子-电子相互作用和形状相变。例如,通过堆叠石墨烯层在特定角度下,可以产生超导行为。然而,理论还预测,将电子与称为声子的晶格的量子化振动耦合可能会严重影响电子相互作用的方式。

由 Rupert Huber 领导的雷根斯堡物理学家与马尔堡菲利普大学的 Ermin Malic 小组合作,现在提出了一个新想法,通过耦合到相邻层的极性晶格振动来微调电子之间的相互作用。这种情况可以通过简单地用石膏覆盖层覆盖 TMDC 单层来实现,石膏是一种常用于石膏模型的材料。

为了测量电子和声子之间的耦合强度,物理学家首先用超短激光脉冲激发半导体 TMDC 单层中的电子,在其原始位置留下相应的孔。电子和空穴携带相反的电荷,因此通过它们的库仑引力相互结合——就像电子与氢原子中的原子核结合一样——形成所谓的激子。通过随后用红外线中的超短光脉冲观察它们的类原子能量结构,可以校准两个粒子之间的相互作用。

令人惊讶的发现是,一旦 TMDC 层被薄石膏盖覆盖,激子的结构就发生了实质性的改变。“石膏层仅仅在空间上接近就足以将激子的内部结构与石膏的极点晶格振动强烈耦合,”该研究的第一作者菲利普·默克尔说。

尽管这种耦合机制将不同原子级薄层中的电子和声子连接起来,但它们之间的相互作用非常强烈,以至于它们基本上合并成新的混合粒子。一旦研究人员发现了,就开始与这个新的量子效应打:通过将基本上惰性的第三原子级薄的层作为TMDC和石膏之间的间隔物,他们设法调整电子和声子与原子精度之间的空间距离.

“这种策略使我们能够以更高的精度微调耦合强度,”通讯作者 Chaw-Keong Yong 博士补充道。“这些发现可以开辟新的途径来定制二维材料中的电子相关性。在未来,这可以实现人工堆叠异质结构中的人造相变和新的物理量子特性,这可以在预期的无损电子和量子信息中找到应用设备。”

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