Zespół kierowany przez fizyka Urszulę Wurstbauer po raz pierwszy demonstruje zbiorowe zachowanie elektronów w dwuwymiarowych kryształach
Jeśli materiał staje się coraz cieńszy, nadchodzi moment, w którym przechodzi on pozornie cudowną transformację: dwuwymiarowy materiał, który składa się tylko z jednej lub dwóch warstw ciała krystalicznego, czasami przyjmuje zupełnie inne właściwości niż ten sam materiał o większej grubości. Zespół badawczy kierowany przez fizyka prof. Urszulę Wurstbauer z Uniwersytetu w Münster bada, w jaki sposób właściwości dwuwymiarowych kryształów ułożonych jeden na drugim można kontrolować, aby wykazywały różne zachowania, np. jako izolator, przewodnik elektryczny, nadprzewodnik i ferromagnetyk. Aby to zrobić, naukowcy wykorzystali oddziaływania między nośnikami ładunku (elektronami) a tak zwanym „krajobrazem energetycznym” kryształów. Teraz, po raz pierwszy, zespół wygenerował i ilościowo zademonstrował zbiorcze wzbudzenia nośników ładunku w różnych krajobrazach energetycznych. Badanie, które zostało opublikowane w czasopiśmie Listy z przeglądem fizycznymjest pionierska, gdyż pomaga nam zrozumieć właściwości elektroniczne materiałów i sposób, w jaki możemy na nie oddziaływać.
Aby uzyskać różne właściwości, naukowcy umieścili dwie warstwy dwuwymiarowego kryształu na sobie i lekko je skręcili względem siebie. To skręcenie tworzy geometryczne wzory, tzw. wzory mory – podobne do dwóch warstw cienkiej tkaniny zasłonowej położonych jedna na drugiej. Wzory te charakteryzują krajobraz energetyczny i zmuszają elektrony do znacznie wolniejszego poruszania się. Te zmiany powodują, że elektrony intensywnie oddziałują ze sobą, co może prowadzić do tzw. „silnie skorelowanego zachowania”.
„Elektrony ‘czują i widzą’ siebie nawzajem, więc w sąsiedztwie elektronu okazuje się, że miejsce w sieci mory nie może być zajęte lub może być zajęte tylko przy dużym nakładzie energii ze względu na odpychanie zgodnie z prawem Coulomba” — wyjaśnia Ursula Wurstbauer. „Korelacje powstają w zależności od wzoru i liczby elektronów”. Porównuje zachowanie elektronów do ‘dzikiego’ tańca na dyskotece, w przeciwieństwie do bardziej uporządkowanego standardowego tańca towarzyskiego w wzorach mory. „Sposób, w jaki elektrony ‘tańczą’ lub mogą się poruszać we wzorach mory, zależy w dużej mierze od wzoru, liczby nośników ładunku i powstałego krajobrazu energetycznego”.
Właściwości tych systemów materiałowych są interesujące nie tylko w badaniach podstawowych, wskazuje Ursula Wurstbauer. Mogą one również oferować innowacyjne możliwości zastosowań w technologii kwantowej lub w realizacji tak zwanych komponentów i obwodów neuromorficznych.
Zespół, w którego skład weszli naukowcy z Uniwersytetu w Hamburgu, Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie i Instytutu Maxa Plancka ds. Struktury i Dynamiki Materii w Hamburgu, a także grupa badawcza Ursuli Wurstbauer, przygotował różne dwuwymiarowe kryształy (grafen, diselenek molibdenu i diselenek wolframu) i przeanalizował próbki za pomocą metod spektroskopii optycznej w temperaturach kriogenicznych („spektroskopia rozpraszania światła rezonansowego nieelastycznego”). Naukowcy połączyli prace eksperymentalne z analizami teoretycznymi.
