Loading ...В некоторых твердых материалах при определенных условиях взаимные кулоновские взаимодействия формируют электроны в многочастичные коррелированные состояния, например, в кристаллах Вигнера, которые по сути представляют собой твердые тела, состоящие из электронов. До сих пор кристаллическое состояние Вигнера остается чувствительным к различным экспериментальным возмущениям. Выявление их внутренней структуры и расположения на атомном уровне оказалось более сложной задачей.
Исследователи из Фуданского университета представили новый подход к изучению кристаллического состояния Вигнера в сильно коррелированных двумерных (2D) системах. Им удалось получить изображения кристаллического состояния Вигнера с разрешением, близким к размеру элементарной ячейки, в тщательно разработанном материале, состоящем из одного атомного слоя хлорида иттербия (YbCl₃), нанесенного на графит.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters .
«Хорошо известно, что уникальные свойства 4f-электронов приводят к таким явлениям, как поведение тяжелых фермионов в некоторых металлических системах», — сказал соавтор статьи Чунлей Гао в интервью Phys.org.
«Однако исследования галогенидов редкоземельных элементов были относительно немногочисленны, что позволяет нам предположить, что в этом семействе материалов нас могут ожидать удивительные открытия. Наш первоначальный интерес был вызван теоретическими предположениями о том, что YbCl₃ может быть системой Китеева — кандидатом на роль носителя состояния квантовой спиновой жидкости».
Организация в кристалл Вигнера для переноса 4f-электронов
В рамках своего исследования ученые провели теоретически обоснованные расчеты, которые позволили им прояснить распределение электрического заряда в образце. Расчеты показали, что большое количество электронов (приблизительно 0,21 е/нм²) было перенесено из нижележащего графита в монослой YbCl₃, оставляя после себя дырки в подложке.
«В результате кулоновского притяжения эти электроны и дырки связываются вместе, образуя межслойные экситоны, которые демонстрируют ридберговские состояния, подобные водородным», — сказал Чжунцзе Ван, соавтор статьи.
«Повсеместность переноса заряда на границе раздела фаз известна давно, и мы часто задавались вопросом, как он может проявляться непосредственно в СТМ. Уникальность локализованных 4f-электронов предоставила нам прекрасную возможность для его наблюдения. Это открытие привело нас к следующему интригующему вопросу: как эти перенесенные 4f-электроны высокой плотности — теперь образующие сильно коррелированную двумерную систему — организуются в реальном пространстве?»
Сильное кулоновское отталкивание по отношению к ультраплоской полосе 4f-электронов естественным образом приводит к образованию электронного слоя, который, скорее всего, остается в кристаллическом режиме Вигнера, что перекликается с некоторой неясной, но загадочной сверхрешеткой, наблюдаемой в данных СТМ, которые они собрали. Кристалл Вигнера — это редкое состояние вещества, в котором электроны не движутся свободно, а вместо этого располагаются в кристаллоподобной структуре.
«Эти данные побудили нас использовать метод q-Plus AFM, который минимизирует электростатические помехи и возмущения, возникающие при контакте зонда с образцом», — сказал Лифэн Инь, соавтор статьи.
«Этот подход позволил нам напрямую визуализировать кристалл Вигнера, образованный перенесенными 4f-электронами. Особенно запоминающимся моментом в этом исследовании стал наш самый первый эксперимент с использованием атомно-силовой микроскопии: по мере продвижения сканирования и появления новых линий изображения постепенно становилась видна решетка кристалла Вигнера, а измеренная плотность электронов идеально совпадала с нашими теоретическими оценками».
Новая платформа для изучения экзотической физики.
Ключевой новизной этого исследования является то, что исследователи измерили свой образец с помощью атомно-силового микроскопа q-Plus, что в конечном итоге позволило получить первое изображение кристалла Вигнера с разрешением на уровне субъячеечной ячейки.
«Мы обнаружили, что эти электроны сильно локализованы и обладают большим взаимным кулоновским отталкиванием», — сказал Цзянь Шэнь, соавтор статьи. «Это придает им огромную эффективную массу — в сотни раз больше, чем у свободного электрона, или даже больше».
Исследователи показали, что эти «тяжелые электроны» в YbCl₃ спонтанно организуются в кристаллическую фазу Вигнера без необходимости какой-либо внешней настройки. Наблюдаемая ими кристаллическая фаза Вигнера характеризовалась рекордно высокой электронной плотностью и исключительно высокой температурой плавления.
«Хотя в создании экзотических состояний посредством электрического управления в системах с плоской зоной, таких как скрученный графен, достигнут огромный прогресс, наш подход «кристаллизации с переносом заряда» по своей сути обеспечивает разреженную, но интенсивно коррелированную двумерную электронную систему, использующую 4f-электроны с собственной плоской зоной», — сказал Гао. «Это создает естественную среду для настройки, исследования и изучения многочастичных явлений».
Ранее предложенные методы управления для реализации экзотических состояний в двумерных системах позволили достичь плотности носителей заряда около 10¹² /см². Новый подход к межфазному переносу, предложенный исследователями, напротив, обеспечивает более высокую плотность носителей заряда, приблизительно 10¹³ /см².
«Это смещает среднее расстояние между электронами в нанометровый диапазон, расширяя возможности изучения фундаментальной конкуренции между квантовой кинетической энергией (t) и электронной корреляцией (U)», — пояснил Инь. «Наша работа также демонстрирует, что разницу в работе выхода в гетероструктуре можно регулировать для изменения плотности переносимого заряда, предлагая, таким образом, механизм управления на основе материала».
Направления будущих исследований
Первые результаты, полученные этими исследователями, подчеркивают потенциал методов qPlus AFM для характеризации кристаллов Вигнера, показывая, что сигналы STM сами по себе могут не напрямую отражать истинную электронную волновую функцию низкоразмерных систем. Другие группы исследователей вскоре могут вдохновиться этой работой и приступить к изучению более сильно коррелированных систем с использованием qPlus AFM.
«Наше открытие открывает несколько захватывающих направлений для дальнейших исследований», — сказал Гао. «Во-первых, слой дырок, оставшийся в графитовой подложке, связан с 4f-кристаллом Вигнера, образуя связанную систему. Структура и потенциальные многочастичные состояния этого слоя дырок, которые могут проявляться в виде экситонного кристалла или других коррелированных фермионно-бозонных композитов, представляют собой увлекательную тему для будущих исследований».
Несмотря на разрешение на атомном уровне, поверхностные зонды, такие как зонды, используемые в СТМ и АСМ, не могут получить доступ к скрытому слою отверстий в двумерных материалах.
В своих следующих исследованиях Гао и его коллеги попытаются изучить этот слой, используя другие экспериментальные подходы, например, путем сбора данных о транспортных свойствах и угловой фотоэлектронной спектроскопии (ARPES).
«Мы также планируем систематически варьировать галогенидный элемент в наших материалах (например, заменяя Cl на Br или I) и сочетать их с различными подложками», — добавил Гао.
«Это изменит сродство к электронам и выравнивание работы выхода, что позволит нам регулировать плотность переносимого заряда. Наша цель — исследовать более широкую фазовую диаграмму, потенциально обнаружив новые квантовые основные состояния и фазовые переходы в этих внутренне коррелированных системах 4f-электронов».
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
267
