Cuando el número de electrones coincide con los sitios de la red anfitriona en un elemento, las fuertes interacciones entre los electrones pueden organizarse en un patrón ordenado, conocido como cristal de electrones. Este fenómeno es interesante porque los electrones comienzan a actuar colectivamente, lo que puede resultar útil para simulaciones cuánticas. Si tanto los electrones como sus contrapartes positivas, llamados agujeros, coexisten en un sistema, pueden crear estados cuánticos aún más exóticos con propiedades únicas, como un tipo especial de superfluidez en contraflujo, donde los agujeros de electrones se mueven en direcciones opuestas sin resistencia ni disipación de energía. .flujos. .
Sin embargo, mantener juntos los cristales de electrones y huecos sin una recombinación rápida es un desafío. Para solucionar esto, los científicos suelen dividirlos en diferentes capas o huéspedes. Aunque este método ha demostrado estados de huecos de electrones en estructuras de múltiples capas, encontrar estos estados en un material natural sigue siendo un tema de debate. Esto se debe a que no hay suficiente evidencia experimental sólida y es difícil encontrar elementos cuánticos extraños que puedan mantener unidos los cristales con agujeros de electrones sin anularse entre sí.
Para abordar esto, un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) logró un gran avance al crear y visualizar directamente cristales con agujeros de electrones en un material cuántico exótico hecho de cloruro de alfa-rutenio (III), conocido como aislante de Mott. α-RuCl3) Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para explorar estados excitónicos cuánticos habilitados por electrones y huecos coexistentes, lo que podría allanar el camino para nuevos avances en tecnologías informáticas, incluida la computación en memoria y la computación cuántica.
El equipo fue dirigido por el Departamento de Química de NUS y el profesor asociado Lu Xiong del Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales (I-FIM), el director de NUS I-FIM, el profesor Kostya S. Con Novoselov.
La investigación se publica en la revista científica. Materiales de la naturaleza el 3 de junio de 2024.
El enfoque innovador facilita la obtención de imágenes a escala atómica de aisladores.
Estos hallazgos sin precedentes fueron posibles gracias a una técnica llamada microscopía de efecto túnel (STM). STM es una poderosa herramienta que utiliza túneles cuánticos para crear imágenes del espacio real a nivel atómico. Sin embargo, sólo puede estudiar materiales conductores y no aislantes. Esta limitación se puede resolver utilizando una configuración innovadora que combina grafeno con α-RuCl3, el aislante del perro callejero. El grafeno, como la película conductora más delgada hecha de una sola capa de átomos de carbono, permite que los electrones pasen y revelen la estructura electrónica del aislante Mott que se encuentra debajo. Además, el grafeno actúa como una fuente de electrones sintonizable, lo que permite un dopaje sintonizable y no invasivo de α-RuCl.3.
Las imágenes en el espacio real obtenidas por STM revelan dos secuencias distintas en dos niveles de energía, a saber, las energías de la banda de Hubbard inferior y de la banda de Hubbard superior de α-RuCl.3, cada uno con una periodicidad y simetría completamente diferente. Al ajustar la densidad de portadores en el sistema mediante puertas electrostáticas, los investigadores pueden visualizar directamente la transición de estas órdenes. La visualización directa de las transiciones sintonizables de compuerta indica claramente que la naturaleza de estas secuencias se debe a cristales compuestos de electrones y huecos, que se reorganizan espontáneamente cuando el número de electrones y huecos por unidad de celda varía mediante la compuerta.
“Normalmente, cuando un aislante Mott está dopado, la fuerte interacción entre los electrones hace que los portadores adicionales se organicen en un patrón ordenado. Por lo tanto, no es sorprendente ver un nuevo orden de carga en un aislador Mott dopado. Sin embargo, esto fue bastante “Al mismo tiempo, nuestro trabajo al observar el surgimiento de dos secuencias distintas atribuye este sorprendente hallazgo a la formación de cristales con agujeros de electrones en presencia de electrones y agujeros coexistentes”, dijo el profesor asociado Lu.
Visualización directa de cristales con agujeros de electrones.
La observación directa de cristales con agujeros de electrones a nivel atómico revela su forma y estructura con una claridad increíble, proporcionando información sobre la que estudios mesoscópicos anteriores sólo podían especular. Estas observaciones resaltan que los cristales con agujeros de electrones pueden distribuirse de manera desigual porque hay más de un tipo que de otro.
“En el futuro, queremos explorar cómo podemos controlar estos cristales usando señales eléctricas de nuevas maneras. Encontrar cristales con agujeros de electrones en aisladores Mott dopados podría conducir a nuevas formas de crear materiales que puedan cambiar rápidamente entre diferentes estados, incluyendo “tener el potencial para facilitar el desarrollo de ordenadores potentes, también abre la posibilidad de crear nuevos materiales que pueden tener aplicaciones como simulaciones de física cuántica”, añadió el profesor asociado Lu.