Новая физика в полупроводниковых муаровых сверхрешетках: как электроны образуют искусственные атомы

Муаровые сверхрешетки — это особые материалы, состоящие из двух или более слоев атомов, наложенных друг на друга с небольшим сдвигом. Такое наложение создает периодический узор, называемый муаром, который определяет свойства материала на микроскопическом уровне. Муаровые сверхрешетки могут быть сделаны из разных материалов, но особый интерес представляют полупроводниковые муаровые сверхрешетки, так как они позволяют изучать новые явления квантовой физики и коррелированных электронных состояний.

Полупроводниковые муаровые сверхрешетки обладают уникальной настраиваемостью, которая заключается в возможности изменять расстояние между атомными слоями, а также плотность и распределение электронов в них. Это дает физикам возможность управлять энергетическими масштабами, которые конкурируют друг с другом в этих системах. Например, кинетическая энергия электронов, которая стремится к образованию электронной жидкости, взаимодействие электронов между собой, которое способствует образованию электронного твердого тела, и потенциальная энергия, которая определяет форму и размер потенциальных ям, в которых находятся электроны.

Большинство исследований в этой области были посвящены случаю, когда в каждой муаровой ячейке содержится один электрон либо они вовсе отсутствуют. Однако группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) решила исследовать многоэлектронный режим, когда в каждой муаровой ячейке содержится несколько электронов. Для этого они разработали новый теоретический подход, который описывает поведение этих систем в пределе большого муарового периода, то есть когда электроны в разных потенциальных ямах слабо связаны друг с другом.

Используя свой подход, они сделали несколько интересных предсказаний, которые были подтверждены экспериментально. В частности, они обнаружили, что при заполнении n=3, когда в каждой муаровой ячейке содержится три электрона, кулоновское взаимодействие приводит к образованию молекул Вигнера, то есть упорядоченных конфигураций электронов, которые ведут себя как отдельные частицы. Кроме того, они показали, что при определенных условиях эти молекулы Вигнера могут образовывать кагоме-решетку, то есть решетку, состоящую из шестиугольников, в которой каждый угол занят одной молекулой Вигнера. Такая решетка имеет особые магнитные свойства, которые могут быть изучены в дальнейшем.

Эта работа открывает новые горизонты для изучения муаровых сверхрешеток и их многообразных фазовых переходов. Она также демонстрирует, что муаровые сверхрешетки являются идеальной платформой для реализации искусственных атомных массивов с заданными свойствами, которые могут быть использованы для моделирования различных квантовых явлений.