I fisici sono stati affascinati da sistemi composti da materiali spessi solo uno o pochi strati di atomi. Quando alcuni fogli di questi materiali bidimensionali vengono impilati insieme, si può formare un motivo geometrico chiamato motivo moiré.
In questi cosiddetti sistemi moiré possono verificarsi nuovi fenomeni esotici, incluso superconduttività e magnetismo non convenzionale. Di conseguenza, una migliore comprensione di ciò che accade all’interfaccia tra ogni foglio per causare questi fenomeni potrebbe portare ad applicazioni inebrianti nella nuova elettronica e molto altro.
Illustrazione della configurazione sperimentale alla base di un potente strumento per lo studio e la messa a punto di materiali atomicamente sottili. Due strati di tale materiale sono stati compressi tra le punte piatte di due diamanti, regolando così il potenziale moiré, un parametro chiave illustrato dalle colline e dalle valli nello strato superiore. Credito immagine: Matheus JS Matos/Universidade Federal de Ouro Preto
Ora un team internazionale di scienziati guidati da fisici del MIT presenta un nuovo potente strumento per quantificare e controllare un parametro chiave nei sistemi moiré. Implica l’applicazione di una pressione estrema a un sistema moiré mentre lo attraversa con la luce, quindi l’analisi degli effetti con la spettroscopia Raman, una tecnica di laboratorio comune.
Altrettanto importante per il lavoro è un modello teorico che fornisce un quadro per la comprensione dei dati sperimentali ottenuti utilizzando questo strumento.
L’opera è riportata nel problema online di Natura Nanotecnologia.
«La tecnica che abbiamo sviluppato per sondare questi sistemi moiré è metodologicamente simile ai metodi della cristallografia a raggi X sulle proteine che consentono ai biologi di sapere dove si trovano gli atomi in una proteina e come funzionerà la proteina», afferma Riccardo Comin, del Classe del 1947 Professore Assistente per lo Sviluppo della Carriera di Fisica al MIT.
Luiz G. Pimenta Martins (a sinistra), ora borsista post-dottorato ad Harvard, e Riccardo Comin, professore di fisica assistente per lo sviluppo della carriera della classe 1947 al MIT, sono due degli autori di un articolo che descrive un potente strumento per studiare e sintonizzare atomicamente materiali sottili. Crediti immagine: Laboratorio di ricerca sui materiali / MIT
Il parametro che il team può ora misurare con un nuovo strumento, noto come potenziale moiré, “ci dirà quale fisica può essere realizzata in una particolare pila di materiali bidimensionali. È una delle informazioni più importanti di cui abbiamo bisogno per prevedere se un dato materiale mostrerà una fisica esotica o meno”, continua Comin, che è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali del MIT.
Altrettanto importante, la tecnica consente anche al team di “sintonizzare” o controllare il potenziale moiré per ottenere potenzialmente diversi fenomeni esotici.
Commenta Matthew Yankowitz, un assistente professore di fisica all’Università di Washington che non è stato coinvolto nel lavoro: “La pressione è recentemente emersa come una tecnica promettente per regolare le proprietà di questi [moiré] materiali perché modifica direttamente la forza del potenziale moiré”.
“Studiando le proprietà ottiche di un doppio strato moiré semiconduttore sotto pressione, il team ha sbloccato un nuovo mezzo per sondare e manipolare gli effetti di un superreticolo moiré. Questo lavoro pone le basi per ulteriori progressi nella nostra comprensione e controllo degli stati della materia fortemente correlati che sorgono nei sistemi moiré semiconduttori”.
Il lavoro è il risultato di una collaborazione tra ricercatori del MIT, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) e tre università federali brasiliane: Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e Universidade Federal de Fluminense (UFF).
Oltre a Comin, gli autori di Natura Nanotecnologia il documento del MIT è Luiz G. Pimenta Martins PhD ’22, co-primo autore del lavoro che ora è postdoc all’Università di Harvard; Connor A. Occhialini e Qian Song, laureati in fisica; Ji-Hoon Park, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS); Ang-Yu Lu, uno studente laureato in EECS; e Jing Kong, professore in EECS.
David A. Ruiz-Tijerina, co-primo autore dell’opera, è dell’UNAM. Pedro Venezuela è dell’UFF; Luiz G. Cancado e Mario SC Mazzoni sono dell’UFMG; e Matheus JS Matos è di UFOP.
Pressione estrema, campioni minuscoli
La configurazione sperimentale che il team ha sviluppato per applicare una pressione estrema a un materiale moiré, in questo caso composto da due fogli ultrasottili di un dicalcogenuro di metallo di transizione, comporta la compressione del materiale tra due punte di diamante.
Le dimensioni della configurazione e del campione sono incredibilmente piccole. Ad esempio, il diametro della camera in cui ciò avviene è simile alla larghezza di un capello umano. “E dobbiamo posizionare con precisione il nostro campione bidimensionale al suo interno, quindi è un po’ complicato”, afferma Martins, responsabile del lavoro per sviluppare la configurazione.
Quelle dimensioni sono necessarie per creare l’estrema pressione esercitata sul campione, che è simile alla pressione che la Torre Eiffel eserciterebbe seduta sopra un pezzo di carta di un pollice quadrato. Un’altra analogia: la pressione è circa 50.000 volte la pressione dell’aria intorno a noi.
Esperimenti e teoria
Il team ha quindi fatto brillare la luce attraverso il campione e ha raccolto la luce emessa. “La luce lascia un po’ di energia all’interno del materiale, e questa energia può essere associata a cose diverse”, dice Martins. In questo caso, il team si è concentrato sull’energia sotto forma di vibrazioni.
“Misurando la differenza tra le energie dei fotoni [light particles] entrando e uscendo dal materiale, possiamo sondare l’energia delle vibrazioni create nel materiale”, continua.
L’intensità della luce che fuoriesce dal materiale associato a quelle vibrazioni, a sua volta, indica quanto fortemente gli elettroni in un foglio atomicamente sottile comunicano con gli elettroni nell’altro.
Più forti sono queste interazioni, maggiori sono le possibilità che si verifichino fenomeni esotici. “Il potenziale moiré è fondamentalmente la forza di quell’accoppiamento tra gli strati 2D”, afferma Comin.
Dice Martins: “Confrontando il miglioramento sperimentale dell’intensità della luce in uscita associata a queste vibrazioni, rispetto ai calcoli del nostro modello teorico, siamo stati in grado di ottenere la forza del potenziale moiré e la sua evoluzione con la pressione”.
Il modello teorico, sviluppato da Ruiz-Tijerina, è di per sé molto sofisticato. Dice Comin, “è un modello complesso perché coinvolge gli atomi, coinvolge gli elettroni ed è un cosiddetto modello di supercella grande.
Ciò significa che non modellizzi solo una singola quantità, come un singolo atomo con i suoi elettroni, ma una grande raccolta di essi. Osserva davvero la dinamica degli atomi mentre interagiscono ancora con gli elettroni che li circondano».
Conclude Ruiz-Tijerina, “Quando l’esperimento mostra ciò che hai previsto, o quando il tuo modello può effettivamente riprodurre ciò che gli esperimenti misurano, è una sensazione come nessun altro.”
Scritto da Elizabeth A. Thomson
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
