Un physicien identifie comment les cristaux d’électrons fondent


Les changements mystérieux dans les phases de la matière – du solide au liquide et inversement – fascinent Eun-Ah Kim depuis qu’elle est à l’école primaire en Corée du Sud. Sans eau potable froide facilement disponible, les jours chauds, les enfants apportaient des bouteilles d’eau congelée à l’école.

Kim a remarqué que lorsque l’eau fondait, le volume changeait.

« Cela m’a révélé qu’il y avait quelque chose là-dedans que je ne pouvais pas voir de mes yeux », a déclaré Kim, professeur de physique au Collège des arts et des sciences. « La matière qui m’entoure est composée d’entités invisibles qui interagissent et font quelque chose ensemble pour changer leur état. »

La fascination de Kim pour la fusion perdure, mais elle étudie maintenant les transitions dans des matériaux plus exotiques que l’eau : les cristaux d’électrons. Dans un nouvel article, Kim et le premier auteur Michael Matty, MS ’19, Ph.D. ’22, ont décrit une phase intermédiaire entre le liquide et le solide pour ces structures électroniques — un état de cristal liquide.

Leur article, « Melting of Generalized Wigner Crystals in Transition Metal Dichalcogenide Heterobilayer Moiré Systems », publié le 19 novembre dans Communication Nature.

Parce que les électrons sont tous chargés négativement, ils se repoussent; ainsi leur état préféré est d’être aussi loin que possible de tout autre électron dans le matériau qui les contient. L’arrangement régulier des électrons qui résulte de cette répulsion égale dans toutes les directions s’appelle un cristal de Wigner.

Kim et Matty voulaient savoir comment les électrons passent d’un arrangement régulier sous forme de cristal à un autre arrangement régulier sous forme de cristal, ou comment ils « fondent ».

Pour trouver la réponse, les chercheurs ont étudié comment les électrons interagissent sur une grille artificielle, appelée réseau moiré, formée en plaçant deux matériaux atomiquement minces distincts l’un sur l’autre. Parce qu’ils sont sur une grille plutôt que sur une surface lisse, les électrons ne peuvent pas choisir des emplacements arbitraires les uns des autres, mais doivent remplir un point sur la grille ; la grille limite leur disposition.

« Lorsque la grille est partiellement remplie, nous voyons l’impact de leur répulsion et la force avec laquelle les électrons interagissent les uns avec les autres », a déclaré Kim. « Grâce à leur interaction, nous voyons qu’ils occupent un intervalle régulier de sites sur le réseau, et non des intervalles aléatoires. »

Le réseau moiré particulier que les chercheurs ont considéré pour leur étude a été développé par les expérimentateurs de Cornell Kin Fai Mak, professeur de physique (A&S) et professeur agrégé de physique à Cornell Engineering, et Jie Shan, professeur de physique (A&S) et de physique appliquée et d’ingénierie ( Ingénierie).

« Les expérimentateurs de Cornell sont à la frontière de la recherche sur les matériaux moirés artificiels », a déclaré Kim, « réalisant ces expériences étonnantes avec un degré de contrôle étonnant, offrant des opportunités pour que des idées théoriques se manifestent dans des systèmes physiques ».

Shan et Mak avaient expérimentalement détecté des structures rigides particulières que les électrons formaient dans des grilles partiellement remplies. Kim et Matty ont étudié comment l’une de ces structures passerait à une autre. Ils ont constaté que lorsque les conditions changeaient, ce réseau rigide très régulier devenait plus fluide.

Les chercheurs ont identifié une phase intermédiaire entre le solide et le liquide dans les électrons qui a une certaine régularité mais pas autant qu’un solide, et pas autant de liberté qu’un liquide. Ils ont découvert que les électrons dans cet état s’organisent en de minuscules bandes qui peuvent se déplacer et s’orienter dans des structures.

« Les cristaux liquides électroniques ont été discutés théoriquement, mais nous fournissons une image visuelle de la façon dont ils peuvent se former au microscope : quatre ou cinq électrons formant un morceau qui peut être arrangé », a déclaré Kim. « Ce que nous avons accompli est une compréhension microscopique de ce qui n’était connu qu’en principe comme étant possible. »

Le travail a été soutenu par la National Science Foundation.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par L’Université de Cornell. Original écrit par Linda B. Glaser, avec l’aimable autorisation de Cornell Chronicle. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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