Графен помог увидеть вигнеровский кристалл напрямую
Физики предложили и реализовали неразрушающий способ визуализации двумерного вигнеровского кристалла в муаровой сверхрешетке. Они добились этого, добавив вспомогательный графеновый слой, с поверхности которого снимались карты проводимости иглой сканирующего туннельного микроскопа. Исследование опубликовано в Nature.
Вигнеровским кристаллом называют упорядоченную фазу электронной плотности. Порядок возникает тогда, когда кинетическая энергия электронов (или квазиэлектронов) много меньше потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. В этом смысле вигнеровский кристалл противопоставляется электронному газу — фазе электронной плотности, для которой характерно преобладание кинетической энергии электронов над потенциальной энергией.
Тот факт, что электронный газ способен кристаллизоваться, впервые теоретически показал Юджин Вигнер в 1934 году. С тех пор физики активно ищут и находят системы, в которых существует такая хрупкая фаза. Главными инструментами, позволяющими подтверждать существование вигнеровских кристаллов в эксперименте, стали измерения проводимости и оптического отклика. Проблема, однако, заключается в косвенности этих методов, допускающей иную интерпретацию экспериментальных данных. Вместе с тем прямое измерение распределения электронной плотности, например, с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), которое позволило бы визуализировать саму вигнеровскую решетку с хорошим пространственным разрешением, невозможно, поскольку зонд быстро разрушает электронный кристалл.
Группа физиков из США и Японии под руководством Майкла Кромми (Michael Crommie) и Фэна Вана (Feng Wang) из Калифорнийского университета в Беркли придумала, как обойти эту проблему. Они измеряли туннельную проводимость dI/dV буферного графенового слоя, расположенного над вигнеровским кристаллом. Периодическое распределение электронной плотности под графеном модулировало сигнал его проводимости. Игла микроскопа при этом была достаточно далеко от вигнеровского кристалла и не разрушала его.
Для реализации этой идеи физики синтезировали сложную вандерваальсову гетероструктуру, состоящую из Si/SiO2-подложки, слоев WSe2 и WS2, окруженных листами нитрида бора, и слоя графена. Слои WSe2 и WS2 были повернуты относительно друг друга на очень маленький угол, образуя муарову сверхрешетку с периодом, равным 8 нанометрам. Такая периодичность близка к оптимальным параметрам вигнеровских решеток и потому способствует к их образованию. Электроны вигнеровского кристалла при этом локализуются в узлах муаровой сверхрешетки.
Управляя напряжением на подложке, слое графена и бислое WSe2 и WS2, авторы смогли добиться четырех разных состояний вигнеровского кристалла, соответствующих расположению одного электрона на один узел сверхрешетки, двух электронов на три узла, одного электрона на три узла и одного электрона на два узла. Для каждого из этих состояний они сняли карту туннельной проводимости с графенового слоя, в котором структура двумерного вигнеровского кристалла была видна напрямую.
Характерные паттерны, полученные на визуализации, полностью совпали с ожидаемыми конфигурациями вигнеровских кристаллов, которые предсказывала теория. Физики отдельно отметили состояние 1/2, в котором происходит спонтанное нарушение C3 симметрии, и электроны выстраиваются параллельными рядами.
Ученые описали два возможных механизма влияния упорядоченной электронной плотности в бислое WSe2 и WS2 на свойства локальной электронной структуры в графене. Первый механизм связан с искажением зонной структуры графена в точке над муаровым электроном, второй — с влиянием иглы на сами муаровы электроны, когда она располагается ровно над ними. Эти эффекты по-разному зависят от напряжения, приложенного между иглой и графеновым слоем. Проведя серию визуализаций для различных напряжений, физики выяснили, что второй механизм в их образце оказывается доминирующим.
Визуализация вигнеровского кристалла с хорошим пространственным разрешением — это важный шаг в исследовании свойств конденсированной электронной плотности. Ранее физикам приходилось получать информацию о них косвенным путем. Так, например, измеряя проводимость, они увидели превращение одномерного электронного кристалла в зигзагообразный, а также измерили его сжимаемость.
Марат Хамадеев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.