Графен помог увидеть вигнеровский кристалл напрямую

H. Li et al / Nature, 2021

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.