나노기술 및 정책 정보

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가족 초상화를 위해 포즈를 취하는 불안한 아이들처럼, 전자는 어떤 종류의 고정된 배열에 머무를 만큼 충분히 오래 머무르지 않을 것임.

코넬 대학교(Cornell University) 연구팀이 2 차원 반도체를 쌓아 전자를 반복 패턴으로 포획하는 모아레 초 격자 구조를 만들어 오랜 가설의 Wigner 결정을 궁극적으로 형성했음. 이제 연구팀이 주도하는 공동 작업은 2 차원 반도체를 쌓고 특정적이고 오랜 가설의 결정을 형성하는 반복 패턴으로 전자를 포획하는 방법을 개발했음. 전자로 이루어진 결정은 이론 물리학자인 Eugene Wigner가 1934 년에 처음으로 예측했음. 그는 음으로 하전된 전자에서 발생하는 반발(쿨롱 반발이라고 함)이 전자의 운동에너지를 지배할 때 결정이 형성될 것이라고 제안했음. 과학자들은 지구 자기장의 약 백만 배에 달하는 매우 큰 자기장 아래에 전자를 가두는 것과 같이 운동에너지를 억제하기 위해 다양한 방법을 시도했음. 완전한 결정화는 여전히 어렵지만 Cornell 팀은 이를 달성하기 위한 새로운 방법을 발견했음.

전자는 양자 역학적임. 그들에게 아무것도하지 않더라도 그들은 항상 저절로 흔들리고있음. 전자 결정은 전자를 주기적인 패턴으로 고정시키기가 너무 어렵기 때문에 실제로 녹는 경향이 있음. 따라서 연구원들의 해결책은 공동연구팀인 컬럼비아 대학이 성장시킨 두 개의 반도체 단층인 이황화 텅스텐(WS2)과 이황화 셀레늄(WSe2)을 쌓아 실제 트랩을 구축하는 것이었음. 각 단층에는 약간 다른 격자 상수가 있음. 함께 짝을 이루면 본질적으로 육각형 격자처럼 보이는 모아레 초격자 구조를 만듦. 그런 다음 연구원들은 패턴의 특정 위치에 전자를 배치했음. 이전 프로젝트에서 발견했듯이 사이트 간의 에너지 장벽은 전자를 제자리에 고정시킴. 즉, 특정 모아레 사이트에서 전자의 평균 점유율을 제어할 수 있음.

모아레 초격자의 복잡한 패턴과 전자의 불안정한 특성 및 이를 매우 특정한 배열로 배치해야하는 필요성을 감안할 때 연구원들은 전자의 다른 배열이 자기 결정화하는 점유 비율을 계산해야 했음. 그러나 Wigner 크리스탈의 도전은 그것들을 만드는 것뿐만 아니라 관찰도 해야 하는 것임. 전자 결정을 생성하려면 적절한 조건을 충족해야하며 동시에 깨지기 쉽기 때문에 그들을 조사하기 위한 좋은 방법이 필요함. 전자 결정을 조사하는 동안 그것들을 크게 교란시키지 말아야 함. 연구팀은 광학 센서를 시료 가까이에 배치하고 전체 구조가 일본 국립 재료 과학 연구소의 공동 연구자들이 만든 육각형 질화붕소의 절연층 사이에 끼우는 새로운 광학 감지 기술을 고안했음. 센서가 샘플에서 약 2 나노미터 떨어져 있기 때문에 시스템을 교란시키지 않음. 이 새로운 기술을 통해 팀은 삼각형 격자 Wigner 결정에서 줄무늬와 이합체로 자체 정렬되는 결정에 이르기까지 다양한 결정 대칭을 가진 수많은 전자 결정을 관찰할 수 있었음. 그렇게 함으로써 팀은 재료가 충분히 오래 가만히 있는 한 매우 단순한 재료가 복잡한 패턴을 형성하는 방법을 보여주었음.

본 연구 성과는 ‘Nature’ ("Correlated Insulating States at Fractional Fillings of Moiré Superlattices") 지에 게재됨