Preuve d'un nouveau type de solide quantique désordonné de Wigner

Preuve d’un nouveau type de solide quantique désordonné de Wigner

Représentation d’artiste du solide de Wigner anisotrope désordonné composé d’électrons congelés (fixés par le désordre) disposés dans un réseau anisotrope. Crédit : Hossain et al.

Les physiciens tentent de déterminer les états fondamentaux des systèmes d’électrons 2D à des densités et des températures extrêmement faibles depuis de nombreuses décennies. Les premières prédictions théoriques de ces états fondamentaux ont été avancées par les physiciens Félix Bloch en 1929 et Eugène Wigner en 1934, qui ont suggéré que les interactions entre électrons pourraient conduire à des états fondamentaux jamais observés auparavant.

Des chercheurs de l’université de Princeton mènent des études dans ce domaine de la physique depuis plusieurs années. Son œuvre la plus récente, présentée à Lettres d’examen physiquea rassemblé des preuves d’un nouvel état qui avait été prédit par Wigner, connu sous le nom de solide désordonné de Wigner (WS).

“La phase prédite par Wigner, un réseau ordonné d’électrons (le soi-disant cristal de Wigner ou WS), fascine les scientifiques depuis des décennies”, a déclaré Mansour Shayegan, chercheur principal de l’étude, à Phys.org. “Sa réalisation expérimentale est extrêmement difficile, car elle nécessite des échantillons avec de très faibles densités et avec des paramètres appropriés (grande masse effective et petite constante diélectrique) pour renforcer le rôle de l’interaction.”

Pour produire avec succès un WS ou un WS quantique en laboratoire, les chercheurs ont besoin d’échantillons extrêmement purs et de haute qualité. Cela signifie que les substances qu’ils utilisent dans leurs expériences doivent contenir une quantité minimale d’impuretés, car ces impuretés peuvent attirer les électrons et les amener à se réorganiser de manière aléatoire.

Comme répondre aux exigences pour produire ces états est très difficile, les études précédentes sur les systèmes WS quantiques, dans lesquels les interactions électron-électron dominent sur la soi-disant énergie de Fermi, ont été incroyablement rares. Le premier WS quantique a été observé en 1999 par Jongsoo Yoon de l’Université de Princeton et certains des chercheurs impliqués dans l’étude récente, en utilisant une hétérostructure 2D GaAs/AlGaAs.

Dans leur nouvelle étude, l’équipe a utilisé un échantillon 2D propre et très pur d’AlAs (arséniure d’aluminium) avec une masse effective anisotrope (c’est-à-dire différente lorsqu’elle est mesurée dans différentes directions) et la mer de Fermi. En particulier, son échantillon répondait très bien aux exigences pour effectuer un WS 2D anisotrope.

“Notre échantillon est une plate-forme presque idéale pour observer un WS quantique avec un champ magnétique nul”, a déclaré Shayegan. “Maintenant, il s’avère que les électrons 2D dans AlAs offrent un avantage supplémentaire, à savoir un étalement de bande d’énergie anisotrope qui conduit à une masse effective anisotrope. Ce que nous avons découvert, c’est que cette anisotropie peut se manifester dans les propriétés du WS, telles que son force et seuil de rotation dans différentes directions du plan.

Le matériau utilisé par Shayegan et ses collègues dans leurs expériences consiste en un puits quantique AlAs de haute qualité, avec très peu d’impuretés et donc peu de désordre. Dans ce puits quantique, les électrons sont confinés dans 2 dimensions.

“Nous pouvons utiliser la tension de grille pour ajuster la densité électronique dans notre échantillon”, a déclaré Md Shafayat Hossain, auteur principal de l’article, à Phys.org. “Nous avons utilisé une combinaison de transport électrique (c’est-à-dire des mesures de résistivité) et de spectroscopie de polarisation CC (c’est-à-dire une mesure de la résistance différentielle en fonction de la polarisation CC source-drain) pour étudier le solide anisotrope 2D désordonné de Wigner. “.

Les mesures de résistivité et de résistance différentielle de l’échantillon de l’équipe ont montré qu’ils avaient bien observé un nouveau WS quantique dans un champ magnétique nul, en utilisant un système de matériaux anisotropes. En fin de compte, cela leur a permis de découvrir les effets de l’anisotropie sur l’état WS insaisissable mais fascinant.

“Le solide de Wigner observé montre différentes capacités de glissement effectives dans différentes directions”, a déclaré Hossain. “Cela se manifeste par différentes tensions de seuil de désactivation dans différentes directions observées dans nos expériences.”

L’état WS anisotrope observé par cette équipe de chercheurs est probablement un état quantique entièrement nouveau. Cela signifie que jusqu’à présent, on sait très peu de choses sur ses propriétés et ses caractéristiques.

À l’avenir, ces découvertes récentes pourraient inspirer d’autres études théoriques et expérimentales visant à mieux comprendre cet état quantique nouvellement identifié avec une anisotropie intrinsèque (c’est-à-dire avec des valeurs différentes lorsqu’il est mesuré dans différentes directions). Ces études pourraient, par exemple, essayer de déterminer la forme de réseau caractéristique de l’état.

“Selon nos découvertes expérimentales, les différents comportements électroniques dans différentes directions du WS anisotrope peuvent également être utiles dans les appareils électroniques”, a déclaré Hossain. “Ces appareils peuvent réagir différemment selon la direction de la tension appliquée.”

À terme, le WS anisotrope découvert par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux types de dispositifs quantiques anisotropes. Dans leurs travaux à venir, Shayegan, Hossain et leurs collègues étudieront les résonances micro-ondes de l’état qu’ils ont découvert, car ils pourraient fournir plus de détails sur l’état et son anisotropie.

“Par exemple, nous demanderons : le WS présente-t-il des résonances, similaires à ce qui a été observé pour le WS induit par un champ magnétique, à de très petits remplissages (champs magnétiques élevés) ?” Shayegan a ajouté. “Observer les résonances serait très utile car elles fourniraient des preuves solides de la phase WS. De plus, regarder les résonances dont les fréquences dépendent de l’orientation du champ électrique appliqué par rapport à l’orientation du cristal WS serait fascinant et versé. lumière sur le rôle de l’anisotropie”.


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Plus d’informations:
Md. S. Hossain et al, Solide de Wigner désordonné bidimensionnel anisotrope, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.036601

Jongsoo Yoon et al, cristallisation de Wigner et transition métal-isolant de trous bidimensionnels dans GaAs à B = 0, Lettres d’examen physique (2002). DOI : 10.1103/PhysRevLett.82.1744

© 2022 Réseau Science X

Citation: Evidence for a New Kind of Wigner Disordered Quantum Solid (3 août 2022) Récupéré le 4 août 2022 sur https://phys.org/news/2022-08-evidence-disordered-quantum-wigner-solid.html

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