探索半导体莫尔超晶格中电子相互作用所产生的新物理学

诸平

Moiré atoms and Wigner molecule (a) Schematic of moiré superlattice and (b) corresponding moiré potential at ϕ = 10°. Its minima, moiré atoms, form a triangular lattice. (c) Evolution of each of the high- and low-spin ground states of harmonic helium and lithium (with two and three electrons respectively) with the Coulomb coupling constant λ. The overall ground state of harmonic lithium transitions from low to high spin at λ_c = 4.34. (d) Charge density distribution of the high spin ground state of moiré lithium including a crystal field corresponding to the continuum model parameters (V = 15 meV, a_M = 14 nm, ϕ = 10°, m = 0.5me) without (left) and with (right) Coulomb interaction. Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.246501

据物理学家组织网（Phys.org）2024年2月4日报道，半导体莫尔超晶格（Semiconductor moiré superlattices）是一种令人着迷的材料结构，在研究相关电子态和量子物理现象方面很有前景（Exploring new physics arising from electron interactions in semiconductor moiré superlattices）。这些结构由人造原子阵列组成，排列成一种所谓的莫尔结构（moiré configuration），具有高度可调性，并以强电子相互作用为特征。

美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, Massachusetts, USA)物理系的研究人员最近进行了一项研究，进一步探索了这些材料及其潜在的物理特性。他们的论文于2023年12月14日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Aidan P. Reddy, Trithep Devakul, Liang Fu. Artificial Atoms, Wigner Molecules, and an Emergent Kagome Lattice in Semiconductor Moiré Superlattices. Physical Review Letters, 2023, 131(24): 246501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.246501. Published 14 December 2023. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.246501

此文部分内容在2023年元月初就已经在预印本文库（arxiv.org）网站发表（arXiv:2301.00799 [cond-mat.mes-hall]. DOI: 10.48550/arxiv.2312.07607）。而《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表的论文，介绍了一种新的理论框架，可以为研究大周期莫尔超晶格提供信息，莫尔超晶格的特征是驻留在不同势阱中的弱相互作用电子。

该论文的合著者傅亮（Liang Fu音译）告诉Phys.org：“我们的团队已经研究二维半导体红外材料有5个年头了。在这些系统中，电子在周期性的势场(莫尔超晶格)中运动，并通过库仑排斥（Coulomb repulsion）相互作用。”

半导体莫尔超晶格的主要优点是它们可以很容易地在实验环境中进行操作。具体来说，物理学家可以控制它们内部的电子密度来改变它们多电子基态的性质。

傅亮说：“以前的大多数研究都集中在每个莫尔单元晶胞（per moiré unit cell）含有一个或少于一个电子的情况下。我们决定探索多电子状态，看看是否有什么新发现。”

预测多电子材料的行为是非常具有挑战性的。主要原因是这些系统通常包含彼此竞争的各种能量标度（various energy scales which compete with one another）。

该论文的第一作者艾丹·雷迪（Aidan Reddy）解释说：“动能有利于电子液体，而相互作用和势能有利于电子固体。莫尔材料（moiré materials）的好处在于，不同能量尺度的相对强度可以通过改变莫尔周期（moiré period）来调节。利用这种可调性，我们开发了一个研究大周期莫尔系统（large-period moiré systems）的理论框架，其中驻留在不同势阱上的电子弱耦合。”

这组研究人员介绍的理论框架侧重于莫尔超晶格中单个原子的行为。艾丹·雷迪、傅亮和他们的同事特里西普·迪维古（Trithep Devakul）发现，这种相对简单的方法仍然有助于阐明各种有趣的量子物理现象。

利用他们的框架，研究人员揭示了可以在多电子半导体基莫尔超晶格中观察到的新物理现象。例如，当填充因子（filling factor）n=3时(即当超晶格中的每个莫尔原子包含3个电子时)，他们发现库仑相互作用导致了所谓的“维格纳分子”（"Wigner molecule"）的形成。此外，在特定情况下(例如，如果它们的大小与莫尔周期相当)，他们表明这些维格纳分子可以形成一种独特的结构，称为涌现的笼目格（emergent Kagome lattice）。

这个研究小组的上述论文中概述的有趣的自组织电子构型，很快就会在后续研究中得到进一步的探索。此外，这些新发现的结构可以为其他物理学家提供灵感，使他们能够在一种对传统材料非常陌生的状态下研究电荷顺序（charge order）和量子磁性（quantum magnetism）。

特里西普·迪维古补充说：“我们工作中最引人注目的见解是，在特殊的填充因子下，由于能量尺度之间的平衡，电子自组织成引人注目的构型(维格纳分子)。我们对维格纳固体的预测已经在实验中得到了证实（confirmed experimentally）。”

在短期内，研究人员计划研究维格纳电子固体（Wigner electron solids）和电子液体（electron liquids）之间的量子相变。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

More information: Aidan P. Reddy et al, Artificial Atoms, Wigner Molecules, and an Emergent Kagome Lattice in Semiconductor Moiré Superlattices, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.246501

Hongyuan Li et al, Wigner Molecular Crystals from Multi-electron Moiré Artificial Atoms, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.07607

Abstract（DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.246501）

Semiconductor moiré superlattices comprise an array of artificial atoms and provide a highly tunable platform for exploring novel electronic phases. We introduce a theoretical framework for studying moiré quantum matter that treats intra-moiré-atom interactions exactly and is controlled in the limit of large moiré period. We reveal an abundance of new physics arising from strong electron interactions when there are multiple electrons within a moiré unit cell. In particular, at filling factor n=3, the Coulomb interaction within each three-electron moiré atom leads to a three-lobed “Wigner molecule.” When their size is comparable to the moiré period, the Wigner molecules form an emergent Kagome lattice. Our Letter identifies two universal length scales characterizing the kinetic and interaction energies in moiré materials and demonstrates a rich phase diagram due to their interplay.