半导体摩尔纹超晶格是令人着迷的材料结构，已被发现在研究相关电子态和量子物理现象方面很有前途。这些结构由以所谓的摩尔纹构型排列的人造原子阵列组成，具有高度可调性，其特征是强烈的电子相互作用。
麻省理工学院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基础物理学。他们的论文发布在《物理评论快报》上，介绍了一种新的理论框架，可以为大周期摩尔纹超晶格的研究提供信息，其特征是驻留在不同势阱中的弱相互作用电子。
“我们小组已经研究了二维半导体云纹材料五年，”该论文的合著者Liang Fu告诉 Phys.org。“在这些系统中，电子在周期性势格中移动，并通过库仑排斥相互作用。
半导体摩尔纹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，物理学家可以控制其中电子的密度，以改变其多电子基态的性质。
“以前的大多数研究都集中在每摩尔晶胞中含有一个或少于一个电子的情况，”Fu说。“我们决定探索多电子状态，看看是否有任何新的东西。
预测多电子材料的行为可能非常具有挑战性。造成这种情况的主要原因是这些系统通常包含相互竞争的各种能量尺度。
“动能有利于电子液体，而相互作用和势能有利于电子固体，”该论文的第一作者Aidan Reddy解释说。“摩尔纹材料的好处在于，可以通过改变摩尔纹周期来调整不同能量尺度的相对强度。利用这种可调性，我们开发了一个理论框架来研究大周期摩尔纹系统，其中驻留在不同势阱上的电子是弱耦合的。
该团队引入的理论框架侧重于摩尔超晶格中单个原子的行为。Reddy、Fu 和他们的同事 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基于多电子半导体的摩尔超晶格中观察到的新物理学。例如，在填充因子n=3时，他们发现库仑相互作用导致了所谓的“维格纳分子”的形成。此外，在特定情况下，他们表明这些Wigner分子可以形成一种独特的结构，称为新兴的Kagome晶格。
该研究团队的论文中概述的有趣的自组织电子构型可以很快在后续研究中进一步探索。此外，这些新发现的构型可以为其他物理学家提供灵感，使他们能够在传统材料非常不熟悉的状态下研究电荷顺序和量子磁性。
“我们工作中最值得注意的见解是，在特殊的填充因子下，由于能量尺度之间的平衡，电子会自组织成引人注目的构型。我们对Wigner固体的预测已经在实验上得到了证实，“Trithep补充道。
在短期内，研究人员计划研究Wigner电子固体和电子液体之间的量子相变。
