Pomeranchuk-like electronic localization above 100 K in twisted MoS$_{2}$

In der mikroskopischen Welt der modernen Elektronik lernen Wissenschaftler, Materialien Atom für Atom aufzubauen, indem sie dünne Schichten wie ein Kartendeck stapeln, um völlig neue Regeln für den Fluss von Elektrizität zu erschaffen. Wenn zwei solcher Schichten leicht gegeneinander verdreht werden, bilden sie ein riesiges, sich wiederholendes Muster, das als Moiré-Supergitter bezeichnet wird. Dieses Muster wirkt wie eine neue Art von Landschaft für Elektronen und fängt sie in engen Tälern ein, in denen sie stark miteinander interagieren. Normalerweise, wenn Elektronen zu dicht gedrängt oder zu kalt sind, gefrieren sie in einen starren, isolierenden Zustand. In einigen wenigen speziellen Materialien kann das Erwärmen sie jedoch dazu bringen, sogar noch fester zu gefrieren. Dieses kontraintuitive Verhalten, bei dem Wärme die Ordnung verstärkt, statt sie aufzubrechen, ist als Pomeranchuk-Effekt bekannt, benannt nach einem Physiker, der ihn vor Jahrzehnten in flüssigem Helium vorhergesagt hat. Das Verständnis darüber, wie und warum dies in festen Materialien geschieht, könnte neue Wege eröffnen, Elektrizität und Information zu steuern, aber ein Material zu finden, das diesen Effekt bei Temperaturen zeigt, die wir leicht erreichen können, war eine große Herausforderung.

Ein Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, dieses seltsame Phänomen in einem Material namens verdrehtem Molybdändisulfid oder MoS2 zu beobachten. Durch das sorgfältige Stapeln zweier Schichten dieses Halbleiters und das Verdrehen in sehr spezifischen Winkeln schufen sie eine Plattform, auf der sich Elektronen auf überraschende Weise verhalten. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf das „Leitungsband“, also den Pfad, den Elektronen nehmen, wenn sie frei sind, sich zu bewegen und einen Strom zu tragen, im Gegensatz zum „Valenzband“, in dem sie normalerweise stillsitzen. Während frühere Studien an ähnlichen Materialien hauptsächlich die stationären Elektronen untersuchten, gelang es diesem Team, die beweglichen Elektronen zu untersuchen, wobei sie eine bedeutende technische Hürde überwanden: stabile elektrische Verbindungen zum Material herzustellen, ohne es bei extrem niedrigen Temperaturen zu beschädigen. Sie waren erfolgreich, indem sie ein spezielles Design verwendeten, das das Material durch ein winziges Fenster freilegt, wodurch sie den Stromfluss von nahe dem absoluten Nullpunkt bis hin zur Raumtemperatur messen konnten.

Die Forscher testeten mehrere Proben, die jeweils in einem leicht unterschiedlichen Winkel verdreht waren, der von etwa 2,3 Grad bis 3,5 Grad reichte. Sie entdeckten, dass sich das Verhalten der Elektronen je nach diesem Winkel drastisch änderte. In den Proben mit dem kleinsten Verdrehungswinkel bildeten die Elektronen einen stabilen, geordneten Zustand, der Temperaturen von bis zu 160 Kelvin überleben konnte, was deutlich über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt. Als sie den Verdrehungswinkel auf ein mittleres Niveau erhöhten, kollabierte diese Stabilität, und der geordnete Zustand konnte nur bei Temperaturen um 20 bis 30 Kelvin überleben. Aber die überraschendste Entdeckung kam von der Probe mit dem größten Verdrehungswinkel von etwa 3,5 Grad. In dieser spezifischen Konfiguration bewirkte die Erwärmung des Materials, dass die Elektronen nicht – wie erwartet – freier beweglich wurden. Stattdessen bewirkte die Hitze, dass sie sich noch fester an Ort und Stelle festsetzten. Dies ist das Markenzeichen eines Pomeranchuk-ähnlichen Effekts: Thermische Energie, die normalerweise Eis oder Metall schmilzt, half stattdessen dabei, die Elektronen in einem lokalisierten, isolierenden Zustand einzuschließen.

Dieses hitzebedingte Einschließen war besonders stark bei einer spezifischen Dichte, bei der genau ein Elektron für jede sich wiederholende Einheit des Musters vorhanden war. Als die Temperatur von nahe dem absoluten Nullpunkt auf etwa 50 Kelvin stieg, nahm der elektrische Widerstand des Materials zu, was signalisierte, dass die Elektronen lokalisierter wurden. Noch bemerkenswerter war, dass dieses seltsame Verhalten bei einer Dichte von zwei Elektronen pro Einheit bei Temperaturen über 100 Kelvin anhielt, obwohl das Signal schwächer war. Die Forscher testeten auch, wie diese Elektronen auf Magnetfelder reagierten, um zu verstehen, was sie an ihrem Platz hielt. Sie fanden heraus, dass der Effekt sehr empfindlich auf die Richtung des Magnetfeldes reagierte. Ein senkrecht zum Material angelegtes Magnetfeld ließ die Elektronen noch fester haften, während ein parallel zur Oberfläche angelegtes Feld fast keinen Effekt hatte. Dies unterscheidet sich von ähnlichen Effekten in verdrehtem Graphen, wo die Elektronen gleichmäßiger auf Magnetfelder aus allen Richtungen reagieren. Dieser starke Unterschied deutet darauf hin, dass die Elektronen in diesem verdrehten MoS2 nicht einfach nur auf eine einfache Weise rotieren; sie werden wahrscheinlich durch eine komplexe Mischung aus ihrer Position in den Schichten und ihren spezifischen Quanteneigenschaften im Zusammenhang mit der atomaren Struktur des Materials beeinflusst.

Die Studie legt nahe, dass sich diese Elektronen wie eine schwere Flüssigkeit verhalten, die sich viel langsamer als normale Elektronen bewegt, was auf einen Zustand der Materie hindeutet, der als schwere Fermi-Flüssigkeit bekannt ist. Die Forscher schlagen vor, dass die Elektronen lokale magnetische Momente bilden, die fluktuieren, und die Wärme hilft, diese Fluktuationen zu stabilisieren, was die Elektronen effektiv einfängt. Diese Entdeckung ist bedeutend, da sie zeigt, dass der Verdrehungswinkel nicht nur ein Regler ist, um die Stärke der Wechselwirkungen hoch oder runter zu drehen, sondern ein Werkzeug, das die Natur des Materials selbst grundlegend verändern kann. Durch die Abstimmung des Winkels können Wissenschaftler zwischen robuster Hochtemperaturordnung, einem fragilen Zwischenzustand und diesem ungewöhnlichen Regime wechseln, in dem Wärme die Ordnung verstärkt. Die Tatsache, dass dieser Effekt bei Temperaturen über 100 Kelvin beobachtet werden kann, macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Studien und bietet ein neues Fenster dazu, wie komplexe Quantenzustände in Halbleitermaterialien entstehen und kontrolliert werden können.