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

Nel mondo microscopico dell'elettronica moderna, gli scienziati stanno imparando a costruire materiali atomo per atomo, impilando sottili fogli come un mazzo di carte per creare regole completamente nuove su come l'elettricità fluisce. Quando due di questi fogli sono leggermente ruotati l'uno rispetto all'altro, formano un modello gigante e ripetitivo chiamato superreticolo di Moiré. Questo schema agisce come un nuovo tipo di paesaggio per gli elettroni, intrappolandoli in strette valli dove interagiscono fortemente tra loro. Di solito, quando gli elettroni diventano troppo affollati o troppo freddi, si congelano in uno stato isolante rigido. Tuttavia, in alcuni materiali speciali, riscaldarli può in realtà farli congelare ancora di più. Questo comportamento controintuitivo, in cui il calore rafforza l'ordine invece di romperlo, è noto come effetto Pomeranchuk, dal fisico che lo predisse per la prima volta nell'elio liquido decenni fa. Comprendere come e perché ciò accada nei materiali solidi potrebbe sbloccare nuovi modi per controllare l'elettricità e l'informazione, ma trovare un materiale che mostri chiaramente questo effetto a temperature che possiamo raggiungere facilmente è stata una sfida importante.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per osservare questo strano fenomeno in un materiale chiamato disolfuro di molibdeno ruotato, o MoS2. Impilando con cura due strati di questo semiconduttore e ruotandoli ad angoli molto specifici, hanno creato una piattaforma in cui gli elettroni si comportano in modi sorprendenti. Gli scienziati si sono concentrati sulla "banda di conduzione", ovvero il percorso che gli elettroni percorrono quando sono liberi di muoversi e trasportare corrente, piuttosto che sulla "banda di valenza" dove solitamente restano fermi. Mentre studi precedenti su materiali simili si sono concentrati principalmente sugli elettroni stazionari, questo team è riuscito a studiare quelli in movimento, superando un ostacolo tecnico significativo: realizzare connessioni elettriche stabili al materiale senza danneggiarlo a temperature estremamente basse. Ci sono riusciti utilizzando un design speciale che espone il materiale attraverso una minuscola finestra, permettendo loro di misurare il flusso di elettricità da quasi lo zero assoluto fino alla temperatura ambiente.

I ricercatori hanno testato diversi campioni, ciascuno ruotato di un angolo leggermente diverso, compreso tra circa 2,3 e 3,5 gradi. Hanno scoperto che il comportamento degli elettroni cambiava drasticamente a seconda di questo angolo. Nei campioni con la rotazione più piccola, gli elettroni formavano uno stato ordinato e stabile che poteva sopravvivere a temperature fino a 160 Kelvin, ben al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido. Aumentando l'angolo di rotazione a un livello intermedio, questa stabilità crollava e lo stato ordinato poteva sopravvivere solo a temperature intorno ai 20 o 30 Kelvin. Ma la scoperta più sorprendente è arrivata dal campione con l'angolo di rotazione più grande, di circa 3,5 gradi. In questa specifica configurazione, quando i ricercatori riscaldavano il materiale, gli elettroni non iniziavano a muoversi più liberamente come previsto. Al contrario, il calore li rendeva ancora più fermi sul posto. Questo è il segno distintivo di un effetto simile a quello di Pomeranchuk: l'energia termica, che di solito scioglie il ghiaccio o fonde i metalli, stava invece aiutando a bloccare gli elettroni in uno stato localizzato e isolante.

Questo blocco indotto dal calore era particolarmente forte a una densità specifica in cui c'era esattamente un elettrone per ogni unità ripetitiva del modello. Mentre la temperatura aumentava dallo zero assoluto a circa 50 Kelvin, la resistenza elettrica del materiale aumentava, segnalando che gli elettroni stavano diventando più localizzati. Ancora più straordinario, a una densità di due elettroni per unità, questo strano comportamento persisteva a temperature superiori a 100 Kelvin, nonostante il segnale fosse più debole. I ricercatori hanno anche testato come questi elettroni reagivano ai campi magnetici per capire cosa li tenesse fermi. Hanno scoperto che l'effetto era altamente sensibile alla direzione del campo magnetico. Un campo magnetico applicato perpendicolarmente al materiale rendeva gli elettroni ancora più aderenti, ma un campo applicato parallelamente alla superficie non aveva quasi alcun effetto. Questo è diverso dagli effetti simili osservati nel grafene ruotato, dove gli elettroni rispondono in modo più equo ai campi magnetici da qualsiasi direzione. La forte differenza suggerisce che gli elettroni in questo MoS2 ruotato non stanno solo ruotando in modo semplice; sono probabilmente influenzati da una miscela complessa della loro posizione negli strati e dalle loro specifiche proprietà quantistiche legate alla struttura atomica del materiale.

Lo studio suggerisce che questi elettroni si comportino come un fluido pesante, muovendosi molto più lentamente dei normali elettroni, il che suggerisce uno stato della materia noto come liquido di Fermi pesante. I ricercatori propongono che gli elettroni stiano formando momenti magnetici locali che fluttuano, e che il calore aiuti a stabilizzare queste fluttuazioni, intrappolando efficacemente gli elettroni. Questa scoperta è significativa perché dimostra che l'angolo di rotazione non è solo un cursore per aumentare o diminuire la forza delle interazioni, ma uno strumento che può cambiare fondamentalmente la natura del materiale stesso. Regolando l'angolo, gli scienziati possono passare tra un ordine robusto ad alta temperatura, uno stato intermedio fragile e questo regime insolito in cui il calore rafforza l'ordine. Il fatto che questo effetto possa essere osservato a temperature superiori a 100 Kelvin lo rende un candidato promettente per studi futuri, offrendo una nuova finestra su come gli stati quantistici complessi possano emergere e essere controllati nei materiali semiconduttori.