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

In de microscopische wereld van de moderne elektronica leren wetenschappers materialen atoom voor atoom op te bouwen, waarbij ze dunne vellen op elkaar stapelen als een kaartspel om geheel nieuwe regels te creëren voor hoe elektriciteit stroomt. Wanneer twee van dergelijke vellen ten opzichte van elkaar licht gedraaid zijn, vormen ze een gigantisch, herhalend patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd. Dit patroon fungeert als een nieuw soort landschap voor elektronen, waarin ze worden gevangen in nauwe valleien waar ze sterk met elkaar interageren. Normaal gesproken, wanneer elektronen te druk worden of te koud worden, bevriezen ze in een rigide, isolerende staat. Echter, in een paar speciale materialen kan het verwarmen van deze elektronen ze zelfs nog harder doen bevriezen. Dit contra-intuïtieve gedrag, waarbij warmte orde versterkt in plaats van deze te verbreken, staat bekend als het Pomeranchuk-effect, vernoemd naar een natuurkundige die dit decennia geleden al voor vloeibaar helium voorspelde. Het begrijpen van hoe en waarom dit gebeurt in vaste materialen zou nieuwe manieren kunnen ontsluiten om elektriciteit en informatie te controleren, maar het vinden van een materiaal dat dit effect duidelijk vertoont bij temperaturen die we gemakkelijk kunnen bereiken, was een grote uitdaging.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om dit vreemde fenomeen te observeren in een materiaal genaamd gedraaid molybdeendisulfide, of MoS2. Door twee lagen van deze halfgeleider zorgvuldig op elkaar te stapelen en ze onder zeer specifieke hoeken te draaien, creëerden ze een platform waar elektronen op verrassende manieren zich gedragen. De wetenschappers concentreerden zich op de "geleidingsband", het pad dat elektronen afleggen wanneer ze vrij zijn om te bewegen en een stroom te dragen, in plaats op de "valentieband" waar ze gewoon stilzitten. Hoewel eerdere studies naar soortgelijke materialen voornamelijk naar de stationaire elektronen keken, slaagde dit team erin om de bewegende elektronen te bestudelen, waarbij ze een aanzienlijke technische hindernis overwonnen: het maken van stabiele elektrische verbindingen met het materiaal zonder het te beschadigen bij extreem lage temperaturen. Ze slaagden hierin door een speciaal ontwerp te gebruiken dat het materiaal via een klein venster blootstelt, waardoor ze de elektrische stroom konden meten van nabij het absolute nulpunt tot aan kamertemperatuur.

De onderzoekers testten verschillende monsters, elk onder een iets andere draathoek, variërend van ongeveer 2,3 tot 3,5 graden. Ze ontdekten dat het gedrag van de elektronen drastisch veranderde afhankelijk van deze hoek. In de monsters met de kleinste draathoek vormden de elektronen een stabiele, geordende staat die temperaturen tot wel 160 Kelvin kon overleven, wat ruim boven het kookpunt van vloeibare stikstof ligt. Naarmate ze de draathoek verhoogden naar een intermediair niveau, stortte deze stabiliteit in en kon de geordende staat alleen overleven bij temperaturen rond de 20 tot 30 Kelvin. Maar de meest verrassende ontdekking kwam van het monster met de grootste draathoek van ongeveer 3,5 graden. In deze specifieke configuratie, wanneer de onderzoekers het materiaal verwarmden, begonnen de elektronen niet meer vrij te bewegen zoals verwacht. In plaats daarvan zorgde de hitte ervoor dat ze nog steviger op hun plek bleven zitten. Dit is het kenmerk van een Pomeranchuk-achtig effect: thermische energie, die normaal gesproken ijs of metaal doet smelten, hielp de elektronen in plaats daarvan juist om ze in een gelokaliseerde, isolerende staat te vergrendelen.

Deze door hitte geïnduceerde vergrendeling was bijzonder sterk bij een specifieke dichtheid waarbij er precies één elektron aanwezig was voor elke herhalende eenheid van het patroon. Terwijl de temperatuur steeg van nabij het absolute nulpunt naar ongeveer 50 Kelvin, nam de elektrische weerstand van het materiaal toe, wat signaleerde dat de elektronen meer gelokaliseerd werden. Nog opmerkelijker was dat bij een dichtheid van twee elektronen per eenheid, dit vreemde gedrag standhield bij temperaturen boven de 100 Kelvin, ondanks dat het signaal zwakker was. De onderzoekers testten ook hoe deze elektronen reageerden op magnetische velden om te begrijpen wat hen op hun plek hield. Ze ontdekten dat het effect zeer gevoelig was voor de richting van het magnetische veld. Een magnetisch veld dat loodrecht op het materiaal werd toegepast, zorgde ervoor dat de elektronen nog steviger vastzaten, terwijl een veld dat parallel aan het oppervlak werd toegepast, bijna geen effect had. Dit verschilt van vergelijkbare effecten gezien in gedraaid grafeen, waarbij de elektronen evenredig reageren op magnetische velden vanuit elke richting. Het sterke verschil suggereert dat de elektronen in dit gedraaide MoS2 niet alleen op een eenvoudige manier draaien; ze worden waarschijnlijk beïnvloed door een complexe mix van hun locatie in de lagen en hun specifieke kwantum eigenschappen gerelateerd aan de atomaire structuur van het materiaal.

De studie suggereert dat deze elektronen zich gedragen als een zware vloeistof, die veel langzamer beweegt dan normale elektronen, wat wijst op een staat van materie die bekend staat als een zware Fermi-liquid. De onderzoekers stellen voor dat de elektronen lokale magnetische momenten vormen die fluctueren, en dat de hitte helpt om deze fluctuaties te stabiliseren, waardoor de elektronen effectief worden gevangen. Deze ontdekking is significant omdat het aantoont dat de draathoek niet slechts een draaiknop is om de sterkte van de interacties op of af te regelen, maar een instrument dat de fundamentele aard van het materiaal zelf kan veranderen. Door de hoek af te stemmen, kunnen wetenschappers schakelen tussen robuuste hoge-temperatuurorde, een fragiele intermediaire staat, en dit ongewone regime waarin hitte de orde versterkt. Het feit dat dit effect kan worden waargenomen bij temperaturen boven de 100 Kelvin maakt het een veelbelovende kandidaat voor toekomstig onderzoek, en biedt een nieuw venster naar hoe complexe kwantumtoestanden kunnen ontstaan en gecontroleerd kunnen worden in halfgeleidende materialen.