Transport kinetics in excitonic Mott insulator

In de kwantumwereld gedragen deeltjes zich niet altijd als solitaire reizigers; soms bewegen ze als een enkele, gecoördineerde menigte. Wanneer bepaalde deeltjes die bosonen worden genoemd extreem lage temperaturen bereiken en worden opgesloten in een herhalend patroon, kunnen ze een toestand betreden waarin ze zonder enige weerstand stromen, een fenomeen dat bekend staat als superfluiditeit. Echter, als de dichtheid van deze deeltjes te hoog wordt, kunnen ze plotseling volledig stoppen met bewegen, waarbij ze zichzelf op hun plaats vergrendelen om een Mott-isolator te vormen. Deze overgang van een wrijvingsloze stroom naar een rigide stop is een fundamentele voorspelling van de natuurkunde, maar het observeren ervan vereist een systeem dat zo puur is dat de deeltjes niet worden gestopt door willekeurige hobbels of onzuiverheden in het materiaal, maar alleen door hun eigen interactie met elkaar. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een schoon genoeg platform om deze specifieke overschakeling te zien gebeuren, waarbij het onderscheid wordt gemaakt tussen het natuurlijke vergrendelen van deeltjes en het accidentele vastlopen veroorzaakt door een rommelige omgeving.

Onderzoekers aan de University of California, San Diego, hebben deze overgang nu in actie vastgelegd met behulp van een unieke sandwich van twee atoomdunne materialen. Ze creëerden een apparaat door een enkele laag molybdeen diselenide te stapelen op een enkele laag wolfraam diselenide. Wanneer licht op deze structuur valt, creëert dit speciale deeltjes die indirecte exciton worden genoemd. Dit zijn paren bestaande uit een elektron in de ene laag en een gat (een ontbrekend elektron) in de andere, bij elkaar gehouden door elektrische aantrekking maar gescheiden door de kloof tussen de lagen. Deze scheiding geeft hen een lang leven, waardoor ze ver kunnen reizen en in een rustige toestand kunnen komen te rusten voordat ze verdwijnen. Omdat de atomaire lagen ten opzichte van elkaar licht gedraaid zijn, vormen ze een herhalend, honingraatachtig landschap van energieheuvels en -dalen, bekend als een moiré-potentiaal. Dit landschap fungeert als een rooster van kleine vallen waarin de exciton kunnen zitten.

Het team concentreerde zich op hoe deze exciton over dit rooster bewegen terwijl ze het aantal deeltjes verhoogden. Bij lagere dichtheden bewogen de exciton vrij en verspreidden ze zich vanaf de plek waar de laser het materiaal raakte. Toen de onderzoekers de dichtheid verhoogden naar een specifiek punt waar het rooster ongeveer halfvol was, bewogen de deeltjes met een buitengewone snelheid en efficiëntie, een gedrag dat consistent is met een superfluiditeitstoestand. In dit regime leken de deeltjes over het landschap te glijden zonder vast te lopen, wat bewees dat het materiaal schoon genoeg was om collectieve kwantumtoestanden te laten ontstaan. Deze hoge snelheid van beweging was cruciaal, omdat het de mogelijkheid uitsloot dat de deeltjes werden vertraagd door willekeurige defecten in het materiaal.

Het verhaal veranderde echter drastisch toen de onderzoekers de dichtheid nog verder verhoogden, waardoor het rooster zo vol werd dat bijna elke val een deeltje bevatte. Op dit punt stortte de vloeiende, snelle stroom plotseling in. In plaats van zich verder te blijven verspreiden, begon de wolk van deeltjes weer naar het midden te krimpen. De onderzoekers observeerden dat de afstand die de deeltjes aflegden eerst toenam, maar vervolgens omkeerde en kromp naarmate de dichtheid het punt bereikte waarop het rooster volledig vol was. Deze contractie was het bewijs voor de Mott-isolator-toestand. Het toonde aan dat de deeltjes zo druk geworden waren dat ze niet langer van de ene val naar de volgende konden springen, waardoor ze effectief op hun plaats bevroren door hun eigen onderlinge afstoting. Dit was niet het resultaat van een vuil materiaal; de initiële snelle beweging bewees dat het materiaal schoon was, wat betekende dat de stop een bewuste, collectieve beslissing van de deeltjes zelf was.

Samen met deze krimpend wordende wolk verscheen er een duidelijke piek in de dichtheid van de deeltjes precies in het midden waar de laser het raakte. In de eerdere, sneller bewegende stadia verspreidden de deeltjes zich gelijkmatig en namen ze geleidelijk af vanaf het centrum. Maar in de hogere dichtheidstoestand hoopten de deeltjes zich op bij de oorsprong, waardoor een scherpe piek in hun aantal ontstond voordat ze afnamen. Deze accumulatie gebeurde omdat de deeltjes niet weg konden bewegen uit het midden zodra het rooster vol was. De onderzoekers bevestigden deze observaties door computermodellen te draaien die de beweging van de deeltjes door het rooster simuleerden. Deze simulaties, die niet vertrouwden op complexe wiskunde maar op de fysieke regels van hoe de deeltjes met elkaar interageren, reproduceerden succesvol zowel de initiële expansie als de daaropvolgende contractie van de wolk, evenals de centrale piek.

De studie onthulde ook dat dit delicate kwantumgedrag fragiel is. Wanneer de temperatuur werd verhoogd boven de 10 Kelvin, verdween het effect en keerden de deeltjes terug naar een tragere, meer gewone verspreidingsbeweging. Deze temperatuurgrens komt overeen met de theoretische verwachtingen voor wanneer dergelijke kwantumtoestanden kunnen overleven. Door te kijken naar hoe de exciton expanderen en vervolgens krimpen, leverde het team direct bewijs voor de overgang van een superfluïde naar een Mott-isolator. Ze toonden aan dat in een voldoende schoon materiaal deeltjes gedwongen kunnen worden om te stoppen met bewegen, niet omdat ze vastzitten in een rommelige omgeving, maar omdat ze elke beschikbare plek hebben gevuld en door de regels van de kwantummechanica gedwongen worden op hun plaats te blijven. Dit werk biedt een helder venster naar hoe materie van fundamentele aard kan veranderen simpelweg door drukker te worden, waarbij een stromende vloeistof in een rigide vaste stof wordt veranderd door de kracht van interactie alleen.