Los investigadores obtienen una capacidad mejorada por orden de carga en superredes de semiconductores de Moiré

En los últimos años, los ingenieros electrónicos han estado experimentando con nuevos materiales que podrían usarse para estudiar los fenómenos de correlación electrónica. Los materiales de muaré de Van der Waals (vdW) son particularmente prometedores para el examen de estos fenómenos. Los materiales VdW están compuestos de capas bidimensionales (2D) fuertemente unidas que están unidas en la tercera dimensión por fuerzas de dispersión más débiles.

El término muaré, por otro lado, se refiere a un patrón específico producido cuando un patrón de rayas opacas con espacios se coloca en un patrón similar. Estudios recientes han descubierto estados de aislamiento robustos, enteros y con factor de relleno fraccional correlacionados de materiales semiconductores con un patrón muaré.

Investigadores de la Universidad de Cornell y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales en Japón llevaron a cabo recientemente un estudio que exploraba las propiedades termodinámicas de estos estados robustos correlacionados. Su artículo, publicado en Nanotecnología de la naturaleza, finalmente demostró que capacidad (es decir, la capacidad de un sistema para almacenar carga eléctrica) puede desempeñar un papel clave en el sondeo de los estados correlacionados de los materiales semiconductores muaré.

Este estudio reciente se basó en parte en un esfuerzos de investigación previos por el mismo equipo, que reveló la presencia de una gran cantidad de cristales de electrones en materiales semiconductores muaré. Uno de los principales objetivos del nuevo estudio del equipo fue comprender mejor estos estados de los cristales de electrones mediante la recopilación de medidas termodinámicas.

“Nuestro estudio también está inspirado en cálculos teóricos por nuestro amigo Veit Elser, quien es coautor del artículo ”, dijo a TechXplore Kin Fai Mak, uno de los investigadores que realizó el estudio. “Veit calculó la capacitancia de un condensador de placas paralelas que tiene la muestra como una placa y una puerta de metal como otra placa”.

Normalmente, la capacitancia de un condensador de placas paralelas como el que estudió Elser solo estaría definida por su geometría (por ejemplo, la distancia entre las dos placas). Sin embargo, sorprendentemente, sus cálculos sugieren que la capacitancia cuando la placa de muestra está en una mezcla de fases de cristales de electrones podría ser infinita.

“Esto podría ser enorme, ya que puede mejorar drásticamente la capacidad del dispositivo para almacenar carga”, dijo Mak.

Para probar esta idea experimentalmente, Mak y sus colegas midieron la capacitancia de un capacitor paralelo que tiene la muestra de interés (es decir, la muestra de muaré) como una placa y una delgada hoja de metal como segunda placa.

“Las dos placas fueron separadas por una distancia que varió experimentalmente”, dijo Mak. “La capacitancia está íntimamente relacionada con la compresibilidad electrónica (una cantidad termodinámica) de la muestra, que es una medida de la compresibilidad de los electrones cuando se someten a un campo eléctrico externo”.

El equipo midió cuidadosamente qué tan compresibles eran los electrones en su muestra cuando se exponen a un campo eléctrico externo en función de la densidad y la temperatura de los electrones. Esto les permitió derivar dos medidas termodinámicas adicionales (es decir, entropía electrónica y capacidad calorífica específica) a partir de datos existentes, utilizando reglas de relación termodinámica reconocidas y establecidas.

“Uno de los logros más importantes de nuestro estudio fue una mejora significativa en la capacitancia medida en comparación con el valor geométrico”, dijo Mak. “Hasta donde sabemos, esta es probablemente la mejora más significativa reportada hasta la fecha. Sin embargo, debido a problemas con las muestras, la mejora observada está lejos de ser infinita, como lo predijeron los cálculos originales de Veit. Uno podría imaginar una mejora adicional en la capacidad con mejores muestras en el futuro “.

Los recientes hallazgos recopilados por este equipo de investigadores podrían tener importantes implicaciones para el desarrollo de dispositivos electrónicos. De hecho, su trabajo demuestra que la capacidad de las superredes de semiconductores muaré se puede mejorar significativamente, lo que significa que se podría mejorar el almacenamiento de carga de los dispositivos fabricados con estos materiales.

Además, el equipo recopiló valiosas mediciones cuantitativas de las propiedades termodinámicas de los estados de los cristales de electrones en superredes semiconductoras de muaré. En el futuro, estas mediciones podrían ayudar a comprender mejor la naturaleza de estos estados exóticos de la materia.

“La medición termodinámica es una habilidad importante en física, ya que ayuda a comprender la naturaleza de muchos estados cuánticos emergentes de la materia”, agregó Mak. “Hay tantos estados exóticos descubiertos recientemente en materiales muaré (por ejemplo, superconductividad, aislantes correlacionados, cristales de electrones, efecto Hall anómalo cuántico, etc.). La realización de estudios termodinámicos sobre estos estados sin duda ayudará a comprender algunos de los misterios en esta área de investigación. En general, la capacidad de medición es una herramienta de diagnóstico muy útil para cuestiones cuánticas.

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