物理学家确定电子晶体如何熔化

物质相态的神秘变化——从固态到液态再变回固态——自从Eun-AhKim在韩国上小学时就让她着迷。由于没有现成的冷饮水，在炎热的天气里，孩子们会带几瓶冰冻水到学校。

金注意到当水融化时，体积发生了变化。

艺术与科学学院物理学教授金说：“这向我揭示了那里有一些我无法用眼睛看到的东西。”“我周围的物质是由看不见的实体组成的，它们相互作用并一起做一些事情来改变它们的状态。”

Kim对熔化的迷恋仍在继续，但她现在研究的是比水更奇特的材料中的跃迁：电子晶体。在一篇新论文中，Kim和第一作者MichaelMatty，MS'19，博士。'22，描述了这些电子结构的液体和固体之间的相——液晶态。

他们的论文“MeltingofGeneralizedWignerCrystalsinTransitionMetalDichalcogenideHeterobilayerMoiréSystems”发表在NatureCommunications上。

因为电子都带负电，所以它们相互排斥;因此，它们的首选状态是尽可能远离包含它们的材料中的所有其他电子。这种在所有方向上均等排斥所产生的规则电子排列称为维格纳晶体。

Kim和Matty想知道电子​​如何从一种规则排列的晶体转变为另一种规则排列的晶体，或者它们如何“熔化”。

为了找到答案，研究人员研究了电子如何在人造网格上相互作用，称为莫尔晶格，通过将两种不同的原子级薄材料彼此叠加形成。因为它们在网格上而不是光滑的表面上，所以电子不能选择彼此远离的任意位置，而必须填充网格上的一个点;网格限制了它们的排列方式。

“当网格被部分填充时，我们可以看到它们排斥的影响以及电子相互作用的强度，”金说。“由于它们的相互作用，我们看到它们在晶格上占据了规则间隔的位置，而不是随机间隔。”

研究人员考虑用于他们研究的特殊莫尔晶格是由康奈尔大学实验家KinFaiMak、康奈尔大学物理学教授(A&S)和物理学副教授以及物理学(A&S)和应用与工程物理学教授JieShan开发的。工程)。

“康奈尔大学的实验学家处于人造波纹材料研究的前沿，”Kim说，“他们以惊人的控制度进行这些惊人的实验，为理论思想在物理系统中的体现提供了机会。”

Shan和Mak通过实验检测了电子在部分填充的网格中形成的特定刚性结构。Kim和Matty研究了其中一种结构如何过渡到另一种结构。他们发现，当条件发生变化时，非常规则、刚性的阵列变得更加流动。

研究人员确定了电子中固体和液体之间的中间相，它具有一定的规律性，但不如固体那么多，也不像液体那么自由。他们发现处于这种状态的电子将自己排列成细小的条带，这些细条可以四处移动并在结构中定位自己。

“电子液晶已经在理论上进行了讨论，但我们正在提供它们如何在微观上形成的视觉图像：四个或五个电子形成一个可以排列的部分，”金说。“我们所取得的成就是对原则上只知道可能发生的事情的微观理解。”