Ученые обнаружили управляемую волну зарядовой плотности в двумерном антиферромагнитном полупроводнике

а) Схематическая диаграмма измерений сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) на двумерном селениде хрома(III) (Cr₂Se₃). b) Высококачественное СТМ-изображение, показывающее гранулярную картину волны зарядовой плотности (ВЗП) в 2D Cr₂Se₃. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx8310

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) впервые наблюдали управляемую легированием волну зарядовой плотности в однослойном полупроводнике — селениде хрома(III) (Cr₂Se₃). Это открытие расширяет область явления ВЗП с металлов на легированные полупроводники.

Волны зарядовой плотности — это интригующие электронные паттерны, широко наблюдаемые в металлических двумерных халькогенидах переходных металлов. Изучение ВЗП дает ключ к пониманию возникающих порядков в квантовых материалах, где электронные корреляции играют существенную роль. Однако большинство известных материалов, демонстрирующих ВЗП, являются собственными металлами, и настройка плотности носителей в них обычно достигается за счет интеркаляции или атомного замещения. Эти методы могут вносить примеси или дефекты, что затрудняет понимание фундаментальных механизмов.

Группа под руководством профессора Чэнь Вэя с физического и химического факультетов NUS синтезировала однослойный полупроводниковый Cr₂Se₃ и продемонстрировала явление ВЗП с помощью сканирующей туннельной микроскопии.

В отличие от ранее изученных 2D металлических материалов, ВЗП в полупроводниковом Cr₂Se₃ можно чисто и обратимо настраивать с помощью поверхностного легирования переносом заряда, не внося посторонних примесей.

Эта работа была выполнена в сотрудничестве с профессором Чжэн Фэйпэном из Цзинаньского университета в Китае. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

При очень низких температурах электроны в этом материале естественным образом выстраиваются в крошечные «островки» с более высокой и более низкой плотностью — паттерн, называемый зарядовым упорядочением, похожий на рябь или шахматную доску из зарядов.

Исследователи наблюдали эти паттерны с помощью СТМ и показали, что кристаллическая решетка слегка искажается при появлении узора, что является характерным признаком зарядово-упорядоченного состояния.

Они обнаружили, что паттерном можно управлять с помощью «легирования». Удаление электронов (дырочное легирование) отключает узор, а добавление электронов (электронное легирование) делает узор сильнее и регулярнее, формируя аккуратный, повторяющийся паттерн 3√3×3√3.

Один из авторов работы, доктор Дуань Сисэн, отметил: «Благодаря своей полупроводниковой природе, ВЗП в 2D Cr₂Se₃ можно настраивать как электронным, так и дырочным легированием. Это открывает потенциальные возможности для создания устройств, позволяющих внешне управлять коррелированными электронными фазами».

«Более того, 2D Cr₂Se₃ также является антиферромагнетиком. Управляемая легированием ВЗП в двумерном антиферромагнетике предоставляет платформу для понимания взаимосвязи между магнетизмом, зарядовым порядком и электронной корреляцией», — добавил профессор Чэнь.

ИИ: Это исследование знаменует важный шаг в физике конденсированного состояния, открывая путь к созданию новых электронных устройств, где магнитными и зарядовыми свойствами можно гибко управлять. В перспективе это может привести к прорывам в спинтронике и квантовых вычислениях.