Инженерам ETH Zurich впервые в истории удалось получить реальный кристалл, который состоит исключительно из электронов. Так называемые кристаллы Вигнера теоретически были предсказаны еще 90 лет тому назад, но только сейчас их удалось вживую наблюдать непосредственно в полупроводниковом материале.
Как удалось создать и пронаблюдать кристалл из электронов
В обычных условиях поведение электронов напоминает поведение жидкости, которая свободно протекает через материал. Но уже в далеком 1934 году физик-теоретик Ю. Вигнер сформулировал теорию, согласно которой группа электронов вполне способна кристаллизоваться в твердую форму, образуя фазу, которую теперь именуют как кристалл Вигнера.
Так согласно теории, для этого нужно «поймать» идеальный баланс между такими силами, как электростатическое отталкивание и энергия движения.
Так энергия движения является существенно более мощным фактором, которая заставляет электроны отскакивать в самых разных направлениях. Но если эту силу можно было бы уменьшить (по предположению Вигнера), то сила отталкивания оказывала бы более сильное влияние на электроны и, таким образом, заперла бы их в однородную решетку.
Так на протяжении многих десятков лет различные группы инженеров пытались подтвердить теорию Вигнера и создать кристалл, состоящий из электронов, но это оказалось довольно сложной задачей.
Ведь для этого нужно снизить плотность электронов. Кроме этого, их нужно зафиксировать в «ловушке», а еще и охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы максимально снизить на них влияние внешних факторов.
Как получили кристалл Вигнера
И только ученым ETH Zurich удалось соблюсти все требования для получения кристалла Вигнера. Так для ограничения электронов был использован одноатомный лист из диселенида молибдена, оный достаточно эффективно ограничил электроны двумя измерениями.
Для контроля числа электронов инженеры зажали этот материал между двумя электродами из графена и приложили минимальное напряжение. И вот эта конструкция была охлаждена практически до абсолютного нуля.
Так вот в результате таких манипуляций и появился кристалл Вигнера. Но это оказалось всего полдела, ведь расстояние между электронами оказалось настолько маленьким (около 20 нанометров), что увидеть кристалл с помощью микроскопа оказалось невозможно.
Для визуализации кристалла ученые решили применить новый метод. Было принято решение направить поток света на материал с фиксированной частотой для того, чтобы запустить процесс возбуждения так называемых «экстионов» в полупроводнике, которые излучают свет обратно.
Если кристаллы Вигнера присутствуют, то экстионы должны казаться неподвижными, когда они отражают свет обратно.
При этом этот эффект должен проявляться в наблюдаемых частотах возбуждения экстионов и именно это ученые и наблюдали в ходе своего эксперимента по получению кристалла Вигнера.
Результатами проделанной работы ученые поделились на страницах журнала Nature.
Если вам понравился материал, то оцените его и не забудьте подписаться на канал. Спасибо за внимание!