Исследователи из Принстонского университета впервые смогли задокументировать «одну из удивительных квантовых фаз материи». В течение 90 лет состоящий только из электронов кристалл существовал лишь в теории.
Изображение кристалла Вигнера. Источник изображения: Принстонский университет Эти кристаллы названы в честь первооткрывателя Юджина Вигнера. Еще в 1934 году он предсказал, что электроны будут располагаться в регулярной решетке при низких температурах и высоких плотностях. Кристаллы возникают, когда строительные блоки материала расположены в регулярной решетчатой структуре. Электроны, отталкиваясь друг от друга, образуют правильную решетку.
Обычно кристалл образуется потому, что его компоненты — атомы, молекулы и ионы — притягиваются друг к другу. Но вигнеровские кристаллы возникают потому, что электроны отталкивают друг друга. На протяжении десятилетий исследователи пытались получить их в экспериментах. Это удалось сделать, но их так и не смогли зафиксировать на снимках. Было лишь предположение, что они созданы.
Эксперимент в Университете Беркли заложил основу для фиксации кристаллов. Слой графена используется с помощью сканирующего туннельного микроскопа для фотографирования электронной решетки (красные точки на полупроводниках). Источник изображения: Калифорнийский университет в Беркли
«Визуализация этого кристалла не только позволяет наблюдать за его формированием и подтверждать многие его свойства, но также позволяет изучать его способами, которые ранее были невозможны», — сказал Али Яздани, ведущий автор исследования.
Для этого команда использовала сканирующий туннельный микроскоп. Он не работает со светом, а использует «квантовое туннелирование», чтобы сделать мельчайшие частицы видимыми на субатомном уровне. Они использовали два тонких слоя графена, модифицированного углерода. Их охладили до температуры чуть выше абсолютного нуля (-273°C).
Затем на образец воздействовали магнитным полем. В итоге удалось повлиять на плотность электронов между слоями графена. Чем дальше электроны находятся друг от друга, тем беспорядочнее они вращаются. Если увеличить плотность, электроны будут вынуждены двигаться ближе друг к другу. Отталкиваясь друг от друга, они начинают выстраиваться в правильную решетку и образуется кристалл.
Основу этого метода заложило исследование 2021 года в Университете Беркли. Тогда были сфотографированы электронные кристаллы на слое графена. Однако это были не вигнеровские кристаллы, образовавшиеся естественным путем, а распределенные по заданной сетке, как отмечают исследователи.
В 2021 году удалось зафиксировать электронный кристалл – но он не возник естественным путем. Источник изображения: NatureИсследователи сфотографировали настоящий кристалл Вигнера в нужный момент. Они также впервые смогли выявить его треугольную форму. Его можно поддерживать стабильным при правильной температуре и плотности, что всегда подвергалось сомнению.
Исследование может помочь найти новые квантовые фазы материи. В дальнейшем будет изучено, как меняется экзотический материал в разных условиях. Исследование было опубликовано в журнале Nature.