Перша візуалізація квантового електронного кристала нарешті доводить його існування

Вперше візуалізовано екзотичний матеріал, відомий як кристал Вігнера, що утворюється виключно з електронів. Про існування цих неймовірних на перший погляд кристалів заявляли і раніше, але ніколи не знаходили прямих підтверджень. Знімки не лише доводять його існування, але й розкривають несподівані аспекти природи дивного кристалу.

Матеріали складаються з протонів та електронів, а також нейтронів, тому для стабільності необхідне притягання між ними. Однак у 1930-х роках Юджин Вігнер передбачив, що за певних обставин відштовхування може так само добре справлятися з підтриманням порядку, як і притягання. Ви можете зробити власні висновки щодо того, чи так це в людських стосунках, але дев’яносто років потому ми нарешті знаємо, що Вігнер мав рацію щодо структури кристалічної решітки.

Без втручання протонів, які б їх притягували, електрони намагатимуться розійтися якомога далі один від одного. За більшості обставин це призводить до того, що вони розлітаються. Однак, якщо вдасться знайти спосіб підтримувати щільність електронів, вони будуть розташовуватися через рівні проміжки, щоб зберігати якомога більшу відстань один від одного.

Уявіть собі групу людей, які недолюблюють один одного, замкнених у кімнаті. Вони хочуть відійти подалі від людини зліва, але це означало б наблизитися до того, хто сидить праворуч, тому вони підтримують жорсткий порядок: тобто кристал.

Теоретики припускають, що так звані кристали Вігнера повинні існувати, коли електрична потенціальна енергія між електронами більш ніж у 40 разів перевищує їхню кінетичну енергію. Оскільки кінетичну енергію можна зменшити за допомогою комбінації низьких температур і відповідного магнітного поля, це можна перевірити.

Класичні кристали Вігнера були створені в 1970-х роках шляхом розпилення електронів на поверхні гелію. Однак ці електрони настільки віддалені один від одного, що більше схожі на ізольовані частинки, а тому не особливо цікаві. Фізики набагато більше зацікавлені у використанні квантової поведінки для того, щоб упакувати електронний кристал достатньо щільно, щоб електрони демонстрували хвилеподібну когезію.

Утримуючи електрони в напівпровідникових шарах товщиною в кілька атомів, фізики створили те, що підозрювали як вігнерівські кристали, але не змогли довести це. Електрони в цих випадках реагують на магнітні поля так, як це передбачено теорією вігнерівських кристалів, але все відбувалося в надто малому масштабі, щоб це можна було побачити. Більше того, цілком можливо, що недосконалість кристалів може спричинити подібну поведінку.

“Існують буквально сотні наукових робіт, які вивчають ці ефекти і стверджують, що результати мають бути зумовлені кристалом Вігнера”, – сказав професор Принстонського університету Алі Яздані у своїй заяві. “Але ніхто не може бути впевненим, тому що жоден з цих експериментів насправді не бачив кристал”.

З’єднавши атоми вуглецю у двох графенових листах якомога послідовніше, Яздані та його колеги зменшили небезпеку виникнення недосконалостей, що спричиняють поведінку, подібну до вігнерівської. Потім вони провели над матеріалом скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), щоб підтвердити свою роботу.

“Наша група змогла виготовити безпрецедентно чисті зразки, які зробили цю роботу можливою, – сказав Яздані. “За допомогою нашого мікроскопа ми можемо підтвердити, що зразки не мають жодної атомної недосконалості в атомній решітці графену або чужорідних атомів на його поверхні в областях з сотнями тисяч атомів”.

Потім листи охолоджували до температури менше градуса вище абсолютного нуля і поміщали в магнітне поле під прямим кутом до зразка, створюючи між графеновими листами електронний газ товщиною в один електрон.

“У нашому експерименті ми можемо зобразити систему, коли ми налаштовуємо кількість електронів на одиницю площі, – каже аспірантка Єн-Чен Цуй (Yen-Chen Tsui). “Просто змінюючи густину, можна ініціювати цей фазовий перехід і виявити, що електрони спонтанно формуються в упорядкований кристал”.

Коли густина низька, сили від сусідніх електронів досить малі, що інші фактори беруть гору, і електрони розташовуються хаотично. Однак, коли електрони стискаються, їхнє відштовхування змушує їх утворювати впорядковану решітку, яка стає електронною рідиною при подальшому збільшенні густини або температури.

За словами Цуя, перехід від кристалу до рідини можна візуалізувати за допомогою СТМ. “Наша робота надає перші прямі зображення цього кристалу. Ми довели, що кристал дійсно існує, і ми можемо його бачити”.

Кристал має трикутну конфігурацію, і хоча її можна налаштовувати, змінюючи густину, виявилося, що всупереч очікуванням, лише відштовхування утримує його стабільність у широкому діапазоні умов.

Однією з ключових особливостей квантової механіки є те, що субатомні частинки, такі як електрони, існують у вигляді кривої ймовірності в діапазоні положень, а не мають точного місця розташування. Цей діапазон – відомий як нульовий рух електронів, оскільки він відбувається без підвищених енергетичних рівнів – створює розмитість у розташуванні електронів у кристалі при спостереженні.

Команда змогла виміряти ступінь цієї розмитості, і Яздані сказав: “Виявляється, цей квантовий рух покриває третину відстані між ними, що робить кристал Вігнера новим квантовим кристалом”.

Опис першої візуалізації кристала Вігнера опублікований у відкритому доступі в журналі Nature.