При правильных обстоятельствах электроны могут фактически «замерзать» в причудливой твердой форме. Теперь физики из лаборатории Беркли создали и сделали первые в истории прямые изображения этой структуры.
При низких температурах и плотностях группы электронов могут кристаллизоваться в твердую форму, известную как кристалл Вигнера, названную в честь физика-теоретика Юджина Вигнера, который первым предсказал их существование в 1930-х годах. Всего несколько лет назад ученые впервые напрямую обнаружили и изобразили их.
Теперь группа впервые изобразила новую квантовую фазу электронов — родственную структуру, называемую молекулярным кристаллом Вигнера. По сути, это та же твердая электронная фаза, за исключением того, что группы электронов располагаются в каждом месте решетки вместо отдельных электронов.
Электроны обычно текут через материалы более или менее свободно, действуя как неупорядоченная жидкость. Но если их движение можно замедлить, должно взять верх другое свойство — их электростатическое отталкивание. Поскольку все электроны имеют одинаковый заряд, они естественным образом отталкиваются друг от друга, поэтому, когда они прекращают движение, они отталкивают друг друга на определенное расстояние и там фиксируются. Это приводит к фазе кристалла Вигнера.
Чтобы создать молекулярные кристаллы Вигнера, исследователям понадобилась новая структура, которая удерживала бы электроны, чтобы они образовывали «молекулы». Они начинают со слоя гексагонального нитрида бора толщиной 49 нанометров, затем накладывают два слоя дисульфида вольфрама, каждый толщиной в один атом. Один слой скручен на угол 58 градусов относительно второго.
Полученная «сверхрешетка муара tWS2» затем легируется электронами, и, конечно же, два или три электрона объединяются в каждую элементарную ячейку решетки. Эти небольшие группы по сути являются электронными молекулами, которые вместе образуют неуловимый молекулярный кристалл Вигнера.
На самом деле просмотр кристалла оказался еще одной проблемой. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) обычно используется для получения изображений в таком масштабе, но электрическое поле, создаваемое иглой, имеет тенденцию нарушать хрупкую конфигурацию электронов в кристалле. Команда нашла способ минимизировать это электрическое поле, что позволило им сделать первые снимки этого явления.
Исследователи планируют продолжить изучение молекулярных кристаллов Вигнера в будущих экспериментах, чтобы увидеть, какие приложения они могут найти.
Исследование было опубликовано в журнале Science.
