Исследователи из Швейцарской высшей техническая школы Цюриха (ETH Zurich) создали кристалл, полностью состоящий из электронов. Теории строились на протяжении десятилетий, но это первый раз, когда они были экспериментально подтверждены в лаборатории.
Обычно электроны ведут себя более или менее как жидкость, свободно протекающая через материал. Но в 1934 году физик-теоретик Юджин Вигнер предсказал, что группа электронов может кристаллизоваться в твердую форму при определенных условиях, образуя фазу, теперь известную как Вигнеровский кристалл.
Для этого необходимо установить точный баланс между двумя силами, действующими на электроны: их электростатическим отталкиванием и их энергией движения. Последнее является более мощным эффектом, заставляющим электроны подпрыгивать случайным образом, но если это можно было бы достаточно уменьшить, предположил Вигнер, то отталкивание могло бы взять верх, запирая электроны в равномерную однородную решетку.
Но это оказалось сложнее, чем может показаться. Плотность электронов необходимо снизить сверх определенной точки, их нужно удерживать в «ловушке» и охладить почти до абсолютного нуля, чтобы уменьшить внешнее влияние на их движение.
Теперь ученые из ETH Zurich выполнили все требования для создания Вигнеровского кристалла. Чтобы ограничить электроны, они использовали лист диселенида молибдена толщиной в один атом, эффективно ограничивая их движения двумя измерениями. Чтобы контролировать количество электронов в этом полупроводнике, команда зажала этот материал между двумя графеновыми электродами и аккуратно приложила напряжение. И наконец, вся система была охлаждена почти до абсолютного нуля.
И действительно, появился Вигнеровский кристалл. Но наблюдать это было совершенно другой проблемой - проблема в том, что расстояние между электронами настолько крошечное, около 20 нанометров, что микроскопы его даже не видят. Предыдущие исследования, пытающиеся создать Вигнеровские кристаллы, должны были полагаться на косвенные методы их обнаружения, такие как изменения тока.
Электроны в материале обычно ведут себя как неупорядоченная жидкость (слева), но при определенных условиях могут образовывать равномерный правильный Вигнеровский кристалл (справа). Фото: ETH Zurich
Для нового исследования команда использовала новый метод. Они направили свет на материал с определенной частотой, чтобы возбудить так называемые «экситоны» в полупроводнике, которые излучают свет обратно. Если Вигнеровские кристаллы присутствуют, то экситоны должны казаться неподвижными, когда они отражают свет обратно.
«Группа физиков-теоретиков во главе с Евгением Демлером из Гарвардского университета, который в этом году переходит в ETH Zurich, теоретически рассчитала, как этот эффект должен проявляться в наблюдаемых частотах возбуждения экситонов - и это именно то, что мы наблюдали в лаборатории», - говорит Атач Имамоглу, ведущий автор исследования.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: New Atlas / ETH Zurich
