Спустя 90 лет физики наконец поймали загадочный вигнеровский кристалл

Электроны — чудесные маленькие вещи. Они часто висят на орбитах атомных ядер, но в этом нет необходимости – Вселенная полна суетящихся свободных электронов.

Девяносто лет назад физик-теоретик Юджин Вигнер предположил, что свободные электроны могут сталкиваться вместе в особом виде материи, в которой вообще нет атомов, а есть только электроны, захваченные собственным отталкиванием, аккуратный, кристаллическая решетка.

Он известен как кристалл Вигнера, и физики наконец получили прямые наблюдательные доказательства того, что он может существовать.

«Кристалл Вигнера — одна из самых удивительных квантовых фаз материи, которая была предсказана и является предметом многочисленных исследований, утверждающих, что они нашли в лучшем случае косвенные доказательства его образования», — говорит физик Аль Яздани из Принстонского университета. «Визуализация этого кристалла позволяет нам не только наблюдать за его формированием, подтверждая многие его свойства, но мы также можем изучать его так, как это было невозможно в прошлом».

Кристалл относится к способу расположения атомов в твердом веществе. В типичных кристаллических материалах атомы связаны друг с другом таким образом, что образуют повторяющийся узор в пространстве.

В новаторской статье Вигнера 1934 года было высказано предположение, что электроны могут образовывать аналогичные структуры, чему способствует, а не мешает взаимное отталкивание, создаваемое отрицательным зарядом, переносимым всеми электронами.

Он предположил, что при чрезвычайно низких температурах и низких плотностях отталкивающее взаимодействие между электронами должно привести к тому, что их потенциальная энергия будет доминировать над их потребностью перемещаться, заставляя их распадаться на кристаллоподобные решетки.

Эти кристаллы будут вести себя не в соответствии с классической физикой, а в соответствии с квантовой механикой, где связанные электроны будут вести себя не как дискретные частицы, а как отдельная волна. Различные эксперименты с использованием двумерных систем, предназначенных для обнаружения результатов такого поведения, позволили получить косвенные доказательства существования вигнеровских кристаллов, но найти прямые доказательства оказалось немного сложнее.

«Существуют буквально сотни научных работ, изучающих эти эффекты и утверждающих, что результаты должны быть связаны с кристаллом Вигнера», — говорит Яздани, — «но нельзя быть уверенным, потому что ни один из этих экспериментов на самом деле не видит кристалл».

Помня о недостатках этих экспериментов, группа физиков Йен-Чен Цуй, Минхао Хэ и Ювэнь Ху из Принстонского университета разработала эксперимент, который, как они надеялись, решит предыдущие проблемы и откроет кристалл.

Они использовали магнитные поля, чтобы индуцировать электронный вигнеровский кристалл в графене, а не в каком-то старом графене. Материал должен был быть максимально чистым, чтобы исключить любые эффекты, которые могли возникнуть из-за атомных дефектов.

Два листа графена были подготовлены и расположены в определенной конфигурации, а затем охлаждены до температуры, незначительно превышающей абсолютный ноль. Затем применялось магнитное поле для настройки плотности электронного газа, находящегося между слоями.

Кристалл Вигнера имеет зону наилучшего восприятия электронной плотности. Если плотность слишком мала, электроны будут отталкивать друг друга и просто отдаляться. Если плотность слишком высока, электроны сольются в электронную жидкость.

В пятне Златовласки электроны попытаются оттолкнуться друг от друга... но их выход будет прерван другими электронами. Таким образом, они просто выстроятся в сетку, сохраняя между собой как можно большее равноудаление.

Чтобы измерить эту кристаллическую фазу, исследователи использовали сканирующую туннельную микроскопию высокого разрешения (СТМ). СТМ использует квантовое туннелирование для исследования материалов на атомном уровне, чего не может достичь оптическая микроскопия.

«В нашем эксперименте мы можем визуализировать систему, регулируя количество электронов на единицу площади. Просто изменив плотность, вы можете инициировать этот фазовый переход и обнаружить, что электроны спонтанно превращаются в упорядоченный кристалл», — объясняет Цуй. «Наша работа дает первые прямые изображения этого кристалла. Мы доказали, что кристалл действительно существует и мы можем его видеть».

Их измерения также подтвердили модели, описывающие решетку как треугольную, когда она ограничена двумерным пространством, хотя и обнаружили, что она может оставаться стабильной, поскольку плотность настраивается в довольно большой степени, что противоречит предыдущим теориям о том, что диапазон плотности должен быть довольно небольшим. Они также обнаружили, что электроны занимают не одну точку решетки, а размытый диапазон положений, описываемый как движение в нулевой точке.

«Электроны, даже замороженные в вигнеровском кристалле, должны демонстрировать сильное движение в нулевой точке», — говорит Яздани. «Оказывается, это квантовое движение покрывает треть расстояния между ними, что делает кристалл Вигнера новым квантовым кристаллом».