Ученым впервые удалось создать и сфотографировать кристалл Вигнера — это материал, полностью состоящий из электронов. Его впервые упомянул венгерский физик Юджин Вигнер еще 1934 году, с тех пор кристалл носит имя ученого.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, ученые организовали электроны в сотоподобную решетку, поместив их в электрическое поле между двумя атомарно тонкими слоями вольфрамовых соединений.
Эксперимент
Чтобы создать кристалл Вигнера, команда физиков из Калифорнийского университета Беркли построила устройство, содержащее атомарно тонкие слои двух похожих полупроводников: дисульфида вольфрама и диселенида вольфрама. Затем команда использовала электрическое поле для настройки плотности электронов, которые свободно перемещались вдоль границы раздела между двумя слоями.
В обычных материалах электроны перемещаются слишком быстро, чтобы отталкивание между их отрицательными зарядами оказывало на них существенное влияние. Но Вигнер предсказал, что если электроны будут двигаться достаточно медленно, то это отталкивание начнет доминировать в их поведении. Тогда электроны будут находить такие схемы, которые минимизируют их общую энергию, например, в виде сот. Поэтому ученые замедлили электроны в своем устройстве, охладив его всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.
В прошлом другие исследователи уже утверждали, что создали кристаллы Вигнера, но никто до сих пор не мог предоставить реальных изображений своего кристалла.
Ни одна камера не способна сделать снимок такого кристалла, поэтому, чтобы доказать полученный результат, ученым пришлось проявить изобретательность. Они сделали снимок с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который использует зонд для определения точного расположения заблокированных электронов, наблюдая за тем, как они реагируют на крошечный толчок электричества.
Nature: изображение листа графена, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа
На изображениях четко видно аккуратное расположение электронов Вигнера. Как и ожидалось, последовательные электроны в кристалле Вигнера находятся почти в 100 раз дальше друг от друга, чем атомы в реальных кристаллах полупроводникового устройства.
Способность приручить электроны, которой ученые добились, используя мельчайшие различия в атомной структуре двух слоев вольфрама, — это значимое для науки экспериментальное достижение, которое ранее не удавалось осуществить. Ученые считают, что этот же метод поможет изучать множество других физических явлений и делать новые научные открытия.