Чтобы получить самые четкие и прямые изображения "кристалла Вигнера" - структуры, состоящей исключительно из электронов, - ученые воспользовались микроскопом особого типа и двумя кусочками "необычайно чистого" графена.
Чтобы получить самые четкие и прямые изображения "кристалла Вигнера" - структуры, состоящей исключительно из электронов, - ученые воспользовались микроскопом особого типа и двумя кусочками "необычайно чистого" графена.
Создать кристалл из одних электронов очень трудно, а задокументировать эту структуру - еще сложнее. Но теперь физикам удалось получить прямое изображение "кристалла Вигнера" - и это самое четкое изображение на сегодняшний день.
"Было написано множество, в буквальном смысле сотни работ, посвященных поиску доказательств существования кристалла Вигнера неким косвенным путем", - говорит Али Яздани из Принстонского университета. "Мы никогда не думали, что нам удастся [напрямую] получить его изображение. Это произошло совершенно случайно".
При комнатной температуре электроны способны течь вместе в электрическом токе. Это связано с тем, что их кинетическая энергия преодолевает силу, которая заставляет частицы с одинаковым электрическим зарядом отталкиваться друг от друга. Однако при очень сверх низких температур отталкивающие электрические силы превалируют, и электроны в итоге выстраиваются в однородную решетку, или кристалл. Физик Юджин Вигнер предсказал это явление в 1934 году, но исследователи только недавно начали понимать, как в лабораторных условиях можно создать кристаллы Вигнера.
Яздани и его коллеги "построили" свой кристалл Вигнера из электронов внутри двух тонких листов графена толщиной всего в один атом. Чтобы уменьшить кинетическую энергию электронов, они поместили графен в холодильник, который охладил его до температуры всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля, а затем погрузили его в мощное магнитное поле.
По словам Яздани, было очень важно, чтобы в графене было очень мало включений, в которых могли бы застрять электроны. В противном случае частицы могли бы сформировать кристаллоподобное состояние из-за структуры этих дефектов, а не из-за взаимодействия друг с другом, как предсказывал Вигнер.
В прошлых исследованиях ученые пытались найти доказательства существования кристалла Вигнера, подталкивая электроны к формированию токов: если частицы не проходили, исследователи заключали, что электроны заперты в решетке. Однако специалистам из команды Яздани удалось получить прямое изображение кристалла с помощью специального микроскопа.
Этот микроскоп использует квантовый эффект, известный как туннелирование. С помощью очень тонкого металлического наконечника они сканировали поверхность графена, и когда он "проходил" над электроном, частица туннелировала через зазор между поверхностью и наконечником, создавая небольшой электрический ток. Благодаря этим токам исследователи понимали, в каком месте графена находятся электроны и насколько плотно они расположены. Это позволило им создать самые точные изображения кристалла Вигнера.
Ранее этот метод использовался в другом эксперименте, но в этом случае сетка электронов находилась внутри материала, который сам был зажат между слоями других материалов. Это делало изображение менее четким. К тому же было сложно определить, что электроны сформировали кристалл, поскольку на них могла повлиять решетчатая структура соседних элементов.
На снимках Яздани и его коллеги увидели электроны, расположенные в вершинах повторяющихся треугольников, как и предсказывал Вигнер. Кроме того, они проследили, как меняется структура кристалла при изменении температуры, силы магнитного поля и количества содержащихся в нем электронов. Этого можно было достичь, подав на материал электрическое напряжение. При таких изменениях кристалл "расплавлялся", превращаясь в некую экзотическую несжимаемую электронную субстанцию. Подобные "расплавы" команда планирует изучить в ближайшем будущем.
Новости
