Bizarní krystal vyrobený pouze z elektronů odhalený v úžasných detailech

Je těžké přimět elektrony k vytvoření krystalu a ještě těžší je změřit tuto strukturu. Ale fyzikům se nyní podařilo přímo zobrazit „Wignerův krystal“ – a jejich snímky jsou dosud nejčistší.

“Bylo napsáno mnoho, doslova stovky, článků o nalezení důkazů pro Wignerův krystal tak nějak nepřímo,” říká Ali Yazdani na Princetonské univerzitě. „A nikdy jsme si nemysleli, že se nám to podaří [directly] zobrazení. Byla to trochu nehoda.”

Při pokojové teplotě mohou elektrony proudit spolu v elektrických proudech, protože jejich kinetická energie překonává sílu, která způsobuje, že částice se stejným elektrickým nábojem se navzájem odpuzují. Při velmi nízkých teplotách však vítězí odpudivé elektrické síly a elektrony se nakonec uspořádají do jednotná mřížka nebo krystal. Fyzik Eugene Wigner předpověděl tento jev v roce 1934, ale výzkumníci teprve nedávno začali chápat, jak vytvořit Wignerovy krystaly v laboratoři.

Yazdani a jeho kolegové vyrobili svůj Wignerův krystal z elektronů uvnitř dvou tenkých plátů grafenkaždý pouze jeden atom tlustý. Aby snížili kinetickou energii elektronů, umístili grafen do lednice, která jej ochladila jen o několik setin stupně výše. absolutní nula a ponořil ho do silného magnetického pole.

Yazdani říká, že bylo zásadní, aby jejich grafen měl jen velmi málo nedokonalostí, kde by se mohly elektrony zaseknout. Jinak by částice mohly vytvořit stav podobný krystalu kvůli struktuře těchto nedokonalostí, spíše než kvůli vzájemným interakcím, jak předpověděl Wigner.

V minulých experimentech by výzkumníci hledali důkazy o Wignerově krystalu tím, že by se pokusili postrčit elektrony do formujících proudů: jakmile částice selhaly v toku, výzkumníci mohli odvodit, že elektrony byly uzamčeny v mřížce. Yazdaniho tým ale přímo zobrazil jeho krystal speciálním mikroskopem.

Tento mikroskop používal a kvantový efekt zvaný tunelování. Skenoval extrémně ostrý kovový hrot přes povrch grafenu, a když prošel přes elektron, částice by tunelovala mezerou mezi povrchem a hrotem a vytvořila malý elektrický proud. Kvůli těmto proudům vědci věděli, kde a jak hustě jsou elektrony umístěny uvnitř grafenu, což jim umožnilo vytvořit dosud nejpřesnější obrazy Wignerova krystalu.

Jeden jiný experiment používal tuto metodu dříve, ale v tom případě byla mřížka elektronů uvnitř materiálu, který byl sám vložen mezi vrstvy jiných materiálů. Díky tomu bylo zobrazování méně přímé a bylo obtížnější určit, proč elektrony vytvořily krystal – mohly být ovlivněny mřížkovou strukturou blízkých materiálů.

Na svých snímcích Yazdani a jeho kolegové viděli elektrony sedící ve vrcholech opakujících se trojúhelníků, přesně jak Wigner předpověděl. Kromě toho sledovali, jak se struktura krystalu měnila, když se posouvaly faktory, jako je teplota, síla magnetického pole a kolik elektronů obsahovalo, což mohli udělat přivedením elektrického napětí na materiál. Za těchto měnících se podmínek se krystal „roztavil“ do exotické, nestlačitelné elektronové tekutiny, stejně jako tekutiny, kde elektrony tvořily pruhy.

Tyto roztavené stavy jsou tím, co si tým chce představit jako další. Některé z nich jsou plné částice podobné excitacekteré jsou jako elektrony, ale nesou jen zlomek svého náboje. Yazdani doufá, že on a jeho spolupracovníci by si také dokázali představit krystalizaci excitací.