Forskere opdager en kvantekrystal af elektroner og ser den smelte

For første gang, MIT fysikere har observeret en højt ordnet krystal af elektroner i et halvledende materiale og dokumenteret dets smeltning, meget som is, der optøs i vand. Observationerne bekræfter en fundamental faseovergang i kvantemekanikken, som teoretisk blev foreslået for mere end 80 år siden, men som ikke er eksperimentelt dokumenteret før nu.

Holdet, ledet af MIT professor i fysik Raymond Ashoori og hans postdoc Joonho Jang, brugt en spektroskopiteknik udviklet i Ashooris gruppe. Metoden er afhængig af elektron-tunneling, "en kvantemekanisk proces, der gør det muligt for forskere at injicere elektroner med præcise energier i et system af interesse - i dette tilfælde, et system af elektroner fanget i to dimensioner. Metoden bruger hundredtusindvis af korte elektriske impulser til at sondere et ark af elektroner i et halvledende materiale afkølet til ekstremt lave temperaturer, lige over det absolutte nulpunkt.

Med deres tunnelteknik, forskerne skød elektroner ind i det underafkølede materiale for at måle elektronernes energitilstande i det halvledende ark. Mod en sløret baggrund, de opdagede en skarp stigning i dataene. Efter megen analyse, de fastslog, at spidsen var det præcise signal, der ville blive afgivet fra en højt ordnet krystal af elektroner, der vibrerede i forening.

Da gruppen øgede tætheden af ​​elektroner, i det væsentlige at pakke dem ind i stadig strammere kvarterer i arket, de fandt dataspidsen skudt op til højere energier, så forsvandt helt, netop ved en elektrondensitet, hvor en elektronisk krystal er blevet forudsagt at smelte.

Forskerne mener, at de endelig har fanget processen med kvantesmeltning - en faseovergang i kvantemekanikken, hvor elektroner, der har dannet en krystallinsk struktur udelukkende gennem deres kvanteinteraktioner, smelter til en mere uordnet væske, som reaktion på kvanteudsving til deres tæthed.

"Vi så noget radikalt nyt, Ashoori siger. "Der har været mange mennesker, der længe har ledt efter at demonstrere en elektronisk krystalsmeltning, og jeg tror, ​​vi har gjort det."

Ashoori og Jang offentliggjorde deres resultater i sidste uge i tidsskriftet Naturfysik . Deres medforfattere er tidligere MIT postdoc Benjamin Hunt, og Loren Pfeiffer og Kenneth West fra Princeton University.

En krystalliserende idé

Ideen til en krystal af elektroner blev først foreslået i 1934 af den ungarsk-amerikanske fysiker Eugene Wigner. Normalt, halvledende metaller som silicium og aluminium er i stand til at lede elektricitet i form af elektroner, der ping-pong rundt med lynhastigheder, skabe en strøm gennem materialet.

Imidlertid, ved ultrakolde temperaturer, elektroner i disse metaller burde næsten gå i stå, da der er meget lidt varme tilbage til at anspore deres bevægelser. Enhver bevægelse elektroner udviser, derefter, skulle skyldes kvanteinteraktioner - de usynlige kræfter mellem individuelle elektroner og andre kvante, subatomære partikler.

Elektroner, være negativt ladet, naturligt afvise hinanden. Wigner foreslog, at for superkølede elektroner ved lave tætheder, deres gensidige frastødende kræfter skulle fungere som en slags stillads, holde elektronerne sammen og alligevel adskilt med lige store intervaller, dermed skabe en krystal af elektroner. Sådan et stift arrangement, som siden er blevet opfundet som en Wigner-krystal, bør gøre et metal til en isolator i stedet for en elektrisk leder.

Gennem en kvantetunnel

Siden Wigners forslag, andre har forsøgt at observere en Wigner-krystal i laboratoriet, med usikre resultater. For deres vedkommende Ashoori og Jang satte sig ikke oprindeligt for at finde en Wigner-krystal, men i stedet ønskede blot at sondere et todimensionelt ark af elektroner ved hjælp af deres elektrontunnelteknik.

I det sidste årti, gruppen har udviklet og forbedret sin teknik, som involverer at skyde elektroner gennem en barriere for at sondere energitilstandene af et materiale på den anden side. Kvantemekanikken dikterer, at der er en sandsynlighed for, at ethvert objekt i universet kan krydse eller "tunnelere" gennem en tilsyneladende uigennemtrængelig barriere og komme ud på den anden side uændret.

Denne idé er nøglen til forskernes tunnelteknik, hvor de skyder elektroner gennem en halvledende barriere, til et underliggende todimensionelt ark af elektroner. der, tunnelelektronerne kan forårsage vibrationer i de omgivende elektroner, de energier, som forskere kan måle, givet de kendte energier af tunnelelektronerne.

En "serendipitous opdagelse"

I deres eksperimenter, holdet undersøgte en halvledende plade af galliumarsenid under en barriere af aluminium galliumarsenid. Forskerne kølede hele prøven ned til kun en brøkdel over det absolutte nulpunkt og påførte impulser af elektroner ved varierende energier, analyserede derefter de resulterende data.

Da Jang bemærkede den meget skarpe stigning i dataene, han kiggede gennem tidligere teoretisk litteratur for at forklare træk og kom til sidst til den konklusion, at spidsen, givet den temperatur og elektrontæthed, hvorved den blev dannet, kunne kun være en signatur for en krystal af elektroner, der vibrerer i forening.

"Mange af de teoretiske forudsigelser matchede vores observationer, så det, vi troede, var en rygende pistol, " siger Jang. "Vi observerede ringen af ​​en elektronkrystal."

Forskerne gik et skridt videre for at se, hvad der ville ske, hvis de ændrede tætheden af ​​elektroner i det todimensionelle ark. Efterhånden som tætheden steg, det gjorde elektronkrystallens vibrationsenergier også, til sidst toppede, forsvinder derefter på det nøjagtige punkt, hvor teorier har forudsagt, at en krystal skulle smelte. Krystal af elektroner, forskerne formodede, må være blevet så tæt, at hele strukturen smuldrede til en mere uordnet, flydende tilstand.

"Ingen har nogensinde set på dette system med denne slags opløsning, " siger Ashoori. "Det var fuldstændig en serendipital opdagelse."

Holdet arbejder på at forbedre opløsningen af ​​deres elektrontunnelteknik endnu mere, i håb om at bruge det til at skelne de specifikke former for elektronkrystaller.

"Forskellige krystaller har forskellige vibrationsmåder, og hvis vi havde bedre opløsning, vi kunne bestemme, om der er visse toppe i vibrationskurven, der angiver forskellige tilstande, eller former, " siger Ashoori. "Der er grund til at tro, at vi kan afgøre det med tiden."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.