Visualisering af en kvantekrystal:Billeddannelse af den elektroniske Wigner-krystal i 1-D

Når elektroner, der afviser hinanden, er begrænset til et lille rum, de kan danne en ordnet krystallinsk tilstand kendt som en Wigner -krystal. Det er svært at observere den skrøbelige krystal, da det kræver ekstreme forhold, herunder lave temperaturer og tætheder, samt ikke -invasive billeddannelsesprober. For at overvinde de udfordrende betingelser for billeddannelse, I. Shapir og et forskerhold i afdelingerne for fysik og kondenseret materiefysik i Israel, Rumænien og Ungarn skabte betingelser i et carbon nanorør (NT) til at huse elektronerne. De fulgte dette eksperimentelle trin ved at bruge et andet nanorør som en sonde (kaldet "probe NT") til at scanne det første nanorør (kaldet "system NT"). Fysikerne målte de elektroniske tætheder og viste deres overensstemmelse med teoretiske forudsigelser for at demonstrere små Wigner-krystaller på op til seks elektroner i en dimension (1-D). Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskab .

For mere end 80 år siden, fysiker Eugene Wigner forudsagde elektronernes kvantekrystal, som stadig er en af ​​de mest undvigende tilstande i sagen. I det nuværende arbejde, Shapir og kolleger udviklede en teknik til direkte at afbilde Wigner-krystallen i 1-D ved at afbilde dens ladningstæthed i det virkelige rum. De opnåede billeder af et par elektroner begrænset til 1-D, der matchede de teoretiske forudsigelser for stærkt interagerende krystaller. Forskerne så krystallens kvantetype ved hjælp af kollektiv tunneling gennem en elektrisk potentialbarriere begrænset til elektrisk uafhængige porte. Værket gav direkte beviser for dannelsen af ​​små Wigner -krystaller, baner vejen for at studere skrøbelige interagerende tilstande af elektroner ved at afbilde deres mange-kropstæthed i det virkelige rum.

I sit papir fra 1934 fysiker Eugene Wigner forudsagde, at når Coulomb-interaktioner med lang rækkevidde i et elektronsystem dominerede den kinetiske energi og uorden, de ville dukke op i en krystallinsk grundtilstand. Hvor elektronerne blev holdt adskilt uanset deres kvantetal. Eksperimentelle fysikere begyndte at søge efter denne kvantekrystal i de reneste tilgængelige elektroniske systemer derefter, herunder flydende helium og lavdimensionelle halvleder heterostrukturer.

Fysikere havde tidligere udført målinger i todimensionale (2-D) elektroniske systemer i forhold til transport, mikrobølge felter, nuklear magnetisk resonans, optisk, tunneling og to -lags elektron systemer til at angive eksistensen af ​​en krystal ved høje magnetiske felter. Iagttagelse af en krystallinsk tilstand i en-dimension (1-D), i et uendeligt system er uventet, da termiske og kvanteudsving kan ødelægge rækkefølge på lang afstand. Imidlertid, i endelige systemer, fysikere havde undersøgt den teoretiske endimensionelle Wigner-krystaltilstand, siden den kvasi-lange rækkefølge frembragte krystallinske korrelationer. Eksperimentelle fysikere fulgte denne observation med eksperimentel sondering via transportmålinger, men eksperimenterne kunne kun undersøge makroskopiske egenskaber ved denne tilstand.

I princippet, et passende billedværktøj er påkrævet for at observere det entydige fingeraftryk af en Wigner-krystal i dets virkelige rumstruktur. Forskere brugte derfor scanningsprobeeksperimenter, selvom de kun kunne forestille sig den ikke-interagerende tilstand eller vise invasiv gating af sonden. Målingerne fremhævede den iboende vanskelighed ved billeddannelse af elektroninteraktioner med konventionelle scanningsmetoder. For individuelt at løse og identificere elektroner, en makroskopisk, metallisk eller dielektrisk spids skal nærme sig elektronerne tættere end deres indbyrdes adskillelse. Alligevel, sådanne tips og deres interaktioner kan stærkt fordreje den tilstand, der undersøges. Forskere krævede derfor en anden scanningsprobe til at forestille sig en interagerende tilstand eller et elektron -system.

I det nuværende arbejde, Shapir et al. introducerede en scanningssondeplatform, der brugte et carbon nanorør (NT) som en meget følsom, alligevel minimalt invasiv scanningsprobe for at se mange-kropstætheden af ​​stærkt interagerende elektroner. Platformen indeholdt et specialfremstillet scanningsprobesmikroskop, der opererede ved kryogene temperaturer (~ 10 mK), hvor to modstående NT-enheder kunne bringes i nærheden og scannes langs hinanden. Forskerne brugte en enhed til at være vært for system-NT som den 1-D platform, der undersøges, og den anden indretning vinkelret på den, der skal indeholde sonden NT. De samlede de to enheder ved hjælp af en nanoassembleringsteknik til at danne uberørte NT'er, der var ophængt over en række metalliske porte.

Forskerne fastholdt afgørende stærke interaktioner og lav lidelse i systemet for at opnå en Wigner -krystal ved at suspendere NT'erne langt over de metalliske porte ved 400 nm. Derefter designede de ved hjælp af 10 elektrisk uafhængige porte et potentiale, der begrænsede elektronerne mellem to barrierer 1 µm fra hinanden, lokaliserer dem centralt i et langt suspenderet nanorør, væk fra kontakter for at forhindre uønskede interaktioner.

Shapir et al. brugte meget uigennemsigtige barrierer for at forhindre hybridisering af den begrænsede elektrones bølgefunktion med elektronernes i resten af ​​NT. Da transport i denne situation blev stærkt undertrykt, forskerne undersøgte de begrænsede elektroner ved hjælp af en ladningsdetektor placeret på et separat segment af samme NT. Sonden NT -enhed, der blev brugt separat i undersøgelsen, opretholdt en næsten identisk struktur, som kun adskilte sig med suspensionens længde på 1,6 µm og antallet af porte (tre).

Forskerne demonstrerede arbejdsprincippet bag billeddannelsesteknikken kendt som "scanningsladning, "startende med de enkleste eksperimenter med billeddannelse af ladningsfordelingen for en enkelt elektron, der er begrænset i en 1-D-boks. Shapir et al. målte systemets energiske reaktion på en scannet forstyrrelse (omrøring) og direkte bestemt systemets densitetsfordeling. Ved måling af systemets energi som en funktion af sonden NT, forskerne løste direkte elektronens densitetsprofil. Når man måler energien, forskerne henviste det til Fermi -energien i spidserne og krediterede forstyrrelsen produceret af sonderne til adskillelsen mellem de to NT'er og til den begrænsede ladning i sonden NT.

Shapir et al. opnået seks paneler i eksperimenterne for at angive differentialtætheden af ​​de seks elektroner tilføjet til systemet NT. For minimale forstyrrelser, de udførte alle scanninger med en elektron i sonden NT. De afbildede densitetsprofiler adskiller sig klart fra dem, der forudsiges af enkeltpartikelfysik, men matchede dem med en stærkt interagerende krystal. Når Shapir et al. øget antallet af elektroner, elektronafstanden reduceret, selvom deres samlede hastighed steg til at betegne elektroner, der var begrænset i en "kasse" med bløde vægge. De resulterende billeder leverede direkte, observationer i det virkelige rum af de elektroniske Wigner-krystaller.

For kvantitativt at forstå målingerne, Shapir et al. udførte beregninger af tæthedsmatrix-renormaliseringsgruppe (DMRG) og inkluderede Coulomb-interaktioner over lange afstande. De målte elektronpositioner (set som grønne stjerner) stemte godt overens med dem, der blev forudsagt af DMRG, placere de observerede krystaller godt inden for det stærkt interagerende regime i den eksperimentelle opsætning. For at forstå Wigner -krystalens kvantekarakter, Shapir et al. målte krystallens tunnelingskarakteristika og forventede, at korrelationerne mellem elektronerne i en krystal ville få krystallen til at gå gennem en barriere samlet. De observerede, at tunneldifferentialetætheden blev mere interessant i et system med mere end en elektron, da den viste direkte fingeraftryk af kollektiv bevægelse.

På denne måde, Shapir et al. brugte en ny metode til direkte billede af den rumlige rækkefølge af interagerende elektroner. Baseret på resultaterne, de forudser muligheden for at behandle yderligere grundlæggende spørgsmål vedrørende kvanteelektronisk krystal, herunder arten af ​​dens magnetiske ordning. Scanningsplatformen udviklet af Shapir et al. vil muliggøre yderligere udforskning af en meget bred vifte af kanoniske interagerende elektronstater af materie, der tidligere var uden for billeddannelse.

© 2019 Science X Network