Forskere dokumenterer kvantesmeltning af Wigner-krystaller

I 1934, fysikeren Eugene Wigner lavede en teoretisk forudsigelse baseret på kvantemekanik, der i 87 år var uset.

Teorien foreslog, hvordan et metal, der normalt leder elektricitet, kunne blive til en ikke-ledende isolator, når tætheden af ​​elektroner reduceres. Wigner teoretiserede, at når elektroner i metaller bringes til ultrakolde temperaturer, disse elektroner ville blive frosset fast i deres spor og danne en stiv, ikke-elektricitetsledende struktur - en krystal - i stedet for at lyne rundt med tusindvis af kilometer i sekundet og skabe en elektrisk strøm. Siden han opdagede det, strukturen blev opfundet som en Wigner-krystal og blev observeret for første gang i 1979.

Hvad er forblevet stædigt undvigende for fysikere, imidlertid, har været smeltningen af ​​krystaltilstanden til en væske som reaktion på kvanteudsving. I det mindste, det var:Nu, næsten 90 år senere, et hold fysikere i fællesskab ledet af Hongkun Park og Eugene Demler på Fakultet for Kunst og Videnskab har endelig eksperimentelt dokumenteret denne overgang.

Arbejdet er beskrevet i en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur og markerer et stort skridt i retning af at skabe et system til undersøgelse af denne slags overgange mellem materielle tilstande på kvante niveau, et længe efterspurgt mål i feltet.

"Dette er lige på grænsen af ​​stof til at skifte fra delvist kvantemateriale til delvist klassisk materiale og har mange usædvanlige og interessante fænomener og egenskaber, " sagde Eugene Demler, en seniorforfatter på papiret. "Krystallen selv er set, Men dette, På en måde, uberørt overgang - når kvantemekanik og klassiske interaktioner konkurrerer med hinanden - er ikke set. Det har taget 86 år«.

Anført af Park og Demler, forskerholdet fokuserede på at observere Wigner-krystaller og deres faseovergange i undersøgelsen. I kemi, fysik, og termodynamik, faseovergange sker, når et stof ændres fra et fast stof, væske, eller gas til en anden tilstand. Når kvanteudsving nær det absolutte nulpunkt driver disse overgange, de kaldes kvantefaseovergange. Disse kvanteovergange menes at spille en vigtig rolle i mange kvantesystemer.

I tilfælde af en Wigner-krystal, krystal-til-væske-overgangen sker fra en konkurrence mellem elektronernes klassiske og kvante aspekter-førstnævnte dominerer i den faste fase, hvor elektroner er "partikellignende, "og sidstnævnte dominerer i væsken, hvor elektroner er "bølgelignende". For en enkelt elektron, kvantemekanikken fortæller os, at partikel- og bølgenaturen er komplementære.

"Det er slående, at i et system af mange interagerende elektroner, disse forskellige adfærd manifesterer sig i forskellige faser af stof, " sagde Park. "Af disse grunde, karakteren af ​​elektronfaststof-væske-overgangen har vakt enorm teoretisk og eksperimentel interesse."

Harvard-forskerne rapporterer, at de bruger en ny eksperimentel teknik udviklet af You Zhou, Jiho Sung, og Elise Brutschea - forskere fra Park Research Group og hovedforfattere på papiret - for at observere denne faste til flydende overgang i atomtynde halvleder -dobbeltlag. Generelt, Wigner-krystallisation kræver meget lav elektrontæthed, gør dens eksperimentelle realisering til en stor eksperimentel udfordring. Ved at konstruere to interagerende elektronlag ud fra to atomisk tynde halvledere, eksperimentelister skabte en situation, hvor krystallisationen stabiliseres ved højere tætheder.

For at se overgangen, forskerne brugte en metode kaldet excitonspektroskopi. De bruger lys til at excitere en elektron i systemet og binde den til den ledige elektron, eller hul, det efterlader sig, danner brintlignende elektron-hul-par kendt som en exciton. Dette par interagerer med de andre elektroner i materialet og ændrer dets egenskaber, så de kan ses optisk.

Resultaterne fra avisen var stort set tilfældige og kom som en overraskelse, ifølge forskerne. Park -gruppen begyndte oprindeligt i en anden retning og blev forvirrede, da de bemærkede, at elektronerne i deres materiale udviste isolerende adfærd. De rådførte sig med teoretikere fra Demlers laboratorium og indså hurtigt, hvad de havde.

Forskerne planlægger at bruge deres nye metode til at fortsætte med at undersøge andre kvantefaseovergange.

"Vi har nu en eksperimentel platform, hvor alle disse [forskellige kvantefaseovergange] forudsigelser nu kan testes, " sagde Demler.