En krystal lavet af elektroner

Det er lykkedes forskere ved ETH Zürich at observere en krystal, der kun består af elektroner. Sådanne Wigner-krystaller blev allerede forudsagt for næsten halvfems år siden, men kunne først nu observeres direkte i et halvledermateriale.

Krystaller har fascineret mennesker gennem tiderne. Hvem har ikke beundret de komplekse mønstre af et snefnug på et tidspunkt, eller de perfekt symmetriske overflader af en bjergkrystal? Magien stopper ikke, selvom man ved, at alt dette skyldes et simpelt samspil mellem tiltrækning og frastødning mellem atomer og elektroner. Et team af forskere ledet af Ataç Imamoğlu, professor ved Institut for Kvanteelektronik ved ETH Zürich, har nu produceret en helt speciel krystal. I modsætning til normale krystaller, den består udelukkende af elektroner. Derved, de har bekræftet en teoretisk forudsigelse, der blev lavet for næsten halvfems år siden, og som siden er blevet betragtet som en slags hellig gral af kondenseret stoffysik. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

En årtier gammel forudsigelse

"Det, der fik os begejstrede for dette problem, er dets enkelhed, " siger Imamoğlu. Allerede i 1934, Eugene Wigner, en af ​​grundlæggerne af teorien om symmetri i kvantemekanikken, viste, at elektroner i et materiale teoretisk kunne arrangere sig i regelmæssige, krystallignende mønstre på grund af deres gensidige elektriske frastødning. Begrundelsen bag dette er ret enkel:hvis energien fra den elektriske frastødning mellem elektronerne er større end deres bevægelsesenergi, de vil indrette sig på en sådan måde, at deres samlede energi er så lille som muligt.

I flere årtier, imidlertid, denne forudsigelse forblev rent teoretisk, da disse "Wigner-krystaller" kun kan dannes under ekstreme forhold såsom lave temperaturer og et meget lille antal frie elektroner i materialet. Dette skyldes til dels, at elektroner er mange tusinde gange lettere end atomer, hvilket betyder, at deres bevægelsesenergi i et regulært arrangement typisk er meget større end den elektrostatiske energi på grund af interaktionen mellem elektronerne.

Elektroner i et fly

For at overvinde disse forhindringer, Imamoğlu og hans samarbejdspartnere valgte et wafertyndt lag af halvledermaterialet molybdændiselenid, der kun er et atom tykt, og hvori derfor, elektroner kan kun bevæge sig i et plan. Forskerne kunne variere antallet af frie elektroner ved at påføre en spænding til to gennemsigtige grafenelektroder, mellem hvilke halvlederen er klemt. Ifølge teoretiske overvejelser skulle molybdændiselenids elektriske egenskaber begunstige dannelsen af ​​en Wigner-krystal - forudsat at hele apparatet køles ned til et par grader over det absolutte nulpunkt på minus 273,15 grader Celsius.

Imidlertid, bare at producere en Wigner-krystal er ikke helt nok. "Det næste problem var at demonstrere, at vi faktisk havde Wigner-krystaller i vores apparat, " siger Tomasz Smoleński, der er hovedforfatter af publikationen og arbejder som postdoc i Imamoğlus laboratorium. Adskillelsen mellem elektronerne blev beregnet til at være omkring 20 nanometer, eller omkring tredive gange mindre end bølgelængden af ​​synligt lys og derfor umuligt at opløse selv med de bedste mikroskoper.

Detektion gennem excitoner

Ved at bruge et trick, fysikerne formåede at gøre det regelmæssige arrangement af elektronerne synligt på trods af den lille adskillelse i krystalgitteret. For at gøre det, de brugte lys med en bestemt frekvens til at excitere såkaldte excitoner i halvlederlaget. Excitoner er par af elektroner og "huller", der skyldes en manglende elektron i et energiniveau i materialet. Den præcise lysfrekvens for skabelsen af ​​sådanne excitoner og hastigheden, hvormed de bevæger sig, afhænger både af materialets egenskaber og af interaktionen med andre elektroner i materialet - med en Wigner-krystal, for eksempel.

Det periodiske arrangement af elektronerne i krystallen giver anledning til en effekt, som nogle gange kan ses på tv. Når en cykel eller en bil kører hurtigere og hurtigere, over en vis hastighed ser hjulene ud til at stå stille og derefter dreje i den modsatte retning. Dette skyldes, at kameraet tager et snapshot af hjulet hvert 40. millisekund. Hvis hjulets eger med jævnt mellemrum i den tid har bevæget sig med nøjagtig afstanden mellem egerne, hjulet ser ikke ud til at dreje mere. Tilsvarende i nærværelse af en Wigner-krystal, bevægelige excitoner fremstår stationære, forudsat at de bevæger sig med en bestemt hastighed bestemt af adskillelsen af ​​elektronerne i krystalgitteret.

Første direkte observation

"En gruppe af teoretiske fysikere ledet af Eugene Demler fra Harvard University, der flytter til ETH i år, havde regnet teoretisk ud, hvordan den effekt skulle vise sig i excitonernes observerede excitationsfrekvenser - og det er præcis, hvad vi observerede i laboratoriet, " siger Imamoğlu. I modsætning til tidligere eksperimenter baseret på plane halvledere, hvor Wigner-krystaller blev observeret indirekte gennem strømmålinger, dette er en direkte bekræftelse af det regelmæssige arrangement af elektronerne i krystallen. I fremtiden, med deres nye metode håber Imamoğlu og hans kolleger at undersøge præcis, hvordan Wigner-krystaller dannes ud af en uordnet 'væske' af elektroner.