Kvantekrystal af frosne elektroner - Wigner-krystallen - visualiseres for første gang

"Der er bogstaveligt talt hundredvis af videnskabelige artikler, der studerer disse effekter og hævder, at resultaterne må skyldes Wigner-krystallen," sagde Yazdani, "men man kan ikke være sikker, fordi ingen af ​​disse eksperimenter faktisk ser krystallen."

En lige så vigtig overvejelse, bemærkede Yazdani, er, at det, nogle forskere mener er bevis på en Wigner-krystal, kan være resultatet af ufuldkommenheder eller andre periodiske strukturer, der er iboende for de materialer, der blev brugt i eksperimenterne.

"Hvis der er nogle ufuldkommenheder eller en form for periodisk understruktur i materialet, er det muligt at fange elektroner og finde eksperimentelle signaturer, der ikke skyldes dannelsen af ​​en selvorganiseret, ordnet Wigner-krystal selv, men på grund af elektroner 'sidder fast'. nær en ufuldkommenhed eller fanget på grund af materialets struktur," sagde han.

Med disse overvejelser i tankerne gik Yazdani og hans forskerhold i gang med at se, om de direkte kunne afbilde Wigner-krystallen ved hjælp af et scanning tunneling microscope (STM), en enhed, der er afhængig af en teknik kaldet "kvantetunneling" snarere end lys for at se atomare og subatomare verden.

De besluttede også at bruge grafen, et fantastisk materiale, der blev opdaget i det 21. århundrede og er blevet brugt i mange eksperimenter, der involverer nye kvantefænomener. For at gennemføre eksperimentet med succes var forskerne dog nødt til at gøre grafenen så uberørt og så fri for ufuldkommenheder som muligt. Dette var nøglen til at eliminere muligheden for dannelse af elektronkrystaller på grund af materielle ufuldkommenheder.

Resultaterne var imponerende. "Vores gruppe har været i stand til at lave hidtil uset rene prøver, der gjorde dette arbejde muligt," sagde Yazdani. "Med vores mikroskop kan vi bekræfte, at prøverne er uden nogen atomær ufuldkommenhed i grafen-atomgitteret eller fremmede atomer på dets overflade over områder med hundredtusindvis af atomer."

For at lave ren grafen eksfolierede forskerne to carbonplader af grafen i en konfiguration, der kaldes Bernal-stablet dobbeltlagsgrafen (BLG). De kølede derefter prøven ned til ekstremt lave temperaturer - kun en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt - og påførte et magnetfelt vinkelret på prøven, hvilket skabte et todimensionelt elektrongassystem i de tynde lag af grafen. Hermed kunne de tune tætheden af ​​elektronerne mellem de to lag.

"I vores eksperiment kan vi afbilde systemet, mens vi tuner antallet af elektroner pr. arealenhed," sagde Yen-Chen Tsui, en kandidatstuderende i fysik og den første forfatter af papiret. "Bare ved at ændre tætheden kan du starte denne faseovergang og finde elektroner, der spontant dannes til en ordnet krystal."

Dette sker, forklarede Tsui, fordi ved lave tætheder er elektronerne langt fra hinanden - og de er placeret på en uorganiseret, uorganiseret måde. Men efterhånden som du øger tætheden, hvilket bringer elektronerne tættere på hinanden, slår deres naturlige frastødende tendenser ind, og de begynder at danne et organiseret gitter. Så, når du øger tætheden yderligere, vil den krystallinske fase smelte til en elektronvæske.

Minhao He, en postdoc-forsker og medførsteforfatter af papiret, forklarede denne proces mere detaljeret. "Der er en iboende frastødning mellem elektronerne," sagde han. "De vil gerne skubbe hinanden væk, men i mellemtiden kan elektronerne ikke være uendeligt fra hinanden på grund af den endelige tæthed. Resultatet er, at de danner en tæt pakket, regulariseret gitterstruktur, hvor hver af de lokaliserede elektroner optager en vis mængde. plads."

Da denne overgang dannedes, var forskerne i stand til at visualisere den ved hjælp af STM. "Vores arbejde giver de første direkte billeder af denne krystal. Vi beviste, at krystallen virkelig er der, og vi kan se den," sagde Tsui.

Men blot at visualisere krystallen var ikke slutningen på eksperimentet. Et konkret billede af krystallen tillod dem at skelne nogle af krystallens egenskaber. De opdagede, at krystallen er trekantet i konfigurationen, og at den kontinuerligt kan indstilles med partiklernes tæthed. Dette førte til erkendelsen af, at Wigner-krystallen faktisk er ret stabil over en meget lang rækkevidde, en konklusion, der er i modsætning til, hvad mange videnskabsmænd har antaget.

"Ved at være i stand til at indstille dets gitterkonstant kontinuerligt, beviste eksperimentet, at krystalstrukturen er resultatet af den rene frastødning mellem elektronerne," sagde Yazdani.

Forskerne opdagede også flere andre interessante fænomener, som uden tvivl vil berettige yderligere undersøgelser i fremtiden. De fandt ud af, at det sted, hvor hver elektron er lokaliseret i gitteret, vises i billederne med en vis mængde "sløring", som om placeringen ikke er defineret af et punkt, men en rækkeviddeposition, hvor elektronerne er begrænset i gitteret. . Avisen beskrev dette som "nulpunkts"-bevægelsen af ​​elektroner, et fænomen relateret til Heisenberg-usikkerhedsprincippet. Omfanget af denne sløring afspejler Wigner-krystallens kvantenatur.

"Elektroner, selv når de er frosset ind i en Wigner-krystal, bør udvise stærk nulpunktsbevægelse," sagde Yazdani. "Det viser sig, at denne kvantebevægelse dækker en tredjedel af afstanden mellem dem, hvilket gør Wigner-krystallen til en ny kvantekrystal."

Yazdani og hans team undersøger også, hvordan Wigner-krystallen smelter og går over i andre eksotiske flydende faser af interagerende elektroner i et magnetfelt. Forskerne håber at kunne afbilde disse faser, ligesom de har afbildet Wigner-krystallen.

Flere oplysninger: Ali Yazdani, Direkte observation af en magnetfelt-induceret Wigner-krystal, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Princeton University