Физиците измислят брилянтен начин да направят и наблюдават неуловими електронни кристали

Изолиращи състояния в свръхрешетката, където се разполагат електрони. (Xu et al., Nature, 2020)

През 1934 г. теоретичният физик Юджийн Вигнер предложи нов тип кристал .

Ако плътността на отрицателно заредените електрони можеше да се поддържа под определено ниво, субатомните частици биха могли да се задържат в повтарящ се модел, за да се създаде кристал от електрони; тази идея стана известна като кристал на Вигнер.

Първият път, когато кристал на Вигнер е наблюдаван експериментално, е през 1979 г , когато изследователите измерват фазов преход електрон-течност към електрон-кристал с помощта на хелий; оттогава има такива кристали открити многобройни пъти .

Въпреки това е много по-лесно да се каже, отколкото да се направи. Сега екип от физици демонстрира нов метод - улавяне на въртящите се малки хлапета между двойка двуизмерни полупроводникови волфрамови слоеве.

Конвенционалните кристали - като диаманти или кварц - се образуват от решетка от атоми, подредени в фиксирана, триизмерна повтаряща се мрежова структура . Според идеята на Вигнер, електроните могат да бъдат подредени по подобен начин, за да образуват твърда кристална фаза, но само ако електроните са неподвижни.

Ако плътността на електроните е достатъчно ниска, кулоновото отблъскване между електрони с еднакъв заряд произвежда потенциална енергия, която трябва да доминира над тяхната кинетична енергия, което води до неподвижност на електроните. В това се крие трудността.

„Електроните са квантовомеханични. Дори и да не им правиш нищо, те спонтанно се клатят през цялото време, каза физикът Кин Фай Мак от университета Корнел.

„Един кристал от електрони всъщност би имал тенденцията просто да се стопи, защото е толкова трудно електроните да бъдат фиксирани в периодичен модел.“

Следователно опитите за създаване на кристали на Wigner разчитат на някакъв вид електронен капан, като напр мощни магнитни полета или едноелектронни транзистори . През 2018 г. учени от Масачузетския технологичен институт, които се опитват да създадат вид изолатор, може да имат вместо това произвежда кристал на Вигнер , но техните резултати оставиха място за тълкуване.

( Катедра по физика на UCSD )

Капанът на MIT беше a графен структура, известна като моаре суперрешетка, където две двуизмерни решетки се наслагват при леко усукване и се появяват по-големи правилни шарки, както се вижда на примерното изображение по-горе.

Сега екипът на Cornell, ръководен от физика Yang Xu, е използвал по-целенасочен подход със собствената си моаре суперрешетка. За техните два полупроводникови слоя те използваха волфрамов дисулфид (WS2) и волфрамов диселенид (WSe2), специално отгледани в Колумбийския университет.

Когато се наслагват, тези слоеве произвеждат шестоъгълен модел, позволяващ на екипа да контролира средната заетост на електрони на всяко конкретно място с моаре.

Следващата стъпка беше внимателното поставяне на електрони на определени места в решетката, като се използват изчисления за определяне на съотношението на заетост, при което различни подредби на електрони ще образуват кристали.

Последното предизвикателство беше как всъщност да се види дали техните прогнози са правилни, като се наблюдават кристалите на Wigner или липсата на такива.

„Трябва да постигнете правилните условия, за да създадете електронен кристал и в същото време те също са крехки“, Мак каза .

— Имате нужда от добър начин да ги изследвате. Всъщност не искате да ги смущавате значително, докато ги изследвате.

Този проблем беше решен с изолационни слоеве от хексагонален борен нитрид. Оптичен сензор беше поставен много близо до (но без да докосва) пробата, на разстояние само един нанометър, разделен от слой борен нитрид. Това предотвратява електрическо свързване между сензора и пробата, като същевременно поддържа достатъчно близост за висока чувствителност на откриване.

Тази подредба позволи на екипа да изследва чисто пробата и те направиха своето откриване. В суперрешетката на моаре електроните са подредени в различни кристални конфигурации, включително триъгълни кристали на Вигнер, ивични фази и димери .

Това постижение не само има последици за изучаването на електронни кристали. Констатациите демонстрират неизползвания потенциал на свръхрешетките на моаре за изследване на квантовата физика.

„Нашето проучване“, пишат изследователите в статията си , „полага основите за използване на свръхрешетки от моаре за симулиране на множество квантови проблеми с много тела, които са описани от двумерния разширен модел на Хъбард или спинови модели с далечни взаимодействия заряд-заряд и обмен.“

Изследването е публикувано в Природата .

Бележка на редактора (13 ноември 2020 г.): По-ранна версия на тази статия неправилно загатва, че това е първият път, когато кристали на Wigner са създадени и наблюдавани. Поправихме това и се извиняваме за грешката.

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.