W 1934 roku fizyk teoretyczny Eugene Wigner zaproponował istnienie nowego typu kryształu.
Gdyby gęstość ujemnie naładowanych elektronów mogła być utrzymywana poniżej pewnego poziomu, cząstki subatomowe mogłyby być utrzymywane w powtarzającym się wzorze, tworząc kryształ elektroniczny; pomysł ten stał się znany jako kryształ Wignera.
Jednak o wiele łatwiej powiedzieć niż zrobić. Elektrony są wybredne i niezwykle trudno jest zmusić je do pozostania na miejscu. Jednak grupa fizyków osiągnęła to teraz – zamykając poruszające się małe szpilki do włosów między parą dwuwymiarowych półprzewodnikowych warstw wolframu.
Zwykłe kryształy, takie jak diamenty lub kwarc, powstają z sieci atomów tworzących stałą, trójwymiarową, powtarzającą się strukturę sieciową. Zgodnie z pomysłem Wignera, elektrony mogłyby być ułożone w podobny sposób, tworząc stałą fazę krystaliczną, ale tylko wtedy, gdyby elektrony były stacjonarne.
Jeśli gęstość elektronów jest wystarczająco niska, odpychanie Coulomba między elektronami o tym samym ładunku tworzy energię potencjalną, która musi zdominować energię kinetyczną, pozostawiając elektrony w bezruchu. Na tym polega trudność.
„Elektrony są mechaniką kwantową. Nawet jeśli nic z nimi nie zrobisz, cały czas spontanicznie się wahają – powiedział fizyk Keen Fay Mak z Cornell University.
„Kryształ elektronów miałby w rzeczywistości tendencję do topienia się, ponieważ tak trudno jest utrzymać elektrony w stałej strukturze okresowej”.
Dlatego próby stworzenia kryształów Wignera opierają się na pewnego rodzaju pułapce elektronowej, takiej jak silne pola magnetyczne lub tranzystory jednoelektronowe, ale fizykom nie udało się jeszcze całkowicie skrystalizować. W 2018 roku naukowcy z MIT próbujący stworzyć rodzaj izolatora zamiast tego stworzyli kryształ Wignera, ale ich wyniki pozostawiły pole do interpretacji.
(Wydział Fizyki UCSD).
Pułapka MIT była strukturą grafenową znaną jako supersieć mory, w której dwie dwuwymiarowe siatki nakładają się na siebie z niewielkim skrętem i pojawiają się większe, regularne wzory, jak pokazano na powyższym obrazku.
Teraz zespół Cornella, kierowany przez fizyka Yanga Xu, przyjął bardziej ukierunkowane podejście z własną super siatką mory. Do tworzenia dwóch warstw półprzewodników użyli dwusiarczku wolframu (WS2) i dwuselenku wolframu (WSe2) specjalnie wyhodowanych na Uniwersytecie Columbia.
Nałożone warstwy te tworzyły heksagonalny wzór, który pozwolił naukowcom kontrolować średnią ruchliwość elektronów w dowolnym obszarze mory.
Następnym krokiem było ostrożne umieszczenie elektronów w określonych miejscach sieci, używając obliczeń do określenia stopnia wypełnienia, w którym różne lokalizacje elektronów utworzyłyby kryształy.
Ostatnim problemem było to, jak sprawdzić, czy ich przewidywania są poprawne, obserwując kryształy Wignera lub ich brak.
„Aby stworzyć kryształ elektroniczny, musisz stworzyć odpowiednie warunki, a jednocześnie reagować na wpływy zewnętrzne” – powiedział Mack.
„Potrzebujesz dobrego sposobu na ich zbadanie. Nie przeszkadzaj im zbytnio, badając je.
Ten problem został rozwiązany poprzez zastosowanie warstw izolacyjnych z heksagonalnego azotku boru. Czujnik optyczny umieszczono bardzo blisko (ale nie dotykając) próbki, w odległości zaledwie jednego nanometra, oddzielonej warstwą azotku boru. Uniemożliwiło to komunikację elektryczną między sondą a próbką, przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej bliskości dla wysokiej czułości wykrywania.
W supersieci mory elektrony znajdują się w różnych konfiguracjach kryształów, w tym w trójkątnych kryształach Wignera, fazach paskowych i dimerach.
To osiągnięcie jest ważne nie tylko dla badań kryształów elektronów. Uzyskane dane pokazują niewykorzystany potencjał supersieci mory do badań w dziedzinie fizyki kwantowej.
„Nasze badanie”, napisali naukowcy w swoim artykule, „kładzie podwaliny pod wykorzystanie supersieci mory do modelowania kwantowych problemów wielociałowych, które są opisane przez dwuwymiarowy rozszerzony model Hubbarda lub modele spinowe z ładunkami dalekiego zasięgu – interakcje ładunku i wymiany”.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Źródła: Zdjęcie: Stany izolacyjne w supersieci, w której znajdują się elektrony. (Xu i in., Nature, 2020).
