Створений кристал, що складається виключно з електронів

Групі дослідників з Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюріху (Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich) вперше в історії науки вдалося сформувати на поверхні напівпровідникового матеріалу і спостерігати за екзотичним кристалом, що складається виключно з електронів. Цим досягненням вони підтвердили висунутий близько 90 років тому, в 1934 році Юджином Вігнером (Eugene Wigner), теоретичний прогноз, який протягом усього цього часу був одним з головних викликів в галузі фізики конденсованої речовини.

У 1394 року Юджин Вігнер, засновник теорії симетрій в квантовій механіці, продемонстрував, що електрони в середовищі матеріалу з певними електричними властивостями, можуть організуватися і створити образ, що нагадує кристалічну решітку. Це повинно було статися, коли потенційна енергія взаємного відштовхування електронів буде більше кінетичної енергії їх руху. І електрони влаштуються таким чином, що їх повна енергія буде якомога менше. Такі «кристали Вигнера» ​​залишалися лише теоретичним поняттям довгий час, адже вони можуть формуватися тільки при надзвичайно низьких температурах, кількість вільних електронів дуже мало в будь-якому матеріалі і самі електрони дуже малі. Це, в свою чергу, означає, що кінетична енергія електронів в звичайному стані завжди буде набагато більше, ніж енергія електростатичних взаємодій між ними.

Для створення «кристала Вигнера» ​​вчені використовували найтонший шар напівпровідникового матеріалу — діселеніда молібдену. Оскільки цей шар має товщину в один атом, то електрони в матеріалі можуть рухатися тільки в межах однієї двовимірної площині. Дослідники збільшили кількість вільних електронів, подавши на матеріал електричний потенціал через притиснуті до нього графенові електроди. І, згідно з теоретичними розрахунками, унікальні електронні властивості діселеніда молібдену при температурі, близької до температури абсолютного нуля, повинні сприяти виникненню «кристалів Вигнера».

Однак, підвищену вірогідність виникнення «кристала Вигнера» ​​ще не зовсім достатньо для здійснення відкриття. Вченим потрібно було довести, що такі кристали виникли реально і досліджувати їх деякі властивості. Це ускладнено тим, що відстань між електронами в решітці кристала становить близько 20 нанометрів, в тридцять разів менше, ніж довжина хвилі світла видимого діапазону, що робить неможливим пряме спостереження цього явища за допомогою навіть найдосконаліших мікроскопів.

Для того, щоб «візуалізувати» електрони «кристала Вигнера» ​​вчені використовували світло лазера з певною частотою, який порушив на поверхні матеріалу так звані екситон, квазічастинки, що складаються з взаємопов’язаного вільного електрона і електронної дірки. Знаючи частоту виникнення екситонів, напрямок і швидкість їх руху, вчені визначили ефекти від взаємодії екситонів з іншими вільними електронами в матеріалі.

В результаті взаємодії екситонів і електронів виникає ефект, дуже схожий на ефект, що виникає, коли в об’єктив відео- або кінокамери потрапляє обертається колесо автомобіля наприклад. При досягненні автомобілем певної швидкості виникає оптичний обман, через якого глядачеві спочатку здається, що колесо автомобіля спочатку повністю зупиняється, а потім починає обертатися у зворотному напрямку. Це відбувається, коли видимий елемент диска колеса переміщаються на місце іншого такого елемента за час, протягом якого камера робить один кадр, 40 мс. Точно так само відбувається і з рухомими з певною швидкістю екситонами, вони спочатку «завмирають на місці», а потім створюється враження, що вони починають рухатися у зворотний бік.

І на закінчення слід зазначити, що даний випадок є першим разом в історії, коли вчені отримали прямим шляхом доказ регулярного розташування електронів в напівпровідниковому матеріалі. Так, раніше були і інші подібні спроби, але у всіх них вчені використовували лише непрямі методи вимірювань, достовірність результатів яких знаходиться під великим знаком питання.

У своїх подальших дослідженнях швейцарські вчені планують за допомогою розробленої ними технології провести спостереження за процесом формування «кристалів Вигнера» ​​з «електронної рідини», що має повністю безладну природу. Джерело