Вчені довго не могли отримати зображення молекулярного електронного льоду, тому що використовувані методики руйнували об’єкт дослідження. Та ж група, що довела існування електронного кристала, вигадала спосіб модифікувати скануючий електронний мікроскоп і отримала перші зображення молекули Вігнера.
Електрони зазвичай рухаються крізь матеріали так швидко, що не утворюють зв’язків. У 1930-х роках фізик Юджін Вігнер (Eugene Wigner) передбачив, що електрони можуть бути приведені в нерухомий стан при низькій щільності та температурах, утворюючи «електронний лід», він же – Вігнерівський кристал.
У 2021 році в Берклі (США) дослідні групи під керівництвом Фена Ванга (Feng Wang) та Майкла Кроммі (Michael Crommie) довели існування таких електронних кристалів. Тепер ті ж таки вчені отримали зображення нової квантової фази твердого електронного тіла — молекулярного Вігнерівського кристала. Результати наукової роботи опубліковані в журналі Science.
Звичайні вігнеровські кристали утворюють стільники з упорядкованим розташуванням електронів. У молекулярних Вігнерівських кристалах створюються високоупорядковані структури зі штучних «молекул», кожна з яких складається з двох або більше електронів.
Протягом багатьох років вчені намагалися отримати прямі зображення молекулярного Вігнерівського кристала. Це виявилося складним завданням, тому що молекулярний електронний лід руйнувався при спробі його сфотографувати. Наконечник скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), з допомогою якого можна одержати потрібні зображення, руйнував електронну конфігурацію матеріалу.
У новому дослідженні вчені з Національної лабораторії імені Лоуренса у Берклі вирішили цю проблему. Вони розробили метод, що зводить до мінімуму електричне поле, яке створюється наконечником СТМ. За допомогою цієї модифікації дослідники спромоглися зняти делікатну електронну структуру молекулярного Вігнерівського кристала.
Для експериментів вчені розробили наноматеріал під назвою «скручена дисульфід-вольфрамова (tWS2) надрешітка муарового типу». Спочатку вони створили двошаровий дисульфід вольфраму (WS2) з шарами, покладеними один на одного з кутом повороту 58 градусів. Їх поклали на гексагональний нітрид бору (hBN) завтовшки 49 нанометрів та графітовий затвор.
Застосувавши свою СТМ-техніку, фізики виявили, що легування надгратки tWS2 електронами заповнює кожну комірку шириною 10 нанометрів лише двома або трьома електронами. В результаті ці заповнені осередки сформували масив електронних молекул муарового типу по всій надрешітці, що призвело до утворення молекулярного кристала Вігнерівського.
“Низькі температури разом з енергетичним потенціалом, створеним надрешіткою tWS2, локально утримують електрони”, – пояснив Ванг.
Надалі Ванг, Кроммі та їхня команда планують застосувати свою техніку СТМ для більш глибокого вивчення цієї нової квантової фази та пошуку можливих застосувань, які вона може відкрити.