Електрони – дивовижні дрібниці. Вони часто бовтаються навколо атомних ядер, що обертаються, але це не обов’язково – Всесвіт сповнений вільних електронів, що гуркочуть. Дев’яносто років тому фізик-теоретик Юджин Вігнер припустив, що їм також не потрібно балакати: що вільні електрони можуть з’єднатися разом у особливий вид матерії, яка взагалі не має атомів, просто електрони, захоплені власним відштовхуванням, кристалічна решітка.
Це відоме як кристал Вігнера, і фізики нарешті отримали прямі докази спостереження того, що він може існувати.
«Кристал Вігнера — це одна з найбільш захоплюючих квантових фаз матерії, яка була передбачена, і є предметом численних досліджень, які стверджують, що в кращому випадку знайшли непрямі докази його утворення», — каже фізик Аль Яздані з Прінстонського університету. «Візуалізація цього кристала дозволяє нам не тільки спостерігати за його формуванням, підтверджуючи багато його властивостей, але ми також можемо вивчати його способами, якими ви не могли в минулому».
Кристал означає спосіб розташування атомів у твердій речовині. У типових кристалічних матеріалах атоми зв’язані один з одним таким чином, що утворює повторюваний малюнок у просторі. У новаторській статті Вігнера 1934 року було запропоновано, що електрони можуть утворювати подібні механізми, яким сприяє, а не перешкоджає, взаємне відраза, породжена негативним зарядом, який несуть усі електрони.
При надзвичайно низьких температурах і низькій густині відштовхувальна взаємодія між електронами повинна, за його теоретикою, спостерігати, як їх потенційна енергія домінує над їхньою потребою наближатися, змушуючи їх потрапляти в кристалоподібні решітки.
Ці кристали поводитимуться не відповідно до класичної фізики, а квантової механіки, коли зв’язані електрони поводитимуться не як окремі частинки, а як окрема хвиля. Різноманітні експерименти з використанням двовимірних систем, призначених для виявлення результатів такої поведінки, виявили непрямі докази кристалів Вігнера, але отримати прямі докази виявилося дещо складніше.
«Існують буквально сотні наукових робіт, які вивчають ці ефекти та стверджують, що результати мають бути отримані завдяки кристалу Віґнера, — каже Яздані, — але ніхто не може бути впевнений, оскільки жоден із цих експериментів насправді не бачить кристал».
З огляду на недоліки цих експериментів, команда під керівництвом фізиків Йен-Чен Цуй, Мінхао Хе та Ювен Ху з Прінстонського університету розробила експеримент, який, як вони сподівалися, допоможе вирішити попередні проблеми та виявить кристал. Вони використовували магнітні поля, щоб індукувати електронний кристал Вігнера в графені, але не в будь-якому старому графені. Матеріал мав бути якомога чистішим, щоб усунути будь-які наслідки, які можуть бути спричинені недосконалістю атома.
Два листи графену були підготовлені та скомпоновані в особливу конфігурацію, перш ніж охолоджуватися лише на частку вище абсолютного нуля. Потім було застосовано магнітне поле, щоб налаштувати щільність електронного газу, затиснутого між шарами.
Кристал Вігнера має найкращу електронну густину. Якщо щільність надто низька, електрони будуть штовхати один одного і просто віддалятимуться. Якщо щільність занадто висока, електрони будуть змішуватися в електронну рідину.
У точці Золотовласки електрони намагатимуться відштовхнутися один від одного… але їхню втечу перекриють інші електрони. Таким чином, вони просто організовуються в сітку, зберігаючи якомога більшу рівновідстань між собою.
Щоб виміряти цю кристалічну фазу, дослідники використовували скануючу тунельну мікроскопію (СТМ) з високою роздільною здатністю. STM використовує квантове тунелювання для дослідження матеріалів в атомному масштабі, куди оптична мікроскопія не може досягти.
«У нашому експерименті ми можемо відобразити систему, регулюючи кількість електронів на одиницю площі. Просто змінивши щільність, ви можете ініціювати цей фазовий перехід і виявити, що електрони спонтанно формуються у впорядкований кристал», — пояснює Цуї.
«Наша робота надає перші прямі зображення цього кристала. Ми довели, що кристал дійсно є, і ми можемо його побачити».
Їхні вимірювання також підтвердили моделі, що описують решітку як трикутну, коли вона обмежена двовимірним простором, хоча виявили, що вона може залишатися стабільною, оскільки щільність налаштована до досить великого ступеня, що суперечить попереднім теоріям про те, що діапазон щільності має бути досить малим. Вони також виявили, що електрони займають не одну точку в решітці, а розмитий діапазон положень, який описується як рух нульової точки.
«Електрони, навіть заморожені в кристал Вігнера, повинні демонструвати сильний нульовий рух», — каже Яздані. «Виявляється, цей квантовий рух покриває третину відстані між ними, що робить кристал Вігнера новим квантовим кристалом».