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