През 1934-а теоретичният физик Юдажин Вигнер развива хипотезата, че съществува нов тип кристал.
Ако плътността на отрицателно заредените електрони се поддържа под определено ниво, субатомните частици биха могли да бъдат подредени по такъв начин, че да образуват кристал от електрони – идея, която ще стане известна като кристала на Вигнер.
На теория звучи лесно, но електроните са доста подвижни и е трудно да бъдат застопорени на едно място. Въпреки това екип от физици постигна тъкмо това – те успяха да „пленят“ тези елементарни частици между два двуизмерни полупроводникови пласта от волфрам.
Стандартните кристали (като диамантите и кварцът) се образуват от мрежи от атоми, подредени във фиксирана триизмерна повтаряща се структура. Според идеята на Вигнер електроните биха могли да бъдат подредени по сходен начин, но само ако са неподвижни.
Ако плътността на електроните е достатъчно ниска, то Законът на Кулон между електроните с един и същи заряд произвежда потенциално достатъчно енергия, която би трябвало да вземе връх над кинетичната им енергия. А това от своя страна ще накара електроните да застанат на едно място. Тук се крие и основното предизвикателство.
„Електроните са квантово механични. Дори и нищо да не им правите, те пак спонтанно шават насам-натам през цялото време – казва физикът Кин Фей Мак от Корнелския университет. – Един кристал от електрони буквално ще се разтапя, тъй като е трудно да поддържаме електроните във фиксирана позиция.“
Ето защо за да създадем кристали на Вигнер, трябва да изработим своеобразни капани за електрони – например мощни магнитни полета или едноелектронови транзистори. Пълната кристализация обаче убягваше на учените – поне досега. През 2018-а учени от Масачузетския технологичен институт (MIT), опитващи се да създадат вид изолатор, може и да са произвели кристал на Вигнер. Техните резултати обаче подлежат на интерпретация.
Източник: UCSD Department of Physics
Капанът на екипа от MIT е представлявал структура от графен, известна като моарова супер решетка, при която две двуизмерни мрежи са в суперпозиция (но леко извъртени). По този начин се появява по-голяма регулярна подредба, както може да видите на изображението по-горе.
Сега екипът от Корнелския университет, ръководен от физик от Янг Ксу, е използвал един по-целеви подход – със своя собствена моарова супер решетка. За своите два полупроводникови пласта те са използвали волфрамов бисулфид (WS2) и волфрамов дисленид (WSe2), създадени специално в Колумбийския университет.
Когато бъдат наложени един върху друг, тези пластове образуват шестоъгълен модел, позволяващ на екипа да установи контрол над електроните във всяко едно конкретно моарово разположение.
При следващата стъпка учените поставят внимателно електроните на конкретни места в мрежата, използвайки математически изчисления, за да определят коефициента на заетост, при който различните подредби на електроните ще доведат до образуването на кристали.
Накрая те проверяват дали предположенията са им били правилни, като наблюдават дали се е образувал кристал на Вигнер или не.
„За да се създадат кристали от електрони, е нужно да бъдат изпълнени конкретни условия. Същевременно те са изключително крехки – казва Мак. – Нуждаете се от добър начин, по който да ги тествате. Определено не искате да ги „смутите“ по какъвто и да било начин.“
В края на краищата, след внимателна проверка, се оказва, че екипът от Корнелския университет действително е създал кристал на Вигнер – постижение, което може да намери приложение в квантовата физика на бъдещето.
Изследването е публикувано в Nature.
