Ученые создали Вигнеровский кристалл из электронов в лаборатории

Исследователи из ETH Zurich создали кристалл, полностью состоящий из электронов. Теории строились на протяжении десятилетий, но это первый раз, когда они были экспериментально подтверждены в лаборатории.

Обычно электроны ведут себя более или менее как жидкость, свободно протекающая через материал. Но в 1934 году физик-теоретик Юджин Вигнер предсказал, что группа электронов может кристаллизоваться в твердую форму при определенных условиях, образуя фазу, теперь известную как кристалл Вигнера (вигнеровский кристалл).

Для этого необходимо установить точный баланс между двумя силами, действующими на электроны: их электростатическим отталкиванием и их энергией движения. Последняя является более мощным эффектом, заставляющим электроны отскакивать в случайном порядке, но если это можно было бы достаточно уменьшить, предположил Вигнер, то отталкивание могло бы взять верх, запирая электроны в однородную решетку.

Но сделать подобное оказалось сложнее, чем может показаться. Плотность электронов необходимо снизить сверх определенной точки, их нужно удерживать в «ловушке» и охладить почти до абсолютного нуля, чтобы уменьшить внешнее влияние на их движение.

Теперь ученые из ETH Zurich выполнили все требования для создания кристалла Вигнера. Чтобы ограничить электроны, они использовали лист диселенида молибдена толщиной всего в один атом, эффективно ограничивая их движения двумя измерениями.

Чтобы контролировать количество электронов в этом полупроводнике, ученые зажали этот материал между двумя графеновыми электродами и приложили осторожное напряжение. Наконец, вся система была охлаждена почти до абсолютного нуля.

И действительно, появился кристалл Вигнера. Но наблюдать его было совершенно другой проблемой — проблема в том, что расстояние между электронами настолько крошечное, около 20 нанометров, что микроскопы его не видят. Предыдущие исследования, пытающиеся создать кристаллы Вигнера, должны были полагаться на косвенные методы их обнаружения.

Для новой работы команда физиков использовала другой метод. Они направили свет на материал с определенной частотой, чтобы возбудить так называемые «экситоны» в полупроводнике, которые излучают свет обратно. Если кристалл Вигнера присутствует, то экситоны должны казаться неподвижными, когда они отражают свет обратно.

«Группа физиков-теоретиков во главе с Юджином Демлером из Гарвардского университета теоретически рассчитала, как этот эффект должен проявляться в наблюдаемых частотах возбуждения экситонов — и это именно то, что мы наблюдали в лаборатории, — говорит Атач Имамоглу, ведущий автор работы.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.