Как выглядит твёрдое тело, состоящее из электронов

Физики впервые представили неуловимые “кристаллы Вигнера”.

Если условия будут подходящими, некоторые электроны внутри материала будут выстраиваться в аккуратную ячеистую структуру — как твердое тело внутри твердого тела. Физики теперь непосредственно изобразили эти “кристаллы Вигнера”, названные в честь теоретика венгерского происхождения Юджина Вигнера, который впервые представил их почти 90 лет назад.

“Исследователи убедительно создавали кристаллы Вигнера и измеряли их свойства раньше, но это первый случай, когда кто-то действительно сделал снимок моделей”, – говорит соавтор исследования Фен Ван, физик из Калифорнийского университета в Беркли. “Если вы говорите, что у вас есть электронный кристалл, покажите мне кристалл”.

Результаты были опубликованы 29 сентября в журнале Nature.

Для создания кристаллов Вигнера команда Вана создала устройство, содержащее тонкие слои атомов двух похожих полупроводников: дисульфида вольфрама и диселенида вольфрама. Затем команда использовала электрическое поле для настройки плотности электронов, которые свободно перемещались вдоль границы раздела между двумя слоями.

В обычных материалах электроны перемещаются слишком быстро, чтобы на них существенно повлияло отталкивание между их отрицательными зарядами. Но Вигнер предсказал, что если электроны будут двигаться достаточно медленно, это отталкивание начнет доминировать в их поведении. Затем электроны найдут устройства, которые минимизируют их общую энергию, например, сотовый узор. Поэтому Ван и его коллеги замедлили электроны в своем устройстве, охладив его всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля.

Несоответствие между двумя слоями в устройстве также помогло электронам сформировать кристаллы Вигнера. Атомы в каждом из двух полупроводниковых слоев находятся на несколько разных расстояниях друг от друга, поэтому их соединение создает ячеистый “муаровый узор”, подобный тому, который наблюдается при наложении двух сеток. Этот повторяющийся паттерн создавал области с несколько меньшей энергией, что помогало электронам успокоиться.

Графеновый трюк

Команда использовала сканирующую туннельную микроскопию (STM), чтобы увидеть этот кристалл Вигнера. В STM металлический наконечник парит над поверхностью образца, и напряжение заставляет электроны спрыгивать с наконечника, создавая электрический ток. Когда наконечник движется по поверхности, изменение интенсивности тока показывает расположение электронов в образце.

Первоначальные попытки получить изображение кристалла Вигнера путем нанесения STM непосредственно на двухслойное устройство не увенчались успехом, говорит Ван, потому что ток разрушил хрупкие устройства Вигнера. Поэтому команда добавила сверху слой графена, лист углерода с одним атомом. Присутствие кристалла Вигнера слегка изменило электронную структуру графена непосредственно над ним, которая затем была подхвачена STM. На изображениях четко видно аккуратное расположение лежащих в основе электронов Вигнера. Как и ожидалось, последовательные электроны в кристалле Вигнера находятся почти в 100 раз дальше друг от друга, чем атомы в реальных кристаллах полупроводникового устройства.

“Я думаю, что это большое достижение – возможность выполнять STM в этой системе”, – говорит Кармен Рубио Верду, физик из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Она добавляет, что тот же метод на основе графена позволит проводить STM-исследования ряда других интересных физических явлений, помимо кристаллов Вигнера. Кин Фай Мак, физик из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, соглашается. “Этот метод неинвазивен для состояния, которое вы хотите исследовать. Для меня это очень умная идея”.

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.