space

Ученые впервые сделали снимок причудливого электронного льда

Категория: Наблюдения

Физики сделали первое изображение кристалла Вигнера — материала странной сотовой структуры внутри другого материала, полностью состоящего из электронов.

Венгерский физик Юджин Вигнер впервые предположил этот кристалл в 1934 году, но ученым потребовалось более восьми десятилетий, чтобы наконец получить прямой взгляд на «электронный лед».

Первое захватывающее изображение показывает, как электроны сжимаются в плотный повторяющийся узор — как крошечные голубые крылышки бабочки или нажатие инопланетного клевера.

Исследователи, стоящие за исследованием, опубликованным 29 сентября в журнале Nature, говорят, что хотя это не первый случай, когда кристалл Вигнера был правдоподобно создан или даже изучены его свойства, визуальные доказательства, которые они собрали, являются наиболее убедительными. доказательств существования материала пока нет.

«Если вы говорите, что у вас есть электронный кристалл, покажите мне кристалл», — сказал Nature News соавтор исследования Фэн Ван, физик из Калифорнийского университета. Внутри обычных проводников, таких как серебро или медь, или полупроводников, таких как кремний, электроны перемещаются так быстро, что едва ли могут взаимодействовать друг с другом.

Но при очень низких температурах они замедляются до ползания, и отталкивание между отрицательно заряженными электронами начинает преобладать. Когда-то очень подвижные частицы размалываются до остановки, выстраиваясь в повторяющийся узор, похожий на соты, чтобы свести к минимуму их общее потребление энергии.

Чтобы увидеть это в действии, исследователи захватили электроны в зазор между слоями толщиной в атом двух полупроводников вольфрама — одного дисульфида вольфрама и другого диселенида вольфрама. Затем, приложив электрическое поле к зазору, чтобы удалить любые потенциально разрушающие избыточные электроны, исследователи охладили свой электронный сэндвич до 5 градусов выше абсолютного нуля.

Конечно же, некогда быстрые электроны остановились, оседая в повторяющейся структуре вигнеровского кристалла. Затем исследователи использовали устройство, называемое сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), чтобы увидеть этот новый кристалл. СТМ работают, подавая крошечное напряжение на очень острый металлический наконечник перед тем, как запустить его прямо над материалом, заставляя электроны прыгать на поверхность материала от наконечника.

Скорость, с которой электроны выпрыгивают из наконечника, зависит от того, что находится под ними, поэтому исследователи могут создать картину контуров 2D-поверхности, напоминающих шрифт Брайля, путем измерения тока, протекающего по поверхности в каждой точке. Но ток, обеспечиваемый СТМ, сначала был слишком велик для хрупкого электронного льда, «плавя» его при контакте.

Чтобы остановить это, исследователи вставили одноатомный слой графена прямо над кристаллом Вигнера, что позволило кристаллу взаимодействовать с графеном и оставлять на нем впечатление, которое СТМ может безопасно читать — во многом как копировальный аппарат. Путем отслеживания изображения, отпечатанного на листе графена, СТМ сделал первый снимок кристалла Вигнера, вне всяких сомнений доказав его существование.

Теперь, когда у них есть убедительное доказательство существования кристаллов Вигнера, ученые могут использовать кристаллы, чтобы ответить на более глубокие вопросы о том, как несколько электронов взаимодействуют друг с другом, например, почему кристаллы располагаются в виде сот и как они «плавятся». Ответы дадут возможность заглянуть в некоторые из самых неуловимых свойств крошечных частиц.

Поделиться с друзьями: