För första gången, MIT-fysiker har observerat en högordnad kristall av elektroner i ett halvledande material och dokumenterat dess smältning, ungefär som is som tinar i vatten. Observationerna bekräftar en grundläggande fasövergång inom kvantmekaniken som teoretiskt föreslogs för mer än 80 år sedan men som inte experimentellt dokumenterats förrän nu.

Laget, ledd av MIT professor i fysik Raymond Ashoori och hans postdoc Joonho Jang, använde en spektroskopiteknik utvecklad i Ashooris grupp. Metoden bygger på elektrontunnelering, "en kvantmekanisk process som tillåter forskare att injicera elektroner med exakta energier i ett system av intresse - i det här fallet, ett system av elektroner fångade i två dimensioner. Metoden använder hundratusentals korta elektriska pulser för att sondera ett ark av elektroner i ett halvledande material kylt till extremt låga temperaturer, strax över den absoluta nollpunkten.

Med sin tunnelteknik, forskarna sköt in elektroner i det underkylda materialet för att mäta energitillstånden hos elektroner i det halvledande arket. Mot en suddig bakgrund, de upptäckte en kraftig topp i data. Efter mycket analys, de fastställde att spiken var den exakta signalen som skulle avges från en högordnad kristall av elektroner som vibrerade unisont.

När gruppen ökade tätheten av elektroner, i huvudsak packa dem i allt tätare utrymmen i arket, de fann att dataspiken sköt upp till högre energier, sedan försvann helt, precis vid en elektrondensitet vid vilken en elektronisk kristall har förutsetts smälta.

Forskarna tror att de äntligen har fångat processen med kvantsmältning - en fasövergång inom kvantmekaniken, där elektroner som har bildat en kristallin struktur enbart genom sina kvantinteraktioner smälter till en mer oordnad vätska, som svar på kvantfluktuationer till deras densitet.

"Vi såg något radikalt nytt, " Ashoori säger. "Det har varit många människor som länge letat efter att demonstrera en elektronisk kristallsmältning, och jag tror att vi har gjort det."

Ashoori och Jang publicerade sina resultat förra veckan i tidskriften Naturfysik . Deras medförfattare är före detta MIT postdoc Benjamin Hunt, och Loren Pfeiffer och Kenneth West från Princeton University.

En kristalliserande idé

Idén till en kristall av elektroner föreslogs först 1934 av den ungersk-amerikanske fysikern Eugene Wigner. I vanliga fall, halvledande metaller som kisel och aluminium kan leda elektricitet i form av elektroner som pingisar runt med blixthastigheter, skapa en ström genom materialet.

Dock, vid ultrakalla temperaturer, elektroner i dessa metaller borde nästan stanna, eftersom det finns väldigt lite värme kvar för att stimulera deras rörelser. Alla rörelser som elektroner uppvisar, sedan, borde bero på kvantinteraktioner - de osynliga krafterna mellan individuella elektroner och andra kvantum, subatomära partiklar.

Elektroner, vara negativt laddad, naturligt stöta bort varandra. Wigner föreslog att för underkylda elektroner vid låg densitet, deras ömsesidiga frånstötande krafter borde fungera som en sorts ställning, håller ihop elektronerna men ändå isär med lika mellanrum, skapar alltså en kristall av elektroner. Ett så styvt arrangemang, som sedan myntades som en Wigner-kristall, bör förvandla en metall till en isolator snarare än en elektrisk ledare.

Genom en kvanttunnel

Sedan Wigners förslag, andra har försökt observera en Wigner-kristall i labbet, med ofullständiga resultat. För deras del, Ashoori och Jang gav sig inte ursprungligen ut för att hitta en Wigner-kristall, men istället ville de helt enkelt undersöka ett tvådimensionellt ark av elektroner med hjälp av deras elektrontunnelteknik.

Under det senaste decenniet, gruppen har utvecklat och förbättrat sin teknik, vilket innebär att man skjuter elektroner genom en barriär för att undersöka energitillstånden för ett material på andra sidan. Kvantmekaniken dikterar att det finns en sannolikhet att vilket objekt som helst i universum kan korsa eller "tunnel" genom en till synes ogenomtränglig barriär och komma ut på andra sidan oförändrad.

Denna idé är nyckeln till forskarnas tunnelteknik, där de skjuter elektroner genom en halvledande barriär, till ett underliggande tvådimensionellt ark av elektroner. Där, tunnelelektronerna kan orsaka vibrationer i de omgivande elektronerna, de energier som forskare kan mäta, givet de kända energierna hos tunnelelektronerna.

En "serendipitous upptäckt"

I deras experiment, teamet undersökte ett halvledande ark av galliumarsenid under en barriär av aluminium galliumarsenid. Forskarna kylde ner hela provet till bara en bråkdel över absoluta nollpunkten och applicerade pulser av elektroner vid varierande energier, analyserade sedan den resulterande datan.

När Jang märkte den mycket skarpa toppen i data, han tittade igenom tidigare teoretisk litteratur för att förklara funktionen och kom så småningom till slutsatsen att spiken, med tanke på temperaturen och elektrondensiteten vid vilken den bildades, kan bara vara en signatur för en kristall av elektroner som vibrerar unisont.

"Många av de teoretiska förutsägelserna matchade våra observationer, så att, vi trodde, var en rykande pistol, " säger Jang. "Vi observerade ringningen av en elektronkristall."

Forskarna gick ett steg längre för att se vad som skulle hända om de ändrade tätheten av elektroner i det tvådimensionella arket. När tätheten ökade, elektronkristallens vibrationsenergier gjorde det också, så småningom toppar, sedan försvinner vid den exakta punkten där teorier har förutspått att en kristall skulle smälta. Kristallen av elektroner, forskarna anade, måste ha blivit så tät att hela strukturen föll till en mer oordnad, flytande tillstånd.

"Ingen har någonsin tittat på det här systemet med den här typen av upplösning, Ashoori säger. "Det var en helt otrolig upptäckt."

Teamet arbetar för att förbättra upplösningen av sin elektrontunnelteknik ytterligare, i hopp om att använda den för att urskilja de specifika formerna hos elektronkristaller.

"Olika kristaller har olika vibrationslägen, och om vi hade bättre upplösning, vi skulle kunna avgöra om det finns vissa toppar i vibrationskurvan som anger olika lägen, eller former, " Ashoori säger. "Det finns anledning att tro att vi kan avgöra det med tiden."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.