1934, fysikern Eugene Wigner gjorde en teoretisk förutsägelse baserad på kvantmekanik som i 87 år gick osynlig.

Teorin föreslog hur en metall som normalt leder elektricitet kan förvandlas till en icke-ledande isolator när tätheten av elektroner reduceras. Wigner ansåg att när elektroner i metaller förs till ultrakalla temperaturer, dessa elektroner skulle frysa i sina spår och bilda en stel, icke-elektricitetsledande struktur – en kristall – istället för att snurra runt i tusentals kilometer per sekund och skapa en elektrisk ström. Sedan han upptäckte det, strukturen myntades som en Wigner-kristall och observerades för första gången 1979.

Det som förblev envist svårfångat för fysiker, dock, har varit smältning av kristalltillståndet till en vätska som svar på kvantfluktuationer. Åtminstone, det var:nu, nästan 90 år senare, ett team av fysiker som leds av Hongkun Park och Eugene Demler vid fakulteten för konst och vetenskap har äntligen experimentellt dokumenterat denna övergång.

Arbetet beskrivs i en ny studie publicerad i tidskriften Natur och markerar ett stort steg mot att skapa ett system för att studera dessa typer av övergångar mellan materiatillstånd på kvantnivå, ett länge eftertraktat mål i planen.

"Detta är precis på gränsen till materia att byta från delvis kvantmaterial till delvis klassiskt material och har många ovanliga och intressanta fenomen och egenskaper, "sa Eugene Demler, en senior författare på tidningen. "Kristallen själva har setts, men det här, ungefär, orörd övergång – när kvantmekanik och klassisk interaktion konkurrerar med varandra – har inte setts. Det har tagit 86 år."

Leds av Park och Demler, forskargruppen fokuserade på att observera Wigner-kristaller och deras fasövergångar i studien. I kemi, fysik, och termodynamik, fasövergångar sker när ett ämne ändras från ett fast ämne, flytande, eller gas till ett annat tillstånd. När kvantfluktuationer nära absolut nolltemperatur driver dessa övergångar, de kallas kvantfasövergångar. Dessa kvantövergångar tros spela en viktig roll i många kvantsystem.

I fallet med en Wigner-kristall, kristall-till-vätska-övergången sker från en konkurrens mellan de klassiska och kvanta aspekterna av elektronerna - den förra dominerar i den fasta fasen, där elektroner är "partikelliknande, "och den senare dominerar i vätskan, där elektroner är "vågliknande". För en enda elektron, kvantmekaniken säger oss att partikel- och vågnaturen är komplementära.

"Det är slående att i ett system av många interagerande elektroner, dessa olika beteenden visar sig i distinkta faser av materien, "sa Park." Av dessa skäl, naturen hos elektronfast-vätskeövergången har väckt ett enormt teoretiskt och experimentellt intresse."

Harvard-forskarna rapporterar att de använder en ny experimentell teknik utvecklad av You Zhou, Jiho Sung, och Elise Brutschea - forskare från Park Research Group och ledande författare på tidningen - för att observera denna fasta till flytande övergång i atomtunna halvledarlager. I allmänhet, Wigner-kristallisation kräver mycket låg elektrondensitet, gör dess experimentella förverkligande till en stor experimentell utmaning. Genom att konstruera två interagerande elektronlager från två atomärt tunna halvledare, experimentalister skapade en situation där kristalliseringen stabiliseras vid högre densiteter.

För att se övergången, forskarna använde en metod som kallas excitonspektroskopi. De använder ljus för att excitera en elektron i systemet och binda den till elektronvakansen, eller hål, det lämnar efter sig, bildar väteliknande elektron-hålpar, känt som en exciton. Detta par interagerar med de andra elektronerna i materialet och modifierar dess egenskaper så att de kan ses optiskt.

Fynden från tidningen var till stor del oavsiktliga och kom som en överraskning, enligt forskarna. Parkgruppen gav sig till en början i en annan riktning och blev förbryllade när de märkte att elektronerna i deras material visade isolerande beteende. De rådfrågade teoretiker från Demlers labb och insåg snart vad de hade.

Forskarna planerar att använda sin nya metod för att fortsätta att undersöka andra kvantfasövergångar.

"Vi har nu en experimentell plattform där alla dessa [olika kvantfasövergångar] förutsägelser nu kan testas, sa Demler.