Forskare vid ETH Zürich har lyckats observera en kristall som endast består av elektroner. Sådana Wignerkristaller förutspåddes redan för nästan nittio år sedan men kunde först nu observeras direkt i ett halvledarmaterial.

Kristaller har fascinerat människor genom tiderna. Vem har inte beundrat de komplexa mönstren för en snöflinga någon gång, eller de perfekt symmetriska ytorna på en bergkristall? Magin slutar inte även om man vet att allt detta beror på ett enkelt samspel av attraktion och avstötning mellan atomer och elektroner. Ett team av forskare under ledning av Ataç Imamoğlu, professor vid Institute for Quantum Electronics vid ETH Zürich, har nu producerat en mycket speciell kristall. Till skillnad från vanliga kristaller, den består uteslutande av elektroner. Genom att göra så, de har bekräftat en teoretisk förutsägelse som gjordes för nästan nittio år sedan och som sedan har betraktats som en slags helig gral av kondenserad fysik. Deras resultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Natur .

En decennier gammal förutsägelse

"Det som gjorde oss glada över detta problem är dess enkelhet, "säger Imamoğlu. Redan 1934 Eugene Wigner, en av grundarna till teorin om symmetrier inom kvantmekanik, visade att elektroner i ett material teoretiskt kunde ordna sig i regelbundna, kristallliknande mönster på grund av deras ömsesidiga elektriska avstötning. Resonemanget bakom detta är ganska enkelt:om energin för den elektriska avstötningen mellan elektronerna är större än deras rörelseenergi, de kommer att ordna sig på ett sådant sätt att deras totala energi är så liten som möjligt.

I flera decennier har dock, denna förutsägelse förblev rent teoretisk, eftersom dessa "Wignerkristaller" endast kan bildas under extrema förhållanden som låga temperaturer och ett mycket litet antal fria elektroner i materialet. Detta beror delvis på att elektroner är många tusen gånger lättare än atomer, vilket innebär att deras rörelseenergi i ett regelbundet arrangemang vanligtvis är mycket större än den elektrostatiska energin på grund av interaktionen mellan elektronerna.

Elektroner i ett plan

För att övervinna dessa hinder, Imamoğlu och hans medarbetare valde ett skiktunt lager av halvledarmaterialet molybden-diselenid som bara är en atom tjockt och där, därför, elektroner kan bara röra sig i ett plan. Forskarna kan variera antalet fria elektroner genom att applicera en spänning på två transparenta grafenelektroder, mellan vilken halvledaren är inklämd. Enligt teoretiska överväganden bör molybden -diselenids elektriska egenskaper gynna bildandet av en Wignerkristall - förutsatt att hela apparaten kyls ner till några grader över den absoluta nollan på minus 273,15 grader Celsius.

Dock, att bara producera en Wignerkristall är inte riktigt tillräckligt. "Nästa problem var att visa att vi faktiskt hade Wigner -kristaller i vår apparat, "säger Tomasz Smoleński, som är huvudförfattare till publikationen och arbetar som postdoc i Imamoğlus laboratorium. Separationen mellan elektronerna beräknades till cirka 20 nanometer, eller ungefär trettio gånger mindre än synligt ljusets våglängd och därför omöjligt att lösa även med de bästa mikroskopen.

Upptäckt genom excitoner

Med hjälp av ett trick, fysikerna lyckades synliggöra elektronernas regelbundna arrangemang trots den lilla separationen i kristallgitteret. Att göra så, de använde ljus med en viss frekvens för att excitera så kallade excitoner i halvledarskiktet. Excitons är par av elektroner och "hål" som härrör från en saknad elektron i en energinivå i materialet. Den exakta ljusfrekvensen för skapandet av sådana excitoner och hastigheten med vilken de rör sig beror både på materialets egenskaper och på interaktionen med andra elektroner i materialet - med en Wignerkristall, till exempel.

Det periodiska arrangemanget av elektronerna i kristallen ger upphov till en effekt som ibland kan ses på tv. När en cykel eller en bil går snabbare och snabbare, över en viss hastighet verkar hjulen stå stilla och sedan svänga i motsatt riktning. Detta beror på att kameran tar en ögonblicksbild av hjulet var 40:e millisekund. Om hjulens regelbundet åtskilda ekrar har rört sig exakt på avståndet mellan ekrarna, hjulet verkar inte snurra längre. Liknande, i närvaro av en Wignerkristall, rörliga excitoner verkar stationära förutsatt att de rör sig med en viss hastighet bestämd av separationen av elektronerna i kristallgitteret.

Första direkta observationen

"En grupp teoretiska fysiker under ledning av Eugene Demler från Harvard University, som flyttar till ETH i år, hade teoretiskt beräknat hur den effekten skulle visa sig i excitonernas observerade excitationsfrekvenser - och det är precis vad vi observerade i labbet, "Säger Imamoğlu. I motsats till tidigare experiment baserade på plana halvledare, där Wigner -kristaller observerades indirekt genom strömmätningar, detta är en direkt bekräftelse på det regelbundna arrangemanget av elektronerna i kristallen. I framtiden, med deras nya metod Imamoğlu och hans kollegor hoppas kunna undersöka exakt hur Wigner -kristaller bildas ur en störd "vätska" av elektroner.