Elektroner – de oändligt små partiklarna som är kända för att glida runt atomer – fortsätter att förvåna forskare trots det mer än ett sekel som forskare har studerat dem. Nu har fysiker vid Princeton University tänjt på gränserna för vår förståelse av dessa små partiklar genom att för första gången visualisera direkta bevis för vad som kallas Wigner-kristallen – en märklig sorts materia som helt består av elektroner.
Fyndet, publicerat i Nature, bekräftar en 90-årig teori om att elektroner kan samlas till en egen kristallliknande formation, utan att behöva smälta samman runt atomer. Forskningen kan hjälpa till att leda till upptäckten av nya kvantfaser av materia när elektroner beter sig kollektivt.
"Wigner-kristallen är en av de mest fascinerande kvantfaserna av materia som har förutspåtts och föremål för många studier som påstår sig ha hittat, i bästa fall, indirekta bevis för dess bildande", säger Al Yazdani, James S. McDonnell Distinguished University Professor i fysik vid Princeton University och seniorförfattaren till studien. "Visualisering av den här kristallen tillåter oss inte bara att se hur den bildas, vilket bekräftar många av dess egenskaper, utan vi kan också studera den på sätt som du inte kunde tidigare."
På 1930-talet skrev Eugene Wigner, professor i fysik från Princeton och vinnare av 1963 års Nobelpris för sitt arbete med kvantsymmetriprinciper, en artikel där han föreslog den då revolutionära idén att interaktion mellan elektroner kunde leda till att de spontant arrangerades i en kristallliknande konfiguration, eller gitter, av tätt packade elektroner. Detta kunde bara inträffa, teoretiserade han, på grund av deras ömsesidiga avstötning och under förhållanden med låg densitet och extremt kalla temperaturer.
"När du tänker på en kristall tänker du vanligtvis på en attraktion mellan atomer som en stabiliserande kraft, men den här kristallen bildas enbart på grund av avstötningen mellan elektroner", säger Yazdani, som är den första meddirektören för Princeton Quantum Institute och chef för Princeton Center for Complex Materials.
Under lång tid förblev dock Wigners märkliga elektronkristall i teorins område. Det var inte förrän en serie mycket senare experiment som begreppet en elektronkristall förvandlades från gissningar till verklighet. Den första av dessa genomfördes på 1970-talet när forskare vid Bell Laboratories i New Jersey skapade en "klassisk" elektronkristall genom att spraya elektroner på heliumytan och fann att de reagerade på ett styvt sätt som en kristall.
Elektronerna i dessa experiment var dock väldigt långt ifrån varandra och betedde sig mer som enskilda partiklar än en sammanhängande struktur. En äkta Wigner-kristall skulle, istället för att följa fysikens välbekanta lagar i den vardagliga världen, följa kvantfysikens lagar, där elektronerna inte skulle agera som enskilda partiklar utan mer som en enda våg.
Detta ledde till en hel serie experiment under de kommande decennierna som föreslog olika sätt att skapa kvantkristaller från Wigner. Dessa experiment var mycket avancerade på 1980- och 1990-talen när fysiker upptäckte hur man begränsar elektronernas rörelse till atomärt tunna lager med hjälp av halvledare.
Appliceringen av ett magnetfält på sådana skiktade strukturer gör också att elektroner rör sig i en cirkel, vilket skapar gynnsamma förhållanden för kristallisation. Dessa experiment kunde dock aldrig observera kristallen direkt. De kunde bara antyda dess existens eller indirekt härleda den från hur elektroner strömmar genom halvledaren.
"Det finns bokstavligen hundratals vetenskapliga artiklar som studerar dessa effekter och hävdar att resultaten måste bero på Wigner-kristallen," sa Yazdani, "men man kan inte vara säker eftersom inget av dessa experiment faktiskt ser kristallen."
En lika viktig faktor, noterade Yazdani, är att det som vissa forskare tror är bevis på en Wigner-kristall kan vara resultatet av ofullkomligheter eller andra periodiska strukturer som är inneboende i materialen som användes i experimenten.
"Om det finns några ofullkomligheter eller någon form av periodisk understruktur i materialet, är det möjligt att fånga elektroner och hitta experimentella signaturer som inte beror på bildandet av en självorganiserad ordnad Wigner-kristall i sig, utan på grund av att elektroner "fastnat" nära en brist eller instängd på grund av materialets struktur", sa han.
Med dessa överväganden i åtanke började Yazdani och hans forskargrupp se om de kunde avbilda Wigner-kristallen direkt med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM), en enhet som förlitar sig på en teknik som kallas "quantum tunneling" snarare än ljus för att se atomär och subatomär värld.
De bestämde sig också för att använda grafen, ett fantastiskt material som upptäcktes på 2000-talet och som har använts i många experiment som involverar nya kvantfenomen. För att framgångsrikt genomföra experimentet var forskarna dock tvungna att göra grafenen så ren och så fri från brister som möjligt. Detta var nyckeln till att eliminera möjligheten att eventuella elektronkristaller skulle bildas på grund av materialfel.
Resultaten var imponerande. "Vår grupp har kunnat göra oöverträffade rena prover som gjorde det här arbetet möjligt," sa Yazdani. "Med vårt mikroskop kan vi bekräfta att proverna är utan någon atomär ofullkomlighet i grafenens atomgitter eller främmande atomer på dess yta över regioner med hundratusentals atomer."
För att göra ren grafen exfolierade forskarna två kolskikt av grafen i en konfiguration som kallas Bernal-stacked bilayer graphene (BLG). De kylde sedan ner provet till extremt låga temperaturer - bara en bråkdel av en grad över absolut noll - och applicerade ett magnetfält vinkelrätt mot provet, vilket skapade ett tvådimensionellt elektrongassystem inom de tunna lagren av grafen. Med detta kunde de ställa in elektronernas täthet mellan de två lagren.
"I vårt experiment kan vi avbilda systemet när vi ställer in antalet elektroner per ytenhet", säger Yen-Chen Tsui, doktorand i fysik och den första författaren till uppsatsen. "Bara genom att ändra densiteten kan du initiera denna fasövergång och hitta elektroner som spontant formas till en ordnad kristall."
Detta händer, förklarade Tsui, för vid låga tätheter är elektronerna långt ifrån varandra - och de är placerade på ett oordnat, oorganiserat sätt. Men när du ökar densiteten, vilket för elektronerna närmare varandra, kommer deras naturliga frånstötande tendenser att börja bilda ett organiserat gitter. Sedan, när du ökar densiteten ytterligare, kommer den kristallina fasen att smälta till en elektronvätska.
Minhao He, en postdoktor och medförfattare till artikeln, förklarade denna process mer detaljerat. "Det finns en inneboende repulsion mellan elektronerna," sa han. "De vill trycka undan varandra, men under tiden kan elektronerna inte vara oändligt isär på grund av den ändliga densiteten. Resultatet är att de bildar en tätt packad, regelbunden gitterstruktur, där var och en av de lokaliserade elektronerna upptar en viss mängd utrymme."
När denna övergång bildades kunde forskarna visualisera den med hjälp av STM. "Vårt arbete ger de första direkta bilderna av den här kristallen. Vi bevisade att kristallen verkligen finns där, och vi kan se den", sa Tsui.
Men att bara visualisera kristallen var inte slutet på experimentet. En konkret bild av kristallen tillät dem att urskilja några av kristallens egenskaper. De upptäckte att kristallen är triangulär i konfigurationen och att den kan ställas in kontinuerligt med partiklarnas densitet. Detta ledde till insikten att Wigner-kristallen faktiskt är ganska stabil över ett mycket långt intervall, en slutsats som strider mot vad många forskare har anat.
"Genom att kunna ställa in dess gitterkonstant kontinuerligt, visade experimentet att kristallstrukturen är resultatet av den rena avstötningen mellan elektronerna", sa Yazdani.
Forskarna upptäckte också flera andra intressanta fenomen som utan tvekan kommer att motivera ytterligare utredning i framtiden. De fann att platsen till vilken varje elektron är lokaliserad i gittret visas i bilderna med en viss "oskärpa", som om platsen inte definieras av en punkt utan en avståndsposition där elektronerna är begränsade i gittret . Tidningen beskrev detta som elektronernas "nollpunktsrörelse", ett fenomen relaterat till Heisenbergs osäkerhetsprincip. Omfattningen av denna suddighet speglar Wigner-kristallens kvantnatur.
"Elektroner, även när de är frusna i en Wigner-kristall, bör uppvisa en stark nollpunktsrörelse", sa Yazdani. "Det visar sig att denna kvantrörelse täcker en tredjedel av avståndet mellan dem, vilket gör Wigner-kristallen till en ny kvantkristall."
Yazdani och hans team undersöker också hur Wigner-kristallen smälter och övergår till andra exotiska flytande faser av interagerande elektroner i ett magnetfält. Forskarna hoppas kunna avbilda dessa faser precis som de har avbildat Wigner-kristallen.
Mer information: Ali Yazdani, Direkt observation av en magnetfältsinducerad Wigner-kristall, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Princeton University
