Grafen, wiadomości naukowe

Pierwsza obserwacja struktury elektronowego kryształu Wignera

W 1934 roku fizyk Eugene Wigner, rozważał czy elek­trony wewnątrz materii mogą układać się w regu­larne kształty, tworząc coś na wzór krysz­tału. Twier­dził, że wzajemne odpy­cha­nie toż­sa­mych ładunków elek­trycz­nych przeważy nad energią ruchu cząstek, co pozwoli na stwo­rze­nie upo­rząd­ko­wa­nej kwan­to­wej struktury.

Wigner zdawał sobie sprawę, że taki kryształ mógłby zaist­nieć tylko w bardzo spe­cy­ficz­nych warun­kach, przy eks­tre­mal­nie niskiej tem­pe­ra­tu­rze i mini­mal­nej liczbie swo­bod­nych elek­tro­nów. Prze­ło­że­nia teorii na praktykę dokonano dopiero po wielu dekadach, nato­miast fizycy z Poli­tech­niki Fede­ral­nej w Zurychu pokazali niedawno, że kryształ Wignera można nie tylko otrzymać, ale również zaob­ser­wo­wać jego strukturę.

Kryształ Wignera
Elek­trony w zwykłym mate­riale zacho­wują się podobnie do cha­otycz­nej cieczy, krysz­tale Wignera nato­miast tworzą upo­rząd­ko­waną struk­turę (ethz.ch).

Badacze pra­co­wali na dwu­wy­mia­ro­wym arkuszu dise­lenku molib­denu, tak aby elek­trony mogły prze­pły­wać wyłącz­nie po płasz­czyź­nie. Zgodnie z ocze­ki­wa­niami po schło­dze­niu pół­prze­wod­nika do tem­pe­ra­tury bliskiej zeru abso­lut­nemu, zaczął on wyka­zy­wać cechy kwan­to­wego krysz­tału. Pro­ble­mem jednak nadal pozo­sta­wała obser­wa­cja, nie­zwy­kle trudna, z uwagi na zbyt małe (20 nano­me­trów) odle­gło­ści między elektronami.

Aby obejść kłopot, naukowcy użyli światła o czę­sto­tli­wo­ści umoż­li­wia­ją­cej wzbu­dze­nie eks­cy­to­nów. Mowa o kwa­zi­cząst­kach zło­żo­nych z elek­tronu i dziury elek­tro­no­wej, czyli braku elek­tronu w ocze­ki­wa­nym miejscu, co daje efekt podobny do dzia­ła­nia cząstki o dodatnim ładunku elek­trycz­nym. W każdym razie, odpo­wied­nie wibracje eks­cy­to­nów, wywołane sta­ran­nie dobraną czę­sto­tli­wo­ścią światła, umoż­li­wiły obej­rze­nie struk­tury materii. Autorzy badania porów­nują dokonaną obser­wa­cję do nagry­wa­nia kamerą kół jadących samo­cho­dów. Po prze­kro­cze­niu pewnej pręd­ko­ści, koło wydaje się stać w miejscu, a nawet obracać w prze­ciw­nym kierunku. Ana­lo­gicz­nie, eks­cy­tony wyglą­dają pod mikro­sko­pem na nie­ru­chome, jeżeli ruszają się w okre­ślony sposób.

Krysz­tały Wignera otrzy­my­wano i badano już w poprzed­nich latach, ale dopiero powyższa metoda pozwo­liła na potwier­dze­nie regu­lar­nego ułożenia elektronów.

Na bazie eks­pe­ry­mentu na łamach Nature opu­bli­ko­wano w tym samym dniu dwa artykuły – jeden zespołu z Zurychu, drugi ekipy z Harvarda – skon­cen­tro­wane jednak na różnych aspek­tach sprawy. Warto zauważyć, że jako główny autor pierw­szej z publi­ka­cji figuruje dr Tomasz Smo­leń­ski, absol­went Uni­wer­sy­tetu War­szaw­skiego, obecnie pra­cow­nik Zespołu Fotoniki Kwan­to­wej w ETH.

Dowiedz się więcej u źródła:
T. Smoleński, P. Dolgirev, C. Kuhlenkamp, Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor, “Nature” 595 (2021), [online: nature.com/articles/s41586-021–03590‑4];
Y. Zhou, J. Sung, E. Brutschea, Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure, “Nature 595 (2021), [online: nature.com/articles/s41586-021–03560‑w].
Total
0
Shares
Inne teksty