През 1934 г. теоретичният физик Юджийн Вигнер предлага съществуването на нов тип кристал.
Ако плътността на отрицателно заредените електрони може да се поддържа под определено ниво, субатомните частици могат да се задържат в повтарящ се модел, създавайки електронен кристал; тази идея стана известна като кристала на Вигнер.
Много по-лесно е да се каже, отколкото да се направи. Електроните са суетливи и е изключително трудно да ги накарате да останат на място. Въпреки това, група физици вече са постигнали това – като са затворили мърдащи малки фибички между двойка 2D полупроводникови волфрамови слоеве.
Обикновените кристали, като диаманти или кварц, се образуват от решетка от атоми, образуващи фиксирана, триизмерна, повтаряща се мрежова структура. Според идеята на Вигнер електроните могат да бъдат подредени по подобен начин, за да образуват твърда кристална фаза, но само ако електроните са неподвижни.
Ако електронната плътност е достатъчно ниска, отблъскването на Кулон между електрони със същия заряд създава потенциална енергия, която трябва да доминира в кинетичната енергия, оставяйки електроните неподвижни. Това е трудността.
„Електроните са квантово механични. Дори и да не правите нищо с тях, те спонтанно се колебаят през цялото време “, каза физикът Кийн Фай Мак от университета Корнел.
“Кристалът от електрони всъщност би имал тенденция да се топи, защото е толкова трудно да се поддържат електрони, фиксирани в периодична структура.”
Следователно опитите за създаване на кристали на Вигнер разчитат на своеобразен електронен капан, като мощни магнитни полета или едноелектронни транзистори, но физиците все още не са успели в пълната кристализация. През 2018 г. учените от Масачузетския технологичен институт, опитвайки се да създадат тип изолатор, вместо това създадоха кристал на Вигнер, но резултатите им оставиха място за интерпретация.
(Катедра по физика на UCSD).
Капанът на MIT беше графенова структура, известна като муарова суперрешетка, където две двумерни решетки се припокриват една с друга с леко завъртане и се появяват по-големи, правилни модели, както е показано на изображението по-горе.
Сега екипът на Корнел, воден от физика Янг Сю, е предприел по-целенасочен подход със собствената си решетка от муар. За двата си полупроводникови слоя те използваха волфрамов дисулфид (WS2) и волфрамов диселенид (WSe2), специално отглеждани в Колумбийския университет.
Когато се наслагват, тези слоеве образуват шестоъгълен модел, който позволява на учените да контролират средната електронна подвижност във всяка дадена зона от муар.
Следващата стъпка беше внимателно да се поставят електроните на определени места на решетката, като се използват изчисления, за да се определи степента на пълнене, при която различните електронни местоположения биха образували кристали.
Последният проблем беше как всъщност да се види дали техните прогнози са верни чрез наблюдение на кристали на Вигнер или тяхното отсъствие.
„За да създадете електронен кристал, трябва да създадете правилните условия и в същото време те да реагират на външни влияния“, каза Мак.
„Трябва ви добър начин да ги изследвате. Не ги притеснявайте много, като ги разглеждате.
Този проблем беше решен чрез използване на изолационни слоеве от шестоъгълен борен нитрид. Оптичният сензор беше поставен много близо (но не докосва) пробата, на разстояние само един нанометър, разделен от слой борен нитрид. Това предотврати електрическата комуникация между сондата и пробата, като същевременно запази достатъчна близост за висока чувствителност на откриване.
Вътре в моарова суперрешетка електроните са разположени в различни кристални конфигурации, включително триъгълни кристали на Вигнер, ивични фази и димери.
Това постижение е важно не само за изучаването на електронни кристали. Получените данни демонстрират неизползвания потенциал на муаровите решетки за изследвания в областта на квантовата физика.
„Нашето изследване – пишат изследователите в своя труд – поставя основата за използване на муарови свръхрешетки за моделиране на квантови многотелесни проблеми, които са описани от двуизмерния удължен модел на Хъбард или спинови модели с далечни заряди – взаимодействия между заряда и обмена.“
Изследването е публикувано в списание Nature.
Източници: Снимка: Изолиращи състояния в суперрешетка, в която се намират електрони. (Xu et al., Nature, 2020).
