Det lykkedes forskere for første gang i historien at få en Wigner -krystal, der kun består af elektroner
For første gang i historien lykkedes det ingeniører ved ETH Zürich at få en ægte krystal, der udelukkende består af elektroner. De såkaldte Wigner-krystaller blev teoretisk forudsagt for 90 år siden, men først nu kunne de observeres direkte i et halvledermateriale.
Hvordan det var muligt at skabe og observere en krystal fra elektroner
Under normale forhold ligner elektroners adfærd adfærden hos en væske, der flyder frit gennem et materiale. Men allerede tilbage i 1934, teoretiske fysiker Yu. Wigner formulerede en teori, ifølge hvilken en gruppe elektroner er ganske i stand til at krystallisere til en fast form og danne en fase, der nu omtales som Wigner -krystallen.
Så ifølge teorien er du nødt til at "fange" den ideelle balance mellem kræfter, såsom elektrostatisk frastødning og bevægelsesenergi.
Så bevægelsesenergien er en meget mere kraftfuld faktor, der får elektroner til at hoppe i forskellige retninger. Men hvis denne kraft kunne reduceres (ifølge Wigners antagelse), ville den frastødende kraft have en stærkere effekt på elektronerne og dermed låse dem fast i et homogent gitter.
Så over mange årtier forsøgte forskellige grupper af ingeniører at bekræfte Wigners teori og skabe en krystal bestående af elektroner, men dette viste sig at være en ret vanskelig opgave.
Når alt kommer til alt, skal du reducere elektronens tæthed til dette. Derudover skal de fastgøres i en "fælde" og også afkøles til en temperatur tæt på absolut nul for at minimere påvirkningen af eksterne faktorer på dem.
Hvordan Wigner -krystallen blev opnået
Og kun forskere fra ETH Zürich formåede at opfylde alle kravene for at få en Wigner -krystal. Så for at begrænse elektroner blev der brugt et monatomisk ark med molybdæn -diselenid, som effektivt begrænsede elektroner til to dimensioner.
For at kontrollere antallet af elektroner spændte ingeniører dette materiale mellem to grafenelektroder og påførte en minimumsspænding. Og så blev denne struktur afkølet til næsten absolut nul.
Så som et resultat af sådanne manipulationer dukkede Wigner -krystallen op. Men dette viste sig kun at være halvdelen af kampen, fordi afstanden mellem elektronerne viste sig at være så lille (ca. 20 nanometer), at det var umuligt at se krystallen med et mikroskop.
For at visualisere krystallen besluttede forskerne at anvende en ny metode. Det blev besluttet at lede en lysstrøm på materialet med en fast frekvens for at starte excitationsprocessen for de såkaldte "excions" i halvlederen, som udsender lys tilbage.
Hvis Wigner -krystaller er til stede, skal forlængelserne fremstå stationære, når de reflekterer lys tilbage.
Desuden skulle denne effekt vise sig i de observerede excitationsfrekvenser for excions, og det er præcis, hvad forskerne observerede under deres forsøg for at opnå en Wigner -krystal.
Forskere har delt resultaterne af arbejdet udført på siderne i tidsskriftet Nature.
Hvis du kunne lide materialet, bedøm det venligst og glem ikke at abonnere på kanalen. Tak for din opmærksomhed!