Isolerende tilstande i supergitteret, hvor elektroner er placeret. (Xu et al., Nature, 2020) I 1934, teoretisk fysiker Eugene Wigner foreslået en ny type krystal .
Hvis tætheden af negativt ladede elektroner kunne holdes under et vist niveau, kunne de subatomære partikler holdes i et gentaget mønster for at skabe en krystal af elektroner; denne idé blev kendt som en Wigner-krystal.
Første gang en Wigner-krystal blev eksperimentelt observeret var i 1979 , da forskere målte en elektron-væske til elektron-krystal faseovergang ved hjælp af helium; siden da har sådanne krystaller været opdaget talrige gange .
At få nervøse elektroner til at sidde stille nok til at skabe krystallerne er dog meget lettere sagt end gjort. Nu har et hold fysikere demonstreret en ny metode - at fange de vrikkende små møgunger mellem et par todimensionelle halvledende wolframlag.
Konventionelle krystaller - som diamanter eller kvarts - er dannet af et gitter af atomer arrangeret i en fast, tredimensionel gentagne gitterstruktur . Ifølge Wigners idé kunne elektroner arrangeres på lignende måde til at danne en fast krystalfase, men kun hvis elektronerne var stationære.
Hvis tætheden af elektronerne er lav nok, producerer Coulomb-frastødningen mellem elektroner med samme ladning potentiel energi, der burde dominere deres kinetiske energi, hvilket resulterer i, at elektronerne sidder stille. Deri ligger vanskeligheden.
'Elektroner er kvantemekaniske. Selvom du ikke gør noget ved dem, tukler de spontant rundt hele tiden,' sagde fysiker Kin Fai Mak fra Cornell University.
'En krystal af elektroner ville faktisk have en tendens til bare at smelte, fordi det er så svært at holde elektronerne fast i et periodisk mønster.'
Forsøg på at skabe Wigner-krystaller er derfor afhængige af en slags elektronfælde, som f.eks kraftige magnetfelter eller enkelt-elektron transistorer . I 2018 kan MIT-forskere, der forsøger at skabe en type isolator, have producerede i stedet en Wigner-krystal , men deres resultater efterlod plads til fortolkning.
MIT's fælde var en grafen struktur kendt som et moiré-supergitter, hvor to todimensionelle gitter er overlejret ved en lille drejning og større regelmæssige mønstre fremkommer, som det ses i eksempelbilledet ovenfor.
Nu har Cornell-teamet, ledet af fysikeren Yang Xu, brugt en mere målrettet tilgang med deres eget moiré-supergitter. Til deres to halvledende lag brugte de wolframdisulfid (WS2) og wolframdiselenid (WSe2) specielt dyrket ved Columbia University.
Når de blev overlejret, producerede disse lag et sekskantet mønster, hvilket gjorde det muligt for holdet at kontrollere den gennemsnitlige elektronbelægning på ethvert specifikt moiré-sted.
Det næste trin var omhyggeligt at placere elektroner på bestemte steder i gitteret ved hjælp af beregninger til at bestemme belægningsforholdet, ved hvilket forskellige arrangementer af elektroner vil danne krystaller.
Den sidste udfordring var, hvordan man rent faktisk kunne se, om deres forudsigelser var korrekte, ved at observere Wigner-krystallerne eller mangel på samme.
'Du skal ramme de helt rigtige forhold for at skabe en elektronkrystal, og samtidig er de også skrøbelige,' sagde Mak .
'Du har brug for en god måde at undersøge dem på. Du ønsker egentlig ikke at forstyrre dem væsentligt, mens du undersøger dem.'
Dette problem blev løst med isolerende lag af sekskantet bornitrid. En optisk sensor blev placeret meget tæt på (men ikke rørende) prøven, i en afstand på kun en nanometer, adskilt af et bornitridlag. Dette forhindrede elektrisk kobling mellem sensoren og prøven, samtidig med at der blev bevaret tilstrækkelig nærhed til høj detektionsfølsomhed.
Dette arrangement gjorde det muligt for holdet at sondere prøven rent, og de foretog deres påvisning. Inden for moiré-supergitteret er elektroner arrangeret i en række forskellige krystalkonfigurationer, herunder trekantede Wigner-krystaller, stribefaser og dimerer .
Denne præstation har ikke kun konsekvenser for at studere elektronkrystaller. Resultaterne viser det uudnyttede potentiale af moiré-supergitter til kvantefysisk forskning.
'Vores studie' skrev forskerne i deres papir , 'lægger grundlaget for at bruge moiré-supergitter til at simulere et væld af kvante-mange-kropsproblemer, der er beskrevet af den todimensionelle udvidede Hubbard-model eller spin-modeller med langrækkende ladnings-ladnings- og udvekslingsinteraktioner.'
Forskningen er publiceret i Natur .
Redaktørens note (13. nov. 2020): En tidligere version af denne artikel antydede forkert, at dette var første gang, Wigner-krystaller er blevet skabt og observeret. Vi har rettet dette og beklager fejlen.