Materialets struktur. (Li et al., Nature, 2021) Fysikere har taget det første billede nogensinde af en Wigner-krystal - et mærkeligt bikagemønstermateriale inde i et andet materiale, lavet udelukkende af elektroner.
Den ungarske fysiker Eugene Wigner teoretiserede først denne krystal i 1934, men det har taget mere end otte årtier for videnskabsmænd endelig at få et direkte kig på 'elektronisen'.
Det fascinerende første billede viser elektroner presset sammen til et stramt, gentagende mønster - som små blå sommerfuglevinger eller tryk af en fremmed kløver.
Forskerne bag undersøgelsen, offentliggjort den 29. september i tidsskrift Natur , siger, at selvom det ikke er første gang, at en Wigner-krystal er blevet plausibelt skabt eller endda har fået dens egenskaber undersøgt, er de visuelle beviser, de har indsamlet, det mest eftertrykkelige bevis på materialets eksistens endnu.
Relaterede: 12 fantastiske kvantefysiske eksperimenter
'Hvis du siger, du har en elektronkrystal, så vis mig krystallen,' medforfatter Feng Wang, fysiker ved University of California, fortalte Naturnyheder .
Inde i almindelige dirigenter som sølv eller kobber , eller halvledere som silicium , lyner elektroner rundt så hurtigt, at de næsten ikke er i stand til at interagere med hinanden. Men ved meget lave temperaturer sænker de farten til en gennemgang, og frastødningen mellem de negativt ladede elektroner begynder at dominere.
De engang meget mobile partikler går i stå og arrangerer sig selv i et gentaget, honeycomb-lignende mønster for at minimere deres samlede energiforbrug.
For at se dette i aktion fangede forskerne elektroner i mellemrummet mellem atomtykke lag af to wolfram halvledere - den ene wolframdisulfid og den anden wolframdiselenid.
Derefter, efter at have påført et elektrisk felt hen over mellemrummet for at fjerne eventuelle potentielt forstyrrende overskydende elektroner, kølede forskerne deres elektronsandwich ned til 5 grader over absolut nul .
Sikkert nok stoppede de engang hurtige elektroner og satte sig ind i den gentagne struktur af en Wigner-krystal.
Forskerne brugte derefter en enhed kaldet et scanning tunneling microscope (STM) til at se denne nye krystal. STM'er virker ved at påføre en lille spænding over en meget skarp metalspids, før den kører lige over et materiale, hvilket får elektroner til at springe ned til materialets overflade fra spidsen.
Den hastighed, som elektroner hopper fra spidsen, afhænger af, hvad der er under dem, så forskere kan opbygge et billede af punktskriftlignende konturer af en 2D-overflade ved at måle strøm, der flyder ind i overfladen ved hvert punkt.
Men strømmen leveret af STM var i begyndelsen for meget til den sarte elektronis, og 'smeltede' den ved kontakt. For at stoppe dette indsatte forskerne et enkeltatomlag af grafen lige over Wigner-krystallen, hvilket gør det muligt for krystallen at interagere med grafenen og efterlade et indtryk på den, som STM'en sikkert kunne læse - meget ligesom en fotokopimaskine.
Ved at spore billedet indprentet på grafenarket fuldstændigt, fangede STM det første øjebliksbillede af Wigner-krystallen, hvilket beviste dens eksistens ud over enhver tvivl.
Nu hvor de har afgørende bevis for, at Wigner-krystaller eksisterer, kan forskere bruge krystallerne til at besvare dybere spørgsmål om, hvordan flere elektroner interagerer med hinanden, såsom hvorfor krystallerne arrangerer sig i honeycomb-rækkefølger, og hvordan de 'smelter'.
Svarene vil give et sjældent indblik i nogle af de mest uhåndgribelige egenskaber ved de små partikler.
Relateret indhold:
De 18 største uløste mysterier i fysik
De 9 mest massive tal, der findes
Denne artikel blev oprindeligt udgivet af Live Science . Læs den originale artikel her .