Группе исследователей из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich) впервые в истории науки удалось сформировать на поверхности полупроводникового материала и наблюдать за экзотическим кристаллом, состоящим исключительно из электронов. Этим достижением они подтвердили выдвинутый около 90 лет назад, в 1934 году Юджином Вигнером (Eugene Wigner), теоретический прогноз, который на протяжении всего этого времени был одним из главных вызовов в области физики конденсированного вещества.
В 1394 году Юджин Вигнер, основатель теории симметрий в квантовой механике, продемонстрировал, что электроны в среде материала с определенными электрическими свойствами, могут организоваться и создать образ, напоминающий кристаллическую решетку. Это должно было произойти, когда потенциальная энергия взаимного отталкивания электронов будет больше кинетической энергии их движения. И электроны устроятся таким образом, что их полная энергия будет как можно меньше. Такие "кристаллы Вигнера" оставались лишь теоретическим понятием долгое время, ведь они могут формироваться только при чрезвычайно низких температурах, количество свободных электронов очень мало в любом материале и сами электроны очень малы. Это, в свою очередь, означает, что кинетическая энергия электронов в обычном состоянии всегда будет намного больше, чем энергия электростатических взаимодействий между ними.
Для создания "кристалла Вигнера" ученые использовали тончайший слой полупроводникового материала - диселенида молибдена. Поскольку этот слой имеет толщину в один атом, то электроны в материале могут двигаться только в пределах одной двумерной плоскости. Исследователи увеличили количество свободных электронов, подав на материал электрический потенциал через прижатые к нему графеновые электроды. И, согласно теоретическим расчетам, уникальные электронные свойства диселенида молибдена при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля, должны способствовать возникновению "кристаллов Вигнера".
Однако, повышенной вероятности возникновения "кристалла Вигнера" еще не совсем достаточно для совершения открытия. Ученым требовалось доказать, что такие кристаллы возникли реально и исследовать их некоторые свойства. Это затруднено тем, что расстояние между электронами в решетке кристалла составляет около 20 нанометров, в тридцать раз меньше, чем длина волны света видимого диапазона, что делает невозможным прямое наблюдение этого явления при помощи даже самых совершенных микроскопов.
Для того, чтобы "визуализировать" электроны "кристалла Вигнера" ученые использовали свет лазера с определенной частотой, который возбудил на поверхности материала так называемые экситоны, квазичастицы, состоящие из взаимосвязанного свободного электрона и электронной дырки. Зная частоту возникновения экситонов, направление и скорость их движения, ученые определили эффекты от взаимодействия экситонов с другими свободными электронами в материале.
В результате взаимодействия экситонов и электронов возникает эффект, очень похожий на эффект, возникающий, когда в объектив видео- или кинокамеры попадает вращающееся колесо автомобиля к примеру. При достижении автомобилем определенной скорости возникает оптический обман, из-за которого зрителю сначала кажется, что колесо автомобиля сначала полностью останавливается, а затем начинает вращаться в обратном направлении. Это происходит, когда видимый элемент диска колеса перемещаются на место другого такого элемента за время, за которое камера делает один кадр, 40 мс. Точно также происходит и с движущимися с определенной скоростью экситонами, они сначала "замирают на месте", а затем создается впечатление, что они начинают двигаться в обратную сторону.
И в заключение следует отметить, что данный случай является первым разом в истории, когда ученые получили прямым путем доказательство регулярного расположения электронов в полупроводниковом материале. Да, ранее были и другие подобные попытки, но во всех них ученые использовали лишь косвенные методы измерений, достоверность результатов которых находится под большим знаком вопроса.
В своих дальнейших исследованиях швейцарские ученые планируют при помощи разработанной ими технологии провести наблюдение за процессом формирования "кристаллов Вигнера" из "электронной жидкости", имеющей полностью беспорядочную природу.