Исследователи визуализировали кристаллическую решетку, сформированную одними электронами. Физики из Принстонского университета впервые получили прямые доказательства существования вигнеровского кристалла — странного вида материи, полностью состоящей из электронов. Ученым удалось визуализировать странные структуры, подтвердив 90-летнюю теорию, что электроны могут без атомов собираться в структуры, напоминающие кристаллы.
В 1930-х годах физик Юджин Вигнер написал статью, в которой предложил революционную идею, что взаимодействие между электронами может привести к их спонтанному расположению в плотную кристаллоподобную структуру. Ученый предположил, что в условиях низкой плотности и чрезвычайно низких температур отталкивание между электронами должно привести к тому, что их потенциальная энергия будет доминировать над потребностью частиц перемещаться, заставляя их выстраиваться в кристаллическую решетку.
На протяжении десятилетий физики пытались подтвердить существование кристаллов, но до сих пор все были получены только косвенные доказательства. В новом эксперименте ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы подтвердить формирование вигнеровского кристалла.
Физики использовали магнитные поля, чтобы индуцировать электронный вигнеровский кристалл в «идеально чистом» графене, в котором отсутствуют атомные дефекты, способные исказить результат. Два листа графена охладили до температуры, незначительно превышающей абсолютный ноль. После этого ученые поместили материал в магнитное поле для настройки плотности электронного газа, находящегося между слоями графена.
В нашем эксперименте мы можем визуализировать систему, настроив количество электронов на единицу площади. Просто изменив плотность, вы можете инициировать этот фазовый переход и обнаружить, что электроны спонтанно превращаются в упорядоченный кристалл, – Йен-Чен Цуй, соавтор исследования.
Визуализация позволила не только подтвердить существование кристаллов, но и изучить их свойства. Например, ученые обнаружили, что кристалл имеет треугольную конфигурацию и что его можно постоянно настраивать в зависимости от плотности частиц. Это показывает, что вигнеровский кристалл на самом деле стабилен на очень большом расстоянии, что противоречит существующим теориям. Физики также обнаружили, что электроны занимают не одну точку решетки, а размытый диапазон положений, описываемый как движение в нулевой точке.