Изследователи успяха за първи път да получат нов тип кристал, предречен още през 1934 г. теоретичният физик Юджийн Вигнер. За да постигнат това, те създават сложен капан за електрони и нов метод за анализ.
Да се изградят кристали от атоми и молекули обикновено не е трудно, но как може да се направи кристал само от електрони?
Преди 86 години Юджийн Вигнер (Eugene Wigner) предполага, че такава структура може да възникне, ако енергията на отблъскване, възникваща в резултат на взаимодействието на отрицателно заредените електрони, е по-голяма от кинетичната енергия на тези частици.
Обикновените кристали - като диаманти или кварц - се състоят от атоми, подредени във фиксирана, триизмерна повтаряща се решетъчна структура. Според идеята на Вигнер, електроните могат да бъдат подредени по подобен начин, за да образуват твърда кристална фаза, но само ако електроните са неподвижни.
"Електроните са квантовомеханични. Дори и да не им се въздейства, те спонтанно постоянно се движат", обяснява физикът Кин Фай Мак (Kin Fai Mak) от Университета Корнел. "Кристалът от електрони всъщност просто би се стопил, защото е много трудно да се поддържат електроните фиксирани в периодична стртуктура".
Следователно опитите за създаване на кристали на Вигнер разчитат на някакъв електронен капан, като мощни магнитни полета или едноелектронни транзистори, но пълната кристализация досега убягваше на физиците. През 2018 г. учените от Масачузетския технологичен институт, опитващи се да създадат тип изолатори, може би вместо това са произвели кристал на Вигнер, но резултатите им оставят място за интерпретация.
Суперрешетка. Кредит: UCSD Department of Physics
Капанът на MIT е графенова структура, известна като суперрешетка тип моаре, при която две двумерни решетки се наслагват с леко завъртане и се появяват по-големи периодични структури, както се вижда на примерното изображение по-горе.
Сега екипът на Корнел, воден от физика Ян Сю (Yang Xu), е използвал по-целенасочен подход за получавате на електронен кристал. Учените съединяват два двумерни полупроводникови слоя - волфрамов дисулфид (WS2) и волфрамов диселенид (WSe2). Така авторите създават капан за електрони. За да направят това, изследователите е трябвало внимателно да калибрират константите на решетката на двата материала. Когато ги наслагват, тези слоеве създават шестоъгълен модел, позволяващ на екипа да контролира средната плътност на електроните във всяко конкретно място от моарето.
Следващата стъпка е внимателно да се поставят електрони на определени места в решетката, използвайки изчисления за определяне на степента на запълване, при което различни разположения на електроните ще образуват кристали.
Последното предизвикателство за изследователите е как всъщност може да се разбере дали са успели да изградят кристал на Вигнер.
Задачата на физиците е да получат информация за състоянието на тези частици, така че тяхната интерфенция да не наруши деликатния баланс на системата. За целта учените поставят оптичен сензор само на два нанометра от капана, което им позволява да измерват важни свойства на получената система.
Авторите са успели да наблюдават образуването на няколко вигнерови кристала с различни симетрии вътре в капана.
Сега учените искат да направят системата по-стабилна, за да наблюдават по-сложни форми на симетрия на електронните кристали.
Справка: Correlated insulating states at fractional fillings of moiré superlattices
Yang Xu et al., DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2868-6
Източник: After 86 Years, Physicists Have Finally Made an Electron Crystal, ScienceAlert
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари