Физици са направили първото по рода си изображение на кристал на Вигнер - странен материал с шарка на пчелна пита вътре в друг материал, направен изцяло от електрони.
Унгарският физик Юджин Вигнер за първи път теоретически прогнозира този кристал през 1934 г., но са необходими повече от осем десетилетия, за да могат учените най-сетне да видят директно „електронния лед“. Красивото първо изображение показва електрони, смачкани заедно в стегнат, повтарящ се модел - като малки сини крила на пеперуда или притисната извънземна детелина.
Изследователите, публикували своето постижение на 29 септември в списание Nature, казват, че макар това да не е първият път, когато е създаден кристал на Вигнер правдоподобно и дори са били изследвани неговите свойства, визуалните доказателства, които са събрали, все пак са най-категоричното доказателство за съществуването на материала.
„Ако кажете, че имате електронен кристал, покажете ми кристала“, коментира за Nature News съавторът на изследването Фън Уан (Feng Wang), физик от Калифорнийския университет.
Вътре в обикновените проводници като сребро или мед или полупроводници като силиций, електроните се движат толкова бързо, че едва успяват да взаимодействат помежду си. Но при много ниски температури те се забавят много и отблъскването между отрицателно заредените електрони започва да доминира. Някога силно подвижните частици се забавят до неподвижност и се подреждат в повтаряща се шарка, подобна на пчелна пита, за да сведа до минимум общото им потребление на енергия.
 |
| Суперрешетка. Кредит: UCSD Department of Physics |
За да видят това в действие, изследователите използват по-целенасочен подход за получаване 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.
Капанът 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 вдясно.
След това, след като прилагат електрическо поле в пролуката, за да премахнат всички потенциално разрушителни излишни електрони, изследователите охлаждат своя електронен сандвич до 5 градуса над абсолютната нула. Разбира се, някога бързите електрони спират, установявайки се в повтарящата се структура на кристал на Вигнер.
След това изследователите използват устройство, наречено сканиращ тунелен микроскоп (STM), за да видят този нов кристал.
 Илюстрация: wikimedia |
| Схема на принципа на действие на сканиращия тунелен микроскоп |
По време на сканирането, иглата на микроскопа се движи над повърхността на пробата, тунелният ток се поддържа стабилен за сметка на действието на обратната връзка и показанията на следящата система се изменят в зависимост от релефа на повърхността. Тези промени се фиксират и на основата им се построява карта на височините. Има друг метод, който предполага движение на иглата на фиксирана височина над повърхността на образеца. В този случай се фиксира изменението на величината на тунелния ток и на основа дадената информация става изграждането на топографията на повърхността. Сканиращият тунелен микроскоп работи с точност до 0,001 нанометра или около 1% от атомния диаметър.
Но токът, създаван от STM, първоначално е бил твърде голям за деликатния електронен лед, „стопявайки“ го при контакт. За да спрат това, изследователите вмъкват едноатомен слой графен точно над кристала на Вигнер, което позволява на кристала да взаимодейства с графена и да остави отпечатък върху него, който STM може безопасно да чете - подобно на фотокопирна машина. Чрез проследяване на изображението, отпечатано изцяло върху графеновия лист, STM засне първата снимка на кристал на Вигнер, доказвайки съществуването му извън всякакво съмнение.
Сега, когато имат убедително доказателство, че кристалите на Вигнер съществуват, учените могат да използват кристалите, за да отговорят на по-дълбоки въпроси за това как множество електрони взаимодействат помежду си, например защо кристалите се подреждат като в пчелна пита и как се „стопяват“. Отговорите ще предложат рядък поглед към някои от най-неуловимите свойства на малките частици.
Справка: Li, H., Li, S., Regan, E.C. et al. Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals. Nature 597, 650–654 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03874-9
Източник: Scientists capture image of bizarre 'electron ice' for the first time, Live Science.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари