Physiker machen das erste Bild eines Elektronenkristalls

Normalerweise sieht man Elektronen um ihre Atome fliegen, doch ein Team von Physikern hat die Teilchen nun in einem völlig anderen Zustand abgebildet: Sie liegen zusammen in einer Quantenphase, einem sogenannten Wigner-Kristall, ohne Kern im Kern.

Die Bühne ist nach Eugene Wegener benannt, der Es wurde 1934 vorhergesagt Elektronen kristallisieren im Gitter, wenn einige Wechselwirkungen zwischen ihnen stark genug sind. Das letztgenannte Team nutzte hochauflösende Rastertunnelmikroskopie, um den vorhergesagten Kristall direkt abzubilden; Ihre Forschung ist veröffentlicht Diese Woche in der Natur.

„Der Wigner-Kristall ist eine der faszinierendsten Quantenphasen, die jemals für Materie vorhergesagt wurden, und er ist Gegenstand zahlreicher Studien, die bestenfalls indirekte Beweise für seine Entstehung gefunden haben“, sagt Ali Yazdani, Physiker an der Princeton University und ein Forscher in Physik an der Princeton University. Leitender Autor der Studie an einer Universität Start.

Elektronen stoßen sich gegenseitig ab: Sie halten sich gerne voneinander fern. In den 1970er Jahren ein Team der Bell Laboratories Erstelle einen Elektronenkristall Indem sie Partikel auf Helium streuten, beobachteten sie, dass sich die Elektronen wie ein Kristall verhielten. Aber diese Erfahrung blieb im klassischen Bereich stecken. Das neueste Experiment erzeugte laut dem Team einen „echten Wigner-Kristall“, da die Elektronen im Gitter als Welle und nicht als zusammengeklebte einzelne Teilchen wirkten.

Wigner stellte die Hypothese auf, dass diese Quantenphase der Elektronen aufgrund der gegenseitigen Abstoßung zwischen Teilchen und nicht trotzdem auftreten würde. Dies geschieht jedoch nur bei sehr kalten Temperaturen und unter Bedingungen geringer Dichte. In dem neuen Experiment platzierte das Team Elektronen zwischen zwei Graphenschichten, die vollständig von Materialfehlern befreit worden waren. Anschließend kühlten sie die Proben ab und legten ein senkrechtes Magnetfeld an sie an. Die höchste Magnetfeldstärke betrug 13,95 Tesla und die niedrigste Temperatur 210 mK. Die Platzierung von Elektronen in einem Magnetfeld schränkt ihre Bewegung weiter ein und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sie kristallisieren.

„Es gibt eine inhärente Abstoßung zwischen den Elektronen“, sagte Minhao He, Forscher an der Princeton University und Co-Erstautor der Arbeit, in derselben Pressemitteilung. „Sie wollen sich gegenseitig auseinanderdrücken, aber in der Zwischenzeit können die Elektronen aufgrund der endlichen Dichte nicht unendlich weit voneinander entfernt sein. Das Ergebnis ist, dass sie eine saubere, regelmäßige Gitterstruktur bilden, wobei jedes lokalisierte Elektron einen bestimmten Raum einnimmt.“

Das Team war überrascht, dass der Wegener-Kristall über einen längeren Zeitraum als erwartet stabil blieb. Bei höheren Dichten wich die kristalline Phase jedoch … Elektronenflüssigkeit. Als nächstes wollen die Forscher abbilden, wie die Wigner-Kristallphase unter einem Magnetfeld anderen Elektronenphasen Platz macht.

Dies sind aufregende Tage zum Studium exotischer Materialien, von… Zweiter Soundcheck für Temperatur Zu Zeitkristalle, die länger halten Mehr als je zuvor. Durch die Untersuchung der Materie an ihren Rändern werden Physiker in der Lage sein, die Dinge, aus denen unser Universum besteht, und die mysteriösen Gesetze, denen sie gehorchen, besser zu verstehen.

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